2020年高中物理竞赛-普通物理学B(修订版)01绪论(共54张PPT)

全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课
物理学作为研究自然界最普遍规律的科学和最 成熟的自然科学，其思想方法已经广泛地渗透到 各种自然科学技术领域，是科学方法的典型代表， 对世界观的形成所起的作用是直接的。
科学方法常被描述成科学家有时从事的几 种活动：观察、假设、实验等。实际上，物 理学的基本研究方法就是从感性认识到理性 认识，从实验事实总结归纳出客观规律的归 纳法。牛顿运动三定律就是主要从天体运行 及其相互作用的观察总结出来的。
赵凯华
定位：物理教育——科学素质教育
不仅仅是为后续课服务 不仅仅是为专业服务 立足于提高自身科学素质，有益于终身学习 和发展
为什么要提高工科学生的物理素质？
根本原因：物理学与工程技术的关系
历史经验证明，社会的每一次进步都源于物理学的 发展与进步。如物理学的三大革命：
*第一次工业革命（17~18世 纪）：建立在牛顿力学和热 力学发展的基础上，其标志 是以蒸汽机为代表的一系列 机械的产生和应用。
导体、半导体、绝缘体的性质和区别； Fermi面概念及其可测量的提出 1947年 发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖） 1957年 建立Fermi面编目 1962年 制成集成电路（IC） 70年代末 大规模和超大规模集成电路（VLIC）
激光技术的物理基础 1860年 Maxwell 建立光的电磁理论 1900年 Planck 提出能量子理论 1917年 Einstein 提出受激辐射理论 1953年 制成微波激射器（maser） 1960年 Maiman制成红宝石激光器 60~70年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置
察什么。”
——爱因斯坦
3. 学习先进的科学观念
* 物理学描述的是关于实在世界的模型
感觉世界
物理科学世界 (中介)
真实世界
总结
逼近
大量唯象定律 归纳 较高层次定律 目标
自然界的 基本法则
物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是 依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。
避免僵化，寻求发展和创新！
➢ 核能、太阳能；海洋生物资源利用技术、 空间探测技术…… ➢ 卫星通信、光纤通信、移动通信技术、 激光技术
➢ 微电子技术、计算机技术、信息技术、 信息获取与处理、光电子技术 ➢ 高温超导技术
➢ 非晶、多晶薄膜材料、纳米材料 ➢ 微生物、酶、细胞、蛋白质及基因工 程技术
电子和信息技术的物理基础
1925年 量子力学建立 1926年 Fermi-Dirac 统计法提出 1929年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释了
*第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展 的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的 出现和应用。
*第三次工业革命（20世纪）：建立在相对论和量子力 学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列 新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。
从根本上讲，二十世纪的技术群来源 于20世纪初物理学的三大成就
纳米科学技术应用实例 硅表面硅原子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
பைடு நூலகம்
砷化镓表面砷原 子的排列
电子探针移动氙原子
通过移走原子构成的图形
有人说，二十一世纪将是 生命科学获得重大突破的 世纪。但是，生命科学的 重大进展也离不开生物物 理和凝聚态物理在其中的 贡献，因为物理学的研究 方法和工具已经深深地渗 透到了生命科学的领域。 物理学家将会在生命科学 大突破中做出自己的贡献。
2020高中物理竞赛
普通物理学B（修订版）
第一篇 绪 论
解决两个问题：
* 明确为什么学？学什么？怎样学？
* 了解物质世界的整体图象。
目的：
获得学习“大学物理”的自觉意识和 较高的起点。
第一章 课程介绍 一. 为什么要学习“大学物理”？
物理学研究物质世界的基本结构、基本相 互作用和最普遍的运动规律。
力学（实物粒子） 相对论
经
典 物
电磁学（场）
力学 相对论量 子力学
量子力学
相对论 量子场 论
理
热力学统计物理
？
（多粒子体系） 量子统计物理
发展性
不断从新的角度审视和理解物理概念和 规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展， 相互关系的变化。
例如：质量 m
初中：
m V
m V
循环定义？
高中： 大学：
F ma
研究不同层次上物质的结构、物质
间相互作用和相互作用下产生的运动形
态和运动规律，始终是基础科学无止境
的前沿。
周光召
对于任何专业，大学基础物理课的 目的，都是使学生对物理学的内容和方 法，工作语言，概念和物理图象，其历 史、现状和前沿等方面，从整体上有个 全面的了解。这是一门培养和提高学生 科学素质，科学思维方法和科学研究能 力的重要基础课。
辅助教材:
《物理学概论习题参考解答》 《物理思维训练题集》 《活页作业题集》
成绩评定： 平时 30%
期末考试 70%
第二章 物质世界
一.物质世界的空间尺度——宇宙的42个台阶
宇 宙 学 、 粒 子 物 理 的 奇 妙 衔 接
二. 物质世界的时间尺度
宇宙年龄： 130 ~200亿年
1018 s
星系形成： 50亿年
七十年代微结构物理方面的重大突破开启了 集成电路工业，从而触发了第三次工业革命， 世界开始进入以微机应用为特征的信息时代。 激光技术和计算机技术的结合，使信息高速公 路的建设成为可能。
二十世纪八十年代高温 超导取得了划时代的突 破，为超导的更广泛和 更有效的应用打开了大 门。但是由于超导阈值 太低，实际应用非常困 难，只有在极有限的情 况下超导获得应用。
确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。 …...
例如：理想化方法 理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体……) 理想实验（伽利略、牛顿…... ） 理想过程 (准静态、绝热……)
实质: 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。
复习
质点、质点系、刚体
质点：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作 用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量， 占有位置，但无形状大小的“点”。
惯性质量；F
GmM r2
引力质量
E mc2 能量载体； m引 m惯
前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？
例如：力 F
中学：以“力”为中心。 对时间积累
I
Ft
p
F ma
动量定理——动量守恒
对空间积累 A FScos Ek
动能定理——机械能守恒
力矩 M Fd 定轴转动物体的平衡
近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。
质点系：质点的集合。 刚 体：任意两质点间距离保持不变的质点系。
集合
特例
* 质点
质点系
刚体
思考: 质点和几何学上的点有什么不同？
例如：科学假说方法
牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。 现代物理：问题——假说——(实践)——科学——
（证伪）——新问题——新假说——…...
“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观
中心：守恒量——动量、角动量、能量 守恒定律与自然界对称性的联系——卷首语
迁移性 注意提高应用物理知识理解、解
决实际问题的能力。 2. 学习物理方法 观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、 类比、理想化、假说…...
指导性原理: * 简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。 * 对应原理 ：新理论应包容在一定条件下被证实是正
• 1905－1915年， 爱因斯坦的相对论
• 1924－1927年， 量子力学
• 原子核物理 由它们决定了20世纪科学技术的面貌
这些技术群以信息技术为前导，以新材料 和新能源为两翼：
沿着微观尺度，正向粒子的深层结构及生物技术 、生命科学开拓； •沿着宇观尺度，正向人类征服宇宙的方向开拓。
主要代表
激光反射器 1982年 激光全息术 80~90年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器...
核技术的物理基础
1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性
1905年 Einstein 创立狭义相对论，得 E mc2
1911年 Rutherford 提出原子的有核模型 1925年 量子力学建立 1932年 建立原子核的 质子——中子 模型 1933年 发现人工放射性 1945年 实现核裂变——原子弹 1952年 实现核聚变——氢弹 1954年 建立第一座核电站
百米跑 10s
市电周期 102 s 中子寿命 103s 介子寿命 108 ~ 1017 s
中间玻色子寿命 1024 s
1018s ~ 1024 s 共计跨越了42个数量级
三. 基本粒子家族 基本粒子：人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点” 粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。 标准模型：1964年 美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线
*自然是和谐统一的整体 “物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。”
——爱因斯坦
自然界的复杂性是由简单规则演变而来。
学科的分化、交叉、整合。
人与自然的和谐发展——新的自然观
一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境 效益，树立“整体优化”和“可持续发展”的价 值观念。
三. 怎样学?
