大学物理绪论课

1大学物理绪论课一、物理学研究的对象和研究的方法1什么是物理学物理学是揭示自然界最基本形态的科学。是研究物质的基本结构，相互作用和运动形态基本规律的科学。也就是说，物理学是研究物质运动最基本规律的科学。(虽然是最基本的，但它所研究问题的深度和微观程度，又是最不好研究的）物理学又为所有其它的自然科学，技术科学，医学，乃至刑事技术科学提供理论基础和技术手段；能够为刑事侦察专业提供科学研究方法。我们学习大学物理的目的就是为了提高科学素养，培养逻辑思维能力，逻辑推理能力。物理学又为发展能源，改善环境，保障国家安全提供基础。可以说物理学是除数学以外一切自然科学的基础。物理学在理论原理和实验技术上的每一次重大进展都有利地促进了科学技术的进步和社会经济的发展。（就是在我们学院的课程设置上，大学物理也被列为刑事技术科学的基础课。侦察2专业的公共基础课；）总之，物理学一直在科学，技术乃至科学思维的发展中发挥着极其重要的作用，对人类的文明产生巨大的影响。就是对于我们在今后从事刑事科学技术工作，刑事侦察工作，物理学始终是最强有利的武器。2物理学的框架结构大体上说来，整个物理学的框架结构由两大部分组成。一个是经典物理学（以牛顿力学，麦克斯韦电磁场理论以及热力学为主要基础而构成的）；一个是近代物理学（以Einstein相对论以及量子力学为主要基础而构成的）。从经典物理学到近代物理学，是人们对物质运动认识上一次大的飞跃。从物理学的发展进程来看，它们代表着两个重大的里程碑。具体地说，物理学的重大基础理论可分为五大门类。1）力学（就是牛顿力学或经典力学）——关于物体作机械运动的理论；2）统计物理和热力学——关于热现象和大量粒子集合特性的理论；33）电磁学——关于电和磁以及电磁辐射的理论；4）相对论——关于物理规律不变性和高速运动理论；5）量子力学——关于微观粒子运动的理论。3物理学的研究方法观察，实验，抽象，假说等是物理学的研究方法。物理学的理论，就是通过“观察，实验，抽象，假说”等研究方法，并经过实践的检验而建立起来的。不遵循这一认识法则就不会有物理学的今天。1）两位科学家的故事在这里，给大家讲两个物理学家的故事，更能说明这一点。第一位是亚里斯多德，古希腊人对物理现象曾作过许多研究。其中最为系统的算是亚里斯多德。亚里斯多德出生于公元前384年。他是一个发音不清，眼睛很小，瘦弱，而且装束及发型都与众不同的人。（是一个很有个性的人），他于公元前335年（49岁），在雅典成立了第一所大学。亚里斯多德不仅是一位哲学家，而且是一位教育家，政治家，文学4评论家，生物学家，伦理学家，物理学家（7）。亚里斯多德被认为是古代最伟大的哲学家和科学家。他的知识渊博无比，令人叹服。有这样一本书“人类百位名人排座次”，是美国数学家麦克哈特著的。在这里，列出了一百位名人，按其对人类历史影响力的大小排出名次。1穆罕默德，（伊斯兰教的创始人）（基督教徒：蒋介石，宋美玲，张学良），2牛顿，13伽利略，14亚里斯多德，17达尔文，89毛泽东，35希特勒。亚里斯多德的讲话成了古希腊思想的百科全书。他包括各种各样的论题，包括完整的对世界的看法，结果使文艺复兴时期以前欧洲科学思想完全处在亚里斯多德的影响之下。他的物理学一书可称是世界上最早的物理学专著。然而，亚里斯多德对物体运动一些看法基本上都是错误的。1）如地心说，2）物体运动必须要有外力，3）重的物体向下运动；轻的物体向上运动。就是这样一位博学多才的科学家，怎么会出错呢，其原因就是因为亚里斯多德的这些结论完全都是他纯粹推理5的结果，既没有实验事实作为依据，也不认为由实验来检验。由于亚里斯多德的威望，他的错误长期禁锢人们的思想。直到17世纪后才为伽利略，牛顿等人所打破。由此可见，没有实验，就可能得出错误的结论。“十一界三中全会”78年以来，我们党提出“实践是检验真理的唯一标准”，物理学更是如此。第二位科学家是伽利略，伽利略是如何做的呢，伽利略是开创自然科学研究方法的第一位学者，伽利略把实验的方法提高到真正的科学水平，又把实验方法和数学方法成功地结合起来。