大學(xué)物理 Chap 1物質(zhì)世界

1、Chapter 1 Material World Introduction 從物質(zhì)存在形式、形態(tài)、空間尺度、時(shí)從物質(zhì)存在形式、形態(tài)、空間尺度、時(shí) 間尺度以及物質(zhì)間的相互作用描繪物質(zhì)世間尺度以及物質(zhì)間的相互作用描繪物質(zhì)世 界的基本輪廓。界的基本輪廓。 1.1 物質(zhì)世界物質(zhì)世界大觀大觀 物質(zhì)：物質(zhì)：可獨(dú)立存在的客體?？瑟?dú)立存在的客體。 物體：物體：物質(zhì)的表現(xiàn)形式。物質(zhì)的表現(xiàn)形式。 實(shí)物實(shí)物 場場 電磁場電磁場 引力場引力場 規(guī)范場規(guī)范場 抽象化的概念與具體抽象化的概念與具體 化的概念。化的概念。 例：例：鋁鋁 鋁壺鋁壺 物質(zhì)的基本屬性：物質(zhì)的基本屬性： 質(zhì)量質(zhì)量 能量能量 實(shí)物占有一定的體積，以空

2、間間斷的實(shí)物占有一定的體積，以空間間斷的 形式存在。場沒有確定的體積，以連續(xù)形式存在。場沒有確定的體積，以連續(xù) 形式存在于空間中，且具有疊加性。如形式存在于空間中，且具有疊加性。如 電場、磁場、引力場等。電場、磁場、引力場等。 實(shí)物與場 Relation (1) (2) (3) 例：例： 電磁作用，引力作用電磁作用，引力作用 正負(fù)電子碰撞湮滅產(chǎn)正負(fù)電子碰撞湮滅產(chǎn) 生電磁波生電磁波 光電效應(yīng)，電子衍射光電效應(yīng)，電子衍射 3. 物質(zhì)物質(zhì)的形態(tài)的形態(tài) (1) (2) (1) 固態(tài)固態(tài) Distinguish (2) 液態(tài)液態(tài) (3) 氣態(tài)氣態(tài) (4) 等離子態(tài)等離子態(tài) 實(shí)物：實(shí)物：占有一定體積占有一

3、定體積 不可占有同一空間不可占有同一空間 可被加速可被加速 場：場：無確定體積，可疊加無確定體積，可疊加 不能加速不能加速 物態(tài)：物態(tài)： 物態(tài)是物質(zhì)聚集狀態(tài)的物態(tài)是物質(zhì)聚集狀態(tài)的 簡稱，當(dāng)大量的微觀粒簡稱，當(dāng)大量的微觀粒 子在一定的溫度及壓強(qiáng)子在一定的溫度及壓強(qiáng) 下聚集成一種穩(wěn)定的狀下聚集成一種穩(wěn)定的狀 態(tài)時(shí)，稱為一種物態(tài)。態(tài)時(shí)，稱為一種物態(tài)。 (1) (2) 電弧電弧 關(guān)于等離子態(tài) 太陽太陽 霓虹燈霓虹燈 白矮星白矮星 原指物質(zhì)在高溫或場原指物質(zhì)在高溫或場 的作用下電離后形成的作用下電離后形成 的由等量正負(fù)離子組的由等量正負(fù)離子組 成的一種聚合態(tài)。成的一種聚合態(tài)。 等離子態(tài)：等離子態(tài)： 氣態(tài)

4、星云氣態(tài)星云 Reading material 等離子體等離子體 (1) 結(jié)晶態(tài)結(jié)晶態(tài) (2) 非晶態(tài)非晶態(tài) (3) 液晶態(tài)液晶態(tài) (4) 超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài) (5) 超流態(tài)超流態(tài) (6) 超固態(tài)超固態(tài) 物態(tài)在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，影響物態(tài)在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，影響 物態(tài)的兩個(gè)重要因素是物態(tài)的兩個(gè)重要因素是溫度溫度和和壓強(qiáng)。壓強(qiáng)。 分子規(guī)則、對稱、周期性排列分子規(guī)則、對稱、周期性排列 分子無規(guī)則、對稱排列分子無規(guī)則、對稱排列 兼有液體和光學(xué)晶體性質(zhì)兼有液體和光學(xué)晶體性質(zhì) 電阻率為零電阻率為零 粘滯系數(shù)為零粘滯系數(shù)為零 質(zhì)量密度極大質(zhì)量密度極大 食食 鹽鹽 瀝瀝 青青 顯示器顯示器 超導(dǎo)

