应用物理学专业概论
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我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次 超级计算机国家。天河一号 在TOP100中名列第五。
高科技与尖端设备需要高水平人才!!
2013-7-20 29
圆环电流的磁场
实验 数值积分(用毕-沙定律,清华学生做)
2013-7-20
30
用勒让德函数表示
2013-7-20
31
毕-奥定律直接积分，用椭圆函数表示
主要成果
狭义相对论 相 对 论 广义相对论
量子力学 （包括量子论）
2013-7-20 11
20世纪的高新技术与物理学
相对论 量子力学 （包括量子论）
爱因斯坦受激辐 射理论（1917）
狭义相对论
广义相对论
E mc
核能、 核技术
2
航空、航天 宇宙学
信 息 技 术
生 物 技 术
纳 米 技 术
新 材 料 科 学
2013-7-20
1
一、我国高校物理人才培养规格及任务
物理学：是探讨物质结构和运动基本规律的学科。
主要物理专业主干课： 普通物理：力学、热学、电磁学、光学、原子物理学 理论物理：理论力学、统计物理学、电动力学、量子力学（四大力学）
物理教育是培养学生科学素质最有效的手段， 特别在理工科人才培养中作用巨大（分支出生物、化学等）
2013-7-20
2
我国高校本科物理教育两个任务：（国家教指委）
1、培养一批数理基础扎实具有创造意识和动手能力，献身于基础 科学研究与教学的纯物理型人才。 2、培养一大批具有坚实理论基础、动手能力强、善于从实际应用 中提出物理问题并解决实际问题的应用型人才。 （23位“两弹一星”元勋 16位物理）
19
中国科技的进步
2013-7-20
20
中国科技的进步
2013-7-20
21
杨振宁
李政道
丁肇中
20年内中国将问鼎 诺贝尔奖
… … … …
朱棣文 2013-7-20
崔琦
22
七、科学计算与理论、实验三足鼎立
• 2004年诺贝尔物理学奖获得者David Gross 教 授 在“The Future of Physics”的报告中将 计算物理列为物理学面临的25个问题之一
实验物理
设备:仪器
物理学习 三缺一
实验课
多层次教学
计算物理
设备:计算机 方法:计算 模拟
理论物理
方法:数学理论
理论课
多层次教学
计算 物理 课?
2013-7-20
25
计算物理是综合训练： 包括建模，算法，编程，物理解释。
物理 现象
建 模 结果分析 与可视化
确定数值 计算方法 编程 上机
2013-7-20
26
计算物理基础就是用计算机完成高等数学， 线性代数，数学物理方法中的运算
函数 导数 定积分 常微分方程 偏微分方程 傅里叶变换
拟合，插值 差分公式（前差，后差，平均公式） 矩形公式，梯形公式，辛普生公式， 高斯积分 初值问题，边值问题，本征值问题（打靶法） 松驰法，差分法，谱分析法，有限元法 离散数据傅里叶变换 ＦＦＴ
2013-7-20 10
20世纪的科技文明主要来自相对论和量子力学发展
19世纪末物理学天空上存在着两朵乌云 1.“以太”不在—相对 19世纪末实验物理上的三大发现：
论 2.紫处灾难—量子论
麦克尔逊-莫雷实验
黑体辐射-光电效应 1895年，伦琴发现的X射线 1896年，贝克勒尔发现天然放射性-铀 1897年，汤姆逊发现了电子
2013-7-20
32
2013-7-20
33
2013-7-20
34
2013-7-20
35
2013-7-20
36
低温超导
2013-7-20 37
2013-7-20
38
超导体(线)
2013-7-20
39
晶体超声波型
中子的三个夸克
2013-7-20 40
超声检胎
ห้องสมุดไป่ตู้
2013-7-20
41
高速摄影
海洋能、风能的利用以及可控热核聚变的研究等等。
2013-7-20
46
呵护地球家园 人类面临三大难题： 能源短缺、人口膨胀、环境污染
森林每年消亡1600万公顷，近乎一个英国或半个德国的面积。
1900年人口10亿，现在已达到60多亿 2008年能源结构： 石油—40％，煤—26％，天然气—24％，其它—10％
牛顿的自然哲学思想的推理法则，可理解为四条： 简单性原理，因果性原理，统一性原理和真理性原理。 统一性原理
量重要的一条，也是自然哲学思想的根本所在。统一性原 理就是承认世界具有共同的物质性。(牛顿的天上地上统一， 法拉第的电磁统一，麦克斯韦的电磁与光统一，爱因斯坦的光 的粒子性和波动性统一，玻尔把量子化、原子结构和光谱实验 巧妙地结合了起来，德布罗意„„)