伽利略是经典力学的奠基人，也是近代科学方法的创始者，他被尊称为近代自然科学之父。在科学成果和研究方法这两方面，伽利略的贡献具有划时代的意义。（在科研成果上，伽利略的贡献有两个：其一是天文学上的贡献，其二是经典物理学上的贡献。伽利略制造了一架望远镜，科学家的探索精神促使他把这架望远镜指向天空，从而在天上第一次发现了前所未有的现象。如月球和地球一样，也有高低，不平。6有人说伽利略在天上发现了新大陆。可以说，通过观察，实验，伽利略为哥白尼的日心说提供了科学的依据。就是物理学的老前辈也时常教悔从事物理学研究的工作者，要重视实验，可以说物理学离不开实验，否则，就无用武之地。）伽利略是一位既善于动脑，又善于动手的科学家，在他的科学生涯中，他制造许多科学仪器，除了世人熟知的伽利略望远镜以外，还制造过温度计，脉搏测量计等科学仪器。总之，无论是在天文学上的贡献，还是经典力学上的贡献，都充分体现了伽利略的研究风格，即观察和实验。以上两位科学家的失败的教训和成功的经验。足以说明，学习物理学规律，一定要注意观察和实验。2）怪坡的解释（抽象的研究方法）二、物理学在科学技术发展中的作用1物理学与三次大的技术革命每当物理学的发展经历一次大的突破，都会对社会经济发展产生巨大的影响。物理学是科学技术发展7的重要源泉，三次产业革命（蒸汽机、电气化、信息化）均来自物理学或与物理学紧密相关。17，18世纪，由于牛顿力学的建立和热力学的发展，不仅有利地推动了其他学科的发展，而且适应了研制蒸汽机和发展机械工业的社会需要，从而引起了第一次工业革命，同时，推动了人类社会的巨大变革。内燃机，气轮机的出现使现代科学技术突飞猛进，导致了火车，汽车，轮船和飞机的一一出现。从而使交通运输业得到了迅速的发展，极大地改变了工业生产的面貌。（这是第一次技术革命）19世纪70年代，麦克斯韦创立了电磁场理论。为电力技术的产生提供了重要的理论基础。由于电磁学的发展，引起了第二次世界性的技术革命。建立了以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业部门。例如：电解，电镀，电焊，电热，电力输送等，同时，电话，电报等信息传递技术也随之广泛地利用起来。从而把工业生产推向历史的高峰。1770年，英国科学技术造成的生产率和手工业8劳动生产率的比仅仅是4：1，而到1840年工业电气化的初期就很快把这个比例提高到108：1。这充分说明科学技术力量怎样使一个工作日的生产率在70年间提高到27倍。（这是第二次技术革命）第三次技术革命发生于20世纪50年代，20世纪以来，由于相对论和量子力学的建立，人们对原子，原子核结构的认识日益深入。先后引发了原子能，电子计算机和空间技术的出现和应用。导致了新材料技术，微电子技术，激光技术，生物技术，海洋技术，新能源技术等迅速崛起，形成了以电子计算机为核心的高新技术群，掀起了一场新技术革命的浪潮。有人称它是“第三次浪潮”。在不到一代人的时间内，人类同时进入原子能时代，太空时代与计算机时代，其影响之广，意义之大是以往任何一次技术革命都无法比拟的。总之，这三次大的技术革命，都是以物理学为基础，物理学的功绩不可低估。2物理学在高技术中的应用9“高技术”一词起源于美国，是指那些基本理论建立在最新科学成就基础上，并能创造较高经济效益，具有增值作用，能向经济，社会各个领域广泛渗透的新技术。高技术一般分为两类：一类是高准度技术，如航天技术，导弹技术，核技术；例如神5、神6和神7的成功发射，标志着我国的航天技术达到了世界的领先水平。另一类是高效益技术，如微电子技术，生物工程，新能源，新材料等。例如即将广泛应用的纳米材料。当今，物理学在高技术上的应用，都达到了空前的发展速度。如核电站的建设，航天飞机的升空，人造卫星，各种探测器的发射及其在太空的运行，各种加速器的建成（北京正负电子对撞机），超导研制的新进展。如广东大亚湾核电站的建立，标志着，我国核电技术达到了世界先进水平。