同学们好 ！
, 大学物理教程, 上册
? 绪论
? 实物的运动规律
? 相互作用和场
, 大学物理教程, 下册
? 振动与波动
? 量子现象和量子规律
? 多粒子体系的热运动
2004年中国十大科技骗局：
老中医绝食 49天居首
2004年 3月 20日至 5月 7日，来自四川泸州的个体老中医陈建民在
四川省雅安市碧峰峡十几米高、昼夜温差高达 100C以上的玻璃
八卦房中，在只饮用矿泉水，不摄入其它任何营养性物质的情
况下，仍然每天坚持学习工作达 8小时以上，其间还在玻璃屋中
与来自祖国各地的游客亲切见面，最终, 成功禁食 49天, 。 这
场和平年代的绝食秀因其活动意义的无聊和匪夷所思，引起广
泛关注。主办方宣称，老中医禁食实践全程有人监控，当地甚
至出动了七位公证员轮流值班，并出具公证书，证实其绝食过
程, 真实有效, 。
这场绝食秀不光在挑战, 生理极限,,也在挑战着人们的
道德底线：对这种明显违反了科学常识混淆百姓理智的商业闹
剧，是听之任之，还是揭竿而起紧追猛打？
以司马南和方舟子为代表的一批科技界人士，通过本报首
先对这场绝食秀发出了明确质疑，指责不负责任的商业闹剧有
违公序良俗。
骗局之 1
老中医绝食 49天
老中医下战书：要到北京表演
通过四川媒体帮助，记者了解到了老中医陈建民本
人的最新动向。老中医自称，去年 3月 20日开始禁食时
体重为 69公斤，到 5月 7日结束时，体重降至 49公斤。 7
月 1日回诊所正式上班。经医疗机构检查，各项生理指
标正常。现在体重已恢复到 69公斤。
不甘寂寞的他，要在新的, 绝食, 斗争中前进了。
, 鉴于此次禁食所引发了许多争议,,日前，陈建
民特别 慎重地给中国科学院写了一封信,主要内容如下,
我在禁食期间，雅安市人民医院作了全程追踪的科
学实验，但受实验设备和技术条件所限，一些重要的科
学数据未能得到有效采集和保存。由于我的禁食实验远
远超越了现有的科学记载所公认的人类禁食极限，对于
在科学上进一步探求人类身体和生命奥秘具有重大价值。
我愿意在贵单位这样的国内最权威单位的组织安排下，
做只饮用矿泉水、不摄入任何营养物质，禁食 49天的实
验。
陈建民说：我国是熊猫的故乡，熊猫被发现和研究的过程，
丰富了人类有关生物品类的知识，改写了前熊猫时代的生物
学和物种学的历史。我本人的禁食经历作为生命科学不可多
得的研究样本，如果能在中科院的领导下，得到完整的记录
和研究，对于人类进一步认识生命的奥秘和推进人体科学的
进步一定会作出具有世界意义的贡献。
, 作为中国人，我愿意为国人在生命科学领域率先作
出惠及全人类的科学研究成果贡献绵薄之力，在严格的实验
室条件下，重复进行科学研究所需的禁食实验。,
专家点评
纪小龙（武警总医院病理室主任）,我想科学的核心应
该是实事求是的，而他那种做法在医学上看来是十分可笑的！
我们在实验室里培养细胞，也是要往培养皿里面加营养液的，
否则过一段时间细胞就会干瘪死掉了。 人体生命活动的基本
单位是细胞。人体的细胞死亡了，人也就死亡。 这是事实，
无一例外。
第一篇 绪 论
解决两个问题,
* 明确为什么学？学什么？怎样学？
* 了解物质世界的整体图象。
目的,
获得学习“大学物理”的自觉意识和
较高的起点。
一, 为什么要学习“大学物理”？
物理学研究物质世界的基本结构、基本相
互作用和最普遍的运动规律。
研究不同层次上物质的结构、物
质间相互作用和相互作用下产生的运动
形态和运动规律，始终是基础科学无止
境的前沿。
周光召
第一章 课程介绍
对于任何专业，大学基础物理课的
目的，都是使学生对物理学的内容和方
法，工作语言，概念和物理图象，其历
史、现状和前沿等方面，从整体上有个
全面的了解。这是一门培养和提高学生
科学素质，科学思维方法和科学研究能
力的重要基础课。
赵凯华
定位,物理教育 ——科学素质教育
不仅仅是为后续课服务
不仅仅是为专业服务
立足于提高自身科学素质，有益于终身学习
和发展
为什么要提高工科学生的物理素质？
根本原因：物理学与工程技术的关系
*第一次工业革命 （ 17~18世
纪）：建立在牛顿力学和热
力学发展的基础上，其标志
是以蒸汽机为代表的一系列
机械的产生和应用。
*第二次工业革命 （ 19世纪）：建立在电磁理论发展
的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的
出现和应用。
历史经验证明，社会的每一次进步都源于物理学的
发展与进步。如 物理学的三大革命,
*第三次工业革命 （ 20世纪）：建立在相对论和量子力
学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列
新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。
从根本上讲，二十世纪的技术群来源
于 20世纪初物理学的三大成就
? 1905－ 1915年,
爱因斯坦的相对论
? 1924－ 1927年,
量子力学
