大学力学第一章.

班级：少年班41，42，43，44力学主讲：李剑办公室：主楼E1107电话：82663395教材漆安慎、杜婵英《力学（第三版）》第一章物理学和力学第一节发展着的物理学一、物理学的内容和方法哇！物理学挺好玩儿一个事业的进步由两种动机的人促成：第一因为兴趣，第二因为利益。但这两个顺序决不能颠倒。为什么学习物理物理学是研究大自然基本规律的科学。物理学(Physics)物质组成及其相互作用物质运动规律及其应用物理学涉及众多领域，纵越极大空间尺度和时间跨度。但是她从来不是大杂烩，物理学作为一门独立的学科，有她内在的美，这种美根源于大自然的和谐。E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的细胞原子原子核基本粒子DNA长度星系团银河系最近恒星的距离太阳系太阳山哈勃半径超星系团人微观粒子Microscopic介观物质mesoscopic宏观物质macroscopic宇观物质cosmological空间尺度时间跨度理论物理和实验物理理论物理学家更关注大自然统一的本源解释；实验物理学家更关心具体的现象，发现规律并且应用物理学根本是一门实验科学，理论必须有实验支持。由于关注自然统一的本源解释，所以物理理论往往是抽象的，这是因为这样才揭开了蒙着的面纱。经典物理学只适用于宏观尺度，速度远小于光速情形；它是狭义相对论和量子理论在以上情形的近似理论。警惕！！！日常生活在宏观尺度建立起的习惯认识在近代物理的范畴常常失效。尺度速度经典物理学量子理论狭义相对论宇宙论宇观宏观微观vc经典物理和近代物理1.宇宙起源：宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸。我们所知的基本物理，比如广义相对论和粒子物理标准模型，在那里都不适用。为理解宇宙起源，需要了解大爆炸时期的基本物理。2.暗物质的本质：3.暗能量的本质。现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是个谜。4.恒星、行星的形成：天体的形成是天体物理学中的重要问题。适合生物存在的行星，在银河系中出现的几率到底是多少？［《科学时报》2005年3月7日］大卫·格罗斯(DavidGross)：物理学的将来——当前物理学面临的25个问题5.广义相对论：广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？6.量子力学：量子力学取得了巨大成功，但它描述的是自然的最终理论吗？也许它会在很小的距离上和非常复杂的系统中失效，是否可用来描绘整个宇宙也还值得探讨。7.标准模型：粒子物理标准模型无疑极为成功，但人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。8.超对称：存在低能超对称吗？超对称伴子的质量谱是什么？9.量子色动力学(QCD)：量子色动力学可以完全求解吗？10.弦论：超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论，但它到底是什么？11.时空的观念：时空是什么？超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念。12.物理理论是否与环境相关：物理的基本参数和规律都可以计算，还是仅由历史的或量子的偶然性决定，或者是由人择原理来确定？景观的图像是对的吗？13.新物态：存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗?14.复杂性：对一般的复杂大系统而言，其内在的混沌特性决定了系统的不可预测性。如何运用计算手段来分析这类系统、鉴别哪些特征？15.量子计算机：如何防止量子计算中的“退相干”？如何实际制造量子计算机？16.物理学的应用：如何得到室温甚至室温以上的超导材料？如何用电子材料(如半导体)制造室温铁磁体？17.理论生物学：生物学的理论是什么？理论物理学有助于生物学研究吗？需要新的数学吗？如何描述生物体这样呈现出多时间尺度动力学的体系？18.基因组学：物理学家如何参与基因组的“解密”？可能拥有一个定量的、可预测的进化理论吗？甚至能否直接从基因组出发“计算”有机体的形状？19.意识的研究：记忆和意识后面的自组织原则是什么？有可能在幼儿期测量到意识的发生吗？什么时候？如何发生？如何测量？能否制造一个具有“自由意志”的机器？20.计算物理学：计算机能代替解析计算吗？如果是，那么将来物理学家所受的训练该如何相应改变？21.物理学的分化：物理学自身发展日益分化，如何面对这种状况？22.还原论：是否应该怀疑这个物理学的根本逻辑？是否保持一个开放的态度？23.“理论”应该扮演何种角色：“理论”是否应仅仅靠实验来判断正误，或者应该是由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次的理解，而可以不顾及是否能在实际中实现？在对复杂系统的细节描述中，如何估价物理学家一贯坚持的“简洁性”和数学“优美性”等原则？24.物理学未来发展中潜在的危险：如何面对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计划？在这种形式下，新的研究途径该是怎样的？理论在探索自然方面应该起什么作用？25.物理学是否仍将是最重要的科学？物理学的方法很简单：尊重事实，符合逻辑。即科学和迷信的区别。在矛盾线索中靠洞察力找到解决之道。即原创性。失败了还继续干。大道无形，根本的方法就是无方法大家来学物理最重要的不是学习物理知识，而是学习物理方法二、一个物理学史的例子：从亚里士多德到牛顿一门科学的历史就是这门科学本身。——歌德亚里士多德（384BC-322BC)的世界观：世界分成天上和地上，中间以月亮为界。地上万物由土、水、空气和火四种元素组成，任何物体都有其固有位置，偏离时有返回趋势。而天上是由具有灵魂的以太组成，天上的世界是完美无缺的。自然运动：重物下落，越重下落越快强迫运动：拖拉木箱，去除力则停下运动评论：（1）与日常经验符合，但不敢深究；（2）在16世纪前占主导地位，为宗教利用。