2013-7-20 5
三、21世纪物理学的作用
物理学是先进生产力的开拓者
2000年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程 1、电气化**、汽车*、飞机*、自来水系统、 微电子***、无线电广播和电视 ** 2、农业机械化*、计算机**、电话**、 空调和冰箱*、高速公路、卫星*、
因特网**、摄影**。
现代光学
物理学 与经济学
物理学 与计算机
激光技术
最有竞争力的新技术来源于基础研究的实验室！
2013-7-20 12
1999年美国亚特兰大国际物理联合会第23届代表大 会上，通过决议指出“物理对社会的重要性”： 物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，而技术 进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；物理学有助于 技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用提供所需训 练有素的人才。
全世界的能源消耗： 石油——可用50年 天然气——70年 煤炭能用300年 普通核裂变铀-235不足一百年
2013-7-20 47
2013-7-20
42
红外线超声
2013-7-20 43
第七讲
物理学是能源科学的基础
2013-7-20
44
一、物理学与能源
人类能源利用史四个重要发展阶段: 1、火的使用，
2、蒸汽机的发明和利用(18世纪初)，
3、电能的使用(19世纪初) 4、原子能的利用(20世纪下半叶)． 后三个阶段与物理学的发展紧密联系. 正是物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用
纯物理型人才培养目标
与研究生教育有机衔接，各校物理系人才培养基地的建设。
物理应用型人才培养目标
是培养有宽厚学科基础，具有原始创新能力的优秀人才（21世 纪国家经济、国防、科技需要）
2013-7-20 3
二、物理学史的分期
1.古代物理学时期---科学的萌芽期
时间：从远古到16世纪中叶。 特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科 学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。 文化中心：古希腊和古代中国。
3、家用电器**，医疗技术**，石油和石油化工，
激光和光纤***，核技术***，高性能材料***，
2013-7-20 6
原因
1、物理学研究对象十分广泛且发展迅速； 2、物理学家的贡献。
2013-7-20 7
物理学研究对象： 1、从虚无到无所不有 2、从简单到复杂
星系团 粒子 微观 原子核 10-10 原子 介观
1957年，吴健雄，44岁，完成了宇称不守恒的实验 1964年，盖尔曼，35岁，建立了夸克理论 完成了统一 电磁作用和弱作用 19721973年，特豪夫特，26岁， 建立了 泡利策， 28岁， 量子色动力学
2013-7-20 15
1961年，格拉肖，29岁， 1967年，温伯格，34岁，
四、物理学家的“自然哲学思想”
2013-7-20
27
计算物理— 我国基础物理教育的’短板’？
1.没有建立分层次的教学体系 理论：普通物理-理论物理-研究生教育 实验：普物实验-近代实验-研究生教育 计算物理？ 2. 众多师生缺乏运用计算物理的能力
2013-7-20
28
百万亿次超级计算机——“曙光5000” 2008年08月29日 新华网 千万亿次超级计算机——“天河一号” 2009年10月29日 人民网
薛定谔对生命科学做出重大贡献的指导思想
“科学一定是统一的，相通的”。 在《生命是什么》一书中，对生命组织和无机界作了广 泛的类比，如基因分子与固体的类比，基因中的遗传信息与 电报中的密码类比等。
2013-7-20 16
五、21世纪物理前景—当代科学重大问题
●为什么要相信“对称” 生活的世界充满了不对称。这个矛盾怎么理解？ ●基本粒子中有6种轻子、6种夸克， 为什么夸克不能单独存在？ ●宇宙中23%的物质为暗物质，73%是暗能量， 它的存在有什么根据？ ●类星体发出的能量是太阳的1015 1016倍， 它如此巨大的能量从哪里来?