? 原子核物理
由它们决定了 20世纪科学技术的面貌
这些技术群以信息技术为前导，以 新材料
和 新能源 为两翼,
沿着微观尺度,正向粒子的深层结构及生物技术
、生命科学开拓；
?沿着宇观尺度,正向人类征服宇宙的方向开拓。
主要代表
? 核能、太阳能；海洋生物资源利用技术、
空间探测技术 ……
? 卫星通信、光纤通信、移动通信技术、
激光技术
? 微电子技术、计算机技术、信息技术、
信息获取与处理、光电子技术
? 高温超导技术
? 非晶、多晶薄膜材料、纳米材料
? 微生物、酶、细胞、蛋白质及基因工
程技术
电子和信息技术的物理基础
1925年 量子力学建立
1926年 Fermi-Dirac 统计法提出
1929年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释了
导体、半导体、绝缘体的性质和区别；
Fermi面概念及其可测量的提出
1947年 发明晶体管（获 1956年诺贝尔物理奖）
1957年 建立 Fermi面编目
1962年 制成集成电路（ IC）
70年代末 大规模和超大规模集成电路（ VLIC）
激光技术的物理基础
1860年 Maxwell 建立光的电磁理论
1900年 Planck 提出能量子理论
1917年 Einstein 提出受激辐射理论
1953年 制成微波激射器（ maser）
1960年 Maiman制成红宝石激光器
60~70年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置
激光反射器
1982年 激光全息术
80~90年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器,.,
核技术的物理基础
1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性
1905年 Einstein 创立狭义相对论，得
1911年 Rutherford 提出原子的有核模型
1925年 量子力学建立
1932年 建立原子核的 质子 ——中子 模型
1933年 发现人工放射性
1945年 实现核裂变 ——原子弹
1952年 实现核聚变 ——氢弹
1954年 建立第一座核电站
2mcE ?
七十年代微结构物理方面的重大突破开启
了集成电路工业，从而触发了第三次工业革命，
世界开始进入以微机应用为特征的信息时代。
激光技术和计算机技术的结合，使信息高速公
路的建设成为可能。
二十世纪八十年代高温
超导取得了划时代的突
破，为超导的更广泛和
更有效的应用打开了大
门。但是由于超导阈值
太低，实际应用非常困
难，只有在极有限的情
况下超导获得应用。
高温超导的突破，把超导阈值提高到了
液氮温度，这就大大减低了应用的难度和费用，
而且人们自然希望有朝一日能将超导阈值进一
步提高到更接近室温的程度。
物
理
学
提供科学原理
指导技术路线的选择和技术方案的改进
培养技术人员的科学品格和创新能力，
使其眼光远，层次高，后劲足
蒸汽机车 内燃机车 电力机车 常导、超导磁悬浮列车
全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课
科学方法 常被描述成科学家有时从事的几
种活动,观察、假设、实验 等。实际上，物
理学的基本研究方法就是从感性认识到理性
认识，从实验事实总结归纳出客观规律的归
纳法。牛顿运动三定律就是主要从天体运行
及其相互作用的观察总结出来的。
物理学作为研究自然界最普遍规律的科学和
最成熟的自然科学，其思想方法已经广泛地渗透
到各种自然科学技术领域，是科学方法的典型代
表，对世界观的形成所起的作用是直接的。
物理学中常用 模型方法 抓主要矛盾和主要
矛盾方面。开普勒从信仰到科学的成功就是
一个典范。
开普勒 是一位哲学家、数学家、天文学家。
他第一个公开支持哥白尼体系。他绝对忠实于
毕达哥拉斯关于宇宙中存在优美的数学的观念,
而且怀着对太阳的崇拜，在经历了 16年的探索
之后，终于找到了精确而又优美的方案：以三
条描述行星轨道运动的几何学原理为基础,
建立了开普勒行星三定律,
确定了以太阳为焦点的椭
圆轨道模型。椭圆的优美
是开普勒一直追求的。
二十世纪八十 -九十年代迅速发展起来的
人工设计材料，像超晶格、纳米（ 10-9 m）材
料和光子晶体等都开辟一个崭新的材料科学
新时代，国外有人 预言, 二十一世纪将会是
人工设计材料的世纪 。人工设计材料则意味
着人们将按自己的需要去设计并通过人工制
作重新排列原子或原子集团，使得这种材料
具有人们希望有的特性。这当然会使人类在
利用材料方面从必然王国走向自由王国。
硅表面硅原子的排列
砷化镓表面砷原
子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
纳米科学技术应用实例
电子探针移动氙原子
通过移走原子构成的图形
有人说，二十一世纪将是
生命科学获得重大突破的
