1、物理学：物质及其运动规律的科学物理学：物质及其运动规律的科学 序言序言 人类自古以来就对自然界充满好 奇。日出日落、辰宿列张、春华秋实、 寒来暑往，大自然的各种神奇现象让 人们惊叹不已，强烈渴望弄清其背后 的规律和联系。这种好奇心和人类提 高生产力水平的需求，构成了自然科 学发展最主要的两个动力。在它们的 驱使下，人类对自然规律进行着不懈 的探索。物理学是这些探索过程中结 出的最重要的果实之一。 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 早在2000多年前的古希腊时期，亚里士多德、阿基米德等一批科学家就开始了 对物理现象和规律的探索，并发现了杠杆原理、浮力定律等规律。这是物理学
2、的 萌芽时期。1617世纪、伽利略和牛顿等人在前人工作的基础上创立了系统性的力 学理论.建立了实验观测和理论分析计算相结合的现代研究方式。1687年，牛顿出 版了他的名著自然哲学的数学原理。这标志着现代意义的物理学正式诞生。 创原家独 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 牛顿自然哲学的数学原理第一 版的复印件，这部著作被誉为科学史上 最重要的著作之一 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理
3、学概述 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 阿尔伯特爱因斯坦（18791955），出 生于德国符腾堡王国乌尔姆市， 1905年， 爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位， 并提出光子假设、成功解释了光电效应， 因此获得1921年诺贝尔物理奖。 爱因斯 坦于1905年创立狭义相对论，1915年创立 广义相对论。爱因斯坦的理论为核能的开 发奠定了理论基础，为帮助对抗纳粹， 1939年他在利奥西拉德的协助下曾致信 美国总统富兰克林罗斯福、直接促成了 曼哈顿计划的启动，而二战后他积极倡导 和平、反对使用核武器，并签署了罗 素爱因斯坦宣言。爱因斯坦开创了现 代科学技术新纪元，被公认为是
4、继伽利略、 牛顿以来最伟大的物理学家。 网 远到宇宙深处，近至咫户之间，面对广袭苍穹之浩瀚、基本粒子之精微，物理 学定量地研究物质的存在形式、基本性质以及运动和转化规律。物理学不仅要探索 物质的深层次结构，还要在不同层次上认识物质的组成部分及其相互作用。因此， 说物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 物理学也是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻物理学也是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻 辑推理的。在物理学研究中形成的辑推理的。在物理学研究中形成的研究成果和方法被应用研究成果和方法被应用 于自然科学的各个领域。极大的推动了于
5、自然科学的各个领域。极大的推动了科学、技术和社会科学、技术和社会 的发展，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。的发展，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 科 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 物质世界的空间尺度物质世界的空间尺度 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 一代代物理学家们在探究客观世界的过程中发展了很多 行之有效的，并努力运用它们解决各种实际问题。 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理物理学概述物理学概述 学 学以致知
6、，学以致知，客观理性客观理性物理学背后的科学精神物理学背后的科学精神 首先是学以致知的探索精神。首先是学以致知的探索精神。人类对自然界的好奇心是科学发 展最重要的动力之一。人们在它的驱使下研究很多问题，其中， 有的能直接转化成技术，服务于实际应用，但是也有很多是当时 看不到直接用途的。比如伽利略研究的力和运动的问题、牛顿发 现的万有引力定律，当时都属于无用之学。正是这些看似没有用 的、以求知为目的的探索，使人们获得了对自然规律完整深入的 认识 学以致知，学以致知，客观理性客观理性物理学背后的科学精神物理学背后的科学精神 其次是实事求是的客观精神其次是实事求是的客观精神。物理学的目的是求真，客观
7、事 实是判断对错的标准，对就是对，错就是错。猜想和论断必须 能经受得住实验的检验和逻辑的推敲。 第三就是理性分析的精神。第三就是理性分析的精神。物理学强调数学计算和逻辑分析， 环环相扣，有原因才有结果。不合乎逻辑的地方必然意味着有 问题，必须搞清楚。物理学的殿堂中，没有诡辩者的位置。 学以致知，学以致知，客观理性客观理性物理学背后的科学精神物理学背后的科学精神 需要指出的是，科学精神不仅对科学研究很重要，而且在社 会生产、日常生活的各方面都是有价值的。现代社会分工精细、 节奏紧凑，很多时候“失之毫厘，差之千里”。这就要求我们在 工作和生活中要做到实事求是、严谨认真并且讲求逻辑，敬畏和 尊重客观
