物理學(xué)的基本概念范疇教學(xué)課件.ppt

2019/6/29,1,第一講 物理學(xué)的基本概念范疇,大學(xué)物理專題講座,2019/6/29,2,第一講 物理學(xué)的基本概念范疇,一、物理學(xué)的概念范疇,1、總范疇,物質(zhì)存在的基本形態(tài)：實(shí)物與場（粒子與場）,物質(zhì)的根本屬性：運(yùn)動的絕對性、運(yùn)動描述的相對性、 各種低級的運(yùn)動形式,物質(zhì)存在的基本形式：時間和空間光延性,2、具體學(xué)科的范疇,比如，力學(xué)：力、質(zhì)量、慣性、碰撞、參照系,二、物理學(xué)的研究對象,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及各種低級的運(yùn)動形式,比如，電磁學(xué)：電場強(qiáng)度、電勢差、位移電流、渦旋電場,比如，熱學(xué)：溫度、內(nèi)能、理想氣體、熵、,比如，光學(xué)：干涉、衍射、偏振、雙折射,基本概念導(dǎo)出概念,2019/6/29,3,1、實(shí)物與場,三、大學(xué)物理學(xué)基本概念范疇的簡單討論,物質(zhì)的定義：客觀實(shí)在性無論實(shí)物還是場,實(shí)物的 （到目前） 十種形態(tài),日常條件 固、液、氣、非晶態(tài)、液晶態(tài),超高溫 等離子態(tài)：恒星內(nèi)部,超高壓 超固態(tài)：恒星后期的“白矮星”，原子被壓碎 中子態(tài)：恒星后期的“中子星” ，原子核被壓碎 黑洞,超低溫 超導(dǎo)態(tài)：比如，水銀的溫度將到4.173K，即 269時,超流態(tài)：比如，液態(tài)氦的溫度將到2. 17K， 出現(xiàn)超流動態(tài),描述實(shí)物運(yùn)動規(guī)律的理論：成熟的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、電動力學(xué)； 不完全成熟的量子力學(xué)、不成熟現(xiàn)代宇宙學(xué), 關(guān)于實(shí)物,2019/6/29,4,量子力學(xué)的不足,主要側(cè)重于實(shí)物粒子的波粒二象性，甚至沒有把光當(dāng)作粒子處理；,在粒子的基礎(chǔ)上談其波動性概率波波、粒二象性地位不平等；,實(shí)物粒子的波動性概率波不是真正物理波場；,不能描述粒子的產(chǎn)生與消失微觀粒子的轉(zhuǎn)化；,傳遞實(shí)物間相互作用的一種形態(tài)； 場是物質(zhì)存在的基本形態(tài)； 場可以量子化 波粒二象性 場與實(shí)物并無定性區(qū)別： 質(zhì)能守恒,目前對場 的認(rèn)識,描述場運(yùn)動規(guī)律的理論：成熟的電動力學(xué)、不完全成熟的量子場論, 關(guān)于場,2019/6/29,5,實(shí)物與場的統(tǒng)一：量子場論關(guān)于物質(zhì)存在形式的基本觀點(diǎn)： 場是物質(zhì)存在更基本的形態(tài): 場處于基態(tài)時無能量、信號釋放； 實(shí)物粒子是場量子的激發(fā)態(tài)； 兩種場: 實(shí)物粒子場 場量子是實(shí)物粒子：電子場、中子場 相互作用場 場量子是媒介粒子：引力場、電磁場 真空是各種量子場的基態(tài)零點(diǎn)振動和虛粒子 實(shí)物粒子之間的相互作用表現(xiàn)為場之間的相互作用；,實(shí)物粒子場 相互作用場,引力相互作用 電磁相互作用 弱相互作用 強(qiáng)相互作用,量子幾何動力學(xué) (引力場、實(shí)物粒子場),量子電動力學(xué) (電磁場、電子場),量子色動力學(xué) (膠子場、夸克場),統(tǒng)一場論 （引力場與電磁場的統(tǒng)一）,大統(tǒng)一理論 四種相互作用,超統(tǒng)一理論，超對稱理論 實(shí)物粒子場與 相互作用場 兩種量子場的統(tǒng)一,量子味動力學(xué) (電磁場、電子場),2019/6/29,6,狄拉克方程,引力場 電磁場 弱相互作用場 強(qiáng)相互作用場,引力場方程,麥克斯韋方程組,量子色動力學(xué),相對論粒子方程,普羅卡方程,實(shí)物與場的統(tǒng)一：量子場論關(guān)于場的特性和實(shí)物粒子的特性 一切微觀粒子(實(shí)物粒子和媒介粒子 )都對應(yīng)其量子場(實(shí)物 粒子場和媒介粒子場) 實(shí)物粒子場(電子場) 沒有經(jīng)典場概念與其對應(yīng)量; 相互作用場(電磁場、引力場)有經(jīng)典場概念與其對 應(yīng)量，是相互量子場的極限； 任何量子場都是真實(shí)的物理波場，可以用波動方程描述； 用算符進(jìn)行描述其運(yùn)動規(guī)律 量子場的基態(tài)：“真空態(tài)”，徹底否定了脫離物質(zhì)的絕對時空觀；,實(shí)物粒子場,2019/6/29,7, 大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試1“實(shí)物與場”的角度,第一篇 宏觀力學(xué) 第1章 低速范圍的宏觀力學(xué)牛頓力學(xué) 第2章 高速范圍的宏觀力學(xué)狹義相對論 第3章 萬有引力場與天體力學(xué) 第4章 廣義相對論與宇宙學(xué)基礎(chǔ),第二篇 電磁場 第5章 電荷與電場 第6章 電流與磁場 第7章 電磁感應(yīng) 第8章 麥克斯韋方程組與電磁輻射 附錄 高速運(yùn)動的電荷與電場的磁場統(tǒng)一性,2019/6/29,8,兩類粒子, 兩類波,微觀粒子 （正、反粒子）,實(shí)物粒子,媒介粒子,質(zhì)子、中子、 輕子（電子、中微子） 夸克,引力子？ 