第一讲物理学的基本概念范畴教学课件.ppt
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1、2019/7/10,1,第一讲 物理学的基本概念范畴,大学物理专题讲座,2019/7/10,2,第一讲 物理学的基本概念范畴,一、物理学的概念范畴,1、总范畴,物质存在的基本形态:实物与场(粒子与场),物质的根本属性:运动的绝对性、运动描述的相对性、 各种低级的运动形式,物质存在的基本形式:时间和空间光延性,2、具体学科的范畴,比如,力学:力、质量、惯性、碰撞、参照系,二、物理学的研究对象,物质的结构以及各种低级的运动形式,比如,电磁学:电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场,比如,热学:温度、内能、理想气体、熵、,比如,光学:干涉、衍射、偏振、双折射,基本概念导出概念,2019/7/10,3,
2、1、实物与场,三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论,物质的定义:客观实在性无论实物还是场,实物的 (到目前) 十种形态,日常条件 固、液、气、非晶态、液晶态,超高温 等离子态:恒星内部,超高压 超固态:恒星后期的“白矮星”,原子被压碎 中子态:恒星后期的“中子星” ,原子核被压碎 黑洞,超低温 超导态:比如,水银的温度将到4.173K,即 269时,超流态:比如,液态氦的温度将到2. 17K, 出现超流动态,描述实物运动规律的理论:成熟的经典力学、热力学、电动力学; 不完全成熟的量子力学、不成熟现代宇宙学, 关于实物,2019/7/10,4,量子力学的不足,主要侧重于实物粒子的波粒二象性,甚至
3、没有把光当作粒子处理;,在粒子的基础上谈其波动性概率波波、粒二象性地位不平等;,实物粒子的波动性概率波不是真正物理波场;,不能描述粒子的产生与消失微观粒子的转化;,传递实物间相互作用的一种形态; 场是物质存在的基本形态; 场可以量子化 波粒二象性 场与实物并无定性区别: 质能守恒,目前对场 的认识,描述场运动规律的理论:成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论, 关于场,2019/7/10,5,实物与场的统一:量子场论关于物质存在形式的基本观点: 场是物质存在更基本的形态: 场处于基态时无能量、信号释放; 实物粒子是场量子的激发态; 两种场: 实物粒子场 场量子是实物粒子:电子场、中子场 相互作用
4、场 场量子是媒介粒子:引力场、电磁场 真空是各种量子场的基态零点振动和虚粒子 实物粒子之间的相互作用表现为场之间的相互作用;,实物粒子场 相互作用场,引力相互作用 电磁相互作用 弱相互作用 强相互作用,量子几何动力学 (引力场、实物粒子场),量子电动力学 (电磁场、电子场),量子色动力学 (胶子场、夸克场),统一场论 (引力场与电磁场的统一),大统一理论 四种相互作用,超统一理论,超对称理论 实物粒子场与 相互作用场 两种量子场的统一,量子味动力学 (电磁场、电子场),2019/7/10,6,狄拉克方程,引力场 电磁场 弱相互作用场 强相互作用场,引力场方程,麦克斯韦方程组,量子色动力学,相对
5、论粒子方程,普罗卡方程,实物与场的统一:量子场论关于场的特性和实物粒子的特性 一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子 )都对应其量子场(实物 粒子场和媒介粒子场) 实物粒子场(电子场) 没有经典场概念与其对应量; 相互作用场(电磁场、引力场)有经典场概念与其对 应量,是相互量子场的极限; 任何量子场都是真实的物理波场,可以用波动方程描述; 用算符进行描述其运动规律 量子场的基态:“真空态”,彻底否定了脱离物质的绝对时空观;,实物粒子场,2019/7/10,7, 大学物理学概念体系的尝试1“实物与场”的角度,第一篇 宏观力学 第1章 低速范围的宏观力学牛顿力学 第2章 高速范围的宏观力学狭义相对论 第
6、3章 万有引力场与天体力学 第4章 广义相对论与宇宙学基础,第二篇 电磁场 第5章 电荷与电场 第6章 电流与磁场 第7章 电磁感应 第8章 麦克斯韦方程组与电磁辐射 附录 高速运动的电荷与电场的磁场统一性,2019/7/10,8,两类粒子, 两类波,微观粒子 (正、反粒子),实物粒子,媒介粒子,质子、中子、 轻子(电子、中微子) 夸克,引力子? 光子 中间玻色子,介质波 概率波,机械波:声波、水波,波粒二象性 :光波、物质波(德布罗意波),介质波:需要介质(媒质),介质粒子的振动能量的传播,介质粒子没有迁移是一种经典的机械波;,概率波:无需介质(媒质),波动场粒子可以脱离波源独立的传播能量的
7、传播;波强弱并非是波动场粒子的真实行为,只是波动场粒子的可能出现的时空几率是一种不完备的量子观点、波粒二象性的描述;,2、粒子与波,2019/7/10,9,介质波(机械波)波动方程,平面简谐波的波函数,对波函数求时间t 的偏导数,得,对波函数求传播空间x 的偏导数,得,综合,得 波动方程,物理学的典型方程之一;麦克斯韦据此推断出光的电磁说,设原点的扰动函数简谐运动,2019/7/10,10,概率波(波粒二象性)的薛定谔方程,将该波函数对时间求导,得,将波函数求空间x的偏导数,得,自由粒子的波函数平面波,同理可得,自由粒子的能量和动量的关系,三式相加得,2019/7/10,11,算符,设力场的势
8、能函数为, 则,薛定谔方程,改写(1)(2)式,近代物理学的典型 方程之一;波恩解释概率波,2019/7/10,12,目前大学物理(普通物理学)的概念体系,力学;热学;电磁学;波动与光学概念体系的错误; 量子物理伯克利物理教程张三惠分科的, 高中物理新课程标准体系3-4,(一)机械振动与机械波;(二)电磁振荡与电磁波;(三)光干涉、衍射和偏振;(四)相对论, 关于两类波(介质波与概率波)科学思维,关于两类波(介质波与概率波) 研究方法,虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的,但是其本质完全不同;, 表面上降低了高中甚至大学生的学习难度,实际上可能殆误了这些人才的终身创造力。,2019/
9、7/10,13,大学物理学概念体系的尝试2“粒子与波”的角度,第三篇 振动与波 第9章 振动机械振动与电磁振荡 第10章 波动机械波与电磁波 第11章 光的波动性,第四篇 物质的波粒二象性 第12章 光的二象性 第13章 物质波量子力学基础 第14章 原子物理学,第五篇 大量粒子运动的宏观规律 第15章 热力学 第16章 统计物理学基础,2019/7/10,14, 单位,秒:一个“平太阳日”的1/86400为1秒;1967年,铯-133 原子基态,在零磁场跃迁周期:1秒=9192631770T。 米: 经过巴黎子午线1/4千万为1米;1米=光在真空中经历 1/299792458秒所经过的距离。
10、 (在真空中的光速为普适 常数), 物理学的旧时空观,盖天说地心说:, 唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性;, 绝对静止的存在、被宗教神学利用(托马斯阿奎那TAguinas),代表人物:托勒密 应当指出,旧时空模型,主要观点, 承认时间、空间是客观存在的, 空间的“上”、“下”观念是相对的;宇宙空间有限有中心,, 承认时间的无限性;,意义, 没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。,3、时间与空间,2019/7/10,15, 物理学的经典时空观,哥白尼日心说:,伽利略的主要贡献,伽利略变换,牛顿的主要贡献, 承认时间、空间的客观实在性,将实验方法、数学方法引入物理学的研究,惯
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