改变世界的物理学.ppt

1,您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱,欢迎,2,改变世界的物理学,刘洋华北电力大学应用物理系,NorthChinaElectricPowerUniversity,3,第一篇绪论,通才教育与专才教育；当前教育与社会需求、教育与人的全面发展的需求；历史的必然、现实的选择；当代科技加速发展和学科交叉整合的趋势；具有创新精神和实践能力的高素质人才培养；物理学已经渗透到文史、经管、法政、商学、医学等各个领域。,一、文科学生为什么要学习物理学？,4,学校的目标始终是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是一个专家。发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应该把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。爱因斯坦（18791955）,5,二、物理学的发展与人类文明的进步,从经典物理学到量子物理学量子理论的发展从宏观世界到微观世界和宇观世界从简单系统到复杂系统,6,诺贝尔（18331896）,7,诺贝尔的一生,瑞典著名化学家。研究过大炮和蒸汽机的设计。发明了硝化甘油烈性炸药及引爆方法，意愿用于工业开发矿山、挖掘河道、修建铁路和隧道，为人类造福。遗嘱设立了诺贝尔物理学、化学、生理医学、文学和人类和平5大奖项。,8,历年诺贝尔物理学奖年份获奖者国籍获奖原因1901W.C.伦琴德国发现伦琴射线(X射线)1902H.A.洛伦兹荷兰塞曼效应的发现和研究P.塞曼荷兰1903H.A.贝克勒尔法国发现天然铀元素的放射性P.居里法国放射性物质的研究，M.S.居里法国放射性元素钋与镭并发现钍也有放射性1904L.瑞利英国在气体密度的研究中发现氩1905P.勒钠德德国阴极射线的研究,9,年份获奖者国籍获奖原因1906J.J汤姆孙英国通过气体电传导性的研究，测出电子的电荷与质量的1907A.A迈克耳孙美国创造精密的光学仪器和用以进行光谱学度量学的研究，并精确测出光速1908G.里普曼法国发明应用干涉现象的天然彩色摄影技术1909G.马可尼意大利发明无线电极及其对发展C.F.布劳恩德国无线电通讯的贡献1910J.D.范德瓦耳斯荷兰对气体和液体状态方程的研究,10,年份获奖者国籍获奖原因1911W.维恩德国热辐射定律的导出和研究1912N.G.达伦瑞典发明点燃航标灯和浮标灯的瓦斯自动调节器1913H.K.昂尼斯荷兰在低温下研究物质的性质并制成液态氦1914M.V.劳厄德国发现伦琴射线通过晶体时的衍射，既用于决定X射线的波长又证明了晶体的原子点阵结构1915W.H.布拉格英国用伦琴射线分析晶体结构W.L.布拉格英国,11,年份获奖者国籍获奖原因1917C.G.巴克拉英国发现标识元素的次级伦琴辐射1918M.V.普朗克德国研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设，解释了电磁辐射的经验定律1919J.斯塔克德国发现阴极射线中的多普勒效应和原子光谱线在电场中的分裂1920C.E.吉洛姆法国发现镍钢合金的反常性以及在精密仪器中的应用,12,年份获奖者国籍获奖原因1921A.爱因斯坦德国对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律1922N.玻尔丹麦研究原子结构和原子辐射，提出他的原子结构模型1923R.A.密立根美国研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有最小单位1924K.M.G.西格班瑞典伦琴射线光谱学方面的发现和研究1925J.弗兰克德国发现电子撞击原子时出现G.L.赫兹德国的规律性,13,年份获奖者国籍获奖原因1926J.B.佩林法国研究物质分裂结构，并发现沉积作用的平衡1927A.H.康普顿美国发现康普顿效应C.T.R.威尔孙英国发明用云雾室观察带电粒子，使带电粒子的轧迹变为可见1928O.W.里查孙英国热离子现象的研究，并发现里查孙定律1929L.V.德布罗意法国电子波动性的理论研究1930C.V.拉曼印度研究光的散射并发现拉曼效应,14,年份获奖者国籍获奖原因1932W.海森堡德国创立量子力学，并导致氢的同素异形的发现1933E.薛定谔奥地利量子力学的广泛发展P.A.M.狄立克英国量子力学的广泛发展，并预言正电子的存在1935J.查德威克英国发现中子1936V.F赫斯奥地利发现宇宙射线C.D.安德孙美国发现正电子,15,年份获奖者国籍获奖原因1937J.P.汤姆孙英国通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象C.J.戴维孙美国通过实验发现晶体对电子的衍射作用1938E.费米意大利发现新放射性元素和慢中子引起的核反应1939F.O.