世纪。但是，生命科学的
重大进展也离不开生物物
理和凝聚态物理在其中的
贡献，因为物理学的研究
方法和工具已经深深地渗
透到了生命科学的领域。
物理学家将会在生命科学
大突破中做出自己的贡献。
DNA分子的双螺旋结构：
大部分是右旋的。
爱因斯坦说：, 科学对于人类事务的
影响有两种方式，第一种方式大家熟知的：
科学直接地、并在更大程度上间接地生产
出完全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。,
20世纪物理学的, 文化味, 越来越浓
了, 它正日益成为社会一般知识, 社会一
般意识形态的重要组成部分 。 通过学习我
们会看到,物理学既是科学, 也是文化 ；
它首先是科学, 但同时又是高层次, 高品
位的文化 。
二,学什么？
知识、方法、科学观念,物” ——物质世界,理” ——普遍规律
1.学习物理知识要注意 整体性, 发展性 和 迁移性 。
整体性 注意掌握知识的结构和联系 形成物质世界的整体物理图象
教材结构和主线
基本
粒子
实物的
运动规律
相互作用
和场
振动和
波动
量子现象和
量子规律
多粒子体系
的热运动
物理学的基本框架
经
典
物
理
力学（实物粒子）
电磁学（场）
热力学统计物理
（多粒子体系）
相对论
力学
量子力学
量子统计物理
相对论量
子力学
相对论
量子场
论
？
发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，
相互关系的变化。
例如,质量 m
初中,
Vm ?? Vm??
循环定义？
高中,
maF ? 惯性质量；
2r
GmM
F ?
引力质量
前沿,质量究竟是什么？是如何产生的？
大学,
2mcE ? 能量载体；
惯引 mm ?
例如,力 F?
近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。
中心,守恒量 ——动量、角动量、能量
守恒定律与自然界对称性的联系 ——卷首语
amF ?? ?
对时间积累
ptFI ??? ????
动量定理 ——动量守恒
对空间积累
kc o s EFSA ??? ?
动能定理 ——机械能守恒
力矩 FdM ? 定轴转动物体的平衡
中学：以“力”为中心。
注意提高应用物理知识理解、解
决实际问题的能力。
2,学习物理方法
观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合,
类比、理想化、假说 …..,
指导性原理,
* 简单性原理,逻辑前提越简单，普遍程度越高。
* 对应原理,新理论应包容在一定条件下被证实是正
确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。 …..,
迁移性
例如,理想化方法
理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体 ……)
理想实验（伽利略、牛顿 …..,）
理想过程 (准静态、绝热 ……)
实质, 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。
复习 质点、质点系、刚体
质点,当物体的线度和形状在所研究的问题中的作
用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，
占有位置，但无形状大小的“点”。
质点系,质点的集合。
刚 体,任意两质点间距离保持不变的质点系。
质点 质点系 刚体 集合
特例
*
思考, 质点和几何学上的点有什么不同？
例如,科学假说方法
牛顿时代,以经验观察，逻辑归纳为主。
现代物理,问题 ——假说 ——(实践 )——科学 ——
（证伪） ——新问题 ——新假说 ——…..,
“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定
观察什么 。” ——爱因斯坦
3,学习先进的科学观念
* 物理学描述的是关于实在世界的模型
感觉世界 物理科学世界 真实世界
大量唯象定律 较高层次定律 自然界的基本法则
(中介 )
逼近
目标 归纳
总结
物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是
依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。
避免僵化，寻求发展和创新！
*自然是和谐统一的整体
“物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。”
——爱因斯坦
自然界的复杂性是由简单规则演变而来。
学科的分化、交叉、整合。
人与自然的和谐发展 ——新的自然观
一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境
效益，树立“整体优化”和“可持续发展”的价
值观念。
三, 怎样学?
