1、大学物理绪论于永丽于永丽物理与电子信息工程学院物理与电子信息工程学院159687908581-B116杠杆轻撬，一个世界从此转动；杠杆轻撬，一个世界从此转动；王冠潜底，一条定理浮出水面。王冠潜底，一条定理浮出水面。三棱镜中折射出七色彩虹；大荒原上升腾起蘑菇烟尘。三棱镜中折射出七色彩虹；大荒原上升腾起蘑菇烟尘。苹果落地，人类飞向太空；蝴蝶振羽，风云为之色变。苹果落地，人类飞向太空；蝴蝶振羽，风云为之色变。这就是物理学这就是物理学实验室中窥探上帝的杰作实验室中窥探上帝的杰作-对称对称而又简洁而又简洁-有趣有趣而又深刻而又深刻在这里在这里你会赞叹伽利略的文采你会赞叹伽利略的文采你会折服牛顿的深刻你会
2、折服牛顿的深刻你会惊讶法拉第的想象你会惊讶法拉第的想象你会钦佩麦克斯韦的数学你会钦佩麦克斯韦的数学世界正要变得混沌世界正要变得混沌上帝说上帝说让爱因斯坦出场吧让爱因斯坦出场吧于是乌云散去于是乌云散去但世界更加不可琢磨但世界更加不可琢磨 物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基本规律的科学本规律的科学.物物 理理物质结构和性质物质结构和性质物质的运动和变化规律物质的运动和变化规律微观粒子微观粒子宏观物质宏观物质宇观物质宇观物质质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命
3、 10-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s1025m10亿光年观测到的宇宙，图中每一个点所表现的事物都是无比古远的。1024m1亿光年视野缩小10倍，宇宙看起来还是空空如也，星光点点。可是，那些点点斑斑的真的是星星吗？1000万光年把眼光再降低一个数量级，那些点点看起来依然象是星星100万光年近些，再近些。星星吗？银河系。10万光年银河系，我们的家园。直径十万光年。1万光年现代研究得出结论：太阳系位于银河系螺旋翼内侧的边缘，距离银河系中心大约2.5万光年。若视银河系为一个巨大的扁盘，我们就应该在这张扁盘的平面上。1千光年密密麻麻！100光年再近点，还是密密麻麻！10光年又是密密麻麻！1光年
4、这是什么？1万亿公里依然雾气昭昭的一团1千亿公里是太阳系100亿公里放大十倍观察太阳系。图中亮点仅是背景上离得遥远的星星，并非太阳系的一部分。10亿公里被蓝框子圈上的是地球的轨道1亿公里地球在哪里？1000万公里月球围地球转的轨道100万公里10万公里地球！Home，Sweet home。1万公里1000公里北美五大湖区中的密西根湖，框住的城市是芝加哥。100公里芝加哥鸟瞰。由此开始了人类所能够理解的数量级，开始了我们熟悉的世界。10公里密密麻麻的建筑。1公里100米10米1米10公分手所能把握的尺度。相信人类所接触的大部分物体都是在这样一个数量级的。看看你的周围，键盘、鼠标、手机、杯子、碗1
5、公分手上的皱纹细部。我们即将进入另一个陌生的领域微观世界。1厘米手上的毛孔。100微米依稀可见皮肤的组织结构。10微米一般来说一个细胞的数量级就是10微米。1微米生物课上学过的细胞核膜的细部。0.1微米染色体。人类细胞里面都会有23对染色体（46条）。100埃这个数量级，能度量某些有机大分子。脱氧核糖核酸，即DNA。分子结构清晰可见。1纳米这个数量级下，连原子都可以数清。因此，纳米级又叫原子级。组成DNA分子的原子们，以共价键和氢键彼此结合成庞大的有机分子。生命就在这种复杂的结合中得以体现。1埃密布的电子云，能看到原子核附近的电子云比较浓。离核近的地方电子出现的几率大些，云就密；离核远的地方出
6、现的几率小些，云就稀。10皮米原子核外围的浓密电子云。仿佛又回到了浩瀚无边的宇宙。这样来看每个原子都象是个小宇宙，我们的世界就这样的周而复始着1皮米穿过最浓的电子云，发现更近核的地方反倒清净。0.1皮米传说中的原子核。这个数量级下，看原子核就可以看出很多个球球来，它们是带正电的质子和不带电的中子。10飞米原子核的特写。1飞米（10-15米）质子（也可能是中子）的细部，乱七八糟一大片。未知的结构，未知的领域，那里属于上帝。0.1飞米一旦我们进入下一个层次，我们将会看到什么，我们又将会知道什么？蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次t历史上物理与技术的关系
7、大致有两种模式历史上物理与技术的关系大致有两种模式 热机的发明和使用，提供了第一种模式热机的发明和使用，提供了第一种模式 电气化的进程，提供了第二种模式电气化的进程，提供了第二种模式技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理第一台通用电第一台通用电子计算机：子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年年2月月14日日Moore School，Univ.of Pennsylvania18,000个电子个电子管组成管组成大小：长大小：长24m，宽，宽6m，高，高2.5m速度：速度：5000次次/sec；重
