物理学在高新技术材料中的应用.ppt

物理学 在高新技术材料中的应用 物理系 沙 健 教 授 绪论，纳米科技 绪论 沙 健 纳米材料 沙 健 高温超导体及应用 方明虎 材料的物理性质 鲍世宁 磁性材料 李海洋 1、物理学的范畴，作用与意义, 何谓“高新技术材料”? 2、物理学与高新技术材料的关系 3、物理学在未来高新技术材料发展中的地位和作用 绪 论 一一、物理学的范畴物理学的范畴, 作用与意义, 何谓“高新技术材料”? * * 物理学的范畴物理学的范畴: : 物理学是研究物质结构和运动规律的科学。 物理学研究的是自然界中最基本最普遍的规律。 精确性 (定量科学) 普遍性 (基础科学) 绪 论 当今物理学研究的两个前沿领域：当今物理学研究的两个前沿领域： （1）高能物理最小的空间尺度探索基本粒子和物质结构。 （2）天体物理最大的空间尺度研究宇宙演化和起源。 两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联 21世纪物理的突破点 宇宙起源: 大爆炸理论 ( The Big Bang ) 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 绪 论 物理学的发展规律：物理学的发展规律： 寻求最简单的基本原理，解释最普遍的客观事实。 随着研究的深入而不断综合, 建立大统一理论， 寻找总开关 奥克姆准则：越接近真理，基本定律就越简单！ 物理学的研究范围与分类：物理学的研究范围与分类： （1）经典物理学-力、热、光和电磁学 研究对象：宏观物体（大小 原子尺度） 低速运动物体（速度 光速） （2）近代物理学-相对论和量子力学 研究对象：原子及小于原子尺度的粒子 高速运动的物体（速度接近光速） 绪 论 * 物理学的作用与意义: 物理学既是自然科学的基础学科、又是带头学科 （1）物理学与化学息息相关 量子理论从本质上说明了元素性质周期性变化的规律。 量子化学使人们认识了化学现象的微观本质。 （2）物理学与生物学相互渗透 物理学为生物学提供了理论概念和方法，如DNA双螺旋结构 ，基因，耗散结构理论。物理学为生物学提供了现代化实验手 段，如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。 绪 论 ( 3) 物理学是现代技术革命的先导 热力学的建立推动了蒸汽机实用技术的发展； 电磁学的建立使电气时代到来 量子力学和相对论的建立，催生了核能技术、超导技术、 激光技术、信息技术、纳米技术等高新技术 （）物理与数学的关系：互相促进、共同发展 微积分、微分方程 力学、电磁学 非欧几何(明可夫斯基空间、黎曼空间) 相对论 群论 对称性研究 现代微分几何 规范场 ( 5 ) 物理学是哲学和方法论的基础 物理学每个新的概念和规律的确立，都是人类认识史上的一个 飞跃. 牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理 、牛顿颗 粒学说和惠更斯波动学说发展为德布罗意关于物质的波粒二象 性学说、爱因斯坦的相对论时空观、普朗克的量子概念等, 都 成为当代哲学的认识论基础. 绪 论 * 何谓“高新技术材料”? 高深和远离日常生活经验 时代性，社会性 核技术(曼哈吨计划) 航天技术 半导体微电子技术 纳米科技 能源技术 生物技术等 绪 论 库仑定律: (法国1785年) 吉尔伯特 (英国,1544年), 发现琥珀等物体经摩擦,会吸引纸片等细小 物体, 创造了名词: 电 electricity 迪费（法国,1734年）, 发现两类性质相反的“电” 一类出现在玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛等物体上,另一类出现 在琥珀、树脂、丝、线、纸等物体上 绪 论 二、 物理学与”高新技术材料”的关系 以电磁现象的探索为例: 法拉第(英国,1831年), 发现电磁感应现象 法拉第定律： 麦克斯韦(英国,1864年), 集电磁现象研究之大成 - 电磁场理论 赫兹(德国,1887年),用实验证实了电磁波 绪 论 1832年,皮西克(法国), 第一台手摇直流发电机 1834年,雅可比(德国物理学家), 第一台船用直流电动机 1943-1910年,德波里(德国物理学家), 第一条57公里远距输电线 1878年后,爱迪生(美国)发明了电灯,电影,电子管等几百项电子产品 1844年,亨利、莫尔斯(美国)发明了电报; 1922年,贝尔(美国)发明了电话 1894年,马可尼(意大利)、波波夫(俄国)几乎同时发明了无线电发射机和接收机 