总之，高新技术与物理学的关系是非常密切的，没有物理学的巨大成就，就不会有当今的高新技术。3物理学与新学科的关系随着科学的发展，物理学和其他学科的相互渗透10产生了一系列的交叉学科，例如化学物理、生物物理、大汽物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。在物理学基础性研究过程中形成和发展起来的的基本概念，基本理论，基本实验手段和精密的测试方式，已成为其他自然科学的重要概念的基础和重要的实验手段。由此加速了自然科学内部的相互融合，展现了综合化的趋势。使众多的交叉学科蜂涌出现，用物理学的理论与方法移植去研究另一门学科，就会诞生一门交叉学科。如用量子力学的方法探讨化学问题，就形成量子化学，量子力学与生物学交叉，产生量子生物学。他是应用量子力学原理从电子水平上研究生命现象的学科。总之，物理学在现代科学高度分化，又高度综合，日趋一体化的发展中扮演着极其重要的角色，难怪有人把20世纪看作物理学的世纪。把物理学看作是20世纪科学发展的先驱。这种评价在也恰当不过了。（科学的发展越分越细，学科面对的领域越来11越窄，越容易出成果，如诺贝尔奖都是在很窄的领域内获奖的。随后是高度综合，产生交叉学科，边缘学科，刑事科学技术的产生亦是如此。）421世纪的技术特征20世纪的科学进步，集中体现在关于物质、生命、思想的基本构成的科学成果。原子与量子革命、基因与DNA革命、计算机与信息革命，构成了20世纪现代科学的三大支柱。其中量子革命是最基础的一个，由它带动了其他两大革命。1925年由量子理论引发的科学大潮，使我们理解了周围的物质。它使我们能在实验室创造出某种物质之前就能精确地预测其属性，我们能随心所欲地创造和操作新形式的物质。1944年薛定谔在《什么是生命》一书中提出生命的秘密可以用量子理论解释，并大胆地猜测，这个秘密就是写在细胞核内分子上的“基因密码”。1953年詹姆斯·沃森(JamesD．Watsn)和弗朗西斯·克里克(Franclscrick)发现了DNA的“双螺旋”结构，揭开了这12个秘密。人们应用分子生物技术就能像读书一样，阅读生命基因的密码，破译后就可以随心所欲地操纵生命。正在实施中的“人类基因组计划”，为我们提供了一本隐藏着人类遗传全部秘密的密码本，昭示了人类对自身的了解迈入了一个新阶段，开创了在分子生物学基础上发展医学和药物学的新开端。1）什么是人类基因组计划？把存储于基因组中的所有的遗传信息—核苷酸的排列次序搞清，这一计划旨在对30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。2）人类基因组计划的目标：从1990年开始，用15年的时间，投入30亿美元进行人类基因组全部DNA序列分析。目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命13现象、为疾病的诊治提供科学依据。3）人类基因组计划的意义：人类有23对46条分别来自父母双亲的染色体，因此，如果我们测出了全部人类23对染色体上DNA序列，那么，我们就可能掌握人类几乎所有的遗传秘密。人类基因组遗传密码的破译，特别对遗传病诊断与治疗是福音。现在，已知人类8000多种遗传病，只有极少数可以治标，还谈不上治本。遗传密码的破译，将使人类战胜遗传病成为可能。相信将来医院会设立“分子科门诊”，专门治疗遗传基因疾病，使人类活的更健康更长寿。2050年，人类的平均寿命是100岁。4）“人类基因组计划”的实施过程“人类基因组计划”这项工作，重大而复杂，完成整个计划所需经费堪称天文数字，这一庞大计划，最初美国争论得相当激烈。“人类基因组计划”这项工作，也就是人类基因组DNA序列图的绘制工作，可以做这样的比喻：假如人们只穿4种颜色的衣服，红、黄、白、黑，“人类基因组计划”就相当把世界上30亿人所穿的14衣服都搞清楚，而且注明位置顺序，如所在国家，城市，街道，楼房号，房间号。1990年，美国刚搞