大学物理2西农

1、爱因斯坦爱因斯坦 (18791955) ： 在物理学在物理学6 6个领域作出了具有划时代意义的个领域作出了具有划时代意义的贡献：创建了贡献：创建了光量子理论光量子理论、狭义相对论狭义相对论、分子运动论分子运动论、广义相对论广义相对论、辐射量子理论辐射量子理论和和现代科学的宇宙论现代科学的宇宙论。 1921年因光量子理论获得诺贝年因光量子理论获得诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。“常识是人们在十八岁前敷常识是人们在十八岁前敷饰在思想上的一种偏见饰在思想上的一种偏见” 1.1 物质的结构及形态物质的结构及形态一、物质世界的结构层次一、物质世界的结构层次小到小到10-18 m 10-17 m 的的亚原子粒

2、子亚原子粒子到大至到大至1026 m 的的宇宙半宇宙半径径，跨越了大约，跨越了大约4243个数量级。个数量级。10-4灰尘线度灰尘线度10-10原子线度原子线度10-15原子核线度原子核线度103无线电波波长无线电波波长10-17基本粒子线度基本粒子线度6106地球半径地球半径1.51011日地距离日地距离7.61022银河系半径银河系半径1026（单位：（单位：m）已观测到的宇宙范围极限已观测到的宇宙范围极限E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的细胞的细胞原子原子原子核原子核基本粒子

3、基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次通过巴黎的子午线从北通过巴黎的子午线从北极到赤道距离的千万分极到赤道距离的千万分之一为之一为1米米（1m）空间中两点间的距离为长度空间中两点间的距离为长度选定某选定某一长度基准一长度基准任何长度的计量任何长度的计量空间的计量：空间的计量：空间反映物质运动的空间反映物质运动的广延性广延性在三维空间里的在三维空间里的位置可由三个相互独立的坐标来确定位置可由三个相互独立的坐标来确定国际上对

4、长国际上对长 度基准度基准“米米”的定义作过的定义作过 三次正式规定三次正式规定1960年第十一届国际计量大会决年第十一届国际计量大会决定，用定，用86Kr原子的橙黄色光波波原子的橙黄色光波波长的长的1 650 763.73倍来定义倍来定义“米米”，实现了长度的自然基准实现了长度的自然基准比较比较由于该基准由于该基准和它所表达和它所表达的值之间存的值之间存在差异在差异1889年第一届国际计量年第一届国际计量大会通过，将保存在法大会通过，将保存在法国的国际计量局中铂铱国的国际计量局中铂铱合金棒在合金棒在0.00时两刻时两刻线间的距离定义为线间的距离定义为1米米（1m）实物基准实物基准很难保证很难

5、保证其稳定性其稳定性1983年第十七届国际计量大年第十七届国际计量大会通过，会通过，“米米”是光在真空是光在真空中中（1/299 792 458）s的时间的时间间隔内运行路程的长度间隔内运行路程的长度激光激光微观系统微观系统介观系统介观系统宏观系统宏观系统宇观系统宇观系统依照物质的运动规律做了依照物质的运动规律做了系统性系统性划分划分 渺观系统渺观系统原子尺度数量级的客体，用原子尺度数量级的客体，用量子力学量子力学处理处理接近人体尺度附近几个数量级的物体，用接近人体尺度附近几个数量级的物体，用经典力学经典力学处理处理把由十几个到数百个原子组成的团簇及同量级的物体把由十几个到数百个原子组成的团簇

6、及同量级的物体物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世界中许多层次都有研究。界中许多层次都有研究。固体物理学固体物理学固体固体等离子体物理学等离子体物理学等离子体等离子体高分子化学高分子化学10-9分子分子分子物理学分子物理学10-10原子原子化学物理、化学化学物理、化学10-14原子核原子核相关专业学科相关专业学科空间尺度数量级空间尺度数量级(单位：单位：m)层次名称层次名称原子、原子核、粒子物理学原子、原子核、粒子物理学液体动力学液体动力学气体动力学气体动力学介观物理学介观物理学凝聚态物理学凝聚态物理学地球、生物物理学地球、生物物理学

