绪言2——物理学的研究范畴.ppt

物理学的研究范畴，主讲人是山西省介休市第一中学李启亮。2004年5月18日全日制普通高中(实验修订版)第一卷第二卷第一章导论，物理学，物理学是一门研究宇宙中物质的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面的科学，从而了解这些结构的构成要素及其相互作用、运动和转化的基本规律。简而言之：物理学是一门研究物质结构和运动基本规律的科学。物理学研究的范围，物理学研究的范围很广，从夸克到宇宙，从大爆炸到宇宙的尽头，包括所有的时间尺度和空间尺度。它的分支涉及原子物理学、分子物理学、核物理、声音、光、电、磁以及许多其他与物理学相关的跨学科方面。就时间尺度而言，宇宙是在大约200亿年前的大爆炸中形成的。如果宇宙持续膨胀，我相信任何人都会得出结论，昨天的宇宙比今天的小，去年的宇宙比今年的小。回到很久以前，当宇宙一定很小的时候，宇宙中的物质被压缩到一个非常小的空间。人们半开玩笑地称新“诞生”的宇宙为宇宙蛋。突然有一天，宇宙蛋爆了，高速爆炸产生了今天的宇宙。美国宇航局公布了探测器拍摄的宇宙“婴儿照片”，为大爆炸理论提供了新的基础。根据这些照片，科学家还精确地测量出宇宙的实际年龄是137亿年，误差不超过1%秒。宇宙的年龄大约是1018个数量级。哈勃太空望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，耗资近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送入590公里高的轨道。哈勃太空望远镜正以每小时28000公里的速度沿着一条寂静的太空轨道运行，静静地观察着太空的秘密。粒子生命，在已发现的数百种粒子中，除了电子、质子和中微子外，实验证实它们是不稳定的。它们都会在很长或很短的时间内衰变为其他粒子。一个粒子在衰变前存在的平均时间称为它的寿命。例如，自由中子的寿命约为12分钟，一些粒子的寿命为10-10秒或10-14秒，许多粒子的寿命仅为10-23秒甚至10-25秒。对于那些寿命最短的，“共振粒子”(如粒子、粒子等。)通过强相互作用衰减的应被计数。它们只能活大约十亿分之一秒，或大约10-28秒。1988年10月16日凌晨5点56分，中国第一台高能加速器北京正负电子对撞机首次成功相撞。这是继原子弹、氢弹和人造卫星发射成功之后，高科技领域的又一重大突破。这被认为是中国科技史上最大的科研项目。邓小平同志于1984年10月7日破土动工。北京正负电子对撞机将“重生”，曾经占据主导地位的中国标志性高科技项目北京正负电子对撞机将“重生”。在第二届亚洲粒子加速器大会上，中国计划继续保持其在高能物理领域的国际领先地位，实施项目第二阶段，并投资4亿多元改善北京正负电子对撞机的性能，为进一步探索微观世界的奥秘创造条件。中国科学院高能物理研究所副所长张闯研究员说，从1999年到今年，中国已投资9000万元用于北京正负电子对撞机的改进和未来发展的前期研究。目前，项目第二阶段的可行性报告已经完成，初步设计正在进行中。该项目第二阶段的建设预计将于明年年中开始。到2006年底，新建的BEPC将正式向广大用户提供服务。图为施工现场静电分离器的拆除。物质世界的时间尺度和物质世界的时间尺度从1018年到10-25年跨越43-44个数量级。从空间尺度的角度，从层次图的角度一个是规模最小(数量级为10-15米)但能量最高的世界，相应的学科是粒子物理学(也称为高能物理学)；第二是规模最大的世界(数量级为1026 1027米)，即天体和宇宙，相应的学科是天体物理学和宇宙学。从表面上看，两者似乎是截然不同的，但结果是所有的道路都通向同一个目的地，并有融合为一的趋势，这极好地体现了大与小的辩证统一。粒子物理学面临的挑战是探索更精细尺度的物质结构规律，即更高的能量区域，希望超越现有的标准模型，追求相互作用的进一步统一。然而，大爆炸的标准模型显示早期宇宙处于超高能状态。因此，高能物理学的研究，在某种意义上，是对宇宙的考古研究。增加研究的能量范围相当于回到更早的宇宙。高能物理和天体物理学的实验研究属于大科学范畴。伟大的科学是壮丽的，但它也有巨大的困难。正如王熙凤在红楼梦中所说，这门伟大的科学面临的问题在于如何不断获得社会的支持。物理学一直是一门充满活力的学科，这与其高度的开放性密切相关。信息技术和技术之间没有明确的分界线，信息技术和其他自然科学之间也没有明确的分界线。