1、劉曉晗大學物理牛頓力學參考教材：參考教材：梁昆淼力學趙凱華力學（新概念物理）鄭永令力學什么是物理學什么是物理學(physics)? 物：物質結構、性質物：物質結構、性質 理：物質運動、變化規律理：物質運動、變化規律緒緒 論論 空間尺度空間尺度 ( (相差相差101045 45 10104646) ) 10 1026 26 m(m(約約150150億光年億光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) ) 時間尺度時間尺度 ( (相差相差10104545) ) 10 101818s(150s(150億年億年) )( (宇宙年齡宇宙年齡) )1010-27-27s s(

2、(硬硬 g g 射線周期射線周期) ) 速率范圍速率范圍 0 0( (靜止靜止) ) 3x103x108 8 m/s( (光速光速) )研究研究對象對象十分廣泛十分廣泛( (一) )物理學的研究對象和研究方法物理學的研究對象和研究方法 不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學研究不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學研究m1310610910121015101810211024102710的物質世界的物質世界Hubble 半徑半徑超星系團超星系團星系團星系團銀河系銀河系太陽系太陽系太陽太陽山山310 DNA長度長度最小的細胞最小的細胞610 910 原子原子1210 1510 原子核原子核粒

3、子粒子0ZWe最近最近星距星距微微觀觀宏宏觀觀介介觀觀宇宇觀觀伽利略的研究方法 觀察現象觀察現象提出假設提出假設進行數學和邏輯推理進行數學和邏輯推理 實驗驗證實驗驗證 形成理論形成理論 開創了科學實驗方法，并將實開創了科學實驗方法，并將實驗、觀察和理論思維相結合。驗、觀察和理論思維相結合。提出了思想實驗。提出了思想實驗。伽利略在解釋其觀察結論伽利略在解釋其觀察結論 愛因斯坦評價他說：愛因斯坦評價他說：“伽利略的發現以及他所伽利略的發現以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學真正的開端。一，而且標志著物理學真正的開端。”

4、 伽利略被后人稱為伽利略被后人稱為“現代物理之父現代物理之父”。羅馬教庭對伽利略的審判羅馬教庭對伽利略的審判 物理學的研究方法物理學的研究方法提出命題提出命題應用應用修改理論修改理論實驗檢驗實驗檢驗理論預言理論預言推測答案推測答案物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學， 其研究方法可概括為：其研究方法可概括為：物理上的直覺、物理上的直覺、想象力、洞察力想象力、洞察力也常常產生重大也常常產生重大突破和發現突破和發現具體地說，物理學還有許多有特色的方法：具體地說，物理學還有許多有特色的方法：對稱性分析對稱性分析守恒量的利用守恒量的利用簡化模型的選取簡化模

5、型的選取概念和方法的類比概念和方法的類比定性和半定量分析定性和半定量分析量綱分析量綱分析 從方法論上講，物理學的研究方法可分為：從方法論上講，物理學的研究方法可分為：演繹法演繹法: :基本定律基本定律推理、演算推理、演算新理論新理論歸納法歸納法: :歸納實驗、觀測事實歸納實驗、觀測事實假設、模型假設、模型新理論新理論2004年年6月月10日，聯合國大會鼓掌通過決議，規定日，聯合國大會鼓掌通過決議，規定2005年為年為“世界物理年世界物理年”。決議確認：決議確認： 物理學是認識自然界的基礎；物理學是認識自然界的基礎； 物理學是當今眾多技術發展的基石；物理學是當今眾多技術發展的基石； 物理教育為培

6、養人的發展提供了必要的科學基礎。物理教育為培養人的發展提供了必要的科學基礎。 科學對于人類事務的影響有兩種方式，第一種方式科學對于人類事務的影響有兩種方式，第一種方式是大家都熟知的：科學直接地、并在更大程度上間接地是大家都熟知的：科學直接地、并在更大程度上間接地生產出完全改變人類生活的工具；第二種方式是教育的生產出完全改變人類生活的工具；第二種方式是教育的性質性質它作用于心靈。它作用于心靈。 愛因斯坦愛因斯坦（二）物理學的發展（二）物理學的發展17世紀后半期：世紀后半期： 誕生誕生。伽利略、開普伽利略、開普勒和牛頓。勒和牛頓。16871687年牛頓發表了年牛頓發表了自然哲自然哲學的數學原理學的

