绪论(医用物理学)

MedicalPhysics医用物理学主编：王振华什么是物理学what为什么要学物理学why如何学好物理how主要讲三个问题：三W物理学的历史可以上溯到古希腊的自然哲学。事实上，在英文中的物理学“Physics”源于希腊文中的“Фνσικα”。意思是“自然”，从这可以看出，物理学在早期是广泛研究自然界的一切事物并对它们的演化、发展以及伴随它们发生的种种现象进行讨论1.什么是物理学what什么是物理学？“物”：即物质（包括实物和场）“理”：物质运动所遵循的基本的普遍的规律，包括机械运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原子核运动等.物理学的研究对象物理学所研究的是自然界中物质运动的最基本的、最普遍的运动形式和规律，包括机械运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原子核运动等.从空间尺度上包括：小到微不足道的亚核粒子,大到浩瀚的宇宙.时间尺度上，早至宇宙的起源，晚至遥远的将来.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哈勃半径：星系团：银河系：地球轨道半径：太阳半径：地球半径：月球半径：大分子：小分子：原子：原子核：基本粒子：16141094679112123261010101010101010AU1101010m10二.物质世界的时间尺度s10~s102418共计跨越了42个数量级s1018宇宙年龄：150亿年生命的诞生：约40亿年人类：300万年（1014s）中间玻色子寿命：10－24s地球年龄:s10106.4179年大爆炸宇宙年龄：星系年龄：地球年龄：出现生命：富氧大气：人类：地球公转：月球公转：地球自转：中子寿命：中间玻色子寿命：s10626.s105s103s102450亿年150亿年46亿年40亿年3百万年8亿年s101637.s)10(18s)10(14s)10(17三.物质世界的质量尺度目前所测宇宙：银河系：太阳：地球：月球：细菌：红血球：流感病毒：氧分子：中子、质子：电子：kg5310kg4110kg3010kg2510kg2210kg1110kg1310kg1910kg2510kg2710kg3010宇宙中物体的质量量级——跨跃了约80个数量级物理学发展史成为一门独立科学的标志——牛顿力学的建立之前的代表人物——亚里士多德阿基米德哥白尼开普勒伽利略之后分为五次大综合亚里士多德(Aristoteles，384BC～322BC)古希腊学者《工具论》《物理学》《形而上学》阿基米德（Archimedes287BC～212BC）“力学之父”—静力学的基本原理•阿基米德浮力定律•杠杆定律开普勒（JohannesKepler，1571-1630），德国天文学家，行星运动三定律哥白尼（NicolausCopernicus，1473-1543），波兰天文学家、日心说创立者，近代天文学的奠基人。(GalileoGalilei1564―1642)天空的哥伦布当代的阿基米德近代科学之父伽利略“天空的哥伦布”•自制望远镜•证实日心说“当代的阿基米德”•落体定律•惯性运动•抛体运动•伽利略相对性原理比萨斜塔培根实验归纳笛卡儿数学演绎推理归纳和演绎相结合“近代科学之父”著作：《关于两种世界体系的对话》《关于良种科学的论述和数学证明》第一次大综合17世纪最伟大的成就，是在于完成了一个普遍的力学体系，人们能够把从地球上有限经验得出的力学定律，应用到日月星辰的运动上去。天体和地面物体均遵循牛顿三定律。这个力学体系的建立是许多著名科学家共同努力的结果，但集大成，完成第一次伟大综合的人，首推牛顿。牛顿是经典物理学杰出的代表，科学史上第一位卓越的奠基者。他在伽利略、开普勒等前人的工作基础上，建立了牛顿力学体系即经典力学体系。五次大综合牛顿（IsaacNewton，1642～1727）恩格斯：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学；由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学；由于认识了力的本质，而创立了科学的力学”。天文学：•创制了反射望远镜；•解释了潮汐的现象；•推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓；•用数学解释了哥白尼的日心说和天体运动的现象。数学：•发明二项式定理；•提出无穷级数，创立微积分学。光学：•创立了光的“微粒说”。•发现白光由不同颜色的光构成，制成“牛顿色盘”；力学：•建立了三条运动基本定律和万有引力定律；•建立了经典力学的理论体系。苹果的下落月球的绕地球旋转万有引力定律“天与地的综合”人类认识自然的历史上的一个重大里程碑——《自然哲学中的数学原理》第二次理论大综合由迈尔、焦尔、克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼等人建立的热现象理论（即热力学和统计物理学），揭示了热运动的本质及其与其他运动形式之间的相互联系和转化，创立了能量守恒和转化定律，找到了宏观现象与微观粒子运动之间的联系，一方面找到了各种自然运动的公共量度---能量；另一方面又从质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。实现了物理学认识领域的“功和能量的大统一”.没有其它任何一个定律能如此广泛地把物理学的各个部门乃至整个自然科学的各个学科如此本质地联系在一起。焦耳（1818～1889）热功当量焦耳测得值：J=423.9千克米/千卡现在公认值：J=427千克米/千卡=4.1840焦耳/卡第三次大综合1860年，麦克斯韦电磁场理论的建立.伏特、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹、富兰克林、库仑、奥斯特等做了大量的工作，使电的现象、磁的现象和光的现象纳入到一个统一的理论体系之中。提出了电磁波和场的概念，在近代物理中，场成了非常基本非常重要的概念，它已经远远超出了电磁学的范畴，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。