光子 中間玻色子,介質(zhì)波 概率波,機(jī)械波：聲波、水波,波粒二象性 ：光波、物質(zhì)波（德布羅意波）,介質(zhì)波：需要介質(zhì)（媒質(zhì)），介質(zhì)粒子的振動能量的傳播，介質(zhì)粒子沒有遷移是一種經(jīng)典的機(jī)械波；,概率波：無需介質(zhì)（媒質(zhì)），波動場粒子可以脫離波源獨(dú)立的傳播能量的傳播；波強(qiáng)弱并非是波動場粒子的真實(shí)行為，只是波動場粒子的可能出現(xiàn)的時空幾率是一種不完備的量子觀點(diǎn)、波粒二象性的描述；,2、粒子與波,2019/6/29,9,介質(zhì)波（機(jī)械波）波動方程,平面簡諧波的波函數(shù),對波函數(shù)求時間t 的偏導(dǎo)數(shù)，得,對波函數(shù)求傳播空間x 的偏導(dǎo)數(shù)，得,綜合，得 波動方程,物理學(xué)的典型方程之一；麥克斯韋據(jù)此推斷出光的電磁說,設(shè)原點(diǎn)的擾動函數(shù)簡諧運(yùn)動,2019/6/29,10,概率波（波粒二象性）的薛定諤方程,將該波函數(shù)對時間求導(dǎo)，得,將波函數(shù)求空間x的偏導(dǎo)數(shù)，得,自由粒子的波函數(shù)平面波,同理可得,自由粒子的能量和動量的關(guān)系,三式相加得,2019/6/29,11,算符,設(shè)力場的勢能函數(shù)為， 則,薛定諤方程,改寫（1）（2）式,近代物理學(xué)的典型 方程之一；波恩解釋概率波,2019/6/29,12,目前大學(xué)物理（普通物理學(xué)）的概念體系,力學(xué)；熱學(xué)；電磁學(xué)；波動與光學(xué)概念體系的錯誤； 量子物理伯克利物理教程張三惠分科的, 高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)體系3-4,（一）機(jī)械振動與機(jī)械波；（二）電磁振蕩與電磁波；（三）光干涉、衍射和偏振；（四）相對論, 關(guān)于兩類波(介質(zhì)波與概率波)科學(xué)思維,關(guān)于兩類波(介質(zhì)波與概率波) 研究方法,雖然宏觀電磁波與機(jī)械波所遵從的數(shù)學(xué)規(guī)律是相同的，但是其本質(zhì)完全不同；, 表面上降低了高中甚至大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，實(shí)際上可能殆誤了這些人才的終身創(chuàng)造力。,2019/6/29,13,大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試2“粒子與波”的角度,第三篇 振動與波 第9章 振動機(jī)械振動與電磁振蕩 第10章 波動機(jī)械波與電磁波 第11章 光的波動性,第四篇 物質(zhì)的波粒二象性 第12章 光的二象性 第13章 物質(zhì)波量子力學(xué)基礎(chǔ) 第14章 原子物理學(xué),第五篇 大量粒子運(yùn)動的宏觀規(guī)律 第15章 熱力學(xué) 第16章 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基礎(chǔ),2019/6/29,14, 單位,秒：一個“平太陽日”的1/86400為1秒；1967年，銫-133 原子基態(tài)，在零磁場躍遷周期：1秒=9192631770T。 米： 經(jīng)過巴黎子午線1/4千萬為1米；1米=光在真空中經(jīng)歷 1/299792458秒所經(jīng)過的距離。 （在真空中的光速為普適 常數(shù)）, 物理學(xué)的舊時空觀,蓋天說地心說：, 唯物地解釋自然、生產(chǎn)實(shí)踐、時間的無限性；, 絕對靜止的存在、被宗教神學(xué)利用（托馬斯阿奎那TAguinas）,代表人物：托勒密 應(yīng)當(dāng)指出,舊時空模型,主要觀點(diǎn), 承認(rèn)時間、空間是客觀存在的, 空間的“上”、“下”觀念是相對的；宇宙空間有限有中心，, 承認(rèn)時間的無限性；,意義, 沒有說明時間與空間、時空與物質(zhì)、時空與物質(zhì)運(yùn)動之關(guān)系。