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七大学科 物理学科与专业设置

七大学科 物理学科与专业设置

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1薛定谔的猫原来是物理学知识

物理学是人类科学的重要组成部分,在物理学的发展过程中涌现了一大批天才物理学家和颠覆性的理论。

最为人熟知的是著名的思想实验“薛定谔的猫”,这只猫被关在一个装有毒气的箱子内,而释放毒气的开关是一个放射性原子,如果放射性原子衰变就会将猫毒死。在我们未观察时候,猫处于生死叠加态,只有打开箱子后才能准确知道猫的生死,薛定谔的猫用宏观尺度阐述了微观世界的量子叠加原理。

薛定谔的猫

除了神奇的“薛定谔的猫”,大家日常生活最常接触的应该就是匀变速直线运动、瞬时功率、欧姆定律和串并联电路了,你是否真的了解这些物理学科呢?这篇文章带你了解物理学科的奥秘。

2寻根现代物理

高中物理题目虽然成千上万,但万变不离其宗,追根究底高中物理知识共有五大板块,分别是力学、电学、光学、热学、原子物理学。下面就让我们看看智慧的人类是怎样一步步揭开这些物理学奥秘的吧。

力学

力学知识最早起源于对自然现象的观察和在农业生产中的经验,古代人民在建造房屋、农业灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水工具,在实践中积累起对平衡受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆、浮力、重心等物理知识做了系统的研究,揭示了它们的基本规律。

伽利略在实验研究和理论分析的基础上,最早阐明自由落体规律和加速度的概念。动力学的另一位奠基者是牛顿,他提出了物体运动三定律。欧拉站在牛顿的肩膀上,进一步把牛顿运动定律推广于刚体和理想流体的运动方程。

牛顿

之后,纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人推动了运动定律和物性定律的结合,提出了弹性固体基本理论和粘性物体力学基本理论。重力、万有引力、弹力、静摩擦力、滑动摩擦力、电场力、安培力等是高中物理力学模块重要考点。

电学

电学的发展经历了上千年的历史,世界上最早文字记载的电磁现象是沈括的《梦溪笔谈》。1660年做过著名的马德堡半球实验的德国工程师奥拓.冯.格里克发明了较大的摩擦起电机器。1733年,法国的杜费发明了正电和负电两种电荷,并发现了同性相斥、异性相吸的特性。你知道什么是“库仑定律”吗?它由法国物理学界库仑在1785年提出,即两个电荷之间的相互作用力与两个电荷电量的乘积成正比,与两个点之间的距离的平方成反比。

以上研究都关于静电,动电研究起始于1800年意大利物理学家福特发明了化学电池,这也是人类首次通过人工方法获得了稳恒的电流。1820年丹麦哥本哈根教授奥斯特发现了电流的磁效应。在奥斯特发现电流的磁效应后,安培致力于电流方向和磁场方向关系的研究,并提出了安培定则。

安培定则

1825年德国科学家欧姆得出了今天我们所熟知的欧姆定律,他指出了电阻、电压、电流之间的关系,欧姆定律是电学中最基本的公式。1831年,英国的法拉第发明了电磁感应定律。1840年,英国科学家焦耳提出了电流热效应的计算公式,就是后人所称的“焦耳定律”,这些都是重要考点!1866年德国的西门子发明了使用电磁铁的发电机,为机器的使用提供了电力能源。

随着发电机的问世,大量依赖于电的机器被创造出来,1879年爱迪生发明了世界上第一只实用的白炽灯泡,1924年约翰·贝尔德发明了第一台电视机,1927年美国通用电气公司研制出全封闭式冰箱……电器的使用极大地改变了人类的生活。

欧姆

光学

光学的历史可追溯到2000多年前,早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验:“景,光之人,煦若射,下者之人也高”,指出小孔成倒像的根本原因是光的直射。十七世纪上半叶,斯涅耳和笛卡尔总结出了今天的重要考点:反射定律和折射定律。

1665年,牛顿进行太阳光的实验,他把太阳光分解成简单的组成部分,并创造了把颜色按照一定顺序排列的光谱。1846年,法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转。1856年,韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象有一定的内在联系。

1900年,普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。量子论不但给光学,也给整个物理学提供了新的概念,所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

爱因斯坦

1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论基本原理,指出从伽利略到牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围仅限于速度远小于光速的情况,他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征。现代物理学中两个最重要的基础理论:量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生的。此后,光学研究进入了新时期,以至于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。

