物質(zhì)世界與物理學(xué)緒論P(yáng)PT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1物質(zhì)世界與物理學(xué)緒論物質(zhì)世界與物理學(xué)緒論2物質(zhì)世界與物理學(xué)物質(zhì)世界與物理學(xué) (緒論緒論)1 物理學(xué)與物質(zhì)世界物理學(xué)與物質(zhì)世界物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科 是自然科學(xué)的基礎(chǔ)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)一一.物質(zhì)世界物質(zhì)世界研究的對(duì)象十分廣泛研究的對(duì)象十分廣泛 宇觀宇觀 宏觀宏觀 微觀微觀為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫第1頁(yè)/共32頁(yè)3b空間尺度空間尺度( (相差相差1010454510104646) )101026 26 m(m(約約150150億光年億光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克

2、夸克) )b時(shí)間尺度時(shí)間尺度( (相差相差10104545) )10101818s 150s 150億年億年( (宇宙年齡宇宙年齡) )-10-10-27-27s s( (硬硬 射線周期射線周期) )b速率范圍速率范圍0 0( (靜止靜止) ) - 3x10- 3x108 8 m/sm/s( (光速光速) )第2頁(yè)/共32頁(yè)4人們從自己向人們從自己向小尺度追問(wèn)小尺度追問(wèn) 以探索以探索物質(zhì)的組成物質(zhì)的組成 物理學(xué)上對(duì)應(yīng)物理學(xué)上對(duì)應(yīng) 粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)目前物理學(xué)界公認(rèn)組成物質(zhì)的最小單元是目前物理學(xué)界公認(rèn)組成物質(zhì)的最小單元是夸克夸克 即認(rèn)為即認(rèn)為quarkquark沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu) 但近來(lái)

3、有消息稱但近來(lái)有消息稱 quark quark 也也可一分為二可一分為二 說(shuō)明說(shuō)明認(rèn)識(shí)無(wú)止境認(rèn)識(shí)無(wú)止境 物質(zhì)世界總圖象物質(zhì)世界總圖象第3頁(yè)/共32頁(yè)5 粒子種類粒子種類 自由狀態(tài)存在的自由狀態(tài)存在的: 452 : 452 種種 其中其中 規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子 4 4 種種 輕子輕子 12 12 種種 強(qiáng)子強(qiáng)子 436 436 種種基本相互作用基本相互作用 : : 電磁電磁 強(qiáng)強(qiáng) 弱弱 引力引力 第4頁(yè)/共32頁(yè)6 人們從自己向人們從自己向大尺度追問(wèn)以探索大尺度追問(wèn)以探索宇宙的奧秘宇宙的奧秘 物理學(xué)上對(duì)應(yīng)物理學(xué)上對(duì)應(yīng) 天體物理學(xué)天體物理學(xué)宇宙是怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？宇宙是怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？進(jìn)行絕熱膨脹進(jìn)行絕

4、熱膨脹 宇宙半徑增大宇宙半徑增大 宇宙密度降低宇宙密度降低 溫度降低溫度降低宇宙有限又無(wú)邊宇宙有限又無(wú)邊! !有中心有中心? ?無(wú)中心無(wú)中心? ?遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離第5頁(yè)/共32頁(yè)7仙女座大星云仙女座大星云“物理學(xué)的最大研究對(duì)象物理學(xué)的最大研究對(duì)象”-陸陸 炎炎土土圖圖2 2第6頁(yè)/共32頁(yè)8 粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)( (微觀理論微觀理論) ) 標(biāo)準(zhǔn)模型標(biāo)準(zhǔn)模型 認(rèn)定基本粒子認(rèn)定基本粒子 揭示物質(zhì)的組成揭示物質(zhì)的組成 高能物理實(shí)驗(yàn)高能物理實(shí)驗(yàn)( (實(shí)驗(yàn)手段實(shí)驗(yàn)手段) ) 發(fā)展加速器取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展加速器取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 驗(yàn)證微觀理論驗(yàn)證微觀理論 天體物理學(xué)天體物理學(xué)( (宇觀理論宇觀理論) ) 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型標(biāo)

5、準(zhǔn)宇宙模型分析宇宙的起源分析宇宙的起源 大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)二二. .關(guān)于兩個(gè)前沿的基本理論關(guān)于兩個(gè)前沿的基本理論第7頁(yè)/共32頁(yè)9 目前天體物理理論和粒子物理理論已成為目前天體物理理論和粒子物理理論已成為 密不可分的姊妹學(xué)科密不可分的姊妹學(xué)科 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子 標(biāo)準(zhǔn)模型給出的物質(zhì)組成是一致的標(biāo)準(zhǔn)模型給出的物質(zhì)組成是一致的 從而體現(xiàn)了物理學(xué)從而體現(xiàn)了物理學(xué)的和諧的和諧 完美和對(duì)稱完美和對(duì)稱從遙遠(yuǎn)的過(guò)去宇宙產(chǎn)生于大爆炸從遙遠(yuǎn)的過(guò)去宇宙產(chǎn)生于大爆炸 絕熱膨脹至今絕熱膨脹至今我們生活在這樣的世界中我們生活在這樣的世界中 人們從自己開始人們從