2013-7-20 4
3.现代物理学时期 时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世 纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论 出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命； 标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代 物理学的诞生。 20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个 相当庞大的学科群，包括高能物理（粒子物理）、 原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、计算物 理和理论物理等主体学科以及难以计数的分支学科。 物理学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众 多很有发展前途的交叉科学。
2.经典物理学时期
时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始 萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。16 世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿建立 了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热 力学、电磁学相继建立。到19世纪末，形成了比较完整的经 典物理学体系。
2013-7-20
W++ 10-20 10-15
1025 1020
星系 宇观 太阳系
1015
1010 105 1m
10-5
地球
山 宏观
DNA
人
8
化学工程 生物化学工程 放射学 应用生物学 土力学 结构学 建筑学
流体
热 力学
机械原理 核能 机械控制 电学
化 医 学 工
机 械 工 程
电力机械
人类利益
知 识 之 树
1935年，汤川秀树，28岁，创立了介子理论， 建立了核力基础理论 1942年，费米，41岁，建成第一个反应堆
2013-7-20 14
19451947年，朝永振一郎，39岁， 完成了电动力学 薛文格， 29岁， 的理论基础 费曼， 29岁， 1955年，克里克，39岁， 发现了DNA的双螺旋结构 沃森， 27岁， 1956年，李政道，29岁， 提出了弱相互作用中 杨振宁，34岁， 宇称不守恒理论
提供了理论基础和实验基础。
2013-7-20
45
能源危机和新能源 目前人类开发利用的主要能源如石油、煤、天然气和
铀等均为非再生能源，越来越少，面临“能源危机”。
当前能源革命的两大重点是开发新能源和提高能源的利 用效率。
物理学从理论和实验两个方面，为新能源开发、利用
提供新的途径和方法，如核电站、太阳能、地热能
2013-7-20
13
人才出自青年
1905年，爱因斯坦，25岁，创立了狭义相对论
1912年，波尔，27岁，从普朗克的量子解释发展成量子论 19251926年，薛定谔，37岁， 海森伯，24岁， 为量子力学和量子统计 费米， 25岁， 的发展做出过贡献 泡利， 25岁， 1927年，狄拉克，27岁，完成了相对论性量子力学
2013-7-20 17
六、中国科技的进步
Gavin Menzies, “1421-The year China discovered America”(William Morrow, Harper Collins Publisher, 2002)
2013-7-20 18
首批中国物理学博士
2013-7-20
美 学 生
应 用 数 学 物 理
人 类 理 解
物
2013-7-20
化 学
自然法则
9
物理学的迅速发展： 19世纪的物理学把20世纪的人类社会带进了电气化时代
1895年马可尼、波波夫 发明无线电 1926年第一次电视图像的传输 1928年第一次完成跨大西洋的图像无线的传输 1938年发现硒在光照下变成良导体，造成第一台复印机 1936年发明了磁带录音 1937年发明了雷达 1939年开始调频广播 1949年用X光分析了盘尼西林的晶体结构 1958年超声技术开始在医疗中间应用 1967年家用微波炉上市。
定量计算越来越重要，计算机能否代替解析技 术？应该如何调整对物理学家的训练？计算机 何时能成为有创造力的物理学家？
计算物理:核武器研制催生计算物理
2013-7-20 23
物理研究
定性的 物理 定量的 物理
结论与应用
概念 正确 数量级 正确
精确定量 化研究
半定量的 物理
2013-7-20
24
“对称性”破缺？ 物理研究 三足鼎立
高科技与尖端设备需要高水平人才!!
