物理学的研究对象
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Teaching Philosophy
Confucius (Eastern) Socrates (Western)
Knowledge
Knowledge
1
绪 论
§1 物理学的研究对象
§2 物理学的研究方法
§3 物理学与科学技术 * 物理学在医学中的应用 §4 为什么要学习物理学
2
§1 物理学的研究对象
DNA in order to study its mechanical properties. In one model, a DNA molecule is stretched to its full length and the recoil is studied.
28
微光机电系统(MOEMS)的医学应用
32
科学技术人员良好的物理素质表现为：
* 在科学技术问题面前，能够从物理本质上 提出问题和作出判断； （分析问题）
* 能够把物理学的思想、观点、规律和方法 运用到科学技术的实际中； （解决问题） * 注意物理学的发展，不断探索如何把物理学 的新成果引入到科学技术中。 （不断创新）
要重视提高科学素质，不要把物理课
人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘 物理学上对应 天体物理学
标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子的标准 模型给出的物质组成是一致的。
4
星系团 粒子 微观 原子核 原子 介观 W++ 10-20 10-15
1025
1020
星系
宇观
太阳系
1015
1010
5 1m 10
10-10
10-5
地球 山
DNA
12
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
质量范围举例
银河系 太阳
（单位：kg）
2.2×1041 2.0×1030
地球
月亮 地球上的海洋
6.0×1024
7.4×1022 1.4×1021
远洋轮船
108
13
大象 人 葡萄 灰尘 烟草花叶病毒 青霉素分子 铀原子 质子 电子 中微子
运动总是在一定空间里进行的，运动过程经历了 一段时间，对时间和空间的认识（称为时空观） 也是力学的一个课题。
38
质点运动学的基本概念
一、参照系和坐标系
宇宙中的一切物体都在运动，没有绝对静止的物体， 这叫运动的绝对性。 为了描述一个物体的机械运动，必须选另一个物体作 参照物，被选作参照的物体称为参照系，参照系的选 择可视问题的性质而任意选定。 同一物体的运动，由于我们选取的参照系不同，对 它的运动的描述就不同，这称为运动描述的相对性 只有参照系还不能定量地描述物体的位置。需要在参 照系上固定一个坐标系，这样就可定量描述物体的位 置。常用坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。 39
修改理论
物理学是一门理论和实 验高度结合的精确科学.
17
具体地说，物理学还有许多有特色的方法
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 对称性分析 守恒量的利用 简化模型的选取 概念和方法的类比 定性和半定量分析 量纲分析 能量分析 ……
18
§3 物理学与科学技术 一、物理规律的普适性
1、经典物理：宏观、低速 2、现代物理：相对论、量子论
以获取细节知识为其训练内容的人来
他一定会更好适应进步和变化 －爱因斯坦
36
第一章 力 学 引 论
37
§1 力学的研究对象
力学就是研究物体机械运动的学科。 它主要包括以下两个方面： （1）研究如何描述物体的运动，称为运动学； （2）研究物体为什么运动，探讨物体运动和 物体间相互作用的联系及规律，称为动力学。
物理学古称自然哲学。 “Physics”→ “” 物理学是探索物质结构（“物”）及其运动的基本规 律（“理”）的科学。 一、物质世界 研究的对象十分广泛 宇观、宏观、介观、 微观，为人们描绘出一幅五彩缤纷的图画 空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
当专业课来对待！
33
关于学习方法和学风的要求
▲
▲
▲ ▲ ▲
反对应试观点，重视素质和能力的培养，特 别是创新意识的培养。 重视预习和复习，主动培养自学能力，适应 各种讲课方式（如讲思路、讲背景、讲重点 和难点）。 记笔记(要记思路、要点和有特色的内容)。 高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术”。 严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。
3
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成 物理学上对应 粒子物理学 目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构,但近来有消息称: quark 也可一分为二,说明认识是无止境的
胶囊型内窥镜结构
30
纳米医学
