大学物理学总结 38页

大学物理总结1\n通过一年的大学物理的学习，▲科学和生产▲理论和实验▲相对和绝对▲继承和创新总结以下四个关系：2\n一.科学和生产1.物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃（l）热学、热力学的研究（19世纪下半叶）蒸汽机的发明和广泛应用——第一次工业革命（工业机械化）（2）电磁感应的研究，电磁学理论的建立（19世纪中叶）发电机、电动机的发明，无线电通讯的发展第二次工业革命（工业电气化）3\n为近代物理的发展奠定了理论基础，使物理学进入高速、微观的世界，促进了：核物理的研究和发展核能释放和利用原子分子物理的研究和发展激光的发明和应用半导体、固体物理、材料科学的研究和发展晶体管、大规模集成电路、微型计算机的发明和应用第三次技术革命（信息化）（3）相对论、量子力学的建立（19001930）4\n物理学的突破会导致新技术的发明和发展，进一步就导致了生产的大飞跃。这些事实充分说明了：“科学技术是第一生产力”邓小平“没有今天的基础科学就没有明天的科技应用”李政道5\n（4）物理学现在正处在第四次重大突破的前夜20世纪末，李政道先生指出,物理学晴朗的天空中也有两朵乌云:对称性的丢失夸克的禁闭物理学最基本的规律中存在的这两大疑难，预示着新的有重大意义的物理规律的诞生。6\n大型强子对机（LHC）8+8TeV（西欧核研究中心CERN）相对论重离子对撞机（RHIC）100GeV/每个核子（美国）它们的运行有可能导致重大的发现，导致物理学的新的重大突破。1991年4月，钱三强、周光召等十八位物理学家上书我国有关部门，建议组织科学界抓住机遇，做好准备，迎接这新的突破。目前正在兴建或即将兴建一些用于物理学基础研究的世界级的巨大科学工程，如：7\n2.生产的需要是推动物理学发展的根本动力（1）生产的需要推动了物理学的研究要提高蒸汽机的效率研究热学、卡诺循环，发展了热力学。德国要发展炼钢业研究热辐射的规律，导致量子论的建立。利用核能开发聚变能促进了核物理、等离子体物理、辐射物理的研究。8\n（2）生产为物理学的发展创造了物质技术条件在孔夫子的时代不可能发明飞机，也不会产生量子力学。在近代，由于认识到科学对生产发展的重要作用，从总体来看，物理学的研究是超前于技术和生产的，但其发展离不开当时的生产技术水平。促进了材料科学、表面物理、人工微结构物理等的研究。大规模集成电路9\n二.理论和实验1.实验（l）实验是理论的基础，理论正确与否最终要接受实验的检验，如：光电效应实验光子的概念和理论—密立根实验、康普顿散射实验使光子的概念和理论得到确认。—疑难→弱作用宇称不守恒的理论—吴健雄等人的实验证实了这一理论。10\n如：实物粒子的波动性是由光的粒子性引伸而来，又要电子衍射实验证实。历史上提出过很多理论，只要和正确的实验结果不一致就不能成立。如：MM实验的“零结果”否定了以太的存在。“一个矛盾的实验结果就足以推翻一种理论”爱因斯坦有的理论不是以直接的实验为基础，而是从其它的理论引伸出来的，但原来的理论有其实验基础，新理论也要经过实验的证实才能成立。11\n按理论和实验的分布如下：获奖类型项目人数实验83114理论3346实验+理论46得奖的实验项目和人数大致占总数的三分之二。（2）从诺贝尔物理学奖看实验在近代物理发展中所起的作用19012002年共发奖96次（1916,1931,1934,19401942未发奖），得奖项目120项，得奖人数166人。12\n→格拉肖、温伯格、萨拉姆1979年得奖很多理论项目的得奖都是在判定性的实验结果得出后不久才授予的。如：这表明：“实验是最有力的杠杆，我们可以利用这个杠杆去撬开自然界的秘密。在解决某一假说是保留还是摒弃这样一个问题时，这个杠杆应当成为‘最高一级的审理法院’”伦琴电子衍射实验(1927)→德布洛意1929年得奖吴健雄实验(1957年初)→李政道、扬振宁1957年得奖中性流实验(19731978)13\n2.理论（1）理论是实验规律的总结、提高和发展，能更深入反映事物的本质，往往具有普遍性。重要理论的建立把物理学推进到新高度。如：光电效应实验规律(现象)→光量子理论(本质)里德伯光谱公式→玻尔理论(原子能量量子化)（2）在理论建立或发展的一定阶段，它本身的内部矛盾和逻辑发展也会导致新理论的建立。14\n狭义相对论（物理规律对一切惯性系具有不变性）对非惯性系是否具有不变性?广义相对论的建立。光的二象性是否一切微观粒子都有二象性?物质波假说物质波是否可用波动理论来描述?薛定格方程的建立。电弱统一理论四种相互作用是否都能统一?超大统一理论的研究。15\n（3）理论对实验研究有重要的指导作用戴维孙—革末实验知道物质波理论后才自觉地进行迈克耳孙莫雷实验瑞利、开尔文催促，洛仑兹提出改进意见现代的实验:使用大型精密的仪器设计制造专用的装置耗费大量的人力物力16\n必须有明确的物理目标和学术意义才能开展起来并坚持下去，这就离不开理论的指导。理论和实验的关系可用李政道教授提出的“物理学家的定律”作为一个很好的总结：“没有实验家，理论家就会迷失方向；没有理论家，实验家就会迟疑不决。”17\n三.相对和绝对1.物理定理、定律、理论反映了客观世界的运动规律，具有稳定性、可重现性具有绝对真理的成份。2.