7、天体物理学天体物理学天文学天文学宇宙学宇宙学10-610-8介观物质介观物质气体气体液体液体10610-3凝聚态物质凝聚态物质10-15以下以下基本粒子基本粒子107105地上物体地上物体1012107星球星球1020星系星系1026(已知部分已知部分)宇宙半径宇宙半径时间时间尺度：尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 10-25 s宇宙年龄宇宙年龄 1018 s一次大爆炸一次大爆炸瞬间温度瞬间温度约为约为10102828K各处的温度各处的温度约为约为10101010K宇宙温度宇宙温度从从10109 9K降降到到10106 6K温度降到温度降到几千开几千开宇宙大约是宇宙大约是在（在（1.02.0）1

8、010年前年前轻元素的轻元素的早期合成早期合成阶段阶段物质密度极大物质密度极大,宇宇宙的结构简单，宙的结构简单，只有质子、中子、只有质子、中子、电子、光子和中电子、光子和中微子等。微子等。1s1s后后3min3min现代的标准宇宙模型现代的标准宇宙模型约约4040万万年后年后原子核和电原子核和电子复合成电子复合成电中性的原子中性的原子和分子和分子,直至直至成为今天的成为今天的宇宙宇宙二、物质存在的时间尺度二、物质存在的时间尺度现代科学研究涉及的时间标度从现代科学研究涉及的时间标度从10-25 s 的的 z0 粒子粒子寿命到寿命到137亿年亿年的的宇宙年龄宇宙年龄（约（约1018 s ），跨越了

9、大约），跨越了大约43个数量级。个数量级。10-2市电周期市电周期10-4高速摄影曝光时间高速摄影曝光时间10-14光波周期光波周期103中子寿命中子寿命10-25Z0粒子粒子105地球自转周期地球自转周期107地球公转周期地球公转周期1017地球年龄地球年龄1018（单位：（单位：s）宇宙年龄宇宙年龄将一个平均将一个平均太阳日太阳日的的1/86400作为一秒，称作世界时秒作为一秒，称作世界时秒判别和排列各个事件发生的先后顺序及运动的快慢程度判别和排列各个事件发生的先后顺序及运动的快慢程度选定某种选定某种周期性重复的运动周期性重复的运动过程作为参考标准过程作为参考标准物质的运动过程物质的运动过

10、程时间的计量：时间的计量：时间表征物质运动的持续性，凡已知其运动规时间表征物质运动的持续性，凡已知其运动规律的物理过程，都可以用作时间的计量律的物理过程，都可以用作时间的计量。地球的自地球的自 转和公转转和公转月球绕地月球绕地 球的公转球的公转1967年第十三届国际计量大会决定采用年第十三届国际计量大会决定采用铯原子钟铯原子钟作为新的时作为新的时间计量标准，并定义间计量标准，并定义1s的长度等于的长度等于133Cs原子基态两个超精细原子基态两个超精细能级之间跃迁相对应的辐射周期的能级之间跃迁相对应的辐射周期的9 192 631 770倍这个跃倍这个跃迁频率测量的准确度达到迁频率测量的准确度达到

11、10-12至至10-13比较比较存在着不存在着不规则变化规则变化微观研究有微观研究有了新的发现了新的发现利用分子和原子的固有振动利用分子和原子的固有振动频率作为时间的计量标准，频率作为时间的计量标准，制成了大量的制成了大量的原子钟原子钟三、物质存在的基本形式三、物质存在的基本形式 实物实物是指由大量原子、分子所组成的是指由大量原子、分子所组成的宏观实体宏观实体，也包括原子、，也包括原子、分子、离子和静止质量不为零的分子、离子和静止质量不为零的基本粒子基本粒子，如电子、质子、中子，如电子、质子、中子等。等。它们之间的相互作用和相互转化形式多样，但都可以以它们之间的相互作用和相互转化形式多样，但都

12、可以以能量能量作为量度。作为量度。物质的基本存在形式是物质的基本存在形式是实物实物和和场场。 场场是传递物体间相互作用的媒质。如电场、磁场、引力场。是传递物体间相互作用的媒质。如电场、磁场、引力场。运动是物质的固有属性运动是物质的固有属性分子间的相互作用主要是分子间的相互作用主要是电磁力电磁力（比（比万有引力万有引力大大 1029 倍），倍），有时能使分子的有时能使分子的瞬时加速度瞬时加速度达到达到 1015 m s-2 ，但是由于一个加，但是由于一个加速到这样的分子将迅速跑出另一分子的作用范围，作用时间极速到这样的分子将迅速跑出另一分子的作用范围，作用时间极为短暂，瞬时速度一般不会很大。为短