地心说Vs日心说地球地球太阳太阳哥白尼托勒密疑问：火星运动轨迹疑问：为什么我们感觉不到地球自转(0.3miles/sec)和公转(18miles/sec)?火星火星均轮本轮开普勒(Kepler,1571-1630)和伽利略（Galileo,1564-1642)Kepler三定律--天体运动Galileo的实验--地上运动斜面实验、比萨斜塔实验（？）惯性的提出?统一135714916自由落体运动间隔为奇数——现象本质——时间的平方GalileoGalileiLetNewtonbeNatureandnature’slawlayhidinnight.Godsaid,letNewtonbe!Andallwaslight.——A.Pope发明微积分，用运动三定律和万有引力定律推导出开普勒三定律苹果的故事牛顿力学Maxwell电磁理论热力学和统计物理超弦理论(或未知理论)量子理论相对论物理学发展脉络（统一之路）未来物理近代物理经典物理牛顿力学地上力学天上力学统一统一？地球三、物理学与技术革命嘿！物理学挺有用代表5-10年后的新技术代表几十年后的新技术物理物理学是一门基础学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。物理学派生出来的分支及交叉学科光电子学原子核物理学原子分子物理学软物质凝聚态物理学激光物理学等离子体物理学高能物理学生物物理学天体物理学金融物理学物理学与技术相互促进发展技术——物理——技术物理——技术——物理牛顿力学电磁学量子力学航天飞行无线电通信信息革命嫦娥奔月嫦娥三号玉兔号长征三号乙20世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科核能的利用激光器的产生层析成像技术(CT)超导电子技术粒子散射实验X射线的发现受激辐射理论低温超导微观理论电子计算机的诞生●1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管，标志着信息时代的开始●1962年发明了集成电路●70年代后期出现了大规模集成电路●192526年建立了量子力学●1926年建立了费米狄拉克统计●1927年建立了布洛赫波的理论●1928年索末菲提出能带的猜想●1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念同年贝特提出了费米面的概念●1957年皮帕得测量了第一个费米面超晶格材料纳米材料光子晶体晶体管的发明大规模集成电路电子计算机信息技术与工程●几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。——李政道量子力学能带理论人工设计材料怎样学习物理学著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。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和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。第二节量度、单位制、量纲和数量级1.量度物理学是一门定量的学科，它的的定义、概念、原理、定律、定理和结论需要用准确的语言并用数学形式表述出来，从而形成完整的理论体系。量度一些物理量并寻求物理量之间的关系—自然规律。量度物理量，给出物理量的的大小、多少，首先需要选定该物理量的比较标准，即单位。而单位应体现于具体的事物—原器或其复制品、标准。其次，需要规定该物理量与单位的比较规则。如：1960年第十一届国际计量大会决定用氪86原子的橙黄色光波来定义“米”，规定米为这种光的波长的1650763.73倍(长度的自然基准，以别于实物基准，从而提高精度，并保证不随时间改变)。注：1983年第十七届国际计量大会又通过了米的新定义—米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内所传播的路程长度。这样光速为c=299792458m·s-1。2.单位制基本单位：物理学中通常以长度、质量、时间的单位作为基本单位。导出单位：所有其它物理量的单位可以通过物理定律用基本单位来定出，它们就称为导出单位。通过以上规定建立的单位体系称为长度—质量—时间制(LMT制)。常用的LMT制：米—千克—秒制(MKS制)厘米—克—秒制(CGS制)米—吨—秒(MTS制)工程技术中，采用长度、力、时间的单位作为基本单位，构成长度—力—时间制(LFT制)。国际单位制(SI)：SI来自法文leSystèmeinternationald'unités1960年第十一届国际计量大会通过了国际单位制，制定其基本单位、导出单位和辅助单位。它选择七个量作为基本量：长度、质量、时间、电流、温度、物质的量、光强度；其基本单位为m(米)、kg(千克)、s(秒)、A(安培)、K(开尔文)、mol(摩尔)、cd(坎德拉)。在国际单位制中，对平面角的单位rad(弧度)和立体角的单位Sr(球面度)未指定它们是基本单位还是导出单位，称作“辅助单位”。3.量纲导出单位取决于基本单位以及导出量与基本量关系式的选择。导出单位对基本单位的依赖关系式称为该导出量的量纲。例如：速度的量纲为dimv=LT-1。一般情况下，在国际单位制中，物理量A的量纲是，记作，其中p、q、r称为量纲指数。注：表达物理定律的等式两边应具有相同的量纲。4.数量级在日常生活中，一千万和一亿都是很大很大的数目。然而，在物理学和其它一些自然科学中，常常会遇到比它们还要大得多的数字。例如，在1mol物质中包含六千万亿亿多个分子。为记数方便，人们采用“科学记数法”：用10的正幂次代表大数，用10的负幂次代表小数。这样六千万亿亿就写成。在科学记数法中，指数相差1，即代表数目大10倍或小10倍，这叫做一个“数量级”。在对未知现象的探索中，常常进行数量级估计。第三节数学知识微积分初步内容摘要一、函数的定义二、函数的极限与连续性三、一元函数的导数与微分四、一元函数的积分一、函数的基本概念1.一元函数的定义（多元函数以此类推）)(,的定义域。称为函数其中，。，数，记为上的函为定义在则称对应，与，按照规则存在唯一的，使得一个规则为非空实数集。若存在设fAAxxfyAfxfRyAxfA