6、自己開始 通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)手段通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)手段( (比如加速器比如加速器) )把物質(zhì)打開把物質(zhì)打開 探索內(nèi)部的由來(lái)探索內(nèi)部的由來(lái)第8頁(yè)/共32頁(yè)10 溫度溫度（K K） 能量能量（eVeV）物理過(guò)程物理過(guò)程1010323210102828粒子產(chǎn)生粒子產(chǎn)生1010282810102424大統(tǒng)一大統(tǒng)一 大沙漠大沙漠1010131310109 9強(qiáng)子強(qiáng)子1010111110107 7輕子輕子5 5 10 109 95 5 10 105 5e e + +e e- - 湮沒湮沒中子自由衰變中子自由衰變10109 910105 5核合成核合成4 4 10 103 30 04 4復(fù)合復(fù)合星系形成星系形成2 27

7、 73 3 10 104 4現(xiàn)在現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙生成發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型給出的宇宙生成發(fā)展人類通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的歷程人類通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的歷程第9頁(yè)/共32頁(yè)11第10頁(yè)/共32頁(yè)12三三. .物理學(xué)使人們深入認(rèn)識(shí)世界物理學(xué)使人們深入認(rèn)識(shí)世界 物質(zhì)存在的基本形式物質(zhì)存在的基本形式中學(xué)時(shí)已有中學(xué)時(shí)已有 粒子和場(chǎng)粒子和場(chǎng) 的認(rèn)識(shí)的認(rèn)識(shí)場(chǎng)論給出最新認(rèn)識(shí)場(chǎng)論給出最新認(rèn)識(shí)每種粒子對(duì)應(yīng)一種場(chǎng)每種粒子對(duì)應(yīng)一種場(chǎng)場(chǎng)場(chǎng)有不同能量狀態(tài)有不同能量狀態(tài)penpe場(chǎng)與粒子是統(tǒng)一體的場(chǎng)與粒子是統(tǒng)一體的兩種表現(xiàn)形式兩種表現(xiàn)形式n e p 相應(yīng)的場(chǎng)相應(yīng)的場(chǎng) 均處于基態(tài)均處于基態(tài) 真空真空 p e相應(yīng)的場(chǎng)相應(yīng)的場(chǎng)

8、處于激發(fā)態(tài)處于激發(fā)態(tài)出現(xiàn)相應(yīng)的粒子出現(xiàn)相應(yīng)的粒子第11頁(yè)/共32頁(yè)13 基本基本相互作用相互作用 粒子是場(chǎng)的激發(fā)態(tài)形式粒子是場(chǎng)的激發(fā)態(tài)形式因此粒子間的相互作用來(lái)自場(chǎng)之間的相互作用因此粒子間的相互作用來(lái)自場(chǎng)之間的相互作用 場(chǎng)之間的相互作用是粒子轉(zhuǎn)化的原因場(chǎng)之間的相互作用是粒子轉(zhuǎn)化的原因 物質(zhì)的凝聚狀態(tài)物質(zhì)的凝聚狀態(tài)凝聚態(tài)凝聚態(tài)( (固、液固、液) ) 氣態(tài)氣態(tài) 等離子體等離子體致密態(tài)致密態(tài)恒星晚年恒星晚年 白矮星白矮星 中子星中子星 黑洞黑洞 第12頁(yè)/共32頁(yè)14b演繹法演繹法推理推理 演算演算b歸納法歸納法假設(shè)假設(shè) 模型模型b定性和半定量定性和半定量直覺直覺 想象力想象力 洞察力洞察力2 2

9、 物理學(xué)與科學(xué)思維物理學(xué)與科學(xué)思維一一.物理學(xué)的研究方法物理學(xué)的研究方法第13頁(yè)/共32頁(yè)15物理學(xué)家的物理學(xué)家的1/3 1/3 激奮在于激奮在于 建立理論建立理論1/3 1/3 激奮在于激奮在于 證實(shí)理論證實(shí)理論1/3 1/3 激奮在于激奮在于 突破理論突破理論愛因斯坦是典范愛因斯坦是典范 -最令人驚訝的是沒有出現(xiàn)令人驚訝的事最令人驚訝的是沒有出現(xiàn)令人驚訝的事-二二.物理學(xué)家的科學(xué)態(tài)度物理學(xué)家的科學(xué)態(tài)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有理論不符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有理論不符合 預(yù)示著重大突破預(yù)示著重大突破令人令人興奮興奮第14頁(yè)/共32頁(yè)163 物理學(xué)與科學(xué)技術(shù)物理學(xué)與科學(xué)技術(shù) 物理學(xué)為其他學(xué)科創(chuàng)立技術(shù)和原理物理學(xué)為