7、數學原理，闡述并證明了以他命，闡述并證明了以他命名的三大定律，標志著經典物理學正式名的三大定律，標志著經典物理學正式誕生。誕生。經典力學、熱力學與統計物理以及電磁學經典力學、熱力學與統計物理以及電磁學構成了構成了“經典物理學經典物理學”的大廈的大廈 。18世紀至世紀至19世紀：世紀：蓬勃發展的時期蓬勃發展的時期。焦耳、邁爾、。焦耳、邁爾、開爾文和克勞修斯開爾文和克勞修斯熱現象、聚集態的熱現象、聚集態的熱力學基熱力學基礎礎 ；玻爾茲曼和吉布斯的；玻爾茲曼和吉布斯的統計物理學統計物理學；庫侖；庫侖和法拉第和法拉第電磁學電磁學 ；麥克斯韋麥克斯韋方程組；麥克斯韋麥克斯韋方程組，預言了電磁波的存在，預

8、言了電磁波的存在 。狹義相對論、廣義相對論和量子力學構成了狹義相對論、廣義相對論和量子力學構成了20世紀現代物理學的基礎世紀現代物理學的基礎 。19世紀和世紀和20世紀世紀 ：三大發現（：三大發現（X射射線、電子、放射性）以及經典物線、電子、放射性）以及經典物理學在解釋這些新發現時遇到的理學在解釋這些新發現時遇到的困難困難孕育著新的突破。孕育著新的突破。1905年，愛因斯坦創立了狹義相對年，愛因斯坦創立了狹義相對論；論；1915年，他又創立了廣義相對年，他又創立了廣義相對論；論；愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡等共同建立了量子力學堡等共同建立了量子力學 。物理學中最重

9、大的基本理論有下面物理學中最重大的基本理論有下面5個：個：l牛頓力學或經典力學（牛頓力學或經典力學（Mechanics）研究物）研究物體的機械運動；體的機械運動；l熱力學（熱力學（Thermodynamics）研究溫度、熱）研究溫度、熱、能量守恒以及熵原理等等、能量守恒以及熵原理等等l電磁學（電磁學（Electromagnetism）研究電、磁以）研究電、磁以及電磁輻射等等及電磁輻射等等l相對論（相對論（Relativity）研究高速運動、引力、）研究高速運動、引力、時間和空間等等時間和空間等等l量子力學（量子力學（Quantum mechanics）研究微觀）研究微觀世界世界前沿：前沿： 粒

10、子物理，宇宙學，高溫超導，光子學，粒子物理，宇宙學，高溫超導，光子學， 微結構物理，混沌，復雜微結構物理，混沌，復雜 .物理學在不斷發展物理學在不斷發展經典物理也在發展經典物理也在發展: : 波動光學波動光學信息光學信息光學 牛頓力學的決定性牛頓力學的決定性內在隨機性內在隨機性 （三）物理學與技術（三）物理學與技術物理學基本規律滲透在自然科學的一切領域，應物理學基本規律滲透在自然科學的一切領域，應用于生產技術的各個部門，是許多自然科學的用于生產技術的各個部門，是許多自然科學的基礎，也是工程技術特別是高新技術的基礎。基礎，也是工程技術特別是高新技術的基礎。歷史上歷史上物理與技術的關系大致有物理與

11、技術的關系大致有兩種模式：兩種模式：技術物理技術技術物理技術( (以第一次工業革命為標志以第一次工業革命為標志) )物理技術物理物理技術物理( (以電氣化進程為標志以電氣化進程為標志) )本世紀本世紀兩種模式并存、交叉，兩種模式并存、交叉，但幾乎所有重大的但幾乎所有重大的新技術的創立，都是以物理學的發展為先導的。新技術的創立，都是以物理學的發展為先導的。被譽為第二次工業革命的整個信息技術的發生、發展，被譽為第二次工業革命的整個信息技術的發生、發展， 其硬件部分幾乎都以物理學成果為基礎：其硬件部分幾乎都以物理學成果為基礎：物理等基礎科學與工程技術的關系可形象地物理等基礎科學與工程技術的關系可形象

12、地 用用“知識之樹知識之樹”表示：表示：例如：例如：愛因斯坦受激輻愛因斯坦受激輻射理論（射理論（19171917）（物理）物理）第一臺激光器第一臺激光器誕生（誕生（19601960）（技術）技術）現代光學現代光學（物理）（物理）量子力學量子力學費米費米狄拉克統計狄拉克統計固體能帶理論固體能帶理論（2020年代）年代）（物理）（物理）晶體管誕生晶體管誕生(1947)(1947)集成電路集成電路(1962)(1962)大規模集成電路大規模集成電路（7070年代后期）年代后期）（技術）（技術）微結構微結構物理物理（物理）（物理）物物理理物理學物理學 化學化學 生物學生物學生理學生理學心理學心理學管理