劳伦斯美国研制回旋加速器以及利用它所取得的成果，特别是有关人工放射性元素的研究1943O.斯特恩美国测定质子磁矩1944I.I.拉比美国用共振方法测量原子核的磁性,16,年份获奖者国籍获奖原因1945W.泡利奥地利发现泡利不相容原理1946P.W.布里奇曼美国研制高压装置并创立了高压物理1947E.V.阿普顿英国发现电离层中反射无线电波的阿普顿层1948P.M.S.布莱克特英国改进威尔孙云雾室及在核物理和宇宙线方面的发现1949汤川秀树日本用数学方法预见介子的存在1950C.F.鲍威尔英国研究核过程的摄影法并发现介子,17,年份获奖者国籍获奖原因1951J.D.科克罗夫特英国首先利用人工所加速的粒子开展原子核E.T.S.瓦尔顿爱尔兰蜕变的研究1952E.M.珀塞尔美国核磁精密测量新方法的发F.布洛赫美国展及有关的发现1953F.塞尔尼克荷兰论证相衬法，特别是研制相差显微镜1954M.玻恩德国对量子力学的基础研究，特别是量子力学中波函数的统计解释W.W.G.玻特德国符合法的提出及分析宇宙辐射,18,年份获奖者国籍获奖原因1955P.库什美国精密测定电子磁矩W.E.拉姆美国发现氢光谱的精细结构1956W.肖克莱美国研究半导体并发明晶体管W.H.布拉顿美国J.巴丁美国1957李政道美国否定弱相互作用下宇称守杨振宁美国恒定律，使基本粒子研究获重大发现1958P.A.切连柯夫前苏联发现并解释切连柯夫效应I.M.弗兰克前苏联(高速带电粒子在透明物质I.Y.塔姆前苏联中传递时放出蓝光的现象),19,年份获奖者国籍获奖原因1959E.萨克雷美国发现反质子O.张伯伦美国1960D.A.格拉塞尔美国发明气泡室1961R.霍夫斯塔特美国由高能电子散射研究原子核的结构R.L.穆斯堡德国研究r射线的无反冲共振吸收和发现穆斯堡效应1962L.D.朗道前苏联研究凝聚态物质的理论，特别是液氦的研究,20,年份获奖者国籍获奖原因1963E.P.维格纳美国原子核和基本粒子理论的研究，特别是发现和应用对称性基本原理方面的贡献M.G.迈耶美国发现原子核结构壳层模型J.H.D.詹森德国理论，成功地解释原子核的长周期和其它幻数性质的问题1964C.H.汤斯美国在量子电子学领域中的基础研究导致了根据微波激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器,21,年份获奖者国籍获奖原因1964N.G.巴索夫前苏联用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作A.M.普洛霍罗夫前苏联在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作1965R.P.费曼美国量子电动力学的研究，包J.S.施温格美国括对基本粒子物理学的意朝永振一郎日本义深远的结果1966A.卡斯特莱法国发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献1967H.A.贝特美国恒星能量的产生方面的理论,22,年份获奖者国籍获奖原因1968L.W.阿尔瓦雷斯美国对基本粒子物理学的决定性的贡献，特别是通过发展氢气泡室和数据分析技术而发现许多共振态1969M.盖尔曼美国关于基本粒子的分类和相互作用的发现，提出“夸克”粒子理论1970H.O.G.阿尔文瑞典磁流体力学的基础研究和L.E.F.尼尔法国发现并在等离子体物理中找到广泛应用,23,年份获奖者国籍获奖原因1980J.W.克罗宁美国CP不对称性的发现V.L.菲奇美国1981N.布洛姆伯根美国激光光谱学与非线性光学A.L.肖洛美国的研究K.M.瑟巴瑞典高分辨电子能谱的研究1982K.威尔孙美国关于相变的临界现象1983S.钱德拉塞卡尔美国恒星结构和演化方面的理论研究W.福勒美国宇宙间化学元素形成方面的核反应的理论研究和实验,24,年份获奖者国籍获奖原因1984C.鲁比亚意大利由于他们的努力导致了中间S.范德梅尔荷兰玻色子的发现1985K.V.克利青德国量子霍耳效应1986E.鲁斯卡德国电子物理领域的基础研究工作，设计出世界上第一架电子显微镜G.宾尼瑞士设计出扫描式隧道效应显微镜H.罗雷尔瑞士1987J.G.柏诺兹美国发现新的超导材料K.A.穆勒美国,25,年份获奖者国籍获奖原因1988L.M.莱德曼美国从事中微子波束工作及通过M.施瓦茨美国发现介子中微子从而对轻J.斯坦伯格英国粒子对称结构进行论证1989N.F.拉姆齐美国发明原子铯钟及提出氢微波激射技术W.保罗德国创造捕集原子的方法以达到H.G.德梅尔特美国能极其精确地研究一个电子或离子1990J.杰罗姆美国发现夸克存在的第一个实验H.肯德尔美国证明R.泰勒加拿大,26,年份获奖者国籍获奖原因1991P.G.德燃纳法国液晶基础研究1992J.夏帕克法国对粒子探测器特别是多丝正比室的发明和发展1993J.泰勒美国发现一对脉冲星，质量L.赫尔斯美国为两个太阳的质量，而直径仅10-30km，故引力场极强，为引力波的存在提供了间接证据1994C.沙尔美国发展中子散射技术B.布罗克豪斯加拿大,27,年份获奖者国籍获奖原因1995M.L.