大学物理56450

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撰稿：王祖源制作：谢宁张庆福《大学物理》电子教案1\n《大学物理》课程介绍绪论预备知识简介2\n课程介绍课程安排几点希望教学基本思想3\n课程安排课时:4162=128学时,课外:复习,作业,预习部分演示实验开放,学分:42=8教材:《大学物理》上、下册上册物质世界运动和守恒定律相对论和时空热力学与统计物理下册电磁场与电磁波量子物理学基础4\n参考书赵凯华：《新概念物理教程——力学、热学》陆果：《基础物理学》徐行可：《物理学概论》费曼：《物理学讲义》徐旭笃：《物理学教程》上、下册吴锡珑：《大学物理教程》共三册张三慧：《大学物理学》共五册5\n杂志6\n7\n教学的时代背景时代特征：知识爆炸，科技转化为生产力的周期越来越短。科学技术工程密切结合，交叉发展对人才的要求：具有科学家头脑的工程师，具有工程师技术意识的科学家。8\n教学的基本思想(1)把科学素质教育放在首位。1)培养辨证唯物主义世界观。2)培养探索精神、创新精神。3)培养科学方法。4)培养科学思维能力。物理课要求同学发展以下能力：数学运用能力如自学能力归纳总结能力表达能力知识迁移能力创新能力(2)从“教会”转变到引导“学会”。(3)注意学习兴趣和非智力因素。9\n几点希望(1)了解课程特点,掌握正确的学习方法。(2)主动积极的学习态度。(3)教学相长，紧密配合，经常反映意见和要求。10\n绪论*明确为什么学？学什么？怎样学？在物理学中学什么为什么要学物理学怎样学习物理学physics目的：获得学习“大学物理”的自觉意识和较高的起点。11\n一、为什么要学物理学什么是物理学？物质：不依人的意识而独立存在的客观实在。物理：Physics自然哲学物——物质的结构和性质理——物质的运动和变化规律物理——研究物质的基本结构、基本相互作用和基本运动规律的科学。基本结构基本相互作用基本运动规律物理学的一个永恒主题是寻找各种序、对称性和对称性破缺、守恒定律或不变性。序对称性守恒定律12\n对于任何专业，大学基础物理课的目的，都是使学生对物理学的内容和方法、工作语言、概念和物理图像及其历史、现状和前沿等方面，从整体上有个全面的了解。这是一门培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。赵凯华研究不同层次上物质的结构、物质间相互作用和相互作用下产生的运动形态和运动规律，始终是基础科学无止境的前沿。周光召13\n特点：1)要以相对论、量子物理为基础2)观察和实验手段及设备越来越精密3)交叉学科层出不穷4)与新技术革命密切相关当代物理前沿：研究微观结构更深层次，研究单个粒子的结构与性能及少数粒子间的相互作用，最后希望统一四种相互作用力。从物质的微观结构出发，揭开宏观多粒子系统复杂结构的奥秘----现代统计物理及凝聚态物理。少体问题多体问题天体问题探索大尺寸的宇观领域，揭开宇宙的奥秘。14\n物理学具有以下特征：1)物理学是一门理论和实验相结合的科学。2)物理学要用“模型”回答问题。3)物理学是一门定量的科学。4)物理学的哲学基础是辨证唯物主义。定位：物理教育——科学素质教育不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务为提高自身素质，对终身学习和发展起作用为什么要提高工科学生的物理素质？根本原因：物理学与工程技术的关系15\n*第一次工业革命（17~18世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。*第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电信设备的出现和应用。*第三次工业革命(20世纪)：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。三次工业革命16\n*物理技术物理物理学与技术关系的两种模式*技术物理技术在现代社会中主要以第二种方式进行。例：计算机技术是这个崭新的信息时代的关键，其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果：电子和信息技术的物理基础激光技术的物理基础核技术的物理基础技术—物理—技术的典型例子17\n电子和信息技术的物理基础1925年量子力学建立1926年Fermi-Dirac统计法提出，得知固体中电子服从Pauli原理1929年能带理论提出并得到证实，从理论上解释了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；Fermi面概念及其可测量的提出1947年发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖）1957年建立Fermi面编目1962年制成集成电路（IC）70年代末大规模和超大规模集成电路（VLIC）18\n激光技术的物理基础1860年Maxwell建立光的电磁理论1900年Planck提出能量子理论1917年Einstein提出受激辐射理论1953年制成微波激射器（Maser）1960年Maiman制成红宝石激光器60~70年代激光器及其应用高速发展，月球上设置激光反射器1982年激光全息术80~90年代激光外科手术，通信，光盘，激光武器等19\n核技术的物理基础1896年Becquerel发现铀的天然放射性1905年Einstern创立狭义相对论，得1911年Rutherford提出原子的有核模型1925年量子力学建立1932年建立原子核的质子——中子模型1933年发现人工放射性1945年原子弹1952年氢弹1954年建立第一座核电站20\n物理学提供科学原理指导技术路线的选择和技术方案的改进培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远、层次高、后劲足蒸汽机车内燃机车电力机车常导、超导磁悬浮列车21\n纳米（）技术皮秒（）技术超导技术…...