书山有路 勤 为径,学海无涯 悟 作舟
辅助教材,, 物理学概论习题参考解答,
,物理思维训练题集,
,活页作业题集,
成绩评定,平时 30% 期末考试 70%
一,物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
第二章 物质世界
宇
宙
学
、
粒
子
物
理
的
奇
妙
衔
接
二, 物质世界的时间尺度
s10 18?
宇宙年龄,
130 ~200亿年
地球年龄
s10106.4 179 ?? 年
星系形成,
50亿年
大气形成 s10108~ 168 ?? 年
热电离层
对流层
中间层
平流层
外大气层
臭氧层
生命的诞生：约 40亿年
脊椎动物,约 6亿年
人类出现 年 614 103~s10 ?
生
物
的
进
化
地球公转 s103 7?
月球公转 s106.2 6?
地球自转
s10 5
中子寿命
s10 3
百米跑 10s
市电周期 s10 2?
介子寿命 s10~10 178 ??
中间玻色子寿命 s10 24?
s10~s10 2418 ? 共计跨越了 42个数量级
三, 基本粒子家族
基本粒子 特征,质量、电荷、自旋、寿命 ……
分类,三大家族
基本粒子,人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”
粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。
标准模型,1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直线
加速器中心电子 ——核子撞击实验首次验证,
获当年诺贝尔物理奖。
要点,三大家族、四种相互作用
光子（ 20世纪 20年代） —— 传递电磁相互作用
中间玻色子 (3种 ) （ 20世纪 70-80年代）
—— 传递弱作用
胶子 (8种 ) （已有实验基础）
—— 传递强作用
引力子（尚未发现） —— 传递引力作用
1.规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介,共 13种。
规范粒子
名称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s）
传递的
相互作用
光子
中间
玻色子
胶子
引力子
?
0Z
W?
)(g
0
0
0
0 0
0
1
1
1
2
1
引力
?
?
0
1?
电磁
弱
强
25
25
10)03.060.2(
10)18.093.2(
?
?
??
??
319 1 1 6 1
4008 0 6 0 0
?
?
玻色子
2,轻子：共 3代 12种
电子
μ子
名称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s） 代
电子中微子
μ子中微子
?子
? 子中微子
一
二
三
e
e
?
??
?
??
?
0.51
5105 ???
106
*1776.9
5.0?
160?
0
0
0
-1
-1
-1
21
21
21
21
21
21
?
?
?
?
610~ ?
1310~ ?
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年汤姆孙在宇宙射线实验中发现正电子。
铅板
B?
?
? ?
?
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号
航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪
（ AMS）升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质
（反碳核和反氦核）
中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺
贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，
中微子通讯，探测星球内部信息 …… ）
???? ?epn
?
3.夸克, 3代,6味、每味 3色，共 36种
名 称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
代
一
二
三
上 夸克
粲 夸克
奇异 夸克
顶 夸克
底 夸克
下 夸克
u
d
c
s
t
b
~300
~300
~500
~1500
~180000
~5000
32
32
32
31?
31?
31?
21
21
21
21
21
21
费米子
1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
sd,u,
cJ/ ??
b??
t
特点,分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
32,3 ee ??
基本粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子（ 引力子？）
费米子
希格斯粒子（？）
62
种
强子（核子、介子）的夸克模型
名称 符号 符号 组成 组成 名称
质子
中子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
p
?K
?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc ?
su ?
du ?
物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
四, 物质存在的基本形式 ——实物和场
场,无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，
具有可叠加性，不能作为参考系。
*实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，
场和实物可以相互转化
现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发
态的表现 。
实物,具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。
宏观客体（ > ）服从因果律 m10 7?
微观客体（ < ）服从统计规律
m10 7?
介观客体 一定条件下出现量子效应
五, 四种基本相互作用
（ 种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
作用距离
(cm)
?
< 1610?
?
< 1310 ?
相对强度
1310? cm处 )
传递作用的
基本粒子
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310 ?
3810 ?
210?
1
)(?