书山有路勤为径,学海无涯悟作舟
高温超导的突破，把超导阈值提高到了 液氮温度，这就大大减低了应用的难度和费用， 而且人们自然希望有朝一日能将超导阈值进一 步提高到更接近室温的程度。
蒸汽机车 内燃机车
电力机车
常导、超导 磁悬浮列车
提供科学原理
物 理
指导技术路线的选择和技术方案的改进
学 培养技术人员的科学品格和创新能力，
使其眼光远，层次高，后劲足
DNA分子的双螺旋结构： 大部分是右旋的。
爱因斯坦说：“科学对于人类事务的 影响有两种方式，第一种方式大家熟知的： 科学直接地、并在更大程度上间接地生产 出完全改变了人类生活的工具；第二种方 式是教育的性质——它作用于心灵。”
20世纪物理学的“文化味”越来越浓 了，它正日益成为社会一般知识、社会一 般意识形态的重要组成部分。通过学习我 们会看到：物理学既是科学，也是文化； 它首先是科学，但同时又是高层次、高品 位的文化。
地球年龄
4.6109 年 1017 s
大气形成 ~ 8108年 1016 s
外大气层
热电离层 平流层 臭氧层
中间层 对流层
生命的诞生：约40亿年 脊椎动物： 约6亿年 人类出现 1014s ~ 3106 年
生 物 的 进 化
地球公转 3107 s
月球公转 2.6106s
地球自转 105s
二.学什么？
“物”——物质世界 知识、方法、科学观念 “理”——普遍规律
1.学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。
整体性 形成物质世界的整体物理图象
注意掌握知识的结构和联系
基本 粒子
实物的 运动规律
相互作用 和场
教材结构和主线
振动和 量子现象和 多粒子体系
波动 量子规律
的热运动
物理学的基本框架
胶子 (8种) （已有实验基础） —— 传递强作用
引力子（尚未发现） —— 传递引力作用
规范粒子
名称 符号 静质量 电荷 自旋
传递的
（MeV） （e） ()
寿 命（s） 相互作用
光子
0
01
电磁
中间 W 80600 400 1 1
玻色子 Z0 91161 31 0
1
(2.93 0.18)1025 (2.60 0.03)1025
加速器中心电子——核子撞击实验首次验证， 获当年诺贝尔物理奖。 要点：三大家族、四种相互作用
基本粒子特征：质量、电荷、自旋、寿命 ……
分类：三大家族
1.规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介,共13种。
光子（20世纪20年代） —— 传递电磁相互作用
中间玻色子(3种) （20世纪70-80年代） —— 传递弱作用
物理学中常用模型方法抓主要矛盾和主要 矛盾方面。开普勒从信仰到科学的成功就是 一个典范。 开普勒是一位哲学家、数学家、天文学家。 他第一个公开支持哥白尼体系。他绝对忠实于 毕达哥拉斯关于宇宙中存在优美的数学的观念， 而且怀着对太阳的崇拜，在经历了16年的探索 之后，终于找到了精确而又优美的方案：以三 条描述行星轨道运动的几何学原理为基础， 建立了开普勒行星三定律， 确定了以太阳为焦点的椭 圆轨道模型。椭圆的优美 是开普勒一直追求的。
二十世纪八十 -九十年代迅速发展起来的人 工设计材料，像超晶格、纳米（10-9 m）材 料和光子晶体等都开辟一个崭新的材料科学 新时代，国外有人预言：二十一世纪将会是 人工设计材料的世纪。人工设计材料则意味 着人们将按自己的需要去设计并通过人工制 作重新排列原子或原子集团，使得这种材料 具有人们希望有的特性。这当然会使人类在 利用材料方面从必然王国走向自由王国。