吉大力学课件00绪论

光的问题上的理论与实践的矛盾：
19世纪60年代，麦克斯韦方程组预言光是电磁波，导出光在
真空中的光速C=3.0*10^8米/秒，认为是机械波。用经典理 论解释光的传播问题时，需要明确的问题 （1）光的传播相对哪个媒质？ （2）光速相对哪个参考系而言? (3) 麦克斯韦方程组在经典时空观变换下是否具协变性？
贡献：1543年公开发表《天体运行论》，首次建立了日心说
托勒密 （90-168）
哥白尼 （1473-1543）
开普勒 (1571—1630），德国天文学家
1600年担任丹麦天文学家第谷助手， 1609年总结第一、二 定律（8年时间），1619年总结第三定律（10年时间） 贡 献 解决行星轨道问题
伽利略（1564—1642），意大利物理学家
机械运动
热运动 电磁现象 光现象 物质微观 结构 时空结构
力学、理论力学
热学、热力学与统 计物理 电磁学、电动力学 光学 原子物理、量子力 学 相对论、宇宙学
力学原理及其应用
单元 点 规律描述
万有引力定律 牛顿三定律 质心运动定律 动量定理与守恒
现象解释 卫星轨道，超重与失重，汽车中人 的前、后倾，潮涨潮落，表观重力， 丢失的重量，地球的自转，东北信 风，台风的形成 物体的运行轨迹，手抓飞行子弹， 西瓜、小鸟的威力，火箭发射，筛 选法原理 运动员转速的变化，导航仪，不翻 转的子弹，自行车转弯 轮船的相碰，上旋球，下旋球，香 蕉球，机翼的升力，龙卷风 不敲自响的铜罄，桥梁的坍塌，信 号调频
针对前两个问题，设想特殊的媒质—以太！ 迈克尔孙—莫雷实验试图验证以太的存在
迈克尔孙 （1852-1931）
莫雷 （1838-1923）
针对第三个问题，麦克斯韦方程组在伽利略变换下 不具有协变性
ห้องสมุดไป่ตู้
第三个问题的三种可能情况： （1）伽利略变换不是更为普适的变换
（2）相对性原理只适用于力学，而不适合电磁学
（3）麦克斯韦方程组不是电磁学的普适规律 爱因斯坦根据大量事实假设： 伽利略变换不是更为普适的变换—寻求新的变换 洛伦兹变换—近代时空观—狭义相对论—广义相对论
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量子力学产生的历史背景
热辐射=电磁辐射 黑体腔的辐射=黑体辐射，物体吸收光而无反射 1859年，基尔霍夫证明，黑体辐射的辐射能量与腔体材料和 形状无关，因此，可以利用黑体腔研究热辐射规律
贡
献 《物理学》—统治物理学近千年
阿基米德（公元前287年—前212）古希腊传奇的科学家
贡献：发现了浮力定律、杠杆原理
亚里士多德 （前384-前322）
阿基米德 （前287-前212）
托勒密（约公元90年—公元168年），古希腊地理学家 贡 献 建立了地心说理论
哥白尼 (1473—1543) ，波兰天文学家
1893年，维恩从实验上获得了黑体辐射位移律 以此给出的经验公式为：
E ( , T )d c1 3ec2 / T d
维恩的经验公式高频与实验符合很好 1900—1905年，瑞利—金斯根据电 动力学和统计物理理论上得到：
8 E ( , T )d 3 kT 2 d c 瑞利—金斯公式低频部分符合
波恩 （1882-1970）
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十九世纪末—经典物理大厦的建成
牛顿等建立力学，刚体力学、流体力学、 体力学、声学等 开尔文，克劳修斯创立了热学 库伦、安培、法拉第、麦克斯韦创立了电磁学 斯涅尔、费马、惠更斯、菲涅尔、麦克斯韦、玻恩建光学
1875年德国物理学家普朗克演讲：
物理学的重要规律已被挖掘殆尽，想在物理学方面有所作 为的人无不感到沮丧 事实如何？—理论与实验的矛盾—近代物理学的诞生
新技术学科的产生。 物理学又是科学技术进步的源泉：三次重大的技术进展
第一，热力学导致蒸汽机的发明和广泛应用
第二，电磁学导致发电机、电动机的发明和无线电通讯的发展。 第三，相对论、量子力学导致原子能,电子计算机,徽电子技术,
航天技术的进一步发展。
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经典物理
力学
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近代物理
光学 原子 相对论 量子力学
斯涅耳 （1850-126）
费马 （1601-1665）