13、暂，瞬时速度一般不会很大。1.2 实物的实物的基基本性质本性质一、分子间的作用力一、分子间的作用力分子的经典模型是分子的经典模型是电中性的小球电中性的小球，但其中运动着的电荷的，但其中运动着的电荷的活动性使分子能产生活动性使分子能产生电磁相互作用力电磁相互作用力。有。有分子间斥力分子间斥力和和分子间分子间引力引力之分。之分。 分子间斥力分子间斥力和和分子间引力分子间引力都随都随着分子间距离的增大而迅速减小。着分子间距离的增大而迅速减小。 当分子间距离当分子间距离 r 10-9 m（称为（称为分子作用距离分子作用距离）时，分子间）时，分子间作用力可忽略不计。作用力可忽略不计。二、固体二、固体晶体

14、中的粒子排列非常规则；结晶固体包括原子态的、分子态晶体中的粒子排列非常规则；结晶固体包括原子态的、分子态的、离子态的、或宏观分子态的晶体。象水晶、金刚石、方解的、离子态的、或宏观分子态的晶体。象水晶、金刚石、方解石等。石等。 晶体：晶体：非晶体：非晶体：非晶体中粒子的排列完全没有规则；象玻璃、沥青、橡胶等。非晶体中粒子的排列完全没有规则；象玻璃、沥青、橡胶等。准晶体：准晶体：固体有一定的形状和体积，分为固体有一定的形状和体积，分为晶体晶体、非晶体非晶体和和准晶体准晶体。 具有粒子长程准周期排列；如急骤冷却形成的微米量级铝猛合金具有粒子长程准周期排列；如急骤冷却形成的微米量级铝猛合金 。三、液体

15、和气体三、液体和气体液体和气体都称为液体和气体都称为流体流体。气体分子间的平均距离要比分子力作用范围大的得多，因气体分子间的平均距离要比分子力作用范围大的得多，因此除碰撞外，气体分子间没有相互作用。在接连两次碰撞之间，此除碰撞外，气体分子间没有相互作用。在接连两次碰撞之间，分子是沿着直线运动的分子是沿着直线运动的。 宏观上看，液体有一定的体积，不易压缩，但没有固定的宏观上看，液体有一定的体积，不易压缩，但没有固定的形状。形状。两次碰撞之间走过的平均路程：两次碰撞之间走过的平均路程：m1010. 27-其他气体分子的平均速度更小，而其他气体分子的平均速度更小，而液体分子、固体分子液体分子、固体分

16、子比气体分子的平均速度要小得多比气体分子的平均速度要小得多。13sm1070. 1-v尽管在标准状态下，氢气中的尽管在标准状态下，氢气中的 H2 分子的瞬时加速度有时会分子的瞬时加速度有时会相当大，但平均速度相当大，但平均速度四、等离子体四、等离子体宇宙中的宇宙中的恒星恒星、星云星云等内部温度极高，等内部温度极高，组成这些它们的原子处于电离状态，这些组成这些它们的原子处于电离状态，这些电离的电离的“气体气体”与普通的气体有很大的不与普通的气体有很大的不同，称为同，称为等离子体等离子体。等离子体由等离子体由电子电子、离子离子和和中性粒子中性粒子组组成，是电和热的良导体，比热非常大。并成，是电和热

17、的良导体，比热非常大。并具有以下两个特点：具有以下两个特点： 集体效应起主要作用。集体效应起主要作用。 整体呈现准电中性；整体呈现准电中性；ennnn 32132五、暗物质五、暗物质 根据星体发光的光度学理论得到的宇宙的总质量比动力学根据星体发光的光度学理论得到的宇宙的总质量比动力学理论的结果要小理论的结果要小12个数量级，由此人们推测宇宙中还存在所谓个数量级，由此人们推测宇宙中还存在所谓的的“暗物质暗物质”。 但其存在及其形态目前还不清楚。但其存在及其形态目前还不清楚。 六、生物大分子六、生物大分子生物大分子归属于软凝聚态物质。生物大分子归属于软凝聚态物质。 1953年，物理学家威尔金斯与生