5、體超導(dǎo)體 水銀珠水銀珠 白矮星白矮星 4. 物質(zhì)世界物質(zhì)世界的層次性結(jié)構(gòu)的層次性結(jié)構(gòu) (1) 宏觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng) (2) 介觀系統(tǒng)介觀系統(tǒng) (3) 微觀系統(tǒng)微觀系統(tǒng) (4) 宇觀系統(tǒng)宇觀系統(tǒng) 人體尺度（人體尺度（m)m)附近幾個(gè)數(shù)量級的物附近幾個(gè)數(shù)量級的物 質(zhì)系統(tǒng)。質(zhì)系統(tǒng)。 納米（納米（nm)nm)尺度的物質(zhì)系統(tǒng)。尺度的物質(zhì)系統(tǒng)。 納米尺度以下更小的物質(zhì)系統(tǒng)。納米尺度以下更小的物質(zhì)系統(tǒng)。 天體、星系和宇宙系統(tǒng)。天體、星系和宇宙系統(tǒng)。 E E- -1515 E E- -1212 E E- -0909 E E- -0606 E E- -0303 1m1m E+03E+03 E+06E+06 E+09

6、E+09 E+12E+12 E+15E+15 E+18E+18 E+21E+21 E+24E+24 E+27E+27 最小最小 的細(xì)胞的細(xì)胞 原子原子 原子核原子核 基本粒子基本粒子 DNADNA長度長度 星系團(tuán)星系團(tuán) 銀河系銀河系 最近恒最近恒 星的距星的距 離離 太陽系太陽系 太太 陽陽 山山 哈勃半徑哈勃半徑 超星系團(tuán)超星系團(tuán) 人人 蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次 宇宇 觀觀 宏觀宏觀 介觀介觀 微觀微觀 認(rèn)何物質(zhì)都處于運(yùn)動變化之中，只能以某認(rèn)何物質(zhì)都處于運(yùn)動變化之中，只能以某 一種固定的形態(tài)存在一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)一種固定的形態(tài)存在一定的

7、時(shí)間，這個(gè)時(shí) 間稱為物質(zhì)的間稱為物質(zhì)的存活壽命存活壽命，壽命的結(jié)束意味，壽命的結(jié)束意味 這物質(zhì)存在的形態(tài)發(fā)生了變化。這物質(zhì)存在的形態(tài)發(fā)生了變化。 存活壽命存活壽命 存活壽命存活壽命揭示了物質(zhì)由起源到滅亡的演化過程揭示了物質(zhì)由起源到滅亡的演化過程 時(shí)間尺度時(shí)間尺度 時(shí)間時(shí)間（秒）（秒） 1018 宇宙年齡宇宙年齡 1017 地球年齡地球年齡 1014 古人類古人類 1012 人類文明人類文明 1011 1010 人壽命人壽命 109 108 地球公轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)（年）（年） 107 100 擺鐘周期擺鐘周期 10-2 電視掃描周期電視掃描周期 10-3 10-25 Z0粒子壽命粒子壽命 宇宙大宇宙大

8、爆炸爆炸Reading material 2.2 物質(zhì)間的物質(zhì)間的相互作用相互作用 (1) (2) (3) (4) 例：例： 電荷電荷,電流電流 重重 力力 核核 力力 粒子衰變粒子衰變 光子光子 光子光子 引力子引力子 引力子引力子 介子介子 介子介子 玻色子玻色子 玻色子玻色子 Note: ？ 愛因斯坦在研究物質(zhì)的能量時(shí)得出結(jié)論：愛因斯坦在研究物質(zhì)的能量時(shí)得出結(jié)論： 一定的質(zhì)量對應(yīng)一定的能量一定的質(zhì)量對應(yīng)一定的能量 (1) 相對論質(zhì)量相對論質(zhì)量 經(jīng)典理論：經(jīng)典理論： 恒量 0 mm 如果 如果m m 常量，將悖于光速極限理論。常量，將悖于光速極限理論。 由動量守恒原理可證明： 由動量守恒原

9、理可證明： 22 0 1c m m v (1) 當(dāng)當(dāng)v c 時(shí)，時(shí)， m = m0 （2 2）當(dāng)當(dāng)v c 時(shí)，時(shí)， m Note: (2) 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系 按動能定理有：按動能定理有： vv dt v )( )( md rd md rd dt pd rdFdEk vvvv dmdm vvvdmdm 2 由：由： 22 0 1c m m v 得：得： 22 0 222 )(cmcmv 22 0 222 )(cmmmv 微分：微分： dmmcdmdmm 222 222vvv dmcdmdm 22 vvv vvvdd 2 2 vv vvv d dd 2 )( 2 vvvvdd 點(diǎn)積（標(biāo)積）點(diǎn)積（標(biāo)