13、學管理學 經濟學經濟學政治學政治學 社會學社會學教育學教育學自然科學和數學自然科學和數學 我已把哲學的原理確定下來了，但這些原理不是哲我已把哲學的原理確定下來了，但這些原理不是哲學的，而是數學的。學的，而是數學的。 -牛頓牛頓 在這個世界上，除了空虛的彎曲空間之外，就什么在這個世界上，除了空虛的彎曲空間之外，就什么也沒有了。物質、電荷、電磁性和其他力場，只不過是也沒有了。物質、電荷、電磁性和其他力場，只不過是空間彎曲的幾種不同的表現形式。物理學就是幾何學。空間彎曲的幾種不同的表現形式。物理學就是幾何學。 -惠勒惠勒力學力學運動學：運動學：導數，微分，積分，導數，微分，積分，1階常微分方程，矢量

14、（向量）點乘，階常微分方程，矢量（向量）點乘，矢量的導數，極坐標系，（微分幾何，曲線論）矢量的導數，極坐標系，（微分幾何，曲線論）質心，轉動慣量：質心，轉動慣量：面積分，體積分面積分，體積分勢能：勢能：矢量（向量）點乘，曲線（路徑）積分矢量（向量）點乘，曲線（路徑）積分力矩，角動量：力矩，角動量：矢量（向量）叉乘矢量（向量）叉乘振動：振動：2階常微分方程階常微分方程波：波：偏導數，偏導數，2階偏微分方程，（付里葉變換）階偏微分方程，（付里葉變換）分析力學：分析力學：偏導數，全微分，變分法偏導數，全微分，變分法熱學熱學熱力學（宏觀）：熱力學（宏觀）：偏導數，全微分偏導數，全微分統計物理（微觀）：

15、統計物理（微觀）：概率論概率論電磁學電磁學場論場論自然科學和宗教自然科學和宗教 拿破侖在讀過拉普拉斯的拿破侖在讀過拉普拉斯的天天體力學體力學第一、二卷后曾問他說：第一、二卷后曾問他說：“在您寫的著作中怎么沒有提到在您寫的著作中怎么沒有提到上帝呢？上帝呢？” 拉普拉斯回答說：拉普拉斯回答說：“陛下，我陛下，我不需要這個假設不需要這個假設 ” 拉普拉斯拉普拉斯哲學哲學哲學和具體科學又是密切聯系的：哲學和具體科學又是密切聯系的： 首先，哲學以具體科學為基礎。但是，把哲首先，哲學以具體科學為基礎。但是，把哲學凌駕于具體科學之上，認為哲學是學凌駕于具體科學之上，認為哲學是“科學的科科學的科學學”的觀點也

16、是錯誤的。的觀點也是錯誤的。 其次，哲學為具體科學提供世界觀和方法論其次，哲學為具體科學提供世界觀和方法論的指導。的指導。 學習哲學的好處是，你不會被更壞的哲學所影響。學習哲學的好處是，你不會被更壞的哲學所影響。 愛因斯坦愛因斯坦唯物論的認識思想唯物論的認識思想被現代科學給駁倒了被現代科學給駁倒了 而基本粒子又是什么呢？這正是量子力而基本粒子又是什么呢？這正是量子力學的困惑，科學家發現對基本粒子的存在學的困惑，科學家發現對基本粒子的存在狀態的必須依賴于人的認識過程和意識建狀態的必須依賴于人的認識過程和意識建構反映過程。因此，到了量子力學這里，構反映過程。因此，到了量子力學這里，人們已經無法再重

17、復唯物論這樣的錯誤了，人們已經無法再重復唯物論這樣的錯誤了，因為人們發現人對于微觀粒子認識狀態取因為人們發現人對于微觀粒子認識狀態取決于人的認識過程。決于人的認識過程。意識課程意識課程從嚴謹的、科學的觀點看來，如果不考從嚴謹的、科學的觀點看來，如果不考慮觀察者的意識這個因素，是不可能明白物慮觀察者的意識這個因素，是不可能明白物質世界的。甚至，事實上正是意識在顯現著質世界的。甚至，事實上正是意識在顯現著世界。但是，這個顯現著世界的意識并非單世界。但是，這個顯現著世界的意識并非單個個體的意識個個體的意識, 而是非定域性的、普遍性的而是非定域性的、普遍性的意識。意識。朱清時 中國科學院院士、原中國科

