大学物理绪论

1、11 物理学与物质世界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 是自然科学的基础是自然科学的基础一一.物质世界物质世界研究的对象十分广泛研究的对象十分广泛 宇观宇观 宏观宏观 微观微观为人们描绘出一副五彩缤纷的图画为人们描绘出一副五彩缤纷的图画2b空间尺度空间尺度( (相差相差1010454510104646) )101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) )b时间尺度时间尺度( (相差相差10104545) )10101818s 150s 150亿年亿年(

2、 (宇宙年龄宇宙年龄) )-10-10-27-27s s( (硬硬 射线周期射线周期) )b速率范围速率范围0 0( (静止静止) ) - 3x10- 3x108 8 m/sm/s( (光速光速) )3人们从自己向人们从自己向小尺度追问小尺度追问 以探索以探索物质的组成物质的组成 物理学上对应物理学上对应 粒子物理学粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克夸克 即认为即认为quarkquark没有内部结构没有内部结构但近来有消息称但近来有消息称 quark quark 也也可一分为二可一分为二 说明说明认识无止境认识无止境 物质世界总图象物质世界总

3、图象4 粒子种类粒子种类 自由状态存在的自由状态存在的: 452 : 452 种种 其中其中 规范玻色子规范玻色子 4 4 种种 轻子轻子 12 12 种种 强子强子 436 436 种种基本相互作用基本相互作用 : : 电磁电磁 强强 弱弱 引力引力 5 人们从自己向人们从自己向大尺度追问以探索大尺度追问以探索宇宙的奥秘宇宙的奥秘 物理学上对应物理学上对应 天体物理学天体物理学宇宙是怎样运动的呢？宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀进行绝热膨胀 宇宙半径增大宇宙半径增大 宇宙密度降低宇宙密度降低 温度降低温度降低宇宙有限又无边宇宙有限又无边! !有中心有中心? ?无中心无中心? ?远离远离6仙女

4、座大星云仙女座大星云“物理学的最大研究对象物理学的最大研究对象”-陆陆 炎炎土土图图2 27 粒子物理学粒子物理学( (微观理论微观理论) ) 标准模型标准模型 认定基本粒子认定基本粒子 揭示物质的组成揭示物质的组成 高能物理实验高能物理实验( (实验手段实验手段) ) 发展加速器取得实验数据发展加速器取得实验数据 验证微观理论验证微观理论 天体物理学天体物理学( (宇观理论宇观理论) ) 标准宇宙模型标准宇宙模型分析宇宙的起源分析宇宙的起源 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学二二. .关于两个前沿的基本理论关于两个前沿的基本理论8 目前天体物理理论和粒子物理理论已成为目前天体物理理论和粒子物理理论已成

5、为 密不可分的姊妹学科密不可分的姊妹学科 标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子 标准模型给出的物质组成是一致的标准模型给出的物质组成是一致的 从而体现了物理学从而体现了物理学的和谐的和谐 完美和对称完美和对称从遥远的过去宇宙产生于大爆炸从遥远的过去宇宙产生于大爆炸 绝热膨胀至今绝热膨胀至今我们生活在这样的世界中我们生活在这样的世界中 人们从自己开始人们从自己开始 通过各种实验手段通过各种实验手段( (比如加速器比如加速器) )把物质打开把物质打开 探索内部的由来探索内部的由来9 温温度度（K K） 能能量量（e eV V）物物理理过过程程1 10 03 32

6、 21 10 02 28 8粒粒子子产产生生1 10 02 28 81 10 02 24 4大大统统一一 大大沙沙漠漠1 10 01 13 31 10 09 9强强子子1 10 01 11 11 10 07 7轻轻子子5 5 1 10 09 95 5 1 10 05 5e e + +e e- - 湮湮没没中中子子自自由由衰衰变变1 10 09 91 10 05 5核核合合成成4 4 1 10 03 30 04 4复复合合星星系系形形成成2 27 73 3 1 10 04 4现现在在标准宇宙模型给出的宇宙生成发展标准宇宙模型给出的宇宙生成发展人类通过实验认识物质组成的历程人类通过实验认识物质组成

7、的历程1011三三. .物理学使人们深入认识世界物理学使人们深入认识世界 物质存在的基本形式物质存在的基本形式中学时已有中学时已有 粒子和场粒子和场 的认识的认识场论给出最新认识场论给出最新认识每种粒子对应一种场每种粒子对应一种场场场有不同能量状态有不同能量状态penpe场与粒子是统一体的场与粒子是统一体的两种表现形式两种表现形式n e p 相应的场相应的场 均处于基态均处于基态 真空真空 p e相应的场相应的场处于激发态处于激发态出现相应的粒子出现相应的粒子12 基本基本相互作用相互作用 粒子是场的激发态形式粒子是场的激发态形式因此粒子间的相互作用来自场之间的相互作用因此粒子间的相互作用来自

8、场之间的相互作用 场之间的相互作用是粒子转化的原因场之间的相互作用是粒子转化的原因 物质的凝聚状态物质的凝聚状态凝聚态凝聚态( (固、液固、液) ) 气态气态 等离子体等离子体致密态致密态恒星晚年恒星晚年 白矮星白矮星 中子星中子星 黑洞黑洞 13b演绎法演绎法推理推理 演算演算b归纳法归纳法假设假设 模型模型b定性和半定量定性和半定量直觉直觉 想象力想象力 洞察力洞察力2 2 物理学与科学思维物理学与科学思维一一.物理学的研究方法物理学的研究方法14物理学家的物理学家的1/3 1/3 激奋在于激奋在于 建立理论建立理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 证实理论证实理论1/3 1/3 激奋在于