追踪病毒 把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上，然后利 用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细 胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、器官内，用光线 从人体外部向内进行照射，体内的纳米颗粒也会发光，这样 就可以达到追踪病毒的效果。
纳米颗粒极高的传感灵敏效应,利用纳米成像 技术，这种方法需要将直径只有１５纳米的荧光粒子附着到 ＤＮＡ的特殊部分，随后分析荧光信号的强度以及其它特性。 这些粒子称为量子点，具有独特的光电性质，使其比生物医 学研究中常用的传统荧光标签更易检测到。
22
3、激光
1） 激光诊断：OCT、LIFE 2） 激光治疗：激光手术刀、激光针灸、 激光碎石、肿瘤治疗 3） 其他：激光验血划痕器、光镊与人工受精
激光光镊
4、粒子手术刀
γ射线刀、电子束刀、X射线刀
5、成像技术
X射线成像、CT、MRI 等等
23
OCT Catheter-endoscope
24
Laser eye surgery
34
要勤于思考,悟物穷理，不断建立 自己的物理图象。
参考书目
“大学物理学”上下册， 张小兵、杨宝胜、郭儒编 “物理学”上下册， 马根源、王松立、金庆华编 “大学物理学”一套五册（第二版）， 张三慧主 编 “大学物理通用教程”，鈡锡华、陈熙谋等 “基础物理学”上下册， 陆果
35
结束语
发展独立思考和独立创新的一般能力，应 当始终放在首位，而不应当把知识放在首 位。如果一个人掌握了他的学科的基础理 论，并且学会了独立思考与工作，他必定 会找到自己的道路。而且比起那些主要
8
人类已观测到的宇宙大致范围
9
目前人类所研究的物质世界的最 小物质为夸克
10
时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期)
时间尺度举例
宇宙年龄
（单位：s）
1018
太阳系年龄
原始人出现
1.4×1017
1013
最早的文字记录
人类平均寿命 地球公转
1.6×1011
2.2×109 3.2×107
地球自转
8.6×104
11
太阳光到地球的传播时间 人类心脏跳动周期 声波的周期 无线电波的周期 +介子的平均寿命 分子振动周期 原子振动周期(光波周期) 光穿越原子的时间 最短的粒子寿命 硬 射线周期
5×102 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-25 10-27
corrective eye surgery
25
Laser cosmetic surgery
26
Laser surgery
removing blemishes
gallbladder surgery using fiber optics
27
光镊: DNA stretching
Optical tweezers can also be used to stretch out
20
自动控制 电子
工程技术的 “知识之树”
电力
电气工程
21
* 医学中的物理学
1、超声
1） 超声诊断：B超、超声多普勒血流计、 超声胎心仪等等 2） 超声治疗：高频超声碎石、碎血栓；利 用超声波的热效应，加快骨伤愈合速度、治 疗腱鞘炎、关节炎等等
2、放射性
1） 诊断：利用放射性核素示踪作用 2） 治疗：抑制和破坏肿瘤细胞
疾病诊断
纳米药物 由于生物医药产品的开发周期相对较长，纳 米生物医药真正成熟的产品还不多，但前景是非常乐观的。 以被认为最有应用前景的化疗药物的例子来看：利用正常组 织以及病灶部位毛细血管通透性的差异，可以有效地增加药 31 物在病灶位的聚集度，同时明显降低毒副作用。
§4
为什么要学习物理学
▲ 物理学的许多概念、规律和方法在医学上 有很重要的应用 ▲ 打好学习其它学科的基础 ▲ 提高科学素质和能力,以适应高新技 术和市场经济的发展(转产,转行) ★ 学习物理对提高科学素质有重要作用： （1）学会掌握科学的方法 （2）培养科学思维能力、发展智力 （3）培养探索与创新精神 ★ 现代科学技术人员必须具备良好的科学素质
现代光学
（物理）
被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、 发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：
量子力学 费米—狄拉克统计 固体能带理论 （20年代） （物理） 晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路 （70年代后期） （技术）
微结构 物理
（物理）
▲
物理等基础科学与工程技术的关系可形象地 用工程技术的“知识之树”表示：
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
不同尺度和速度范围的对象， 要用不同的物理学规律研究
15
二、基本的相互作用
自然界存在的四种基本相互作用 : 1、引力相互作用 2、电磁相互作用 3、强相互作用 4、弱相互作用
类型 强相互作用 媒介粒子 胶子和介子 强度** 1 作用距离 短（10-15m）
电磁相互作用
弱相互作用
光子
中间玻色子
10-2
10-13
长Байду номын сангаас
短（10-18m）
引力相互作用
引力子