)(g
迄今为止，人类了解得最多的是电磁力, 了解得最早
但最少的是引力。
物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
麦克斯韦
电动力学
强力
格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大
统一理论
设想的
超对称
大统一
理论
(1) 阅读教材第一章、第二章
重点：物质的基本形态，物理学的研究
方法及其普遍意义。
(2) 预习教材第二篇第三章 P.27 ——P.46
作业
参考书
,普朗克之魂, ；, 别闹了，费曼先生,
, 大学物理教程, 上册
? 绪论
? 实物的运动规律
? 相互作用和场
, 大学物理教程, 下册
? 振动与波动
? 量子现象和量子规律
? 多粒子体系的热运动
2004年中国十大科技骗局：
老中医绝食 49天居首
2004年 3月 20日至 5月 7日，来自四川泸州的个体老中医陈建民在
四川省雅安市碧峰峡十几米高、昼夜温差高达 100C以上的玻璃
八卦房中，在只饮用矿泉水，不摄入其它任何营养性物质的情
况下，仍然每天坚持学习工作达 8小时以上，其间还在玻璃屋中
与来自祖国各地的游客亲切见面，最终, 成功禁食 49天, 。 这
场和平年代的绝食秀因其活动意义的无聊和匪夷所思，引起广
泛关注。主办方宣称，老中医禁食实践全程有人监控，当地甚
至出动了七位公证员轮流值班，并出具公证书，证实其绝食过
程, 真实有效, 。
这场绝食秀不光在挑战, 生理极限,,也在挑战着人们的
道德底线：对这种明显违反了科学常识混淆百姓理智的商业闹
剧，是听之任之，还是揭竿而起紧追猛打？
以司马南和方舟子为代表的一批科技界人士，通过本报首
先对这场绝食秀发出了明确质疑，指责不负责任的商业闹剧有
违公序良俗。
骗局之 1
老中医绝食 49天
老中医下战书：要到北京表演
通过四川媒体帮助，记者了解到了老中医陈建民本
人的最新动向。老中医自称，去年 3月 20日开始禁食时
体重为 69公斤，到 5月 7日结束时，体重降至 49公斤。 7
月 1日回诊所正式上班。经医疗机构检查，各项生理指
标正常。现在体重已恢复到 69公斤。
不甘寂寞的他，要在新的, 绝食, 斗争中前进了。
, 鉴于此次禁食所引发了许多争议,,日前，陈建
民特别 慎重地给中国科学院写了一封信,主要内容如下,
我在禁食期间，雅安市人民医院作了全程追踪的科
学实验，但受实验设备和技术条件所限，一些重要的科
学数据未能得到有效采集和保存。由于我的禁食实验远
远超越了现有的科学记载所公认的人类禁食极限，对于
在科学上进一步探求人类身体和生命奥秘具有重大价值。
我愿意在贵单位这样的国内最权威单位的组织安排下，
做只饮用矿泉水、不摄入任何营养物质，禁食 49天的实
验。
陈建民说：我国是熊猫的故乡，熊猫被发现和研究的过程，
丰富了人类有关生物品类的知识，改写了前熊猫时代的生物
学和物种学的历史。我本人的禁食经历作为生命科学不可多
得的研究样本，如果能在中科院的领导下，得到完整的记录
和研究，对于人类进一步认识生命的奥秘和推进人体科学的
进步一定会作出具有世界意义的贡献。
, 作为中国人，我愿意为国人在生命科学领域率先作
出惠及全人类的科学研究成果贡献绵薄之力，在严格的实验
室条件下，重复进行科学研究所需的禁食实验。,
专家点评
纪小龙（武警总医院病理室主任）,我想科学的核心应
该是实事求是的，而他那种做法在医学上看来是十分可笑的！
我们在实验室里培养细胞，也是要往培养皿里面加营养液的，
否则过一段时间细胞就会干瘪死掉了。 人体生命活动的基本
单位是细胞。人体的细胞死亡了，人也就死亡。 这是事实，
无一例外。
第一篇 绪 论
解决两个问题,
* 明确为什么学？学什么？怎样学？
* 了解物质世界的整体图象。
目的,
获得学习“大学物理”的自觉意识和
较高的起点。
一, 为什么要学习“大学物理”？
物理学研究物质世界的基本结构、基本相
互作用和最普遍的运动规律。
研究不同层次上物质的结构、物
质间相互作用和相互作用下产生的运动
形态和运动规律，始终是基础科学无止
境的前沿。
周光召
第一章 课程介绍
对于任何专业，大学基础物理课的
目的，都是使学生对物理学的内容和方
法，工作语言，概念和物理图象，其历
史、现状和前沿等方面，从整体上有个
全面的了解。这是一门培养和提高学生
科学素质，科学思维方法和科学研究能
力的重要基础课。
赵凯华
定位,物理教育 ——科学素质教育
不仅仅是为后续课服务
不仅仅是为专业服务
立足于提高自身科学素质，有益于终身学习
和发展
为什么要提高工科学生的物理素质？
根本原因：物理学与工程技术的关系
*第一次工业革命 （ 17~18世
纪）：建立在牛顿力学和热
力学发展的基础上，其标志
是以蒸汽机为代表的一系列
机械的产生和应用。
*第二次工业革命 （ 19世纪）：建立在电磁理论发展
的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的
出现和应用。
历史经验证明，社会的每一次进步都源于物理学的
发展与进步。如 物理学的三大革命,
*第三次工业革命 （ 20世纪）：建立在相对论和量子力