,3、時間與空間,2019/6/29,15, 物理學(xué)的經(jīng)典時空觀,哥白尼日心說：,伽利略的主要貢獻(xiàn),伽利略變換,牛頓的主要貢獻(xiàn), 承認(rèn)時間、空間的客觀實(shí)在性,將實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)方法引入物理學(xué)的研究,慣性定律,低速宏觀,伽利略相對性原理,經(jīng)典時空模型,代表人物：哥白尼、 伽利略、牛頓,哥白尼的主要貢獻(xiàn),“太陽中心說” 取代“ 地球中心說”,數(shù)學(xué)表達(dá)越簡單越接近自然；, 建立了絕對的時空觀,() 時間、空間彼此無關(guān)，各自獨(dú)立；() 時間一維單向有始無終， () 空間三維的均勻性、各向同性和無限性; 超距、質(zhì)點(diǎn), 發(fā)明了微積分；發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；建立了動力學(xué)三定律；,2019/6/29,16,絕對時空觀的功過是非,功,時間的均勻性能量守恒定律 空間的均勻性動量守恒定律 空間的各向同性角動量守恒定律,過,時間與空間彼此無關(guān) 時間與空間與物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān) 同時性的絕對性超距作用,拋棄了舊的時空觀； 慣性系是等價的,絕對靜止的空間； 特殊的慣性系 以太, 狹義相對論的時空觀（高速、宏觀、慣性系等價）, 繼承絕對時空觀： 時間的一維、均勻、無限； 空間的三維、均勻、無限；, 發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點(diǎn)時空對稱原理, 建立四維時空坐標(biāo),2019/6/29,17, 拋棄了絕對時時空觀相對時空觀,洛侖茲變換,時間與空間皆與物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān),空間間隔是相對的,時間間隔是相對的,同時性是相對的,光速不變原理,愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn),運(yùn)動的時間變慢,運(yùn)動尺子收縮,2019/6/29,18,由 得,當(dāng) 時，有, 同時性不同時的簡單理論證明, 同時性不同時的理想實(shí)驗(yàn)證明：愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn),2019/6/29,19, 四維時空間隔不變性,時空相對、 贗歐幾何、 慣性系等價,注1： 狹義相對論的兩條基本假定,光速不變原理,相對性原理,注2： 狹義相對論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)第一步,實(shí)驗(yàn)第二步,時間差,附加光程差,兩步實(shí)驗(yàn)的條紋應(yīng)當(dāng)移動N=0.37個條紋，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果N=0,2019/6/29,20,第一束光在以太參照系的時間t1（光程 ）,光束由分光板P射向M2需時間1,光束由M2返回分光板P需時間2, 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的原理及其結(jié)果證明,邁克爾遜干涉儀,2019/6/29,21,第二束光在以太參照系的的時間t2（光程 ）,所以,2019/6/29,22,所以得實(shí)驗(yàn)第一步,同理得實(shí)驗(yàn)第二步,時間差,對應(yīng)附加光程差,兩步實(shí)驗(yàn)的條紋位置，應(yīng)當(dāng)移動N=0.37個條紋， 相當(dāng)于明暗條紋互換位置，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果N=0,此時，會有一個穩(wěn)定的條紋分布,此時，亦會有一個穩(wěn)定的條紋分布,2019/6/29,23, 廣義相對論的時空觀（非慣性系與引力場等價）, 進(jìn)一步發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點(diǎn)等效原理, 補(bǔ)充了時空觀念依賴于物質(zhì)分布的相對性引力場方程,廣義相對性原理：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價。 運(yùn)動的絕對性, 補(bǔ)充了時空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的關(guān)系 空間彎曲,物質(zhì)密度越大的地方統(tǒng)一時空彎曲的曲率越大,空間越彎曲,時間流逝越慢,引力張量； 黎蔓曲率張量； 時空度規(guī)張量 ； 宇宙半徑,關(guān)于非 慣性系,等效原理：加速場與引力場等效；無法區(qū)分,2019/6/29,24, 廣義相對論的近代引力理論, 宇宙空間是有限的還是無限的有限無邊,小 尺度宇宙：渺觀輕子、光子、夸克以下的層次 微觀光子、質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子、有機(jī)物, 時間有始有終，還是無始無終？