物理学概论 罗建 http://www.lyyzedu.com/wnhw

文科生为什么 要学物理？ 洪恩动感校园动感课堂

科学精神、科学方法的教育的需要。 社会问题、政策问题与科学技术的密切联系。 正确地掌握科学技术的应用方向，以有益而非有害的方式使用科学技术的力量。 素质教育的需要。 …...

所有深思过治理人类的艺术的人，都深信帝国的兴亡依赖于他们的青年人所接受的教育。 ————亚里士多德

第一章 人类在宇宙中的位置 §1.1 人类在空间中的位置

一、速率法测量距离 地球的大小：飞机的速率为每小时800km/h，绕地球赤道飞行一周约50h，可知地球的周长为40000km，地球直径为13000km

二、反射法测量距离 雷达信号从地球发出到月亮反射回来所需的时间为2.6s，雷达信号为电磁波传播速率为300 000km/s，可知：地球——月亮——地球的距离为300 000km/s*2.6s，月地距离为其一半约400 000km。

360个月亮在月亮绕地球的半个轨道上紧密排列，可以知道月亮的大小（直径）πR/360，约为3600km Earth Moon R

哥白尼 日心说 阿里斯塔克(Aristarchus)公元前315-230年 R日-水星=0.38R日-地， R日-金星= 0. 7R日-地

T雷达（金星-地球）＝5~15min，R金星-地球 R日-地球＝150 000 000 km D日＝140 000 km 太阳系

太阳系示意图 (包含月球，但不包含冥王星)。 注意：各星球并非按照 同比例绘制。(图片来自NASA) 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及最远的冥王星

行星的定义及其太阳系的行星 太阳与九大行星的一些特征数据 下表的数据都是相对于地球的数值： 天体 距离(天文单位) 赤道直径 质量 轨道半径 公转周期（年） 自转周期（天） 太阳 109 333,400 -- 27.275 水星 0.39 0.382 0.06 0.38 0.241 58.6 金星 0.72 0.949 0.82 0.615 243 地球 1.00 火星 1.5 0.53 0.11 1.52 1.88 1.03 木星 5.2 11.2 318 5.20 11.86 0.414 土星 9.5 9.41 95 9.54 29.46 0.426 天王星 19.2 3.98 14.6 19.22 84.01 0.718 海王星 30.1 3.81 17.2 30.06 164.79 0.671 冥王星 39.5 0.24 0.0017 248.5 6.5 行星的定义及其太阳系的行星

三、三角视差法测量距离 D日-地基线 1pc＝3.26光年 ～30万亿千米 20～30pc测量比较准确

壮丽的银河 银河

银河系的侧面 银河系的侧面 壮丽的银河 银河系全景图右下方的大、小麦哲伦星云 壮丽的银河 银河系全景图右下方的大、小麦哲伦星云 冬夜银河                                                                                                                                                                                                                                    壮丽的银河                                                                                                                          银河系全景图右下方的大、小麦哲伦星云                                                                                                                                                                                                                                    壮丽的银河                                                                                                                          银河系全景图右下方的大、小麦哲伦星云                                                                                     银河系的侧面                                                    冬夜银河                                                                                                                                                                                  夏夜南银河 银河系的侧面

夏夜北银河 夏夜南银河 秋夜银河 冬夜银河

四、光学法测量距离 亮近暗远：天狼星比太阳暗（100万）2倍，天狼星比太阳远100万倍 近大远小

三级“宝塔”： 1、标准烛光的天体 造父变星 天琴座RR变星 新星 2、标准烛光的天体 球状星团 星系中最亮的恒星 3、标准烛光的天体 超新星 银河是个圆盘状 光年

目前人类所知道的宇宙大小约为一百多亿光年 银河以外的宇宙 星云物质 星云图片 目前人类所知道的宇宙大小约为一百多亿光年 目前超过这个范围人们还不能了解

五、世界万物的组成 五行说：金，木，水，火，土 古希腊：水，火，泥土，空气 共同想法是少数东西构成了世界万物 “一尺之捶，日取其半，万世不竭” ——公孙龙

现代物理：物质的最小构成单元是些基本粒子，如夸克，轻子等，其线度小于10－18m 基本粒子组成原子，分子，微粒……

2004年的NOBEL物理奖： David Gross (Santa Barbara) 格罗斯 Frank Wilczek (MIT) 维尔切克 David Politzer (CalTech) 波利策 获奖者的工作: “Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories” D. Gross and F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 30, 1343 (1973) 被引用1728次。 ”Reliable Perturbative Results for Strong Interactions?“ H. D. Politzer Phys. Rev. Lett. 30, 1346-1349 (1973) 被引用1888次。