富兰克林“风筝实验”——统一了天上和地面上的电伏打、库仑电和磁没有关系奥斯特电流通过导线使磁针偏转——电能生磁安培提出安培定则——在电流的基础上统一了电和磁法拉第导线切割磁力线产生电流——磁能生电麦克斯韦出版《电磁通论》，经典电磁理论体系建立麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。1873年出版电磁场理论的经典巨著《论电和磁》，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。麦克斯韦建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。麦克斯韦19c末，经典物理学大厦出现危机1895年，伦琴发现x射线；1896年，贝克勒尔发现天然放射性；1897年，汤姆生发现电子；两朵乌云：1.寻找以太风失败；2.关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论——黑体辐射与“紫外灾难”。第四次大综合爱因斯坦的狭义相对论（1905）和广义相对论（1915）实现了时间和空间、物质和运动、动量和能量、场和实物的大统一.爱因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)千禧之年，加拿大的《环球邮报》请世界各国的读者评选，从公元1001年至今，1000年来对整个世界影响最大的100位名人,爱因斯坦荣登榜首！——杰出的物理学对人类社会进步的影响，被全世界公认！•相对论力学和牛顿力学的关系：牛顿力学是相对论力学在低速、宏观运动物体上的近似空间、时间的弯曲结构物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布物体的运动轨迹广义相对论哈维和爱因斯坦的大脑切片第五次大综合1900年,普朗克、玻尔、爱因斯坦、德布罗意、薛定谔等物理学家对微观世界德运动规律进行了不断的探索.提出了物质波、微观世界物理量的取值量子化、运动规律的不确定性（统计规律）实现了“量子力学、量子电动力学”理论的大综合.四大前沿领域粒子物理学凝聚态物理学天体物理学生物物理学2.为什么要学物理学？why①虽然基本，但具有极大的普遍性.②普遍存在于其它高级的、复杂的运动形式之中.③物理学的基本知识成为研究其他自然学科不可缺少的基础.1.医学研究的高级的生命形态是以物理学为基础。2.医学研究（生命现象）≠物理学+化学3.近代物理学的发展以及派生出的新学科使医学研究有了突破性发展。4.物理学的技术、方法为医学研究、治疗、诊断提供许多新的途径。•物理学与医学的关系工程技术的“知识之树”医学•物理学与医学的历史渊源伽利略物理学家+医学生发明温度计测发烧杨氏物理学家+医生用弹性理论测动脉血流中的脉动，用衍射方法测细胞和纤维的直径；用光的知识研究人眼的调节和散光、色觉的三色理论迈尔物理学家+医学博士受静脉血的颜色启发研究能量守恒和转换定律亥姆霍兹物理学教授+解剖学教授+生理学教授在军医中写出论述“能量守恒定律”；揭示眼的聚焦原理；发明眼底镜；研究听觉机理并发明亥姆霍兹共振仪；第一个测定神经脉冲的传播速度30m•s-1；证明肌肉收缩释放的热量是动物热的重要来源。十九世纪的“万能”博士19世纪末，一位评论家对亥姆兹写过这样的话：“他从研究生理学开始，解剖了眼睛和耳朵，探索它们是怎样起作用的。但他发现要研究眼睛和耳朵的作用，就不能不同时研究光和声的本性，这导致他研究物理学。当他开始研究物理学的时候，已经是这个世纪最有成就的生理学家之一，以后他又成了这个世纪最伟大的物理学家之一。可他又发现，要研究物理学不能不掌握数学，就又研究数学，成为这个世纪最有成就的数学家之一。”物理学的研究方法观察实验分析、概括判断、推理定理理论假说实践完善3、怎样学物理学how①观察和实验是物理学的基础.②分析、概括、判断、推理是在以上基础上进行的，找出其内在、本质的联系.物理学与数学物理学是定量的科学，他不满足于定性地说明现象或者简单地用文字记载事实，所以数学就成了物理学不可缺少的工具。欧几里德的几何学牛顿的自然哲学的数学原理麦克斯韦的电磁方程●创新想前人所未想做前人所未做物理学与科学精神（1）要有创新意识创新精神的三个要素：爱因斯坦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。不怕名人权威。（2）要有创新勇气“进步道路上的绊脚石是，也一向是，不容许怀疑的传统”吴健雄爱因斯坦、英菲尔德《物理学的进化》“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，提出问题是对旧理论、旧观念的怀疑和探讨,是建立新观念的起点。从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性而且标志着科学的真正进步”因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的一个技能而已。而提出新的问题、新的可能性，的想象力，（3）敢于想象法拉弟：电磁作用通过场来传递，需要时间。德布罗意：微观粒子同时又是一个波。狄拉克：真空充满了负能态的电子，其中的空穴就是正电子。人们幻想象鸟一样在空中飞行才发明了飞机，人们幻想到月球上旅行才实现了登月。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素”爱因斯坦不是要知识很全才能创造。在物理学发展中，做出重大创造性贡献的很多是年轻人：牛顿（16421727）万有引力定律24岁（1666）麦克斯韦（18311879）电磁场理论的第一篇论文24岁（1855）爱因斯坦（18791955）光子理论，相对论26岁（1905）玻尔（l8851962）原子结构模型28岁（1913）海森堡（19011976）创立矩阵力学24岁（1925）李政道（1926）弱作用宇称不守恒30岁（1956）杨振宁（1922）弱作用宇称不守恒34岁（1956）杨米尔斯场32岁（1954）约瑟夫森（1940）约瑟夫森效应的理论预言22岁（1962）有些年轻人做出重大创造性贡献的时候还了诺贝尔物理学奖。是学生（研究生），如德布罗意，穆斯保尔，约瑟夫森等，他们的博士论文研究工作就获得●严谨精确定量、逻辑、客观、可重复●实验：精确、定量、可重复●理论：正确、计算精确、推理逻辑●语言：精确、简洁、条理清晰●踏踏实实，百折不挠1．科学无捷径2．