8、量：；重量：30吨；吨；功率：功率：140KW；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：7min1947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPN Ge晶体管晶体管 W.Schokley J.Bardeen W.Brattain1958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片杰克杰克基尔比，因发明集成电路在基尔比，因发明集成电路在2000年获得了诺贝尔物理年获得了诺贝尔物理学奖。德州仪器董事长学奖。德州仪器董事长Tom Engibous说：说：“按照我的观按照我的观点，只有很少的人，他们的工作真正改变了世界和我们在点，只有很少的
9、人，他们的工作真正改变了世界和我们在这个世界上生活的方式。他们是亨利这个世界上生活的方式。他们是亨利福特、托马斯福特、托马斯爱迪生、爱迪生、怀特兄弟和杰克怀特兄弟和杰克基尔比。如果说曾经有一种创新的发明不基尔比。如果说曾经有一种创新的发明不仅改变了我们的行业，而且还改变了我们的世界，那就是仅改变了我们的行业，而且还改变了我们的世界，那就是基尔比发明的第一个集成电路。基尔比发明的第一个集成电路。”在集成电路出现之前，电子设备大多采用体积庞大且容在集成电路出现之前，电子设备大多采用体积庞大且容易损坏的电路，主要是真空管。易损坏的电路，主要是真空管。但但1958年基尔比在德州仪年基尔比在德州仪器半导
10、体实验室发明的集成电路改变了整个电子世界，并使器半导体实验室发明的集成电路改变了整个电子世界，并使微处理器的出现成为可能。目前，无论是苹果的微处理器的出现成为可能。目前，无论是苹果的iPod还是互还是互联网，都采用了更为复杂、可靠和高效的集成电路。联网，都采用了更为复杂、可靠和高效的集成电路。著名物理学家爱因斯坦说：著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思
11、考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化。学习的观点：学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解物理学中各个分支之间的相互联系。物理学中各个分支之间的相互联系。学习的关键：学习的关键：勤于思考勤于思考悟物穷理悟物穷理 研究对象不同：由简单到复杂，由特殊到一般研究对象不同：由简单到复杂，由特殊到一般中学讲恒力，大学讲变力（变力做功、变力的冲量均涉及中学讲恒力，大学
12、讲变力（变力做功、变力的冲量均涉及积分）积分）大学物理与中学物理的主要区别大学物理与中学物理的主要区别高等数学：矢量、微积分高等数学：矢量、微积分 研究的方法和使用工具不同研究的方法和使用工具不同学习章节学习章节学时学时矢量分析矢量分析 数学预备知识数学预备知识2第第1章章 1-1、1-2 力学力学4第第2章章 2-1、2-2、2-3、2-48第第3章章 3-1、3-28第第4章章 4-1、4-2、4-3 热学热学自学自学第第5章章 5-1、5-2、5-3第第6章章 6-1、6-2、6-3、6-4 电磁学电磁学8第第7章章 7-1、7-2、7-3、7-48第第8章章 8-1、8-26第第9章章
13、 9-1、9-2、9-3 振动与波动振动与波动4第第10章章 10-1、10-2、10-44第第11章章 11-1、11-2、11-3、11-4 波动光学波动光学10期末复习期末复习 2共共6464学时学时大学基础物理学大学基础物理学上下册上下册 张三慧张三慧主编主编 清华大学出版社清华大学出版社 大学物理大学物理 朱朱 峰峰主编主编 清华大学出版社清华大学出版社 教教 材：材：物理学物理学 祝之光祝之光 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 参考书：参考书：平时成绩（平时成绩（）：）：平时作业和考勤平时作业和考勤20%+期中考试期中考试20%40%占占期末考试成绩（占期末考试成绩（占60%
14、）请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种的主要部