18、技大學校長 在弦論之中，情況發生了根本變化。過去認為是組成客觀世界的磚塊的基本粒子，現在都是宇宙弦上的各種“音符”。多種多樣的物質世界，真的成了“一切有為法，如夢幻泡影，如露亦如電，應作如是觀。（金剛經）”物理學到此已進入了“自性本空”的境界！ 海水與波浪的關系，正是弦與音樂的關系。它們也正是物質世界與宇宙本體的關系。當我弄懂了這個道理的時候，心里充滿了敬畏和震撼。 讀到這里，你可能感到：“科學家千辛萬苦爬到山頂時，佛學大師已經在此等候多時了！” 物理學步入禪境：緣起性空 馮諾伊曼把測量儀器看作量子的是不對的。 切斷了主觀主義量子學派的邏輯源流。 宏觀物體本身即是觀察者，它使量子態退化為經典態

19、。從而無需人的意識作為觀察者。 退相干過程得到了可控的實驗觀察和證明。退相干理論評述 自學自學 數學和物理數學和物理 盡量多些參考書，不要鉆牛角尖盡量多些參考書，不要鉆牛角尖 文字和數學公式的統一文字和數學公式的統一 物理學史和理論體系邏輯線條的互補物理學史和理論體系邏輯線條的互補 定理的推導定理的推導 掌握經典習題，一題多解掌握經典習題，一題多解 差生差生?學習方法學習方法 題海的操練使學習物理的過程變成了題海的操練使學習物理的過程變成了解題的過程解題的過程 后果：后果：思想方法僵化思想方法僵化 只知道結論而不知道這些結論是怎么得到的，只只知道結論而不知道這些結論是怎么得到的，只會做題目而不

20、會想問題會做題目而不會想問題物理學習中的誤區物理學習中的誤區表現：表現： 死記硬背、套用公式死記硬背、套用公式 概念模糊、圖像不清概念模糊、圖像不清 應用數學工具解決物理問題的能力較差應用數學工具解決物理問題的能力較差 在學習物理學的過程中必需注在學習物理學的過程中必需注意理論與客觀世界的聯系，切忌從意理論與客觀世界的聯系，切忌從公式到公式，為解題而解題的傾向，公式到公式，為解題而解題的傾向，不能把解題看作是學習物理的主要不能把解題看作是學習物理的主要手段。在學習過程中應始終注意對手段。在學習過程中應始終注意對物理學的基本概念和理論理解并加物理學的基本概念和理論理解并加以融會貫通，并注意自覺地

21、應用物以融會貫通，并注意自覺地應用物理學的基本思想、基本方法分析問理學的基本思想、基本方法分析問題解決問題，這是學好物理的一條題解決問題，這是學好物理的一條根本的途徑。根本的途徑。探索和創造是科學研究的靈魂探索和創造是科學研究的靈魂 培養探索精神和創造能力不是孤立的，知培養探索精神和創造能力不是孤立的，知識水平、科學素養、科學思維、洞察能力、識水平、科學素養、科學思維、洞察能力、科學道德、評價能力、批評精神、合作精科學道德、評價能力、批評精神、合作精神、敬業精神、嚴謹作風等，都應該在培神、敬業精神、嚴謹作風等，都應該在培養之列。養之列。 在基礎課教學中，也是可以有所作為的。在基礎課教學中，也是

22、可以有所作為的。 關鍵是一些關鍵是一些觀念觀念應該有所改變。應該有所改變。物理思想與方法更根本，學會物理思想與方法更根本，學會發現發現問題、問題、分析分析問題的思路與方法更為重要，可以受用終生。問題的思路與方法更為重要，可以受用終生。在需要的時候，可以從相關學科借鑒、移植或在需要的時候，可以從相關學科借鑒、移植或自己自己創作創作。應該更多地從文獻而不是同類教材。應該更多地從文獻而不是同類教材中取材。中取材。根據自己的興趣，學會搜索一定數量的文獻，根據自己的興趣，學會搜索一定數量的文獻，實行實行開放開放式的學習，進一步拓寬視野。式的學習，進一步拓寬視野。著有著有中國科學技術史中國科學技術史的英國

23、科學的英國科學家李約瑟指出：家李約瑟指出： “ “作作為一個整體的現代科學沒有發為一個整體的現代科學沒有發生在中國，它發生于西方生在中國，它發生于西方歐美，歐美，即歐洲文明的廣大范圍。這有什么原即歐洲文明的廣大范圍。這有什么原因呢？我以為必須找出這個原因，因因呢？我以為必須找出這個原因，因為如果我們不了解它，我們關于科學為如果我們不了解它，我們關于科學技術史的觀點就處于混亂之中。如果技術史的觀點就處于混亂之中。如果我們不了解過去，也就沒有多少希望我們不了解過去，也就沒有多少希望掌握未來。掌握未來。”李約瑟李約瑟中國科學在歷史上逐漸落后的原因中國科學在歷史上逐漸落后的原因“李約瑟難題李約瑟難題”社會制度社會制度：科舉制度，思想禁錮，閉關鎖國：科舉制度，思想禁錮，閉