第0章物理学和力学附矢量分析

气 气 轮 轮 机
动能 动能
热能 热能
机
发 发 电 电 机
电能 电能 热能 热能
机
烟气 烟气
高温蒸汽 高温蒸汽
气轮机
气轮机
发电机
发电机
循环水 循环水
预热 装置
凝结器
冷却水 冷却水 河流 河流
凝结器
燃烧炉 燃烧枪 燃烧炉
燃烧枪
泵
泵
电力的广泛应用为标志的第二次工业革命
近代物理中的两朵乌云：
热辐射实验
Hz) M (10-9 W/m2·
热力学第二定律：熵增加原理； 第二类永动机是不可能造成的。
Q1 蒸发器 蒸汽 窝轮机 冷凝器
A1
水泵
A2
Q2
蒸汽机发明和应用为标 志的第一次工业革命
法 拉 第 电 磁 感 应
麦 克 斯 韦 方 程 组

s
1 E dS
B dS 0
s
B LE dl S t dS
物理是什么？
格物致理：就是研究事物，推敲道理 ——了解物质的结构和规律；
——它的理论具有物质运动规律的普适性，即自然界 和物质运动的最基本的规律。
物理学与哲学密不可分，他们关心共同的问题： ——自然界的基本规律
物理学的研究对象
物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的 科学，研究物质运动最基本形态以及他们之间相互转 化的一门基础科学。 物理学的基本概念、基本规律和基本研究方法， 以及根据物理学原理设计制造的各种仪器设备，已经 广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了 各学科领域和技术部门的飞速发展。 物理现象的普通性使得物理学基本知识成为研 究任何科学技术所不可缺少的基础。
可是后来发现所谓“-”之谜，它们除了分左右外，其它性质 完全相同；1956年，李-杨提出“宇称不守恒”在弱相互作用 中普遍存在，1957年被吴健雄博士实验证实，使李-杨获得 1957年Nobel Prize。可见，“美”的世界也存在着某些不和 谐因素。
巨人的肩膀
最伟大的物理学家：牛顿、爱因斯坦； 伟大的物理学家（对思维有重大贡献）：伽利略/哥 白尼、马赫、麦克斯韦、普里高津、狄拉克、海森 堡、薛定谔、汤川秀树…… 大物理学家：a (对理论有重大贡献)：焦耳、卡诺、 普朗克、玻尔兹曼、德布罗意、泡利、克劳修斯、 开尔文、法拉第、库仑、波恩、杨振宁、阿尔芬； b ( 有开拓性工作)：许多Nobel Prize得主，如 李政道/李远哲/ 优秀物理学家（重要但缺乏开拓性，包括许多一般 Nobel Prize）：如吴健雄 一般物理学家： 普通物理工作者：
能源技术
航空航天
神州 5, 6 号
太空技术
登陆火星
纳 米 材 料
C60
生 命 科 学
DNA
信息产业 集成电路
物理学大蟒 ：物理学的尺度和统一
物理学的基本特征
是一门实验科学，从“观察”开始，最终归于“实
践”；
物理规律是理性认识，是通过归纳、推理、演绎或顿
悟得到的道理——一个理论的提出往往是“直觉”或
“悟”得到的；
物理规律的普适性总是要求它的描述具有简洁、优美、
对称的形式——“美”和“逻辑性”追求是物理永恒的
主题。
利用“理想模型”来描述物体是物理常用的简单方法。
物理的发展过程和研究方法
提出命题（观测、推演） 推测答案（惟象，解释，提出新理论） 理论预言（新理论的证实或证伪） 实践检验（新理论的证实或证伪）
4. 熵和概率
克劳修斯（1882-1888）：把能量守恒定律描述成热 力学第一定律；提出“熵”的概念，并引入统计概 念。 开尔文男爵（1824-1907）：在《热的动力理论》中 提出热力学第二定律的开尔文表述（单一热源不可 能只作功而不产生其它影响） 麦克斯韦（1831-1879）：将“几率”引入物理学， 并提出著名的麦克斯韦分布率 S k）：对热力学第二定律进行了 ln W 玻尔兹曼（1844-1906 统计解释，给出 普里高津：提出非平衡统计理论，将有序与熵联系 起来，提出系统可以自组织，产生“有序性”或 “负熵”
d mv F ma dt
GMm ˆ f r 2 r
焦耳实验：
热功当量
1 kcal = 4,184 J 迈尔：能量的转换和守恒 各种形式的能量（机械 能、热能、化学能、电 能、磁能等）能相互转 换，且总量保持不变。 宏观热现象和微观个体运动之间的关系
热力学第一定律：能量的转换和守恒定律； 第一类永动机是不可能造成的。
修正理论（改良或发展新理论）
……
震撼人类思想的七大学说（思想）
1. 日心说
1542年：哥白尼（1473-1542）发表《天 体运行论》，创立日心说 1609年：开普勒（1571-1630）太阳系天 体运动的第一、第二定律，9年后发表第三 定律，否定了托勒密的“地心说”。
2. 绝对时空 加利略（1564-1642）：提出“自然法则” 或“物理定律”的概念；创立以观察、测 量、分析和演绎为基础的“实验物理”； 首先进行“运动”的数学描述，初步给出 “惯性定律”；奠定了经典力学的基础。 牛顿（1642-1727）：1687年发表《自然 哲学的数学原理》，提出运动的三个定律 和万有引力定律，创立了微积分方法；创 立了经典力学；建立了统治人类几百年的 “绝对时空观”和“决定论”力学体系。
电磁学 电 电 电 无 线 机 子 力 电 学 学 学 学
等 离 子 体 物 理 学
超 导 物 理 学
高 能 物 理 学
与其它学科密切结合，产生分支学科和交叉学科： 物理化学、生物物理、天体物理、地球物理、量子 生 物、量子化学等。 物理学是技术发展的主要源泉，三次产业革命（ 蒸气机、电气化、信息化）均来自物理学或与物理学 紧密相关。 目前世界范围内以信息技术为前导，以微电子学 和电子计算机技术为标志的科学技术革命，从根本上 讲来源于20世纪初物理学的三大成就。
相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空 联系起来，但仍没有解决时空的本质
6. 量子论
N. 玻尔（1885-1962）：原子论；“哥本哈根”学派创始人 普朗克（1857-1947）：1900年能量量子化假设； 德布罗意（）：1924年物质波，波粒二象性； 泡利（1900-1961）：1925年，电子排布的泡利不相容原理； 海森堡（1901-1976）：1923年矩阵力学；1927年不确定关系 薛定谔（1887-1961）：1926年著名的薛定谔方程； 狄拉克（1902-1984）：1925年《量子力学的基本方程》； 1930年《量子力学原理》，是“量子力学的圣经”； 1928年创立“相对论量子力学”，预言正电子的存在，并在 1932年被安德森发现（36年获Nobel Prize）。
瑞利-金斯公式 实验曲线 普朗克公式 维恩公式
5 4 3 2 1
0
量子论
3