珀尔美国珀尔及其合作者发现了轻F.雷恩斯美国子雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电子反中微子他们在轻子研究方面的先驱性工作，为建立轻子-夸克层次上的物质结构图像作出了重大贡献1996戴维.李美国发现氦-3中的超流动性D.D.奥谢罗夫美国R.C.里查森美国1997朱棣文美国激光冷却和陷俘原子C.C.塔诺季法国W.D.菲利浦斯美国,28,年份获奖者国籍获奖原因1998R.B.劳克林美国分数量子霍尔效应的发现H.L.斯特默美国崔琦美国1999H.霍夫特荷兰阐明物理学弱电相互作用中M.韦尔特曼的量子结构2000泽罗斯.阿尔费罗夫俄罗斯为现代信息技术的所作出赫伯特.克勒默美国的基础性贡献，特别是他们杰克.S.基尔比美国发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片),29,物理学与工业革命,蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从农业社会进入工业社会第一次工业革命；电力、石油和自动生产线第二次工业革命；电脑、电信革命，信息时代、知识经济时代第三次工业革命。,30,物理学与哲学,31,中国古代的物理成就我国古代的科学技术成就中，属于物理学或与物理学有关的，可以提出力学、光学和声学等三个方面作一简要介绍。考工记（公元前至年）：关于惯性的记载、滚动摩擦的论述、火箭的飞行与保持稳定，还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些软科学知识。墨经（公元前至年），墨经战国时代以墨翟为首的墨家的代表作，分为“经”与“经说”两大部分。前者的内容大多是一些定义性质的条文，后者则带有定律的性质的解释。,32,墨经中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述，而是对力学现象进行了粗浅的概括，并进行了一些推理论证。诸如，关于时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述，以及斜面、滑轮及其应用，等等。侯风地动仪。这是东汉张衡（公元至年）所制的世界上第一台地震仪。后汉书张衡列传上有下面一段记载：“（顺帝）阳嘉元年（即公元年），复造侯风地动仪。这是一种测定震源方向的仪器。张衡利用了力学上的惯性原理，同时他对地震波传播和方向性也一定有所了解。这些在当时来说都是十分了不起的。,33,记里鼓和指南车。这是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两种利用各种齿轮的复合运动传动的自动机构。在刘仙洲教授著的中国机械工程发明史第一编第五章中有较详细的介绍。关于光学知识的记载以墨经经下中的八条最为系统。内容涉及影子生成的道理，本影和半影，由物体与光源的相对位置确定影子的大小，光的直线传播实验，光的反射性和平面镜成像，凹面镜成像，凸面镜成像等。它已触及了几何光学很大一部分，从时间上看要比古希腊欧几里德注反射光学早一百多年。,34,声学方面：据文献记载和考古的发现，在周朝以前已经有了各种乐器，而且很早就制定了有科学根据的乐律，乐律说有丰富的物理声学内容，它的产生和发展，是物理声学史中重要的组成部分。我国古籍中多次记载了物体的共振和声音的共鸣现象。关于物质和运动的概念：物质观。关于物质的构成，中国古代有多种说法，如“五行说”，“八卦说”，“元气说”以及墨家提出的“原子论”。,35,我国原始五行说发展到了春秋时代，又出现了五行相生相克的学说，即水生火，火生土，土生金，金生水，水生木；木克土，土克水，水克火，火克金，金克木。显然它是由实践经验抽象出来的。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，,36,运动观念。在我国古代，人们把运动理解为一般变化，其中包括产生和消灭，数量增减和性质变化，以及位置移动。,除去以上列举的力学、光学、声学和物质与运动等四个方面之外，在这一时代中，我国还有许多其它的物理学方面的成就，例如磁现象和静电现象、气象知识等等，不再一一加以介绍了。即使从以上的一个很不完整、很不系统的介绍，我们已经可以看到，我国古代确实有不少很有价值的物理学成就。跟文学、艺术、哲学等其它领域一样，比之其它文明古国毫无逊色，甚至可以说有过之而无不及。,37,物理学与物质世界,38,物质世界的美丽,简洁性描述经验资料，具有最少量的定义和独立假设的模型最好的理论；“遥望”从整体上把握万物，星星繁多，却个个清晰，万里长城（单块石头）；质点、刚体、黑体、谐振子、理想气体等，小到原子大到太阳可以有同一名称质点。,39,雄伟壮观的万里长城,40,对称性,对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态；古罗马的建筑、中国的宫殿、周易中的阴阳、八卦；作用力与反作用力、正负电荷、S极N极、电流周围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政道的宇称守恒。