10-38
长
16
**：在距离源10-15m处，相对于强相互作用的相对强度
§2
物理学的研究方法
提出命题
演绎法 －推理，演算 归纳法 －假设，模型 定性和半定量
推测答案
理论预言
实验检验 应 用
物理上的直觉、 想象力、洞察力 也常常产生重大 突破和发现
103 7.0×101 10-3 10-10 2.3×10-13 5.0×10-17 4.0×10-26 1.7×10-27 9.1×10-31 <2.0×10-35
14
研究对象
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
（单位：m）
1026
超星系团尺度
银河系半径 光一年内所走的距离
1024 7.6×1022 1016
1.5×1011 7×108 6×106
7
日地距离 太阳半径 地球半径
无线电中波波长 核动力航空母舰长度 人类身高 灰尘线度 人类红细胞细胞直径 细菌线度 原子线度 原子核线度 基本粒子线度 夸克
103 3×102 ~1.6 10-3 10-6 10-9 10-10 10-15 10-17 10-20
人
宏观
5
物质世界结构
实物 分 子
宇
宙
场 宇 宙 大 爆 炸 标 准 模 型
原 子 原子核 质子 中子 夸克 电 子 （轻子） 费米子 规范玻色子
粒子物理标准模型
6
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
空间尺度举例
已观测到的宇宙范围极限
二、物理学与科学技术
▲ 历史上物理与技术的关系大致有两种模式：
技术－物理－技术(以第一次工业革命为标志)
物理－技术－物理(以电气化进程为标志) ▲ 20世纪两种模式并存、交叉， 但几乎所有重大
19 新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。
例如：
★ 爱因斯坦受激辐
射理论（1917）
（物理）
★
第一台激光器 诞生（1960） （技术）
胶囊型内窥镜的问世，与一般的内窥镜比较，完全
避免病人在检查过程中所产生的苦痛。
带有摄像机的胶囊型内
窥镜直径0.9cm，长 2.3cm，被病人吞下后， 可在食道、胃、十二指 肠、小肠、大肠等处拍 摄图像。
29
微型内窥镜的内部结构：
1、光学圆盖 2、透镜固定环 3、透镜 4、照明发光二极管 5、互补金属氧化物 半导体成像器 6、电池 7、专用集成电路 8、天线
Confucius (Eastern) Socrates (Western)
Knowledge
Knowledge
1
绪 论
§1 物理学的研究对象
§2 物理学的研究方法
§3 物理学与科学技术 * 物理学在医学中的应用 §4 为什么要学习物理学
2
§1 物理学的研究对象
DNA in order to study its mechanical properties. In one model, a DNA molecule is stretched to its full length and the recoil is studied.
28
微光机电系统(MOEMS)的医学应用
32
科学技术人员良好的物理素质表现为：
* 在科学技术问题面前，能够从物理本质上 提出问题和作出判断； （分析问题）
* 能够把物理学的思想、观点、规律和方法 运用到科学技术的实际中； （解决问题） * 注意物理学的发展，不断探索如何把物理学 的新成果引入到科学技术中。 （不断创新）
要重视提高科学素质，不要把物理课
人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘 物理学上对应 天体物理学
标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子的标准 模型给出的物质组成是一致的。
4
星系团 粒子 微观 原子核 原子 介观 W++ 10-20 10-15
1025
1020
星系
宇观
太阳系
1015
1010
5 1m 10
10-10
10-5
地球 山
DNA
12
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
质量范围举例
银河系 太阳
（单位：kg）
2.2×1041 2.0×1030
地球
月亮 地球上的海洋
6.0×1024
7.4×1022 1.4×1021
远洋轮船
108
13
大象 人 葡萄 灰尘 烟草花叶病毒 青霉素分子 铀原子 质子 电子 中微子
运动总是在一定空间里进行的，运动过程经历了 一段时间，对时间和空间的认识（称为时空观） 也是力学的一个课题。
38
质点运动学的基本概念
一、参照系和坐标系
宇宙中的一切物体都在运动，没有绝对静止的物体， 这叫运动的绝对性。 为了描述一个物体的机械运动，必须选另一个物体作 参照物，被选作参照的物体称为参照系，参照系的选 择可视问题的性质而任意选定。 同一物体的运动，由于我们选取的参照系不同，对 它的运动的描述就不同，这称为运动描述的相对性 只有参照系还不能定量地描述物体的位置。需要在参 照系上固定一个坐标系，这样就可定量描述物体的位 置。常用坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。 39
修改理论
物理学是一门理论和实 验高度结合的精确科学.