热学

热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支,它起源于人类对冷热现象的探索。中国战国时代的邹衍创立了五行学说,他把水、火、木、金、土称为五行,认为这是万事万物的根本。古希腊时期,赫拉克利特提出:火、水、土、气是自然界的四种独立元素。这些都是人们对自然界的早期认识。

1593年,伽利略利用空气热胀冷缩的性质,制成了温度计的雏形。1714年,华伦海特改良水银温度计,定出华氏温标,建立了温度测量的一个共同的标准,使热学走上了实验科学的道路。

华伦海特

1840年以后,焦耳做了一系列的实验,证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性,使人们摈弃了热质说,并为能量守恒定律奠定了实验基础,德国科学家亥姆霍兹最终建立了能量守恒定律的数学表达。

热力学第一定律就是能量转化与守恒定律在热现象过程中的具体表现。之后,德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文通过分别对法国工程师卡诺关于理想热机效率问题研究成果的细致分析,各自独立地发现了热力学第二定律。1912年,能斯脱提出热力学第三定律后,人们对热的本质才有了正确的认识,并逐步建立起热学的科学理论。

原子物理学

19世纪,原子物理学的发展是物理学史上的重要里程碑!经过长期的探索,直到20世纪初,人们对原子本身的结构和内部规律才有了比较清楚的认识,之后逐步建立起近代的原子物理学。

公元前400年,希腊哲学家德谟克列特提出原子的概念。1803年,英国物理学家约翰·道尔顿提出原子说。1833年,英国物理学家法拉第提出法拉第电解定律,表明原子带电,且电可能以不连续的粒子存在。1911年,英国物理学家卢瑟福的α粒子散射实验,发现原子有核,且原子核带正电、质量极大、体积很小。1913年,丹麦物理学家玻尔提出了原子所具有的能量形成不连续的能级,当能级发生跃迁时,原子就发射出一定频率的光的假说。

卢瑟福

20世纪的前30年,原子物理学处于物理学的前沿,发展迅速,促进了量子力学的建立,开创了近代物理的新时代。目前原子碰撞研究的课题非常广泛,涉及光子、电子、离子、中性原子等与原子和分子碰撞的物理过程,促进了空间技术和空间科学的发展。

3专业设置与就业前景

根据2017年教育部学科评估结果,物理学专业中获评A+的高校只有两所:北京大学、中国科学技术大学。北京大学物理学院开设有物理学、大气科学、天文学、核科学四个本科生专业。中国科学技术大学物理学院开设有物理学、应用物理学、天文学、光电信息科学与工程、核工程与核技术五个本科生专业。

以北京大学为例,一般而言,物理学院按照物理大学科招生,入学两年后学生可自由选择方向。物理学院的四个专业都很看重学生数学能力和物理理论水平的提升,物理学专业是大多数人的选择。

物理学专业注重理论水平和综合素质的培养,毕业生有较强的社会适应性,既具有从事基础科学研究的基础知识,也具有在应用物理技术、电子信息技术等领域从事高科技开发的实际业务能力,适合在工业、交通、邮电、金融、商业等行业从事科技开发、生产和管理工作。物理学专业学生所特有的专业素养,使他们具有持久的专业发展后劲和较强的开拓能力,因而深受社会各界的欢迎。

主要有三个就业方向:

前沿科技方向:计算机软硬件都非常受欢,电子信息和通信可谓非常对口。

现代制造方向:机械设计、自动化、能源动力都是很好的选择,并且游刃有余。

新型崛起方向:材料物理类、单独物理分支等。

也可以从事:

光学工程师

光学设计工程师需要具备光、机、电专业知识背景,熟悉光机电系统的基本原理,负责微型投影光学系统、摄像光学的方案设计及光学设计。

热设计工程师

热设计工程师主要在四个领域,分别是LED灯设计,逆变器领域,手机、笔记本等通讯领域,新能源汽车、锂电池散热等大规模储能设备的设计,是目前比较热门的行业。

前沿技术的研发

前沿显示技术的研发需要光电子技术、激光技术、电信技术等等,所以扎实的物理基础是必不可少的。

总体而言,物理学就业与大多基础性专业相同,主要在高校、国防部门、科研机构等从事教学研究及相关科研管理工作。中国有很多与物理相关的研究所,如中国科学院高能物理研究所、理论物理研究所、近代物理研究所、等离子体物理研究所、国家空间科学中心等,这都是物理学毕业生深造和就业的好去处。

参考资料:

《电学发展简史》,茶香飘万里

《光学发展史》,曲东雪

《热学发展史》

《原子物理发展史》

《中国大学物理学专业实力排行榜》,博雅数据库

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