1
中国科学技术大学
,普通物理, 多媒体电子教案
张璞扬 张权 制作
中国科学技术大学, 基础物理教程, 课题组
（力学）
2
我曾对中国科技大学的同学们提出过“三 P”,
Perception，
Persistence，
Power
意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的
直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去奋斗，
以扎实的知识力量去克服困难。
杨振宁
3
绪 论
目 录
1、物理学与物质世界
2、物理学与科学技术
3、物理学与科学思维
4、悟物穷理
4
一、物质世界
物理学的骄傲在于研究对象无所不包，大至宇宙，小至
原子内部 (宇观, 宏观,介观、微观 )。
物理学是探讨物质结构和相互作用以及它们的运
动规律的学科, 是自然科学的基础 。
?时间尺度 (相差 1045)：
?空间尺度 (相差 1045－ 1046)：
?速率范围：
1018s (150亿年,宇宙年龄 ) － 10-27s(硬 ?射线周期 )
1026 m(约 150亿光年,宇宙 )－ 10－ 20 m(夸克 )
0(静止 ) - 3?108 m/s(光速 )
㈠ 物理学与物质世界
5
物质世界总图象：
从整个物理学的发展中，可以看到一条鲜明的主线，这
就是执着地追求宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本、
最统一的规律,
探索物质的组成,物理学上对应 粒子物理学 (微观理论 )
?人们从自己向小尺度追问
粒子物理的标准模型,目前，粒子物理的所有观测结
果都可以用存在三族基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子
）和三种（或四种）基本相互作用来解释。
?人们从自己向大尺度追问
探索宇宙的奥秘,物理学上对应 天体物理学 (宇观理论 )
宇宙是怎样运动的呢？宇宙有限又无边 !有中心？无中心？
宇宙学的标准模型,大爆炸宇宙学
6
7
三、物理学使人们深入认识世界
?场与粒子是统一体的两种表现形式；
?场论给出最新认识,每种粒子对应一种场,场有不同能量状态
?物质存在的基本形式
? 物质的凝聚状态
? 凝聚态, 固、液、气态、等离子体
? 致密态, 恒星晚年，白矮星、中子星、黑洞
?基本 相互作用
? 强相互作用 （强度 1，作用距离 ）
? 电磁相互作用（强度,作用距离长 ）
? 弱相互作用 （强度,作用距离 ）
? 引力相互作用（强度,作用距离长）
210?
1310?
3810?
m1510?
m1810?
8
㈡ 物理学与科学技术
从物理学 300多年发展的历史看，已经历了三次革命：
牛顿力学率先发展，完成了物理学的笫一次大综合，这是
笫一次革命；笫二次是把光、电、磁三者统一起来的麦克
斯韦电磁理论的建立；到 20世纪，第三次大革命则是由相
对论和量子力学带动起来的。每一次革命物理学在观念上
都产生深刻的转变。
一 物理学发展
物理学的发展依赖于一种基本的信念：物质世界存在着
完整的因果链条，即自然界是统一的。
二 物理学发展与技术革命
9
三 发展模式,技术－物理－技术
物理－技术－物理
? 卢瑟福 ? 粒子散射实验 (1909)－核能利用 (40年代以后 )
? 爱因斯坦受激辐射理论 (1917) －第一台激光器 (1960)
? 量子力学－费米狄拉克统计－固体能带理论 (20年代 ) －晶体管
诞生 (1947)－集成电路 (1962)－大规模集成电路 (70年代后期 )
－微结构物理
实例：
由于物理学的发展，成为科学技术和社会发展的巨大推动力，
引发了三次技术革命：笫一次是开始于 18世纪 60年代，主要标
志是蒸汽机的广泛应用,它是牛顿力学和热力学发展的结果。笫
二次是开始于 19世纪 70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线
电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。笫三次则是开始于 20
世纪 40年代的电脑、电信革命，也叫做“数字革命” 。目前正处
于笫三次工业革命的初期阶段。它则是近代物理学发展的结果。
10
隧道
效应 经典观点
量子观点
70年代罗伯特, 杨制成场发射显微镜。
1981年 宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜,制造
出扫描隧道显微镜（ STM）,1986年获得诺贝尔物理学奖。
11
隧道效应及隧道显微镜（ STM）
1,隧道效应
2,扫描隧道显微镜 （ STM）
粒子能穿透比其更高的势垒
的现象 。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
