1、 第一讲 物理学的基本概念范畴大学物理专题讲座主讲人 冯杰Date 1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、各种低级运动形式的 特殊 性物质存在的基本形式 ： 时间和空间 广延性2、 具体学科的范畴 构成概念体系比如，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 ： 光线、点光源、干涉、衍射、偏振、双折射 基本
2、概念 导出概念比如，原子物理学 ： 原子核、能级、磁矩、量子数、放射性 什么是 概念Date 21、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： 关于实物成熟的 经典力学、热力学、电
3、动力学、光学、不完备 的 原子物理学；不完全成熟 的量子力学、 不成熟 现代宇宙学；Date 3量子力学的不足 主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至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Date 4 实物与场的统一： 量子场论关于物质存在形式的观点 ：
4、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 所谓 “真空 ”；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
5、场的统一量子味动力学(电磁场、电子场 )Date 5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 量子色动力学相对论粒子方程普罗卡方程 实物与场的描述： 量子场论关于场和实物粒子的特性 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场的运动规律；用算符及其对易关系进行描述其粒子性运动规律 量子场 的基态： “真空态 ”，彻底否
6、定了脱离物质的绝对时空观；实物 粒子场Date 6 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 质点 与刚体第 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 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 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Date 7 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？ （传递引力作用）光子 （传递电磁作用）希格斯玻色子 W玻色子
7、 （传递弱作用）胶子 （传递强作用）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Date 8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 简谐振动Date 9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 自由粒子的波函数 平面波平面波自由粒子的波函数Date 10