1
(1014
Hz) 镜子
2
迈克尔逊莫雷实验
单色光源
半透办反镜
相对论
镜子
干涉条纹
1905 狭义相对论
1916 广义相对论
爱因斯坦用相对论时空观代替了 牛顿的绝对时空观，把物质运动、 空间和时间统一起来。
把牛顿力学所处理的物质运动的 速度范围从低速扩展到到接近光 速的高速。
1927 Solvay Conference
Herzen
Debye
Compton
Langmuir
Curie
Lorentz
Richardson
Held in Belgium, the conference was attended by the world's most notable physicists to discuss the newly formulated quantum theory.
关于《普物 力学》
• 力学—Mechanics：机械运动论或机械论；是关于 “机械运动”（Mechanical motion）及其规律的学问/ 科学。
• “力学”概念已经远远地超出了机械论的范围：四大 力学—理论、电动、统计、量子；还有建筑、弹性、 波动；还有心理、社会群体力学等。实际上，“力学” 是关于“相互作用”的科学。只要有相互作用，就可 以说是力学。“力学”也就几乎成了整个“物理学” 的代名词 • 力学研究是总从“机械论”开始的。普物力学（经典 力学）是研究机械运动及其基本规律的科学，是一种 “狭义”的力学，是弱引力场中宏观物体低速运动 ； 分为运动学（Kinematics）—只描述物体的运动；动
经 典 物 理 时 期
时 期 第一次 大综合 第二次 大综合 热学 统计物理 迈尔 焦耳 克劳修斯 玻耳兹曼 吉布斯 第三次 大综合 电磁学 麦克斯韦 法拉第 赫芝
近代物理时期
第四次 大综合 相对论 爱因斯坦 第五次 大综合 量子力学 玻尔 德布罗意 薛定谔 海森堡
内 容 经典力学
代 伽利略 表 牛顿 科 学 家
把概率引入物理，使有序—无序的产生具有
5. 相对论
马赫（1838-1916）：1883年在《力学》中公开反对“绝对 时空”，提出只有可观察到的量才是真正的物理量和研究对 象，反对著名的“水桶实验”，提出了著名的“马赫原理”： 即匀速或非匀速运动是相对的，惯性力来自宇宙的其它物体； 洛仑兹（1853-1928）：提出只有空间收缩（1－2）1/2，才 能使光速不变； 彭加勒（1854-1912）：引进四维时空，并指出物理规律对 洛仑兹变换的不变性； 爱因斯坦（1879-1995）：1905年，提出狭义相对论（光速 不变和相对性原理），为纪念这一年，后来称为爱因斯坦年， 每100年称为“物理年”； 1916年，广义相对论（局部空间的引力场与加速度等效；即 惯性力与引力等效），后来又提出“统一场”设想。
0

