绪言2——物理学的研究范畴

1、1物理学的研究范畴物理学的研究范畴 主讲人2004年5月18日）第一册 第一章 绪言2物理学 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 简单而言：物理学是研究物质结构和运动基本规律的科学。3物理学的研究范畴 物理学的研究范畴很广，从夸克到宇宙，从宇宙大爆炸到宇宙的终结，包含了所有的和。 其分支学科涉及原子物理、分子物理、核物理、声、光、电、磁及其与物理学相关的跨学科的诸多方面内容。 4 宇宙大约在200亿年前的大爆炸中产生的 如果宇宙在不断地膨胀的话，相信任何人都会得出结论，即昨天的宇宙比今天的

2、小，去年的宇宙比今年的小。 回推到很久很久以前的过去，那时的宇宙一定非常小，宇宙中的物质被压缩到很小的空间内。 人们半开玩笑地称呼刚“出生”的宇宙为宇宙蛋。 忽然有一天，宇宙蛋发生了破裂，高速的爆炸产生了今天的宇宙。 5 美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。 根据这些照片，科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是亿年，误差不超过 以秒为单位，宇宙的年龄约为1018s的数量级。6哈勃太空望远镜 哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。 哈勃望远镜以时速2.8万千

3、米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。7891011粒子的寿命 在已发现的数百种粒子中，除电子、质子和中微子以外，实验确认它们都是不稳定的。 它们都要在或长或短时间内衰变为其它粒子。粒子在衰变前平均存在的时间叫粒子的寿命。 例如一个自由中子的寿命约 12min，有的粒子的寿命为 10-10s 或 10-14s ，很多粒子的寿命仅为 10-23s 甚至 10-25s 。 寿命最短的，则要算通过强相互作用衰变的“共振态粒子”（如粒子、粒子等）。 它们只能生活一千万亿亿分之一秒左右，即寿命大致是10-28秒。12北京正负电子对撞机 1988年10月16日凌晨5点56分，我国第一座高能加速器

4、北京正负电子对撞机首次对撞成功。 这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就。 这项被认为是中国科学技术史上最大的科研工程，是邓小平同志在1984年10月7日奠基破土动工的。131415北京正负电子对撞机将获北京正负电子对撞机将获“新生新生” 曾经叱咤风云的我国高技术标志性工程北京正负电子对撞机将获得“新生”。在第二届亚洲粒子加速器会议上，我国计划通过实施二期工程，投入4亿元以上资金，提高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，从而继续保持我国在高能物理方面的国际领先地位。 中国科学院高能物理研究所副所长张闯研究员说，从1999年起到

5、今年，我国已经投入9000万元用于北京正负电子对撞机的改进和未来发展的预先研究。目前，二期工程的可行性报告已经完成，正在做初步设计。二期工程的动工时间预计将是明年年中，到2006年底，获得“新生”的北京正负电子对撞机将正式为广大用户提供服务。16图为开工现场拆除静电分离器17物质世界的时间尺度 物质世界的时间尺度，从1018到10-25，共跨越了4344个数量级。1819从空间尺度上看 从物质结构层次化的图表来看，物理学的主要空白区域突出地显示为图表的底部和顶部。 其一是尺度上最最微小（数量级为10-15m）但能量最高的世界，对应的学科为粒子物理学(亦称高能物理学)； 其二是尺度上最最宏大（数

6、量级为1026 1027m ）的世界，即天体与宇宙，对应的学科为天体物理学与宇宙论。 这两者，表面上看来，南辕北辙，结果却殊途同归，有合二为一的趋向，奇妙地体现了大与小辩证的统一。2021 粒子物理学所面临的挑战在于探索更加细微尺度下，也就是更高能区物质结构的规律，希望能够超越现有的标准模型，追求相互作用的进一步统一。 而宇宙大爆炸的标准模型则表明早期的宇宙是处于超高能的状态。因而高能物理学的研究，从某种意义上来说，是对宇宙进行考古学的研究。 提高研究的能量范围，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天体物理的实验研究都属于大科学的范畴。22 大科学威风凛凛，但大也有大的难处，正如红楼梦中王熙凤

7、所说的，大科学所面临的问题在于如何持续地获得社会的支持。 物理学一直是一门生气勃勃的学科，这和它具有高度的开放性是密切相关的。它和技术并没有截然的分界线，它和其他的自然科学也没有截然的分界线。它的门户总是开放的，鼓励跨学科的交流与沟通。 23物理学的分支 自从物理学成为一门独立的学科之后，它的研究领域就在不断地开拓着，逐渐建立起了力学、光学、热学、电学、相对论、量子力学、粒子物理学等物理学基础部门； 每一个基础部门，又不断地形成许多新的分支。本世纪以来，物理学的基本理论和方法又不断地向其他研究领域渗透，并把一些部门从物理学中分化出来，形成一系列独立的新学科。 2425力学 力学又称经典力学，是

8、研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。 力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。 机械运动是物质运动的最基本的形式。 机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。26 而平衡或静止，则是其中的特殊情况。 物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。 力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。 静止和运动状态不变，则意味着各作用力在某种意义上的平衡。 因此，力学可以说是力和(机械)运

9、动的科学27力学分类 力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。 力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体；固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。 28 力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。 在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交叉分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动

10、力学、磁流体力学、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、地球构造动力学、地球流体力学等。 29 声学 声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。 媒质包括各种状态的物质，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质； 机械波是指质点运动变化的传播现象。 30热学热学 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。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。 热学理论有两个方面，一是宏观理论，即热力学；一是微观理论，即统计物理学。这两个方面相辅相成，构成了热学的理论基础。 31光

11、学 光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。 而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。32 光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。 这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖； 1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身波阵面再现原理，为此，伽柏获得了

12、1971年诺贝尔物理学奖。 33 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成； 例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学； 光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等； 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、生理光学及兵器光学等。 34电磁学 电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。 电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。 这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。 35 核物理学 核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。 它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。 它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。 36高中物理第一部分第一部分 力力 学学第二部分第二部分 热热