学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列
新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。
从根本上讲，二十世纪的技术群来源
于 20世纪初物理学的三大成就
? 1905－ 1915年,
爱因斯坦的相对论
? 1924－ 1927年,
量子力学
? 原子核物理
由它们决定了 20世纪科学技术的面貌
这些技术群以信息技术为前导，以 新材料
和 新能源 为两翼,
沿着微观尺度,正向粒子的深层结构及生物技术
、生命科学开拓；
?沿着宇观尺度,正向人类征服宇宙的方向开拓。
主要代表
? 核能、太阳能；海洋生物资源利用技术、
空间探测技术 ……
? 卫星通信、光纤通信、移动通信技术、
激光技术
? 微电子技术、计算机技术、信息技术、
信息获取与处理、光电子技术
? 高温超导技术
? 非晶、多晶薄膜材料、纳米材料
? 微生物、酶、细胞、蛋白质及基因工
程技术
电子和信息技术的物理基础
1925年 量子力学建立
1926年 Fermi-Dirac 统计法提出
1929年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释了
导体、半导体、绝缘体的性质和区别；
Fermi面概念及其可测量的提出
1947年 发明晶体管（获 1956年诺贝尔物理奖）
1957年 建立 Fermi面编目
1962年 制成集成电路（ IC）
70年代末 大规模和超大规模集成电路（ VLIC）
激光技术的物理基础
1860年 Maxwell 建立光的电磁理论
1900年 Planck 提出能量子理论
1917年 Einstein 提出受激辐射理论
1953年 制成微波激射器（ maser）
1960年 Maiman制成红宝石激光器
60~70年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置
激光反射器
1982年 激光全息术
80~90年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器,.,
核技术的物理基础
1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性
1905年 Einstein 创立狭义相对论，得
1911年 Rutherford 提出原子的有核模型
1925年 量子力学建立
1932年 建立原子核的 质子 ——中子 模型
1933年 发现人工放射性
1945年 实现核裂变 ——原子弹
1952年 实现核聚变 ——氢弹
1954年 建立第一座核电站
2mcE ?
七十年代微结构物理方面的重大突破开启
了集成电路工业，从而触发了第三次工业革命，
世界开始进入以微机应用为特征的信息时代。
激光技术和计算机技术的结合，使信息高速公
路的建设成为可能。
二十世纪八十年代高温
超导取得了划时代的突
破，为超导的更广泛和
更有效的应用打开了大
门。但是由于超导阈值
太低，实际应用非常困
难，只有在极有限的情
况下超导获得应用。
高温超导的突破，把超导阈值提高到了
液氮温度，这就大大减低了应用的难度和费用，
而且人们自然希望有朝一日能将超导阈值进一
步提高到更接近室温的程度。
物
理
学
提供科学原理
指导技术路线的选择和技术方案的改进
培养技术人员的科学品格和创新能力，
使其眼光远，层次高，后劲足
蒸汽机车 内燃机车 电力机车 常导、超导磁悬浮列车
全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课
科学方法 常被描述成科学家有时从事的几
种活动,观察、假设、实验 等。实际上，物
理学的基本研究方法就是从感性认识到理性
认识，从实验事实总结归纳出客观规律的归
纳法。牛顿运动三定律就是主要从天体运行
及其相互作用的观察总结出来的。
物理学作为研究自然界最普遍规律的科学和
最成熟的自然科学，其思想方法已经广泛地渗透
到各种自然科学技术领域，是科学方法的典型代
表，对世界观的形成所起的作用是直接的。
物理学中常用 模型方法 抓主要矛盾和主要
矛盾方面。开普勒从信仰到科学的成功就是
一个典范。
开普勒 是一位哲学家、数学家、天文学家。
他第一个公开支持哥白尼体系。他绝对忠实于
毕达哥拉斯关于宇宙中存在优美的数学的观念,
而且怀着对太阳的崇拜，在经历了 16年的探索
之后，终于找到了精确而又优美的方案：以三
条描述行星轨道运动的几何学原理为基础,
建立了开普勒行星三定律,
确定了以太阳为焦点的椭
圆轨道模型。椭圆的优美
是开普勒一直追求的。
二十世纪八十 -九十年代迅速发展起来的
人工设计材料，像超晶格、纳米（ 10-9 m）材
料和光子晶体等都开辟一个崭新的材料科学
新时代，国外有人 预言, 二十一世纪将会是
人工设计材料的世纪 。人工设计材料则意味
着人们将按自己的需要去设计并通过人工制
作重新排列原子或原子集团，使得这种材料
具有人们希望有的特性。这当然会使人类在
利用材料方面从必然王国走向自由王国。
硅表面硅原子的排列
砷化镓表面砷原