2013-7-20 29
圆环电流的磁场
实验 数值积分(用毕-沙定律,清华学生做)
2013-7-20
30
用勒让德函数表示
2013-7-20
31
毕-奥定律直接积分，用椭圆函数表示
主要成果
狭义相对论 相 对 论 广义相对论
量子力学 （包括量子论）
2013-7-20 11
20世纪的高新技术与物理学
相对论 量子力学 （包括量子论）
爱因斯坦受激辐 射理论（1917）
狭义相对论
广义相对论
E mc
核能、 核技术
2
航空、航天 宇宙学
信 息 技 术
生 物 技 术
纳 米 技 术
新 材 料 科 学
2013-7-20
1
一、我国高校物理人才培养规格及任务
物理学：是探讨物质结构和运动基本规律的学科。
主要物理专业主干课： 普通物理：力学、热学、电磁学、光学、原子物理学 理论物理：理论力学、统计物理学、电动力学、量子力学（四大力学）
物理教育是培养学生科学素质最有效的手段， 特别在理工科人才培养中作用巨大（分支出生物、化学等）
2013-7-20
2
我国高校本科物理教育两个任务：（国家教指委）
1、培养一批数理基础扎实具有创造意识和动手能力，献身于基础 科学研究与教学的纯物理型人才。 2、培养一大批具有坚实理论基础、动手能力强、善于从实际应用 中提出物理问题并解决实际问题的应用型人才。 （23位“两弹一星”元勋 16位物理）
19
中国科技的进步
2013-7-20
20
中国科技的进步
2013-7-20
21
杨振宁
李政道
丁肇中
20年内中国将问鼎 诺贝尔奖
… … … …
朱棣文 2013-7-20
崔琦
22
七、科学计算与理论、实验三足鼎立
• 2004年诺贝尔物理学奖获得者David Gross 教 授 在“The Future of Physics”的报告中将 计算物理列为物理学面临的25个问题之一
实验物理
设备:仪器
物理学习 三缺一
实验课
多层次教学
计算物理
设备:计算机 方法:计算 模拟
理论物理
方法:数学理论
理论课
多层次教学
计算 物理 课?
2013-7-20
25
计算物理是综合训练： 包括建模，算法，编程，物理解释。
物理 现象
建 模 结果分析 与可视化
确定数值 计算方法 编程 上机
2013-7-20
26
计算物理基础就是用计算机完成高等数学， 线性代数，数学物理方法中的运算
函数 导数 定积分 常微分方程 偏微分方程 傅里叶变换
拟合，插值 差分公式（前差，后差，平均公式） 矩形公式，梯形公式，辛普生公式， 高斯积分 初值问题，边值问题，本征值问题（打靶法） 松驰法，差分法，谱分析法，有限元法 离散数据傅里叶变换 ＦＦＴ
2013-7-20 10
20世纪的科技文明主要来自相对论和量子力学发展
19世纪末物理学天空上存在着两朵乌云 1.“以太”不在—相对 19世纪末实验物理上的三大发现：
论 2.紫处灾难—量子论
麦克尔逊-莫雷实验
黑体辐射-光电效应 1895年，伦琴发现的X射线 1896年，贝克勒尔发现天然放射性-铀 1897年，汤姆逊发现了电子
2013-7-20
32
2013-7-20
33
2013-7-20
34
2013-7-20
35
2013-7-20
36
低温超导
2013-7-20 37
2013-7-20
38
超导体(线)
2013-7-20
39
晶体超声波型
中子的三个夸克
2013-7-20 40
超声检胎
ห้องสมุดไป่ตู้
2013-7-20
41
高速摄影
海洋能、风能的利用以及可控热核聚变的研究等等。
2013-7-20
46
呵护地球家园 人类面临三大难题： 能源短缺、人口膨胀、环境污染
森林每年消亡1600万公顷，近乎一个英国或半个德国的面积。
1900年人口10亿，现在已达到60多亿 2008年能源结构： 石油—40％，煤—26％，天然气—24％，其它—10％
牛顿的自然哲学思想的推理法则，可理解为四条： 简单性原理，因果性原理，统一性原理和真理性原理。 统一性原理
量重要的一条，也是自然哲学思想的根本所在。统一性原 理就是承认世界具有共同的物质性。(牛顿的天上地上统一， 法拉第的电磁统一，麦克斯韦的电磁与光统一，爱因斯坦的光 的粒子性和波动性统一，玻尔把量子化、原子结构和光谱实验 巧妙地结合了起来，德布罗意„„)
2013-7-20 5
三、21世纪物理学的作用
物理学是先进生产力的开拓者