§1.2 人类在时间中的位置

一、时间的间接估算 时间的自然单位：秒，分，时，日，年； 文字记载的历史大约为5000年； 地貌年龄以百万年来计算

二、天然计时器 天然放射性（1896年 亨利.贝克勒） 放射性物质的原子放射出射线经过衰变成为另外一种元素的原子。 例：铷（85和87）两种“同位素”；铷87有放射性衰变为锶，每年1.6*10-11 ;铀的“衰变常数”是每年2*10-10 ;钾40的“衰变常数”是每年2*10-10 ;衰变缓慢。

1、推断地球的年龄？ 不可能大大超过1010年！ 地球的物质年龄大概也就50～100亿年！ 否则自然放射性就不会存在了！ 放射性是地球起源的见证！ 2、地质大事发生年代的测定 利用钾和铀的放射性

珠穆郎玛峰 喜马拉雅山 终年积雪珠穆郎玛峰

阿尔卑斯山 喜马拉雅山大约有几百万年的年龄 有些山脉的年龄上亿年，地球上最古老岩石的年龄是40亿年 生命的年龄30亿年，人类不过几百万年

已灭绝的震旦角石 和三叶虫] 北京人头盖骨 三叶虫化石

三、陨石计测太阳系年龄 世界上最大 的远古陨石 亚利桑纳陨石坑

陨石测量太阳系的年龄：测定陨石中的放射性物质及其衰变产物的含量。 结论：45亿年。太阳系中行星的年龄已经经历了45亿年。 四、利用光推算星体年龄 宇宙星体的年龄测量是间接推算的。 光是地球与宇宙星体联系的唯一方式。

根据推算，星的年龄以几十亿年计。 星群的年龄大概上百亿年。 大爆炸理论 哈勃定理：星系不断的离我们 而去，且星系离我们越远，走的越快。

§ 1.3 物理学发展史简介 一、古代自然哲学与物理学 1、中国古代的世界图像与哲学观 战国时代《墨经》：空间，时间，运动，惯性的讨论。 “力，刑之所以奋也” 《考工记》，《梦溪笔谈》，《天工开物》涉及到力学，光学，声学，电磁学

《易经》阴阳学说：易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。 2、古代西方哲学观和物理知识 哲学“科学之祖”泰勒斯 曾用磁石和琥珀做实验，发现这两种 物体对其他物体有吸引力

数学巨人欧几里德 公元前300年编写的《几何原本》,二 千多年来都被看作学习几何的标准课 本,所以称欧几里德为几何之父。 阿基米德 古希腊伟大的数学家、力学家。

德谟克利特(前460-前370) 古希腊哲学家，原子唯物论的创立者 爱潘多克里斯 提出土，水，火，空气四元素说 http://www.hongen.com/edu/dgkt/index.htm#wl 德谟克利特(前460-前370) 古希腊哲学家，原子唯物论的创立者 爱潘多克里斯 提出土，水，火，空气四元素说

古希腊哲学家亚里士多德 百科全书著作：《物理学》，《论天》，《气象学》，《生物学》 亚里士多德是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家。他创立了形式逻辑学，丰富和发展了哲学的各个分支学科，对科学作出了巨大的贡献。

在天文学方面，他认为运行的天体是物质的实体，地是球形的，是宇宙的中心； 地球和天体由不同的物质组成，地球上的物质是由水气火土四种元素组成，天体由第五种元素“以太”构成。 在物理学方面，他反对原子论，不承认有真空存在； 他还认为物体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止。

二、经典物理学的建立过程 1、文艺复兴促进了天文学，地理学，物理学的形成和发展 2、天文学的突破 哥白尼及其《天体运行论》的出版 开普勒行星运动三定律 新的科学思想和科学方法的形成 3、伽利略和近代力学的诞生 落体实验 惯性运动 近代科学之父

4、牛顿力学的建立 （1）笛卡儿及其解析几何 “运动量守恒”，动量，惯性定律 （2）惠更斯及其“惠更斯原理” “活力”和“活力守恒” （3）牛顿及其三大定律和万有引力定律 5、十九世纪电磁学和热力学的发展

三、现代物理学的发展 1、经典物理学的“危机” “黑体辐射” 迈克耳孙－莫雷实验 2、现代物理学的建立 量子论和量子力学的建立 相对论的建立 激光和高温超导 “宇宙间最不可理解的事物就是：宇宙是可以理解的”——爱因斯坦

§1.4 物理学的社会教育和思想文化功能 “科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种是我们大家熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地生产出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” ——爱因斯坦

“自然是从对立的东西产生和谐，而不是从相同的东西产生和谐的” ——赫拉克利特 “科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面，它们共同的基础是人类的创造力，它们的目标都是真理的普遍性” ——李政道