1925年,贝尔德(英国), 发明了第一台电视机 1945年,莫克来(美国), 制成了第一台电子计算机 在物理学诸多成就问世之后,电气化时代到来 催生了那个时代的高新技术 高新技术推动社会生产力极大发展, 又为物理学的深入研究奠定了坚实的物质基础 绪 论 伦福德（1798年），从摩擦生热发现热质说的谬误 巴本（法国1679年,蒸煮器）纽可门（英国1705年）,瓦特（英 国1765年）发明带冷凝器的蒸汽机 卡若（法国1824年）理想热机，卡若定理 推动蒸汽机向高效和实用化方向发展 对热现象的研究始于温度的测量 伽利略第一支温度计（空气热胀冷缩，且无刻度）， 华伦海（1714年，德国）水银温度计，盐水冰点人体温 摄尔修斯（1742年，瑞典物理学家），冰点沸点 布克莱（1760年，苏格兰化学家），发现潜热 随后，热质说兴起 以热现象的探索为例 : 绪 论 迈尔（德国年），焦耳（英国年） 热力学第一定律 电源 R 第一定律包含: （）内能定义 （） 热量定义 （）能量守恒 第一类永动机不可能 意义：认识了热能这种新的能量形式 以及它与机械能相互转换的规律 绪 论 开尔文（德国1849年），克劳修斯（德国1850年） 热力学第二定律 开尔文表述 循环热机不可能只从单一热源吸热使之完全 变成功而不引起其它变化 克劳修斯表述 热量不会从低温物体自动传向高温物体而 不引起其它变化 第二类永动机不可能 意义: 指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性 绪 论 在物理学诸多成就问世之后,机械化时代到来 催生了那个时代的高新技术 1769年,居纽(法国),第一辆蒸汽机汽车 1796年,特里维西(英国),第一辆蒸汽机火车 随后, 英美法等国大兴铁路,使交通运输出现了翻天地复的变化 1860年,勒努瓦(法国),第一台煤气内燃机 钻井探油炼油等石油工业开始发展 1880年,本茨(德国),第一台气油点火内燃机汽车 汽车工业开始发展,随后是现代造船业,飞机制造业的兴起 绪 论 量子理论的诞生 相对论的诞生 热辐射实验 迈克尔逊 - 莫雷实验 以近代物理学的出现为线索: 1900年,物理学 “灿烂天空中” 出现了两朵小小的乌云 绪 论 频率为 的谐振子只能 取下列不连续能量： 一个能量子的能量: 热辐射实验 绪 论 实物粒子的波动性 德布罗意(De.Broglie)假设：（1924年） 一个能量为E、动量为P的粒子，从波动观点看相当于具有 波长为、频率为的波，这种波称为物质波。 A.Einstein的光量子理论解释了光电效应 A.H.Compton的X射线射光量子效应 绪 论 随后,波尔,德布罗意,海森伯等, 建立了量子力学. 半导体物理, 激光物理, 核物理 迈克耳逊莫雷实验 ( MichelsonMorly ) 所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价 ? 1862年 麦克斯韦( Maxwell )建立统一电磁场理论 光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。 电磁波在真空中的传播速度 c ，相对于什么参考系? 以太假说: 以太参考系 ( 绝对参考系 ) ( 以太 假想传播电磁波的弹性介质,充满整个空间) 若存在光速差 干涉条纹将移动 实验结果 不存在条纹移动 ( 宣布实验 “失败”) 绪 论 1905年 爱因斯坦( A.Einstein ) 提出二条狭义相对论的基本假设: (1) 光速不变原理: 在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c) (2) 相对性原理: 在所有惯性系中,一切物理定律的形式都相同 绪 论 * 同时的相对性, 时间间隔的相对性 (时间延缓时间延缓) ) 人类探索遥远太空的可能性 长度的相对性(长度缩短) 质能关系 * 化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿 分之一。 核反应的比例约为一千到一万分之一。 50克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。 * 引力大的地方时钟走得慢 引力导致空间弯曲 绪 论 介子的寿命 子在静止参照系中的平均寿命为 在大气层上层产生的子, 速度0.998c。 没有相对论效应，能运动的距离 实际上介子可穿越上万米的大气层到达地面 。 由狭义相对论，地球上看 GPS卫星，它们携带的时钟 每天慢大约7微秒。 GPS卫星距离地面约2 万千米。根据广义相对 论，地