定理、定律、理论又具有近似性，只在一定范围内才正确，因为：（1）客观世界本身是不断发展变化的，人的认识永远没有完结。18\n1)任何实验都不能绝对精确，测量都有误差。2)不可能弄清楚每一现象和别的现象之间的全部联系。因此，不能把任何物理理论当作无条件的、永恒的东西加以绝对化!例如：相对论和量子力学的发展表明，经典物理的很多规律在高速、微观的世界都不适用。（2）人的认识水平受到历史条件的限制。19\n通常人们认为：光子静止质量为零实际测量结果是：m10-60g电子是稳定不变的31023y质子是稳定不变的11032y中微子静止质量为零m10-2eV经典物理的规律并不都有完美的实验验证万有引力定律只在<10cm的距离有扭称实验证实，距地面10公里以上有人造地球卫星的运行证实，在中间距离过去并没有实验证实，近年来发现确有偏差，并归结为存在第五种力。20\n经典物理也有发展例如：过去认为牛顿力学是决定论的典范，历史的经验表明，理论和实验之间非常小的不一致就可以导致重大的突破。例如：宇称守恒定律的检验p+F19Ne20(1+)O16+He4不守恒的程度3×10--13弱作用宇称可能不守恒。但混沌的研究表明，它具有内在的随机性。21\n因此，不能盲目地相信物理定律或理论的普遍适用性，要从理论和实验结果的差异当中去探索新的天地。目前的实验技术水平：单个微观粒子的能量转移（最大）1TeV最高的能量分辩率E／E10-16能直接测量的最短时间10-16sec最小的空间分辨3.9×10-19m很多物理规律、结论就是在这种实验技术水平下（或者比这差得多的水平下）得到的。22\n例如认为电子无内部结构，可以看成点粒子，因此，必须重视物理规律的近似性，注意它的适用范围。不能把现在得到的物理定律、结论看成是永恒不变、绝对正确的。要注意存在的矛盾，敢于突破，进行创新。实际上这只是在3.9×10-19m的空间分辨能力下，没有发现电子具有内部结构。空间分辨能力进一步提高后，很可能会发现电子有结构。23\n四.继承和创新有继承才有创新，有创新才有发展。1.继承重大理论的创立都是在继承和总结前人成果的基础上加以发展才完成的。没有继承就不会有发展和创新。▲例如，牛顿完成了经典力学体系的建立，他继承了很多前人的工作。24\n在牛顿以前伽利略惯性原理牛顿推广总结出第一定律伽利略对自由落体规律的研究，提出加速度的概念笛卡尔、惠更斯对碰撞问题的研究第谷的天文观测、开普勒的行星运动三定律、胡克、惠更斯、哈雷关于重力、引力的研究定义了质量、力，总结出第二定律总结出第三定律提出万有引力定律25\n▲又如，电磁理论的创立：库仑定律高斯定律奥斯特（电流的磁效应）安培环路定理法拉第（电磁感应，力线的概念，场的概念）麦克斯韦在总结以上成果的基础上，提出“位移电流”和“涡旋电场”的概念，建立了麦克斯韦方程组。26\n▲再如，爱因斯坦创立狭义相对论：伽利略的相对性原理迈克耳孙—莫雷实验洛仑兹提出尺度收缩假说彭加勒提出以太可能不存在，在上述原理、假说、实验的基础上，爱因斯坦提出相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。绝对运动在原则上观察不到。27\n正如牛顿所说：“如果说我比笛卡尔看得更远，那是因为我是站在巨人们的肩膀上”所以，要把科学的发展看成是集体的贡献，应当把著名的科学家看作是成百上千无名科学家的代表。28\n谁最有创新精神，谁敢于突破旧观念、旧理论的束缚，谁就能率先做出重大的贡献，爱因斯坦创立相对论时是这样，李、杨提出弱作用宇称不守恒时也是这样。当科学本身的矛盾已经成熟甚至刚刚显露时，科学研究贵在创新，创新是科学研究的灵魂，2.创新对基础研究来说更是这样。29\n（1）要有创新意识不墨守成规，不人云亦云。总想探索新途径，提出新观念，尝试新方法，导出新结论。没有想到创新的人决不会有新创造。创新精神的三个要素：30\n不怕名人权威。在新的事实面前敢于怀疑旧理论，提出新问题。（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31\n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，32\n（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33\n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）34\n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）35\n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。和严谨踏实、一丝不苟的科学作风结合起来，就一定能作出创造性的贡献。年轻人没有负担，框框少，想象力丰富，只要方向对头，敢想敢干，又注意把创新精神如德布罗意，穆斯保尔，约瑟夫森等，他们的博士论文研究工作就获得是学生（研究生），36\n一定要有科学作风。但首先要强调创造精神才可能有创造。杨振宁说：“中国的传统观念太倾向于崇拜权威，而不鼓励年轻人开创出新路子。”今天我们就要反其道而行之，多鼓励年轻人去探索，去创造，要敢于走新路。37\n祝愿年轻的朋友们：努力学习，勇于探索，大胆创新，为祖国的繁荣富强作出杰出的贡献！大学物理全部结束38