10、積）? ? 保守力做功與路徑無關(guān)，根據(jù)功能原理，可定保守力做功與路徑無關(guān)，根據(jù)功能原理，可定 義一個(gè)僅由系統(tǒng)位置決定的能量義一個(gè)僅由系統(tǒng)位置決定的能量勢能，勢能，其變其變 化量可用保守力做功的多少來量度?；靠捎帽Ｊ亓ψ龉Φ亩嗌賮砹慷取?定義：定義： )()( 0 MEME PP 0 d M M rF ?。喝。?)( 0 MEP 則則 ： 0 d)( M M P rFME 零勢點(diǎn)零勢點(diǎn) 無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，有限遠(yuǎn)點(diǎn)無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，有限遠(yuǎn)點(diǎn) 地球地球 物體在某點(diǎn)的勢能等于物體從該點(diǎn)沿任意路徑物體在某點(diǎn)的勢能等于物體從該點(diǎn)沿任意路徑 移至零勢點(diǎn)時(shí)保守力所做的功。移至零勢點(diǎn)時(shí)保守力所做的功。 由：由： )()( 0

11、 MEME PP 0 d M M rF 因：因： 0 所以，勢能的微分存在所以，勢能的微分存在 ： 0 d M M rFE rF d zFyFxF zyx ddd 00 MMM當(dāng)當(dāng) rF d 有：有： zFyFxF zyx ddd P Ed x E F P x y E F P y z E F P z )(k z E j y E i x E F PPP dEE rFrF M MM dd 0 0 以勢能為例，顯然，以勢能為例，顯然， x E P y EP z EP k z E j y E i x E PPP 物理上，常用物理上，常用梯度梯度概念反映某一物理量沿某一概念反映某一物理量沿某一 特定方向

12、（特定方向（梯度方向梯度方向）變化的快慢程度。）變化的快慢程度。 勢能沿勢能沿x x、y y、z z 方向的變化率方向的變化率 勢能沿某方向的變化率勢能沿某方向的變化率 該方向沿保守力反向，該方向沿保守力反向， 垂直于等勢面，這就是垂直于等勢面，這就是 勢能的勢能的梯度方向。梯度方向。 F n 為了簡練表示保守力與勢能的微分關(guān)系，引入梯度算符：為了簡練表示保守力與勢能的微分關(guān)系，引入梯度算符： k z j y i x 運(yùn)算符號，表示進(jìn)行某運(yùn)算符號，表示進(jìn)行某 種特殊的函數(shù)運(yùn)算，當(dāng)種特殊的函數(shù)運(yùn)算，當(dāng) 函數(shù)作用在算符上，才函數(shù)作用在算符上，才 能體現(xiàn)其完整意義。能體現(xiàn)其完整意義。 F n 定義勢

13、能梯度：定義勢能梯度： p E k z E j y E i x E PPP 則有：則有： p EF 在相臨的兩等勢面間在相臨的兩等勢面間 l l E n E PP r 結(jié)論結(jié)論: 勢能梯度的方向表示勢能增加的最快方向。勢能梯度的方向表示勢能增加的最快方向。 View 世界以物質(zhì)而存在。自然界中的物質(zhì)形世界以物質(zhì)而存在。自然界中的物質(zhì)形 態(tài)各異、形式多樣、由小至大、由大至小、態(tài)各異、形式多樣、由小至大、由大至小、 有的瞬間消失，有的存活久遠(yuǎn)，處于一個(gè)有的瞬間消失，有的存活久遠(yuǎn)，處于一個(gè) 層次性的、永恒的變化循環(huán)過程之中。層次性的、永恒的變化循環(huán)過程之中。 能量是物質(zhì)運(yùn)動和相互作用的產(chǎn)物。宏能量是物質(zhì)運(yùn)動和相互作用的產(chǎn)物。宏 觀上靜止的物質(zhì)，其內(nèi)部分子、原子觀上靜止的物質(zhì)，其內(nèi)部分子、原子仍仍 劇烈運(yùn)動，因而，任何物質(zhì)都具有一定的劇烈運(yùn)動，因而，任何物質(zhì)都具有一定的 內(nèi)能。內(nèi)能。 下列