它的门户总是开放的，鼓励跨学科的交流和沟通。物理学的分支，自从物理学成为一门独立的学科以来，其研究领域一直在不断扩大，逐渐建立了力学、光学、热学、电学、相对论、量子力学、粒子物理学等基础物理学部门；每个基层部门都成立了许多新的分部。自本世纪初以来，物理学的基本理论和方法不断渗透到其他研究领域，一些部门从物理学中分离出来，形成了一系列独立的新学科。力学，也称为经典力学，是一门自然科学，研究普通大小的物体在压力下的变形，以及速度远低于光速的运动过程。力学是物理学、天文学和许多工程的基础。机械、建筑、航天器和船舶的合理设计必须以经典力学为基础。机械运动是物质运动的最基本形式。机械运动，即机械运动，是物质在时间和空间中位置的变化，包括运动、旋转、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静止是特殊情况之一。其他形式的物质运动包括热运动、电磁运动、原子和内部运动以及化学运动。力是物质之间的相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静态和运动状态不变，这意味着在某种意义上力是平衡的。因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。力学可以大致分为静力学、运动学和动力学。静力学研究力的平衡或物体的静态问题。运动学只考虑物体如何运动，而不讨论它和力之间的关系。动力学讨论物体的运动和施加在其上的力之间的关系。力学也可以根据研究对象分为固体力学、流体力学和普通力学三个分支。流体包括液体和气体。固体力学和流体力学可以统称为连续介质力学。他们通常采用连续体模型。固体力学和流体力学从力学中分离出来后，剩下的部分就构成了一般力学。力学和其他基础科学的结合也产生了一些交叉的分支，最早的是天体力学和天文学的结合。在20世纪，特别是自20世纪60年代以来，出现了更多这样的交叉分支，包括物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体动力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球动力学、地球物理流体动力学等。声学是物理学的一个分支，研究机械波在介质中的产生、传播、接收和影响。介质包括各种状态的物质，可以是弹性的或非弹性的。机械波是指粒子运动变化的传播现象。热学，热学是物理学的一个分支，研究处于高温状态的物质的相关性质和规律。它起源于人类对冷热现象的探索。人类生活在季节交替、气候多变的大自然中。冷热现象是他们首先观察和认识的自然现象之一。热学理论有两个方面，一个是宏观理论，即热力学；一个是微观理论，即统计物理学。这两个方面相辅相成，构成了热力学的理论基础。光学，光学是光和视觉的科学。光学这个词仅在早期用于与眼睛和视觉相关的事物。今天，人们常说的光学是广义的。这是一门研究电磁辐射的产生、传输、接收和显示及其与微波、红外线、可见光、紫外线和x光等宽带物质相互作用的科学。光学的另一个重要分支包括成像光学、全息摄影和光学信息处理。这一分支可以追溯到1873年阿贝的显微成像理论和1906年波特完成的实验验证。1935年，泽尔尼克提出了一种相衬观察方法，并从蔡司工厂制造了一台相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖。1948年，丹尼斯加博提出了波前重建原理，这是现代全息术的先驱，为此丹尼斯加博获得了1971年诺贝尔物理学奖。光学是由许多与物理学紧密相连的分支组成的；例如，与电磁辐射物理量测量相关的光度测量和辐射测量；光学系统设计和光学仪器理论、光学制造和光学测试、干涉测量、薄膜光学、光纤光学和集成光学等。还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学和武器光学。电磁学是物理学的一个分支，研究电、磁和电磁的相互作用及其规律和应用。电磁学已经从两个独立的科学(电学和磁学)发展成一个完整的物理学分支，主要基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和改变磁场的电学效应。这两种实验现象，加上麦克斯韦关于电场变化产生磁场的假设，建立了完整的电磁学理论体系，并发展了对现代文明有重大影响的电气和电子技术。核物理，也称为核物理，是20世纪新成立的物理学分支。它研究原子核的结构和变化。x射线束产生、