V
dV
电、磁、光 现象的统一
电磁波 电 机 电 器
LB dl 0 S ( j 0 t E ) dS
工业电器化、电力和信息的传递
燃煤电厂中的蒸汽循环
化学能 化学能
燃 燃 烧 烧 炉
炉
热能 热能
热能 热能
锅炉 管道 管道
锅炉
势能 势能
热能 热能
第一次 工业革命
第二次 工业革命
经典物理 的困难
第三次 工业革命
物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科
力 学
流 体 力 学 固 体 力 学 空 气 动 力 学 结 构 力 学
热 学
热 传 燃 工 程 动 热 烧 热 力 学 学 学 力 学 近代物理
相 激 光 对 物 论 理 学 半 导 体 物 理 学
3. 能量守恒 R. 迈尔（1818-1878）：最早提出能量守 恒概念 焦耳（1818-1889）：1843年在《论电磁 的热效应和热的机械值》中正式提出能量 守恒，并从试验上进行了研究 霍姆赫兹（1821-1894）：1847年发表 《论力的守恒》，从物理假设出发论证了 能量守恒和转化；建立了世界运动的永恒 性和多样性
把物质的能量和质量联系起来。
E mc 2
2 2 Ψ ( U )Ψ i 2m t
Max Planck de Broglie Schrö dinger
Niels Bohr
Max Born

Heisenberg
Paul Dirac
量子论：进一步把实物和场统一起来，揭示了物质的 波粒二向性，找到了微观的运动规律。
普通物理学
第一章 物理学和力学
困扰物理学家的若干问题
1. 什么是物质，什么是意识？它们之间的关系如何？（唯物、 唯心有什么区别？） 2. 世界到底是物质的，还是仅仅只是一个空洞的“空间”？到 底怎么样来描述、理解这个世界？物理理论到底是真实的，还 是臆造的模型？物理能赋予我们人类什么（力量）？ 3. 物体之间的“作用”或“力”是什么？若有，它是物质的固 有属性，还是空间的一个性质？ 4. 什么是能量？能量守恒是什么？ 5. 宇宙是有限的还是无限的，有界还是无界的？它有没有历史 和未来？ 6. 天体（星系）是圆的、椭圆的，还是扁平的？为什么？ 7. ……
量子力学将“决定论”彻底打入冷宫，并将“还原论” 的短处揭开，开始了整体论。
7. 守恒律和对称性
物理守恒律和对称性是相对应的： 能量守恒——时间均匀 动量守恒——空间均匀 角动量守恒——空间各向同性 粒子数守恒（重子、轻子）——粒子的内禀对称性 宇称守恒——空间反演不变（左右对称） 世界是非常“美”的，表现为“对称性”。