,物理學(xué)“宇宙”的“生死”交替，構(gòu)成了哲學(xué)“宇宙”的時間的無限性,大尺度宇宙： 宏觀行星、恒星、恒星系統(tǒng)（太陽系） 宇觀銀河系、星系群、星系團(tuán)之間的暗物質(zhì) 脹觀超星系團(tuán)、總星系,無限宇宙, 大爆炸宇宙模型,無限膨脹，直至消亡；,無限膨脹；,膨脹一定階段，轉(zhuǎn)化為收縮。,宇宙輻射背景； 氦豐度 天體年齡,物理學(xué)的，？哲學(xué)的，？,現(xiàn)代宇宙學(xué) 的理論基礎(chǔ),2019/6/29,25, 時間和空間可能存在著一個最小限度時間、空間量子化,普朗克時間,普朗克長度,美國物理學(xué)家古斯（guth） 的暴脹宇宙模型：,宇宙起源于物理點(diǎn)，而非數(shù)學(xué)點(diǎn)超過以上范圍，現(xiàn)今物理學(xué)理論已不適用,假真空態(tài)黑格斯場， 其能量密度是原子核密度的 倍。, 宇宙并非起源于時間、空間和沒有物質(zhì)的“虛無”假真空態(tài), 真空也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),真空各種基態(tài)量子場。, 量子理論的時空觀及其現(xiàn)代宇宙學(xué)的時空觀,秒, 量子理論的時空觀在處理渺觀和脹觀物質(zhì)領(lǐng)域遇到了困難，,米,2019/6/29,26, 運(yùn)動是絕對的, 哲學(xué)上的意義：物質(zhì)與運(yùn)動是不可分割的, 相對性原理：一切動力學(xué)規(guī)律的形式都 不因參照系的選擇而改變。, 運(yùn)動描述的相對性,運(yùn)動學(xué)規(guī)律的形式會因不同參照系的選擇而不同。, 物理學(xué)只研究物質(zhì)低級運(yùn)動的形式, 低級運(yùn)動形式的含義：機(jī)械運(yùn)動和物理運(yùn)動最基本的, 低級運(yùn)動形式的具體學(xué)科： 力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué) 原子物理學(xué)、原子核物理學(xué) 粒子物理學(xué)量子物理學(xué),大學(xué)物理學(xué)（普通物理學(xué)）, 質(zhì)能守恒,廣義的運(yùn)動,狹義的運(yùn)動,參照系的本質(zhì)特征是什么？,4、運(yùn)動與靜止,2019/6/29,27,2004年諾貝爾物理學(xué)獎三科學(xué)家分享共約136萬美元 美國人：戴維格羅斯 ，戴維波利澤和弗蘭克維爾澤克 表彰他們“對夸克的研究使科學(xué)更接近于實(shí)現(xiàn)它為“所有的事情構(gòu)建理論”的夢想 ”。 瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。 諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中 取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。,維爾澤克,格羅斯,格羅斯,2019/6/29,28,2002年諾貝爾物理學(xué)獎三科學(xué)家分享共約100萬美元 1、美國2人：雷蒙德-戴維斯 ，里卡多-賈科尼 2、日本1人：小柴昌俊(Masatoshi Koshiba) 小雷蒙德戴維斯來自于美國賓夕法尼亞大學(xué)物理天文學(xué)系， 小柴是日本東京大學(xué)初級粒子物理國際研究中心已經(jīng)東京大學(xué)的科學(xué)家，瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)為他們“在天體物理學(xué) 領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，尤其是他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的微中子”。 里卡多-賈科尼是另一位獲獎的美國華盛頓特區(qū)聯(lián)合大學(xué)的科學(xué)家，表彰他“在天體物理學(xué)領(lǐng)域取得的卓越成就，尤其是他的研究引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源”。 3、瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。 4、諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中 取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。,2019/6/29,29,2005年諾貝爾物理學(xué)獎 由美、德三個科學(xué)家共同獲得， 分享共約130萬美元 1、美國人：約翰霍爾，羅伊格勞伯 2、德國人：特奧多爾亨施 羅伊格勞伯得一半，成就是對“光粒子的特性進(jìn)行了理論描 述光學(xué)相干的量子理論” 約翰霍爾，特奧多爾亨施得另外一半，成就是對“開發(fā)了基 于激光的高精度光譜技