,41,普遍性,“112”数学抽象，“1头牛2头牛3头牛；1个原子2个原子3个原子”；0、1、2所包含的的哲学思想；普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者的统一，引出普朗克常数。,42,稳定感,人类审美心态的又一要素表现了对封闭、独立系统的向往；联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵犯；互不干涉内政也体现了这种心态；整个宇宙（有限）中，质量(能量)守恒、电荷守恒；二千多年前孔子望着川流不息的江河感慨：“逝者如斯夫，不舍昼夜”。人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、电子电荷、阿伏加德罗常数等等。,43,延伸性,“落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色”唐代王勃把视野引向无穷、无尽、无限和无数。仿佛看到在一块无限大平板上，放着一个刚球，伽利略一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无边否定亚力斯多德的经验结论。,44,1993年3月，亚特兰大，“物理学对社会的重要贡献”的决议”,物理学是一项智力探险活动，鼓舞着年轻人，扩展着我们关于大自然知识的疆界。物理学发展着未来技术进步所需要的基本知识。物理学为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才。物理学在培养其它学科领域科学工作者的教育中，是一个重要组成部分。物理学扩展和提高我们对其他科学的理解，诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学，以及天文学和宇宙学这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识，如计算机层析技术（CT），磁共振成像，正电子发射层析技术，超声波成像和激光技术等，改善了我们生活的质量。,45,人类21世纪的文明要到两千年前中国的孔子和老子那里去找,两千年前，哲学家庄子“判天地之美，析万物之理”古训激励我们勇攀科学高峰！,46,您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱,欢迎,47,1物理学与物质世界物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科是自然科学的基础,一.物质世界,研究的对象十分广泛宇观宏观微观,为人们描绘出一副五彩缤纷的图画,48,空间尺度(相差10451046)1026m(约150亿光年)(宇宙)1020m(夸克),时间尺度(相差1045)1018s150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬射线周期),速率范围0(静止)-3x108m/s(光速),49,人们从自己向小尺度追问以探索物质的组成物理学上对应粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克即认为quark没有内部结构但近来有消息称quark也可一分为二说明认识无止境,50,粒子种类自由状态存在的:452种其中规范玻色子4种轻子12种强子436种,基本相互作用:电磁强弱引力,51,人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘物理学上对应天体物理学,宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀宇宙半径增大宇宙密度降低温度降低,宇宙有限又无边!,有中心?无中心?,远离,52,仙女座大星云,53,54,三.物理学使人们深入认识世界物质存在的基本形式中学时已有粒子和场的认识,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,场与粒子是统一体的两种表现形式,55,演绎法推理演算归纳法假设模型定性和半定量,直觉想象力洞察力,2物理学与科学思维,一.物理学的研究方法,56,物理学家的1/3激奋在于建立理论1/3激奋在于证实理论1/3激奋在于突破理论爱因斯坦是典范-最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事-,二.物理学家的科学态度,实验结果与已有理论不符合预示着重大突破,令人兴奋,57,3物理学与科学技术物理学为其他学科创立技术和原理重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿如微电子技术的发展物理学满足人类