子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
纳米科学技术应用实例
电子探针移动氙原子
通过移走原子构成的图形
有人说，二十一世纪将是
生命科学获得重大突破的
世纪。但是，生命科学的
重大进展也离不开生物物
理和凝聚态物理在其中的
贡献，因为物理学的研究
方法和工具已经深深地渗
透到了生命科学的领域。
物理学家将会在生命科学
大突破中做出自己的贡献。
DNA分子的双螺旋结构：
大部分是右旋的。
爱因斯坦说：, 科学对于人类事务的
影响有两种方式，第一种方式大家熟知的：
科学直接地、并在更大程度上间接地生产
出完全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。,
20世纪物理学的, 文化味, 越来越浓
了, 它正日益成为社会一般知识, 社会一
般意识形态的重要组成部分 。 通过学习我
们会看到,物理学既是科学, 也是文化 ；
它首先是科学, 但同时又是高层次, 高品
位的文化 。
二,学什么？
知识、方法、科学观念,物” ——物质世界,理” ——普遍规律
1.学习物理知识要注意 整体性, 发展性 和 迁移性 。
整体性 注意掌握知识的结构和联系 形成物质世界的整体物理图象
教材结构和主线
基本
粒子
实物的
运动规律
相互作用
和场
振动和
波动
量子现象和
量子规律
多粒子体系
的热运动
物理学的基本框架
经
典
物
理
力学（实物粒子）
电磁学（场）
热力学统计物理
（多粒子体系）
相对论
力学
量子力学
量子统计物理
相对论量
子力学
相对论
量子场
论
？
发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，
相互关系的变化。
例如,质量 m
初中,
Vm ?? Vm??
循环定义？
高中,
maF ? 惯性质量；
2r
GmM
F ?
引力质量
前沿,质量究竟是什么？是如何产生的？
大学,
2mcE ? 能量载体；
惯引 mm ?
例如,力 F?
近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。
中心,守恒量 ——动量、角动量、能量
守恒定律与自然界对称性的联系 ——卷首语
amF ?? ?
对时间积累
ptFI ??? ????
动量定理 ——动量守恒
对空间积累
kc o s EFSA ??? ?
动能定理 ——机械能守恒
力矩 FdM ? 定轴转动物体的平衡
中学：以“力”为中心。
注意提高应用物理知识理解、解
决实际问题的能力。
2,学习物理方法
观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合,
类比、理想化、假说 …..,
指导性原理,
* 简单性原理,逻辑前提越简单，普遍程度越高。
* 对应原理,新理论应包容在一定条件下被证实是正
确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。 …..,
迁移性
例如,理想化方法
理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体 ……)
理想实验（伽利略、牛顿 …..,）
理想过程 (准静态、绝热 ……)
实质, 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。
复习 质点、质点系、刚体
质点,当物体的线度和形状在所研究的问题中的作
用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，
占有位置，但无形状大小的“点”。
质点系,质点的集合。
刚 体,任意两质点间距离保持不变的质点系。
质点 质点系 刚体 集合
特例
*
思考, 质点和几何学上的点有什么不同？
例如,科学假说方法
牛顿时代,以经验观察，逻辑归纳为主。
现代物理,问题 ——假说 ——(实践 )——科学 ——
（证伪） ——新问题 ——新假说 ——…..,
“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定
观察什么 。” ——爱因斯坦
3,学习先进的科学观念
* 物理学描述的是关于实在世界的模型
感觉世界 物理科学世界 真实世界
大量唯象定律 较高层次定律 自然界的基本法则
(中介 )
逼近
目标 归纳
总结
物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是
依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。
避免僵化，寻求发展和创新！
*自然是和谐统一的整体
“物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。”
——爱因斯坦
自然界的复杂性是由简单规则演变而来。
学科的分化、交叉、整合。
人与自然的和谐发展 ——新的自然观
一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境
效益，树立“整体优化”和“可持续发展”的价
值观念。
三, 怎样学?