2000年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程 1、电气化**、汽车*、飞机*、自来水系统、 微电子***、无线电广播和电视 ** 2、农业机械化*、计算机**、电话**、 空调和冰箱*、高速公路、卫星*、
因特网**、摄影**。
现代光学
物理学 与经济学
物理学 与计算机
激光技术
最有竞争力的新技术来源于基础研究的实验室！
2013-7-20 12
1999年美国亚特兰大国际物理联合会第23届代表大 会上，通过决议指出“物理对社会的重要性”： 物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，而技术 进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；物理学有助于 技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用提供所需训 练有素的人才。
全世界的能源消耗： 石油——可用50年 天然气——70年 煤炭能用300年 普通核裂变铀-235不足一百年
2013-7-20 47
2013-7-20
42
红外线超声
2013-7-20 43
第七讲
物理学是能源科学的基础
2013-7-20
44
一、物理学与能源
人类能源利用史四个重要发展阶段: 1、火的使用，
2、蒸汽机的发明和利用(18世纪初)，
3、电能的使用(19世纪初) 4、原子能的利用(20世纪下半叶)． 后三个阶段与物理学的发展紧密联系. 正是物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用
纯物理型人才培养目标
与研究生教育有机衔接，各校物理系人才培养基地的建设。
物理应用型人才培养目标
是培养有宽厚学科基础，具有原始创新能力的优秀人才（21世 纪国家经济、国防、科技需要）
2013-7-20 3
二、物理学史的分期
1.古代物理学时期---科学的萌芽期
时间：从远古到16世纪中叶。 特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科 学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。 文化中心：古希腊和古代中国。
3、家用电器**，医疗技术**，石油和石油化工，
激光和光纤***，核技术***，高性能材料***，
2013-7-20 6
原因
1、物理学研究对象十分广泛且发展迅速； 2、物理学家的贡献。
2013-7-20 7
物理学研究对象： 1、从虚无到无所不有 2、从简单到复杂
星系团 粒子 微观 原子核 10-10 原子 介观
1957年，吴健雄，44岁，完成了宇称不守恒的实验 1964年，盖尔曼，35岁，建立了夸克理论 完成了统一 电磁作用和弱作用 19721973年，特豪夫特，26岁， 建立了 泡利策， 28岁， 量子色动力学
2013-7-20 15
1961年，格拉肖，29岁， 1967年，温伯格，34岁，
四、物理学家的“自然哲学思想”
2013-7-20
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计算物理— 我国基础物理教育的’短板’？
1.没有建立分层次的教学体系 理论：普通物理-理论物理-研究生教育 实验：普物实验-近代实验-研究生教育 计算物理？ 2. 众多师生缺乏运用计算物理的能力
2013-7-20
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百万亿次超级计算机——“曙光5000” 2008年08月29日 新华网 千万亿次超级计算机——“天河一号” 2009年10月29日 人民网
薛定谔对生命科学做出重大贡献的指导思想
“科学一定是统一的，相通的”。 在《生命是什么》一书中，对生命组织和无机界作了广 泛的类比，如基因分子与固体的类比，基因中的遗传信息与 电报中的密码类比等。
2013-7-20 16
五、21世纪物理前景—当代科学重大问题
●为什么要相信“对称” 生活的世界充满了不对称。这个矛盾怎么理解？ ●基本粒子中有6种轻子、6种夸克， 为什么夸克不能单独存在？ ●宇宙中23%的物质为暗物质，73%是暗能量， 它的存在有什么根据？ ●类星体发出的能量是太阳的1015 1016倍， 它如此巨大的能量从哪里来?