1815年，法国物理学家菲涅尔提出惠更斯-菲涅尔原理，
建立了波动光学的理论基础
19世纪末，麦克斯韦方程组将光和电磁现象统一起来 1925年，德国玻恩提出了波粒二象性的概率解释， 建立了波动性与粒子性之间的联系
惠更斯 （1629-1695）
菲涅尔 （1788-1827）
热学、热力学与统 热运动现象与规律 计物理 电磁学、光学、电 电磁和光现象与规 动力学 律 原子物理、量子力 物质微观结构和量 学 子现象与规律
凝聚态物理
凝聚态物质结构及 性质
研究固体物质的结构及相关性质
研究时间和空间以及引力场性质
狭义相对论、广义 时空结构 相对论、宇宙学
物理研究方法：
实验物理学：以实验为基础，通过观测总结上升至理论。 理论物理学：从已知的原理出发，理论上预测规律，再被实
高频部分大相径庭—紫外灾难！
为了解决这一困难，德国物理学家普朗克于1900年提出
了光的能量子概念，所得黑体辐射公式为：
8 h 3 d E ( , T )d 3 h / kT c e 1
12 13 14
15.麦克斯韦
15
16.卢瑟福 17.玻尔 18.爱因斯坦 19.普朗克 20.海森堡 21.薛定谔 22.狄拉克
16
17
18
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20世纪中叶后，开展微观、宇观、宏观复杂系统三大前沿问题研究
力学发展简史（16、17世纪）
亚里士多德 (公元前384—322）古代著名的哲学家、思想家 苏格拉底，柏拉图，亚里士多德并称古希腊三大哲学家
基本 规律
运动 规律
导出 规律 功能原理与守恒 角动量定理与守恒
刚体 角动量定理与守恒的应
用
解决 问题
流体
功能原理的应用
振动 质心运动定理的应用
波动 质心与相对运动应用
变声与变色
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物理学研究内容： 物格无极限，理运有常识！
现代定义：是研究物质的结构、性质以及运动规律的科学
分支学科 力学、理论力学 知识领域 机械运动现象与规 律 研究的对象和内容 研究大到天体、小到颗粒等宏观物 体的空间运动规律 研究大量微观粒子的统计运动规律 研究包括光波在内的电磁场的运动、 粒子在电磁场中的运动等规律。 研究物质的微观结构以及微观粒子 的个体运动规律
牛顿三定律；万有引力定律
牛顿的历史地位和贡献
牛顿 （1642-1727）
恩格斯评价
完成了人类科学史上的第一次总结
牛顿自我评价 在巨人肩上完成的使命 贡 献 1. 建立了简洁而完美的力学体系 2.体现的科学的指导作用与预言作用 哈雷彗星：1531，1607，1682；1758预现，1759出现（木，土） 海王星： 1781年发现天王星，天王星轨道有偏差， 烈唯耶（法国）计算，伽列（柏林天文台）观测 冥王星：同样的方法发现 3.科学的研究方法
安培总结为安培定律
1831年，英国物理学家法拉第给出电磁感应定律
库伦 （1736-1806）
安培 （1775-1836）
法拉第 （1791-1867）
1865年，麦克斯韦用数学公式将电磁规律表示出来， 建立了麦克斯韦方程组。 麦克斯韦完成电磁学大统一理论。引入“位移电流”和 “涡旋电场”导致另一项重大发现—电磁波
吉林省有突出贡献的专业技术人才 至2012年，指导硕士生48人，博士生20人，博士后5人 管 理： 1997—2000年，本科教学副院长 2004—至今，研究生、学科建设、师资副院长
力学国家精品课网址：http://59.72.0.103/lx/index.do 吉林大学物理学院主页
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导致技术的实现 （嫦娥一号）
贡献：落体定律，惯性定律，揭示了亚里士多德的错误
开普勒 （1571-1630）
伽利略 （1564-1642）
牛顿（1642—1727），英国物理学家 1661年（18岁）剑桥大学学习数学 1665-1666年(23—24岁）微积分，引力定律，光的色散现象 1686年（44岁）《自然哲学的数学原理》
《力学》国家级精品课负责人
《力学》吉林省优秀教学团队负责人
宝钢优秀教师奖
吉林省教学名师 吉林省教书育人楷模 长春市五一劳动奖章获得者 教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会委员
科
研：光学领域，量子光学、非线性光学