8、规律，从而提高效率、减少失误。另外，秉承实事求是 和讲求逻辑的精神，还会使我们在碰到问题的时候，面对现实、 认真分析，根据实际作出判断与选择，不盲从、不走极端。 学以致知，学以致知，客观理性客观理性物理学背后的科学精神物理学背后的科学精神 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 物理学的发展，推动了工业、农业和信息技术等方面 的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生产 和生活方式。技术的进步又为物理学的研究提供了更为 强大的手段，并引发人们对物理问题进行更深入地思考， 从而反过来促进物理学的发展。 创立于17世纪的牛顿力学， 被广泛地应用于工程技术，大大 推动了社会
9、发展。l819世纪， 工程上对蒸汽机等热机的改进需 求，又迫使人们对热的问题进行 深入研究，引发了热力学的巨大 进步。 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 1920世纪初，电磁学的发展，直接导致发电机和无线 电通信的诞生，使电能被广泛利用。电走进了千家万户， 世界被电灯点亮，电话和电报把各地的人们连接起来，人 类从此进入了电气时代。 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 进入20世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。人们掌握了微观世界的规 律，这更为有力地推动了技术的进步和社会的变革。对原子核的认识.使人们掌 握了核能，建造了核电站并发展了治疗肿
10、瘤的放疗等技术；对固体中电子运动 的研究，引发了半导体工业的诞生，导致了品体管、集成电路和大容量电子存 储技术的发明.从而使人们可以制造高性能电子计算机；对原子、分子物理和光 学的深入研究，引发了原子钟、激光和光纤通信等技术的诞生。原子钟是卫星 定位系统的核心，激光被广泛用于工业、通信、医疗和国防，而遍布全球的光 纤网是互联网的物理载体，它把全世连在一起，毫不夸张地说，20世纪是物理 学的世纪，人们每时每刻都在享受物理学发展带来的果实，今天世界的整个面 貌，都和物理学的巨大进步密不可分。 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 任何真正的科学，随生产发展、社会进步任何真正
11、的科学，随生产发展、社会进步 而产生推动社会进步而产生推动社会进步 元前的耕地，欧氏几何元前的耕地，欧氏几何 西方的文艺复兴，资本主义兴起西方的文艺复兴，资本主义兴起 牛顿力学牛顿力学 工业革命，热力学工业革命，热力学 麦克斯韦电动力学麦克斯韦电动力学 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19261926 实现电视实现电视 图象传输图象传输 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19281928 跨大西洋的图跨大西洋的图 象无线传输象无线传输 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19301930 首次提出火箭首次提出火
12、箭 发动机专利发动机专利 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19381938 基于硒在光照基于硒在光照 下变成良导体，下变成良导体， XEROXXEROX公司应用公司应用 它制成第一台复它制成第一台复 印机印机 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19391939 实现调频广播实现调频广播 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19491949 用用X X射线分析青霉射线分析青霉 素晶体结构素晶体结构 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 1951 1951年，沃森到克里克所在的卡文迪什实验室
13、，在威尔金斯等的年，沃森到克里克所在的卡文迪什实验室，在威尔金斯等的X X 射线衍射分析资料的基础上，于射线衍射分析资料的基础上，于19531953年提出年提出DNADNA双螺旋分子结构模型双螺旋分子结构模型 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19571957 人造卫星上天人造卫星上天 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19581958 B B超在医学上应用超在医学上应用 医院里最先进的设备，往往是物理学刚刚发展的技术 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 1960 载人航天载人航天 揭示自然，造福人类揭示自然，造
14、福人类物理学的应用物理学的应用 19671967 家用微波炉上市家用微波炉上市 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19691969 人类登上月球人类登上月球 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 19971997 无人探测车登上火星无人探测车登上火星 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的应用 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 19世纪下半叶，以力学、热学和电磁学为主要内容的经典物理学，几乎能解释 当时已知的所有物理现象。因此，当20世