书山有路 勤 为径,学海无涯 悟 作舟
辅助教材,, 物理学概论习题参考解答,
,物理思维训练题集,
,活页作业题集,
成绩评定,平时 30% 期末考试 70%
一,物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
第二章 物质世界
宇
宙
学
、
粒
子
物
理
的
奇
妙
衔
接
二, 物质世界的时间尺度
s10 18?
宇宙年龄,
130 ~200亿年
地球年龄
s10106.4 179 ?? 年
星系形成,
50亿年
大气形成 s10108~ 168 ?? 年
热电离层
对流层
中间层
平流层
外大气层
臭氧层
生命的诞生：约 40亿年
脊椎动物,约 6亿年
人类出现 年 614 103~s10 ?
生
物
的
进
化
地球公转 s103 7?
月球公转 s106.2 6?
地球自转
s10 5
中子寿命
s10 3
百米跑 10s
市电周期 s10 2?
介子寿命 s10~10 178 ??
中间玻色子寿命 s10 24?
s10~s10 2418 ? 共计跨越了 42个数量级
三, 基本粒子家族
基本粒子 特征,质量、电荷、自旋、寿命 ……
分类,三大家族
基本粒子,人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”
粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。
标准模型,1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直线
加速器中心电子 ——核子撞击实验首次验证,
获当年诺贝尔物理奖。
要点,三大家族、四种相互作用
光子（ 20世纪 20年代） —— 传递电磁相互作用
中间玻色子 (3种 ) （ 20世纪 70-80年代）
—— 传递弱作用
胶子 (8种 ) （已有实验基础）
—— 传递强作用
引力子（尚未发现） —— 传递引力作用
1.规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介,共 13种。
规范粒子
名称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s）
传递的
相互作用
光子
中间
玻色子
胶子
引力子
?
0Z
W?
)(g
0
0
0
0 0
0
1
1
1
2
1
引力
?
?
0
1?
电磁
弱
强
25
25
10)03.060.2(
10)18.093.2(
?
?
??
??
319 1 1 6 1
4008 0 6 0 0
?
?
玻色子
2,轻子：共 3代 12种
电子
μ子
名称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s） 代
电子中微子
μ子中微子
?子
? 子中微子
一
二
三
e
e
?
??
?
??
?
0.51
5105 ???
106
*1776.9
5.0?
160?
0
0
0
-1
-1
-1
21
21
21
21
21
21
?
?
?
?
610~ ?
1310~ ?
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年汤姆孙在宇宙射线实验中发现正电子。
铅板
B?
?
? ?
?
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号
航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪
（ AMS）升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质
（反碳核和反氦核）
中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺
贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，
中微子通讯，探测星球内部信息 …… ）
???? ?epn
?
3.夸克, 3代,6味、每味 3色，共 36种
名 称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
代
一
二
三
上 夸克
粲 夸克
奇异 夸克
顶 夸克
底 夸克
下 夸克
u
d
c
s
t
b
~300
~300
~500
~1500
~180000
~5000
32
32
32
31?
31?
31?
21
21
21
21
21
21
费米子
1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
sd,u,
cJ/ ??
b??
t
特点,分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
32,3 ee ??
基本粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子（ 引力子？）
费米子
希格斯粒子（？）
62
种
强子（核子、介子）的夸克模型
名称 符号 符号 组成 组成 名称
质子
中子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
p
?K
?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc ?
su ?
du ?
物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
四, 物质存在的基本形式 ——实物和场
场,无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，
具有可叠加性，不能作为参考系。
*实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，
场和实物可以相互转化
现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发
态的表现 。
实物,具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。
宏观客体（ > ）服从因果律 m10 7?
微观客体（ < ）服从统计规律
m10 7?
介观客体 一定条件下出现量子效应
五, 四种基本相互作用
（ 种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
作用距离
(cm)
?
< 1610?
?
< 1310 ?
相对强度
1310? cm处 )
传递作用的
基本粒子
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310 ?
3810 ?
210?
1
)(?
)(g
迄今为止，人类了解得最多的是电磁力, 了解得最早
但最少的是引力。
物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
麦克斯韦
电动力学
强力
格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大
统一理论
设想的
超对称
大统一
理论
(1) 阅读教材第一章、第二章
重点：物质的基本形态，物理学的研究
方法及其普遍意义。
(2) 预习教材第二篇第三章 P.27 ——P.46
作业
参考书
,普朗克之魂, ；, 别闹了，费曼先生,