9、激奋在于 突破理论突破理论爱因斯坦是典范爱因斯坦是典范 -最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事-二二.物理学家的科学态度物理学家的科学态度实验结果与已有理论不符合实验结果与已有理论不符合 预示着重大突破预示着重大突破令人令人兴奋兴奋153 物理学与科学技术物理学与科学技术 物理学为其他学科创立技术和原理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重大新技术领域的创立总是经历 长期的物理酝酿长期的物理酝酿如如 微电子技术的发展微电子技术的发展 物理学满足人类所深刻认识到的最根本的物理学满足人类所深刻认识到的最根本的 程度上了解自然界的需要程度上了解

10、自然界的需要 ( (美国物理学评美国物理学评 述委员会述委员会) )16b卢瑟福卢瑟福 a a 粒子散射实验粒子散射实验(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后) )b爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理论(1917)(1917) 第一台激光器第一台激光器(1960)(1960) ( (物理物理) ) ( (技术技术) )b信息技术的发生和发展的硬件部分信息技术的发生和发展的硬件部分以物理学成果为基础以物理学成果为基础 ( (技术技术) ) ( (物理物理) ) b量子力学量子力学 费米狄拉克统计费米狄拉克统计 固体能带理论固体能带理论(20(20年代年代)()(

11、物理物理) ) 晶体管诞生晶体管诞生(1947) (1947) 集成电路集成电路(1962) (1962) 大规模集成电路大规模集成电路 (70(70年代后期年代后期)()(技术技术) )微结构物理微结构物理( (物理物理) )174 4 物理学与高素质人才物理学与高素质人才h提高科学素质和能力以适应高新技术提高科学素质和能力以适应高新技术h市场经济的发展市场经济的发展b现代工业技术工程师类型现代工业技术工程师类型i工程科学家型工程科学家型i革新发明家型革新发明家型i现场工程专家型现场工程专家型i管理规划专家型管理规划专家型185物理学的思想和观点物理学的思想和观点 如如 建理想化模型建理想化

12、模型5从物理本质上提出和研究本专业问题从物理本质上提出和研究本专业问题5创新能力创新能力t在工程技术中引入物理学的新成果在工程技术中引入物理学的新成果物理素质的表现物理素质的表现 19如：扫描隧道显微镜如：扫描隧道显微镜 (STM)(STM)的发明的发明 说明：深厚的科学素质的重要性说明：深厚的科学素质的重要性 7070年代年代 罗伯特罗伯特. .杨杨 制成场发射显微镜制成场发射显微镜19811981年年 宾尼和罗雷尔宾尼和罗雷尔 应用隧道效应应用隧道效应 改进了场发射显微镜改进了场发射显微镜 S T MS T M得益于深厚的科学素养得益于深厚的科学素养19861986年诺贝尔物理学奖年诺贝尔

13、物理学奖2021导体表面导体表面 自由自由电子电子探针探针 表面电流表面电流表面结构表面结构UUE 狮子的能量必须满足狮子的能量必须满足才能越过高墙才能越过高墙按经典的观点：按经典的观点：E量子：量子：同样用势能表示同样用势能表示UE 狮子可能穿过狮子可能穿过势垒到左方势垒到左方实际：实际：UE势垒势垒22 中国科学院化学研究所研制的中国科学院化学研究所研制的 CSTM-9000CSTM-9000型扫描隧道显微镜型扫描隧道显微镜 “ “原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵” ” - - 白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1 123 硅表面硅表面7 7 7 7重构图象重构图象 “ “原子和分

14、子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵” ” - - 白春礼白春礼 插页彩插页彩图图2 2解决许多理论和实验上的疑难问题解决许多理论和实验上的疑难问题24 用用AFMAFM得到的癌细胞的表面图象得到的癌细胞的表面图象“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵” ” - - 白春礼白春礼 P.98 P.98 图图 4-84-8基于基于STMSTM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列原子力原子力(AFM) (AFM) 磁力磁力 分子力显微镜分子力显微镜 等等等等25 1994 1994年中国科学院科学家年中国科学院科学家“写写”出的出的 平均每个字的面积仅

15、百万分之一平方厘米平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵” ” - - 白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1313操纵原子不是梦操纵原子不是梦 “原子书法原子书法”26 一氧化碳一氧化碳“分子人分子人”“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵” ” - - 白春礼白春礼 P.151 P.151 图图7-7-8 8“扫描隧道绘画扫描隧道绘画”27移动铁原子移动铁原子28大学物理课的任务大学物理课的任务把大学生领进物理学的各个领域的大门把大学生领进物理学的各个领域的大门打开大门打开大门 并送一枚指南针并送一枚指南针 使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中汲取营养汲取营养 茁壮成长茁壮成长29h“大学物理大学物理”上下册，罗圆圆主编上下册，罗圆圆主编h“大学物理学大学物理学”一套四册，张三慧主编一套四册，张三慧主编h“普通物理学普通物理学”一套三册，程守洙，江之永主一套三册，程守洙，江之永主编编h“新概念物理教程新概念物理教程”力学，赵凯华，罗蔚茵力学，赵凯华，