18、物学专家合作，得到了年，物理学家威尔金斯与生物学专家合作，得到了DNA结晶的结晶的X射线衍射图射线衍射图。 同年，物理学家克里克和遗传学家沃森提出了同年，物理学家克里克和遗传学家沃森提出了DNA双螺旋双螺旋结构模型结构模型。 1.3 场与物场与物质的质的相互作用相互作用一、场的基本性质一、场的基本性质场与物质的相互作用一般表现为不同形式的相互作用力，场与物质的相互作用一般表现为不同形式的相互作用力， 如：如：引力场引力场中的引力、中的引力、电磁场电磁场中的电磁力。中的电磁力。 1、场是传递物质间相互作用的媒质、场是传递物质间相互作用的媒质 可叠加性可叠加性：相同性质的场在空间某一点可相互叠加。

19、：相同性质的场在空间某一点可相互叠加。2、场具有独立性和可叠加性、场具有独立性和可叠加性独立性独立性：空间某一点可以有各种不同的场同时存在，：空间某一点可以有各种不同的场同时存在， 它们保持各自独立存在的特征；它们保持各自独立存在的特征；3、描述场存在及其大小有不同的特征指标、描述场存在及其大小有不同的特征指标速度梯度速度梯度速度场速度场场强、磁感应强度场强、磁感应强度电场、磁场电场、磁场万有引力万有引力引力场引力场4、势势是描述场与物质相互作用的重要物理量是描述场与物质相互作用的重要物理量与场发生相互作用的宏观实物或微观粒子，与场相互作用力与场发生相互作用的宏观实物或微观粒子，与场相互作用力

20、是是保守力保守力（这种力做功只与路径的起点和终点的位置有关，（这种力做功只与路径的起点和终点的位置有关，而与路径无关）。如而与路径无关）。如静电场静电场、重力场重力场等都是保守场。等都是保守场。保守场：保守场：非保守场：非保守场：不具备上述特征的场即为不具备上述特征的场即为非保守场非保守场，如，如稳恒磁场稳恒磁场。二、物质相互作用的形式二、物质相互作用的形式（1）电磁相互作用电磁相互作用；（；（2）万有引力相互作用万有引力相互作用；（3）强相互作用强相互作用； （4）弱相互作用弱相互作用。将自然界物质间的相互作用归结为以下四种：将自然界物质间的相互作用归结为以下四种：强子，轻子强子，轻子光，胶

21、子，光，胶子，重子重子一切物体一切物体强子，强子，e，r作用对象作用对象约约90GeV假定为假定为0未知未知0媒介粒子质量媒介粒子质量中间玻色子中间玻色子W，Z0胶子胶子g1g8引子引子光子光子r媒介粒子媒介粒子10-10 s10-23 s10-1610-20 s典型衰变时间典型衰变时间10-13110-3810-2相对强度相对强度10-16m10-15m长程长程长程长程作用距离作用距离弱相互作用弱相互作用强相互作用强相互作用引力相互作用引力相互作用电磁相互作用电磁相互作用相互作用类型相互作用类型1.4 物质的能量物质的能量一、能量守恒定律一、能量守恒定律它是物质在运动和相互作用的过程中遵循的

22、普遍原理，即：它是物质在运动和相互作用的过程中遵循的普遍原理，即：能量可在不同的系统之间交换，不同形式的能量是能量可在不同的系统之间交换，不同形式的能量是可以相互转化的，但能量的总量保持不变。可以相互转化的，但能量的总量保持不变。二、实物的质量与能量二、实物的质量与能量由由爱因斯坦的相对论爱因斯坦的相对论可知，运动中实物（质点）的质量为可知，运动中实物（质点）的质量为 1220cvmmm0 是静止质量是静止质量令令cv201mmrFEkd如果实物在合外力如果实物在合外力 的作用下从静止开始作加速运动，根据的作用下从静止开始作加速运动，根据动能定理动能定理（能量守恒定律能量守恒定律），经过时间），经过时间 t 后，动能后，动能 Ek 等于等于 所所 做的功：做的功：FF由牛顿运动定律：由牛顿运动定律：tvmFd)d(20)(cmmEk-2mc由以上两式联立可得：由以上两式联立可得：经典力学中的表达式：经典力学中的表达式： 2021