17
具体地说，物理学还有许多有特色的方法
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 对称性分析 守恒量的利用 简化模型的选取 概念和方法的类比 定性和半定量分析 量纲分析 能量分析 ……
18
§3 物理学与科学技术 一、物理规律的普适性
1、经典物理：宏观、低速 2、现代物理：相对论、量子论
以获取细节知识为其训练内容的人来
他一定会更好适应进步和变化 －爱因斯坦
36
第一章 力 学 引 论
37
§1 力学的研究对象
力学就是研究物体机械运动的学科。 它主要包括以下两个方面： （1）研究如何描述物体的运动，称为运动学； （2）研究物体为什么运动，探讨物体运动和 物体间相互作用的联系及规律，称为动力学。
物理学古称自然哲学。 “Physics”→ “” 物理学是探索物质结构（“物”）及其运动的基本规 律（“理”）的科学。 一、物质世界 研究的对象十分广泛 宇观、宏观、介观、 微观，为人们描绘出一幅五彩缤纷的图画 空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
当专业课来对待！
33
关于学习方法和学风的要求
▲
▲
▲ ▲ ▲
反对应试观点，重视素质和能力的培养，特 别是创新意识的培养。 重视预习和复习，主动培养自学能力，适应 各种讲课方式（如讲思路、讲背景、讲重点 和难点）。 记笔记(要记思路、要点和有特色的内容)。 高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术”。 严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。
3
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成 物理学上对应 粒子物理学 目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构,但近来有消息称: quark 也可一分为二,说明认识是无止境的
胶囊型内窥镜结构
30
纳米医学
追踪病毒 把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上，然后利 用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细 胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、器官内，用光线 从人体外部向内进行照射，体内的纳米颗粒也会发光，这样 就可以达到追踪病毒的效果。
纳米颗粒极高的传感灵敏效应,利用纳米成像 技术，这种方法需要将直径只有１５纳米的荧光粒子附着到 ＤＮＡ的特殊部分，随后分析荧光信号的强度以及其它特性。 这些粒子称为量子点，具有独特的光电性质，使其比生物医 学研究中常用的传统荧光标签更易检测到。
22
3、激光
1） 激光诊断：OCT、LIFE 2） 激光治疗：激光手术刀、激光针灸、 激光碎石、肿瘤治疗 3） 其他：激光验血划痕器、光镊与人工受精
激光光镊
4、粒子手术刀
γ射线刀、电子束刀、X射线刀
5、成像技术
X射线成像、CT、MRI 等等
23
OCT Catheter-endoscope
24
Laser eye surgery
34
要勤于思考,悟物穷理，不断建立 自己的物理图象。
参考书目
“大学物理学”上下册， 张小兵、杨宝胜、郭儒编 “物理学”上下册， 马根源、王松立、金庆华编 “大学物理学”一套五册（第二版）， 张三慧主 编 “大学物理通用教程”，鈡锡华、陈熙谋等 “基础物理学”上下册， 陆果
35
结束语
发展独立思考和独立创新的一般能力，应 当始终放在首位，而不应当把知识放在首 位。如果一个人掌握了他的学科的基础理 论，并且学会了独立思考与工作，他必定 会找到自己的道路。而且比起那些主要
8
人类已观测到的宇宙大致范围
9
目前人类所研究的物质世界的最 小物质为夸克
10
时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期)
时间尺度举例
宇宙年龄
（单位：s）
1018
太阳系年龄
原始人出现
1.4×1017
1013
最早的文字记录
人类平均寿命 地球公转
1.6×1011
2.2×109 3.2×107
地球自转
8.6×104
11
太阳光到地球的传播时间 人类心脏跳动周期 声波的周期 无线电波的周期 +介子的平均寿命 分子振动周期 原子振动周期(光波周期) 光穿越原子的时间 最短的粒子寿命 硬 射线周期
5×102 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-25 10-27
corrective eye surgery
25
Laser cosmetic surgery
26
Laser surgery
removing blemishes
gallbladder surgery using fiber optics