15、纪第一个春天来临之际，英国物理学家、 被授予“开尔文勋爵”的J.J.汤姆孙在“新春献词”的演说中，踌躇满志地宣告： “科学大厦已经基本建成后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就行了。” 但话音刚落，他的预言就被一个接一个的重大发现所打破。从下表中可以看出，在 20世纪，物理学捷报频传，重大发现此伏彼起.从来没有停止过。 普朗克普朗克居里夫人居里夫人爱因斯坦爱因斯坦 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 “江山代有才人出，各领风骚数百年。”综观世界科技史，许多重要的科 学发现都产生于科学家风华正茂的青年时期，在
16、这个阶段他们思维敏捷、敢 于创新。年轻的同学们，你们当中一定会有人沿着前辈的足迹，为物理学的 发展作出自己的贡献。千里之行，始于足下，学好高中物理，你就在通向成 功的道路上迈出了坚实的一步。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 1 1、航天与空间技术、航天与空间技术 在牛顿力学和万有引力定律的基础在牛顿力学和万有引力定律的基础 上发展起来的空间物理，能把宇宙上发展起来的空间物理，能把宇宙 飞船送上太空，使人类实现了飞天飞船送上太空，使人类实现了飞天 的梦想。的梦想。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理
17、学的未来物理学的未来 航天飞机航天飞机 宇宙空间站宇宙空间站 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 嫦娥一号于嫦娥一号于20072007年年1010月月2424日，在西昌卫星发射中心由日，在西昌卫星发射中心由“长征三号长征三号 甲甲”运载火箭发射升空。嫦娥一号发射成功，中国成为世界上第运载火箭发射升空。嫦娥一号发射成功，中国成为世界上第 五个发射月球探测器的国家。五个发射月球探测器的国家。 嫦娥一号嫦娥一号 嫦娥奔月嫦娥奔月 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 2、带电粒子在电场磁场中的、带电粒子在电场磁场中的 偏转偏转在科技中的应用。 电视机
18、显像管电视机显像管 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 3、放射线的应用 医疗上的放疗放疗。在医疗上还有很多， 如用于治疗脑瘤的 刀刀。如核磁共振，核磁共振， 超声波，超声波，X光机光机等。 X线摄片、线摄片、CT、磁共振成像可称为三驾马车，、磁共振成像可称为三驾马车， 三者有机地结合，使当前影像学检查既扩大三者有机地结合，使当前影像学检查既扩大 了检查范围，又提高了诊断水平。了检查范围，又提高了诊断水平。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 4、微电子技术、微电子技术:半导体半导体 芯片、电子计算机。芯片、电子计算机。 半导体芯片半导体芯片
19、 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 5、激光、激光。激光物理的进展使激光在制造业、医疗 技术和国防工业中的得到了广泛的应用。大家熟悉 的微机光盘就是用激光读的。光导纤维等。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 现代通信现代通信 光导纤维光导纤维 6、超导、超导。磁悬浮列车等磁悬浮列车等。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 镶嵌了镶嵌了4848个个 Fe 原子的原子的 Cu 表面的扫描隧道显微镜表面的扫描隧道显微镜 照片。照片。48 48 个个 Fe 原子形成原子形成“电子围栏电子围栏” 7、纳米技术、纳米技术，
20、使人们可以按照自使人们可以按照自 己的需要设计并重己的需要设计并重 新排列原子或者原新排列原子或者原 子团，使其具有人子团，使其具有人 们希望的特性。们希望的特性。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 纳米机器人只有细胞般大 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 8、生命科学、生命科学的发展也离不开物理学。 利用X射线衍射的方法成功地测定了 DNA的双螺旋结构。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来 物理前沿：物理前沿： u 宇宙与物质结构，生命起源。宇宙与物质结构，生命起源。 u 中微子振荡及中微子其他特性研究中微子振荡及中微子其他特性研究 u 宇宙背景辐射研究宇宙背景辐射研究 u 激光点阵导致量子相变激光点阵导致量子相变 u 光子晶体自组装：探求光学线路代替光子晶体自组装：探求光学线路代替 电子线路电子线路 u 量子信息处理量子信息处理 u 夸克粒子夸克粒子 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战物理学的未来物理学的未来