直接从各分支物理实验室移植到工业上扫描隧道显微镜原理图吸附在铂表面的碘原子阵列22\n二、在物理学中学什么？知识、方法、科学观念1.学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性整体性注意掌握知识的结构和联系上册教材结构和主线对称性实物世界结构层次运动和守恒定律相对论和时空热力学和统计物理宏观粒子模型多粒子体系对称性破缺时空对称性参考系等价性无序有序23\n下册教材结构和主线场模型微观粒子模型变化的电场和磁场波粒二象性波函数与薛定谔方程波动光学量子理论应用静电场和稳恒磁场普朗克恒量物理学的基本框架经典物理力学(实物粒子)电磁学(场)热力学统计物理(多粒子体系)相对论力学量子力学量子统计物理相对论量子力学相对论量子场论?24\n例如：质量m初中：循环定义？高中：惯性质量引力质量大学：能量载体前沿：质量究竟是什么？是如何产生的？将所有自然现象纳入力的范畴——机械决定论。例如：力对时间积累动量定理——动量守恒对空间积累动能定理——机械能守恒力矩定轴转动物体的平衡发展性不断从新的角度审视物理概念和规律,关注其内涵的丰富,应用的扩展,相互关系的变化。25\n近代物理：能量表象优于力的表象。中心：守恒量——动量、角动量、能量守恒定律与自然界对称性的联系——卷首语注意提高应用物理知识解决实际问题的能力。迁移性2.学习物理方法观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说指导性原理:简单性原理,对应原理例如：理想化方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体)理想实验（伽利略、牛顿）理想过程(准静态、绝热)26\n3.学习先进的科学观念*物理学描述的是关于实在世界的模型物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。避免僵化，寻求发展和创新！普朗克：感觉世界物理科学世界真实世界大量唯象定律较高层次定律自然界的基本法则(中介)逼近目标归纳总结联系27\n*自然是和谐统一的整体物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。——爱因斯坦自然界的复杂性是由简单规则演变而来。学科的分化、交叉、整合。人与自然的和谐发展——新的自然观一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境效益，树立“整体优化”和“可持续发展”的价值观念。28\n三、怎样学习物理学?书山有路勤为径,学海无涯悟作舟物理学方法：观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、类比、理想化、假说学习要求:(1)学习事实、定律、方程、解题方法和技巧。(2)从整体上、逻辑上协调地学习物理学。不要只学习分离的知识，注意它们的整体性、关联性。(3)关注物理理论和方法在交叉学科和工程技术中的应用。29\n(4)对基本定律的优美、简洁、和谐以及辉煌要有所体会。(5)学会区分：理论与应用；物理思想与数学工具；一般规律与特殊事实；主要与次要；传统的和现代的推理方式。30\n四.预备知识(一)物理量的组成一个物理理论通常由以下几个部分组成：概念——通常是抽象的、不能直接感知的；关于这些概念的数学表示(物理量)的假定；一个(组)方程式，表示物理量之间的关系。1.物理量：矢量（印刷：，手写：);标量（如：T,m等);旋量，张量，复数通过测量定义的量，如长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度等通过基本概念和基本物理量而得到的量物理量基本量导出量31\n2.量纲(dimension)在不考虑数字因素时，表示一个物理量是由哪些基本量导出的，以及如何导出的式子(比单位更重要)。如：长度L，质量M，时间T等。任何一个力学量的量纲可表示为其中，，为量纲指数。如速度[Q]=LT-1。注意：无量纲量可以有单位。如行星轨道周期变短的速率其单位是秒/世纪，但无量纲。无量纲的量常常有重要应用。物理量多数是有单位的。现在统一采用国际单位制（SI）(systemofinternationalunits)，如：kg,s,m32\n(二)矢量(vector)—既有大小又有方向的量1.矢量的表示方法:2.矢量的计算矢量加减几何法解析表示法：A=(A1,A2,A3)，大小A=A+BABBA几何表示法：有指向的线段，如33\n解析法数乘：一个矢量乘以一个标量为矢量的分解：一个平面内，如果存在两个不共线的矢量和，则平面内的矢量可分解为与平行与反平行34\n标量积（点积、内积）scalar,dot,innerproduct夹角其中之一是零矢量当B为单位矢量时，AB就是A在单位矢量方向上的投影。35\n矢量积（叉积、外积）vector,cross,externalproduct右旋前进方向大小：平行四边形面积性质：方向：36