15、分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。大的探索中来。理查德理查德.费曼费曼R.P.FeynmanR.P.Feynman （1918191819881988）美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者课程介绍课程介绍一一、矢量和标量矢量和标量标量：标量：矢量：矢量：（如位移）既有大小又有方向（如位移）既有大小又有方向（5m,正北）且遵循正北）且遵循矢量代数的特殊运算法则（平行四边形法则）。矢量代数的特殊运算法则（平行四边形法则）。几何表示：有方向的几何线段（箭矢）几何表示：有方向的几何线段（箭矢）矢端
16、矢端矢尾矢尾A符号：符号：或或 AA矢量矢量 的大小称作矢量的大小称作矢量 的模，的模，记作记作或斜体字母或斜体字母AAAA（如温度（如温度 ）只有大小，由一个带单位的数确）只有大小，由一个带单位的数确定，且遵循算术和普通代数的运算法则。定，且遵循算术和普通代数的运算法则。10 C（印刷符号）（印刷符号）二矢量相等：二矢量相等：大小相等，方向相同大小相等，方向相同BCDBCD单位矢量单位矢量大小精确为大小精确为1，无单位，无单位指向某一特定方向指向某一特定方向 沿矢量沿矢量 方向的单位矢量方向的单位矢量AAA 在直角坐标系中的三个单位矢量：在直角坐标系中的三个单位矢量：,i j,koyxzik
17、ji 沿沿x轴正方向轴正方向j 沿沿y轴正方向轴正方向k 沿沿z轴正方向轴正方向二二、矢量相加的几何方法矢量相加的几何方法加法加法ABCCC三角形法则三角形法则：画出矢量：画出矢量 和和 ，让，让 的矢尾位于的矢尾位于 的矢端；的矢端；从从 的矢尾到的矢尾到 的矢端的矢量就是矢量和的矢端的矢量就是矢量和ABBAABCABAB平行四边形法则平行四边形法则三角形法则三角形法则ABCDABCD多边形法则多边形法则减法减法()BCACA-矢量矢量 与与 大小相等，方向相反大小相等，方向相反AA-AA-CABCABA-方法：自某点出发画出被减矢量方法：自某点出发画出被减矢量 与减矢量与减矢量 ，由减，由
18、减矢量矢端引向被减矢量矢端，这一矢量即为矢量差矢量矢端引向被减矢量矢端，这一矢量即为矢量差或或CAB三三、矢量的正交分解法矢量的正交分解法xAyA分量：分量：cossinxyAAAAxA iyA jAoAxy以二维情况为例：以二维情况为例：xyAA iA j（单位矢量表示法）（单位矢量表示法）或或22tanxyyxAAAAA（大小（大小-角度表示法）角度表示法）表示矢量与表示矢量与x轴正方向间的夹角轴正方向间的夹角 o yxzikj任何矢量都可以表示为：任何矢量都可以表示为：AyAzAxAxyzAA iA jA kcoscoscosxyzAAA AAA222xyzAAAA大小大小方向方向用分量
19、作矢量相加减用分量作矢量相加减CABxxxyyyzzzCABCABCAB例：已知三矢量例：已知三矢量4.21.5m;1.62.9m3.7ma i j b i j c j-试求它们的矢量和试求它们的矢量和 ，分别用分别用单位矢量表示法单位矢量表示法和和大小大小-角度表示法角度表示法。rr解：解：xxxxrabc4.2 1.602.6m-yyyyrabc1.52.93.72.3 m -rabcxyrr ir j2.62.3m i j-单位矢量表示法单位矢量表示法大小大小-角度表示法角度表示法22xyrrroxyr2.6 i2.3j-222.6(2.3)3.5m -2.3tan2.6yxrr-2.3
20、arctan412.6-相对于相对于x轴正方向测量的角度按逆时针方向测量的为轴正方向测量的角度按逆时针方向测量的为正，沿顺时针方向测量的为负。正，沿顺时针方向测量的为负。四四、矢量乘法矢量乘法矢量乘以标量矢量乘以标量Cm A新矢量新矢量 标量标量矢量矢量 的大小等于矢量的大小等于矢量 的大小的的大小的 倍倍CAm方向：方向：0,m 与与 方向相同方向相同与与 方向相反方向相反0,m AA矢量乘以矢量矢量乘以矢量（1）标积：）标积：A B coscosA BA BABB AA B A B 点积的结果为点积的结果为标量标量又叫点积，读作又叫点积，读作 点乘点乘AB定义：定义：特例：特例：2A AA
21、（大小）（大小）2（2）矢积：）矢积：AB又叫叉积，读作又叫叉积，读作 叉乘叉乘ABCAB大小：大小：sinCAB垂直于垂直于 与与 所构成的平面，所构成的平面，服从服从“右手定则右手定则”AB方向：方向：定义：定义：ABC两夹角中较小的角两夹角中较小的角ABC-BABAAB-ABCABoyxz五五、矢量的导数和积分矢量的导数和积分 A tA t+tAt时刻：时刻：A ttt时刻：时刻：A t+tt时间间隔内，该矢量的增量时间间隔内，该矢量的增量A ttA t-0,t0limtdAdtxyzd A iA jA kdt矢量的导数矢量的导数dAdtyxzdAdAdAijkdtdtdtAt矢量的积分矢量的积分 dAB tdt dAB t dt ACB t dt积分常量积分常量 xyzACBt iBt jBt k dt xyzACBt dt iBt dtjBt dt k