0 a x
横向分辨率 0.1nm
纵向分辨率 0.01nm
电子显微镜分辨率 0.3
－ 0.5nm
扫描探针
电子云
样品表面
12
中国科学院科学家,写”出的
平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米
操纵原子不是梦－,原子书法
”
13
在扫描隧道显微镜下，科学家将 48个铁原子排列在铜表
面上，形成一个圆形围栏,
14
?演绎－推理 演算
?归纳－假设 模型
?定性和半定量
直觉, 想象力, 洞察力
一、物理学的研究方法和步骤
㈢ 物理学与科学思维
提出命题
修改理论
推测答案
理论预言
实验检验
研究的步骤
应用
15
二、物理学思维特点
物理教学，重要的是要启发学生的思维，加强科学方法论的
教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式，将
终生受益。
物理学思维特点主要表现在：
1,敢于想像。 要认识敢想才有物理学，不敢想就没有物理学。
爱因斯坦说：“想像力比知识更重要。”例如，麦克斯韦的位移
电流假说，爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。
一
2,善于归纳。 物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些
定律都是从实验（或观察）中归纳出来的。但这种所用的科学
方法，只能是“不完全”归纳法，而不是数学的完全归纳法。例
如“势”概念的应用。
16
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 。
－爱因斯坦
学好物理学，关键是勤于思考，悟物穷理。
3,创设模型。 物理学并不讳言自身只研究模型。模型并不全同
于真实，但物理学的成功正在于创造出许多成功的模型。模型是
“理想化”的，但不是“伪劣”的，它突出了许多表面上看是千差万
别的物体最本质的特征。
（四） 悟物穷理
中国科学技术大学
,普通物理, 多媒体电子教案
张璞扬 张权 制作
中国科学技术大学, 基础物理教程, 课题组
（力学）
2
我曾对中国科技大学的同学们提出过“三 P”,
Perception，
Persistence，
Power
意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的
直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去奋斗，
以扎实的知识力量去克服困难。
杨振宁
3
绪 论
目 录
1、物理学与物质世界
2、物理学与科学技术
3、物理学与科学思维
4、悟物穷理
4
一、物质世界
物理学的骄傲在于研究对象无所不包，大至宇宙，小至
原子内部 (宇观, 宏观,介观、微观 )。
物理学是探讨物质结构和相互作用以及它们的运
动规律的学科, 是自然科学的基础 。
?时间尺度 (相差 1045)：
?空间尺度 (相差 1045－ 1046)：
?速率范围：
1018s (150亿年,宇宙年龄 ) － 10-27s(硬 ?射线周期 )
1026 m(约 150亿光年,宇宙 )－ 10－ 20 m(夸克 )
0(静止 ) - 3?108 m/s(光速 )
㈠ 物理学与物质世界
5
物质世界总图象：
从整个物理学的发展中，可以看到一条鲜明的主线，这
就是执着地追求宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本、
最统一的规律,
探索物质的组成,物理学上对应 粒子物理学 (微观理论 )
?人们从自己向小尺度追问
粒子物理的标准模型,目前，粒子物理的所有观测结
果都可以用存在三族基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子
）和三种（或四种）基本相互作用来解释。
?人们从自己向大尺度追问
探索宇宙的奥秘,物理学上对应 天体物理学 (宇观理论 )
宇宙是怎样运动的呢？宇宙有限又无边 !有中心？无中心？
宇宙学的标准模型,大爆炸宇宙学
6
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三、物理学使人们深入认识世界
?场与粒子是统一体的两种表现形式；
?场论给出最新认识,每种粒子对应一种场,场有不同能量状态
?物质存在的基本形式
? 物质的凝聚状态
? 凝聚态, 固、液、气态、等离子体
? 致密态, 恒星晚年，白矮星、中子星、黑洞
?基本 相互作用
? 强相互作用 （强度 1，作用距离 ）
? 电磁相互作用（强度,作用距离长 ）
? 弱相互作用 （强度,作用距离 ）
? 引力相互作用（强度,作用距离长）
210?