承担国家自然基金、教育部博点基金等
发表SCI学术论文50余篇
国家自然科学四等奖等多项奖励
验所验证。 19世纪以前，实验物理学方法。
20世纪以后，两大分支并存，相辅相成推动着物理学的发展。
计算物理学：将数学和计算机应用到理论物理学的研究中，
可以解决复杂体系的物理问题，称之为计算物理学。 物理学规律的正确性最终要由实验测量结果所验证。
物理学在自然科学中的地位和作用： 物理学是自然科学中的基础：导致新的分支学科、交叉学科和
热学
电磁
15 世 纪 前 16 18 19 世 纪 期 20 世 纪 中 叶 以 前 至 世 纪
4
1.亚里士多德 2.阿基米德 3.托罗密 4.哥白尼 5.开普勒 6.伽利略 7.牛顿
8 9 10 11
5
6
7
8.斯涅尔 9.费马 10.惠更斯 11.菲涅耳
12.克劳修斯 13.玻尔兹曼 14.吉布斯
指导人类的活动 （跳水运动员）
物理学原理实用性举例
理解自然与生活现象的发生 （龙卷风、惯性）
物理学魅力的体现 （逻辑思维、形象思维、发现和解决问题、接受新事物的能力） 物理原理的实用性 人类文明进步的源泉 19世纪，蒸汽机的发 明和广泛应用，为工 业生产和交通运输提 供了动力，第一次工 业革命 19世纪，发电机、电 动机的发明和无线电 通讯的发展，引发了 第二次工业革命 20世纪初，在原子能, 航天技术,分子生物 学和遗传工程等领域 取得了重大突破 自然与生活的宝库 谁造成了身边的无 形“力量之手”？ 什么在左右世界的 温度？ 什么改变了信息世 界？ 海水和天空为什么 是蓝色的？ 为什么微观粒子会 成为隐形杀手和巨 爆炸？ 光是直线传播吗？ 物理原理的精炼完美性 研究领域 形成的分支学科
矛盾 实验 理论 指导
实践
正确
在牛顿力学的基础上，相继建立了刚体力学、流体力学、
天体力学、声学等衍生学科
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热学发展简史（19世纪）
内容：热力学第一、二定律；统计力学
1842年，迈尔（德国）、焦耳（英国）、亥姆霍兹（德国） 研究功能转化问题，焦耳用了40年时间研究热功当量
—1850年，德国物理学家克劳修斯建立热力学第一定律
麦克斯韦完成了人类科学史上的第二次总结
麦克斯韦 （1831-1879）
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光学发展简史（18、19世纪）
内容：几何光学，波动光学，量子光学 1621年，荷兰斯涅尔将折射现象的观察结果总结为折 射定律（斯涅尔定律）
1657年，法国费马提出了最小时间原理，并从理论上证明
反射定律和折射定律，完成几何光学体系
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近代时空观及近代物理学的产生背景
19世纪末，经典物理与实践出现的两个矛盾： （1）迈克儿逊—莫雷否定以太的实验 （光传播问题矛盾）
（2）黑体辐射的“紫外灾难”（微观问题矛盾 ）
1900年，汤姆逊（英国）演讲，“十九世纪末的物理学上空
飘着两朵小乌云，注定会在未来的物理学上空卷起漫天风暴”
相对论产生的历史背景
统计力学建立了热力学定律与分子运动论之间的内在联系， 形成物理学又一完备理论体系
波尔兹曼 （1844-1906）
吉布斯 （1839-1903）
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电磁学发展简史（19世纪）
内容：静电和静磁；电产生磁；磁产生电；电磁场描述 1785年，法国库伦实验总结静电场和静磁场库仑定律 1820年，丹麦奥斯特电流可以产生磁，法国物理学家
绪论
主讲教师简介 一、物理学的魅力体现
二、物理学研究内容、方法、地位
三、物理学发展简史
四、力学在物理学中地位
五、力学与理论力学的知识体系 六、学习力学的几点建议 七、矢量基本运算
主讲教师简介
张汉壮：1962年，吉林大学物理学院，光学教授、博导、副院长 教 学：自1990年始，主讲力学课20届，累计学生5000余人，
1824年法国卡诺研究卡诺循环 —热力学第二定律的前身 —爱尔兰物理学家汤姆森建立了绝对温标
—1850年克劳修斯建立热力学第二定律
克劳修斯 （1822-1888）
1859年，英国物理学家麦克斯韦气体分子速率分布规律
1869年，奥地利物理学家玻尔兹曼提出玻尔兹曼分布规律 1902年，美国物理学家吉布斯建立了统计力学