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3.现代物理学时期 时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世 纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论 出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命； 标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代 物理学的诞生。 20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个 相当庞大的学科群，包括高能物理（粒子物理）、 原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、计算物 理和理论物理等主体学科以及难以计数的分支学科。 物理学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众 多很有发展前途的交叉科学。
2.经典物理学时期
时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始 萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。16 世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿建立 了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热 力学、电磁学相继建立。到19世纪末，形成了比较完整的经 典物理学体系。
2013-7-20
W++ 10-20 10-15
1025 1020
星系 宇观 太阳系
1015
1010 105 1m
10-5
地球
山 宏观
DNA
人
8
化学工程 生物化学工程 放射学 应用生物学 土力学 结构学 建筑学
流体
热 力学
机械原理 核能 机械控制 电学
化 医 学 工
机 械 工 程
电力机械
人类利益
知 识 之 树
1935年，汤川秀树，28岁，创立了介子理论， 建立了核力基础理论 1942年，费米，41岁，建成第一个反应堆
2013-7-20 14
19451947年，朝永振一郎，39岁， 完成了电动力学 薛文格， 29岁， 的理论基础 费曼， 29岁， 1955年，克里克，39岁， 发现了DNA的双螺旋结构 沃森， 27岁， 1956年，李政道，29岁， 提出了弱相互作用中 杨振宁，34岁， 宇称不守恒理论
提供了理论基础和实验基础。
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能源危机和新能源 目前人类开发利用的主要能源如石油、煤、天然气和
铀等均为非再生能源，越来越少，面临“能源危机”。
当前能源革命的两大重点是开发新能源和提高能源的利 用效率。
物理学从理论和实验两个方面，为新能源开发、利用
提供新的途径和方法，如核电站、太阳能、地热能
2013-7-20
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人才出自青年
1905年，爱因斯坦，25岁，创立了狭义相对论
1912年，波尔，27岁，从普朗克的量子解释发展成量子论 19251926年，薛定谔，37岁， 海森伯，24岁， 为量子力学和量子统计 费米， 25岁， 的发展做出过贡献 泡利， 25岁， 1927年，狄拉克，27岁，完成了相对论性量子力学
2013-7-20 17
六、中国科技的进步
Gavin Menzies, “1421-The year China discovered America”(William Morrow, Harper Collins Publisher, 2002)
2013-7-20 18
首批中国物理学博士
2013-7-20
美 学 生
应 用 数 学 物 理
人 类 理 解
物
2013-7-20
化 学
自然法则
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物理学的迅速发展： 19世纪的物理学把20世纪的人类社会带进了电气化时代
1895年马可尼、波波夫 发明无线电 1926年第一次电视图像的传输 1928年第一次完成跨大西洋的图像无线的传输 1938年发现硒在光照下变成良导体，造成第一台复印机 1936年发明了磁带录音 1937年发明了雷达 1939年开始调频广播 1949年用X光分析了盘尼西林的晶体结构 1958年超声技术开始在医疗中间应用 1967年家用微波炉上市。
定量计算越来越重要，计算机能否代替解析技 术？应该如何调整对物理学家的训练？计算机 何时能成为有创造力的物理学家？
计算物理:核武器研制催生计算物理
2013-7-20 23
物理研究
定性的 物理 定量的 物理
结论与应用
概念 正确 数量级 正确
精确定量 化研究
半定量的 物理
2013-7-20
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“对称性”破缺？ 物理研究 三足鼎立