27
光镊: DNA stretching
Optical tweezers can also be used to stretch out
20
自动控制 电子
工程技术的 “知识之树”
电力
电气工程
21
* 医学中的物理学
1、超声
1） 超声诊断：B超、超声多普勒血流计、 超声胎心仪等等 2） 超声治疗：高频超声碎石、碎血栓；利 用超声波的热效应，加快骨伤愈合速度、治 疗腱鞘炎、关节炎等等
2、放射性
1） 诊断：利用放射性核素示踪作用 2） 治疗：抑制和破坏肿瘤细胞
疾病诊断
纳米药物 由于生物医药产品的开发周期相对较长，纳 米生物医药真正成熟的产品还不多，但前景是非常乐观的。 以被认为最有应用前景的化疗药物的例子来看：利用正常组 织以及病灶部位毛细血管通透性的差异，可以有效地增加药 31 物在病灶位的聚集度，同时明显降低毒副作用。
§4
为什么要学习物理学
▲ 物理学的许多概念、规律和方法在医学上 有很重要的应用 ▲ 打好学习其它学科的基础 ▲ 提高科学素质和能力,以适应高新技 术和市场经济的发展(转产,转行) ★ 学习物理对提高科学素质有重要作用： （1）学会掌握科学的方法 （2）培养科学思维能力、发展智力 （3）培养探索与创新精神 ★ 现代科学技术人员必须具备良好的科学素质
现代光学
（物理）
被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、 发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：
量子力学 费米—狄拉克统计 固体能带理论 （20年代） （物理） 晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路 （70年代后期） （技术）
微结构 物理
（物理）
▲
物理等基础科学与工程技术的关系可形象地 用工程技术的“知识之树”表示：
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
不同尺度和速度范围的对象， 要用不同的物理学规律研究
15
二、基本的相互作用
自然界存在的四种基本相互作用 : 1、引力相互作用 2、电磁相互作用 3、强相互作用 4、弱相互作用
类型 强相互作用 媒介粒子 胶子和介子 强度** 1 作用距离 短（10-15m）
电磁相互作用
弱相互作用
光子
中间玻色子
10-2
10-13
长Байду номын сангаас
短（10-18m）
引力相互作用
引力子
10-38
长
16
**：在距离源10-15m处，相对于强相互作用的相对强度
§2
物理学的研究方法
提出命题
演绎法 －推理，演算 归纳法 －假设，模型 定性和半定量
推测答案
理论预言
实验检验 应 用
物理上的直觉、 想象力、洞察力 也常常产生重大 突破和发现
103 7.0×101 10-3 10-10 2.3×10-13 5.0×10-17 4.0×10-26 1.7×10-27 9.1×10-31 <2.0×10-35
14
研究对象
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
（单位：m）
1026
超星系团尺度
银河系半径 光一年内所走的距离
1024 7.6×1022 1016
1.5×1011 7×108 6×106
7
日地距离 太阳半径 地球半径
无线电中波波长 核动力航空母舰长度 人类身高 灰尘线度 人类红细胞细胞直径 细菌线度 原子线度 原子核线度 基本粒子线度 夸克
103 3×102 ~1.6 10-3 10-6 10-9 10-10 10-15 10-17 10-20
人
宏观
5
物质世界结构
实物 分 子
宇
宙
场 宇 宙 大 爆 炸 标 准 模 型
原 子 原子核 质子 中子 夸克 电 子 （轻子） 费米子 规范玻色子
粒子物理标准模型
6
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
空间尺度举例
已观测到的宇宙范围极限
二、物理学与科学技术
▲ 历史上物理与技术的关系大致有两种模式：
技术－物理－技术(以第一次工业革命为标志)
物理－技术－物理(以电气化进程为标志) ▲ 20世纪两种模式并存、交叉， 但几乎所有重大
19 新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。
例如：
★ 爱因斯坦受激辐
射理论（1917）
（物理）
★
第一台激光器 诞生（1960） （技术）
胶囊型内窥镜的问世，与一般的内窥镜比较，完全
避免病人在检查过程中所产生的苦痛。
带有摄像机的胶囊型内
窥镜直径0.9cm，长 2.3cm，被病人吞下后， 可在食道、胃、十二指 肠、小肠、大肠等处拍 摄图像。
29
微型内窥镜的内部结构：
1、光学圆盖 2、透镜固定环 3、透镜 4、照明发光二极管 5、互补金属氧化物 半导体成像器 6、电池 7、专用集成电路 8、天线