1310?
3810?
m1510?
m1810?
8
㈡ 物理学与科学技术
从物理学 300多年发展的历史看，已经历了三次革命：
牛顿力学率先发展，完成了物理学的笫一次大综合，这是
笫一次革命；笫二次是把光、电、磁三者统一起来的麦克
斯韦电磁理论的建立；到 20世纪，第三次大革命则是由相
对论和量子力学带动起来的。每一次革命物理学在观念上
都产生深刻的转变。
一 物理学发展
物理学的发展依赖于一种基本的信念：物质世界存在着
完整的因果链条，即自然界是统一的。
二 物理学发展与技术革命
9
三 发展模式,技术－物理－技术
物理－技术－物理
? 卢瑟福 ? 粒子散射实验 (1909)－核能利用 (40年代以后 )
? 爱因斯坦受激辐射理论 (1917) －第一台激光器 (1960)
? 量子力学－费米狄拉克统计－固体能带理论 (20年代 ) －晶体管
诞生 (1947)－集成电路 (1962)－大规模集成电路 (70年代后期 )
－微结构物理
实例：
由于物理学的发展，成为科学技术和社会发展的巨大推动力，
引发了三次技术革命：笫一次是开始于 18世纪 60年代，主要标
志是蒸汽机的广泛应用,它是牛顿力学和热力学发展的结果。笫
二次是开始于 19世纪 70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线
电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。笫三次则是开始于 20
世纪 40年代的电脑、电信革命，也叫做“数字革命” 。目前正处
于笫三次工业革命的初期阶段。它则是近代物理学发展的结果。
10
隧道
效应 经典观点
量子观点
70年代罗伯特, 杨制成场发射显微镜。
1981年 宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜,制造
出扫描隧道显微镜（ STM）,1986年获得诺贝尔物理学奖。
11
隧道效应及隧道显微镜（ STM）
1,隧道效应
2,扫描隧道显微镜 （ STM）
粒子能穿透比其更高的势垒
的现象 。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
0 a x
横向分辨率 0.1nm
纵向分辨率 0.01nm
电子显微镜分辨率 0.3
－ 0.5nm
扫描探针
电子云
样品表面
12
中国科学院科学家,写”出的
平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米
操纵原子不是梦－,原子书法
”
13
在扫描隧道显微镜下，科学家将 48个铁原子排列在铜表
面上，形成一个圆形围栏,
14
?演绎－推理 演算
?归纳－假设 模型
?定性和半定量
直觉, 想象力, 洞察力
一、物理学的研究方法和步骤
㈢ 物理学与科学思维
提出命题
修改理论
推测答案
理论预言
实验检验
研究的步骤
应用
15
二、物理学思维特点
物理教学，重要的是要启发学生的思维，加强科学方法论的
教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式，将
终生受益。
物理学思维特点主要表现在：
1,敢于想像。 要认识敢想才有物理学，不敢想就没有物理学。
爱因斯坦说：“想像力比知识更重要。”例如，麦克斯韦的位移
电流假说，爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。
一
2,善于归纳。 物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些
定律都是从实验（或观察）中归纳出来的。但这种所用的科学
方法，只能是“不完全”归纳法，而不是数学的完全归纳法。例
如“势”概念的应用。
16
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 。
－爱因斯坦
学好物理学，关键是勤于思考，悟物穷理。
3,创设模型。 物理学并不讳言自身只研究模型。模型并不全同
于真实，但物理学的成功正在于创造出许多成功的模型。模型是
“理想化”的，但不是“伪劣”的，它突出了许多表面上看是千差万
别的物体最本质的特征。
（四） 悟物穷理