10、其他學(xué)科創(chuàng)立技術(shù)和原理 重大新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷重大新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷 長(zhǎng)期的物理醞釀長(zhǎng)期的物理醞釀如如 微電子技術(shù)的發(fā)展微電子技術(shù)的發(fā)展 物理學(xué)滿足人類所深刻認(rèn)識(shí)到的最根本的物理學(xué)滿足人類所深刻認(rèn)識(shí)到的最根本的 程度上了解自然界的需要程度上了解自然界的需要 ( (美國(guó)物理學(xué)評(píng)美國(guó)物理學(xué)評(píng) 述委員會(huì)述委員會(huì)) )第15頁(yè)/共32頁(yè)17b盧瑟福盧瑟福 a a 粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后) )b愛因斯坦受激輻射理論愛因斯坦受激輻射理論(1917)(1917) 第一臺(tái)激光器第一臺(tái)激光器(1960)(1960) ( (物理物理

11、) ) ( (技術(shù)技術(shù)) )b信息技術(shù)的發(fā)生和發(fā)展的硬件部分信息技術(shù)的發(fā)生和發(fā)展的硬件部分以物理學(xué)成果為基以物理學(xué)成果為基礎(chǔ)礎(chǔ) ( (技術(shù)技術(shù)) ) ( (物理物理) ) b量子力學(xué)量子力學(xué) 費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì) 固體能帶理論固體能帶理論(20(20年代年代)()(物理物理) ) 晶體管誕生晶體管誕生(1947) (1947) 集成電路集成電路(1962) (1962) 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 (70(70年代后期年代后期)()(技術(shù)技術(shù)) )微結(jié)構(gòu)物理微結(jié)構(gòu)物理( (物理物理) )第16頁(yè)/共32頁(yè)184 4 物理學(xué)與高素質(zhì)人才物理學(xué)與高素質(zhì)人才h提高科學(xué)素質(zhì)和能力以適應(yīng)高新技

12、術(shù)提高科學(xué)素質(zhì)和能力以適應(yīng)高新技術(shù)h市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展b現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)工程師類型現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)工程師類型i工程科學(xué)家型工程科學(xué)家型i革新發(fā)明家型革新發(fā)明家型i現(xiàn)場(chǎng)工程專家型現(xiàn)場(chǎng)工程專家型i管理規(guī)劃專家型管理規(guī)劃專家型第17頁(yè)/共32頁(yè)195物理學(xué)的思想和觀點(diǎn)物理學(xué)的思想和觀點(diǎn) 如如 建理想化模型建理想化模型5從物理本質(zhì)上提出和研究本專業(yè)問(wèn)題從物理本質(zhì)上提出和研究本專業(yè)問(wèn)題5創(chuàng)新能力創(chuàng)新能力t在工程技術(shù)中引入物理學(xué)的新成果在工程技術(shù)中引入物理學(xué)的新成果物理素質(zhì)的表現(xiàn)物理素質(zhì)的表現(xiàn) 第18頁(yè)/共32頁(yè)20如：掃描隧道顯微鏡如：掃描隧道顯微鏡 (STM)(STM)的發(fā)明的發(fā)明 說(shuō)明：深厚的科學(xué)

13、素質(zhì)的重要性說(shuō)明：深厚的科學(xué)素質(zhì)的重要性 7070年代年代 羅伯特羅伯特. .楊楊 制成場(chǎng)發(fā)射顯微鏡制成場(chǎng)發(fā)射顯微鏡19811981年年 賓尼和羅雷爾賓尼和羅雷爾 應(yīng)用隧道效應(yīng)應(yīng)用隧道效應(yīng) 改進(jìn)了場(chǎng)發(fā)射顯微鏡改進(jìn)了場(chǎng)發(fā)射顯微鏡 S T MS T M得益于深厚的科學(xué)素養(yǎng)得益于深厚的科學(xué)素養(yǎng)19861986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第19頁(yè)/共32頁(yè)21第20頁(yè)/共32頁(yè)22導(dǎo)體表面導(dǎo)體表面 自由自由電子電子探針探針 表面電流表面電流表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)UUE 獅子的能量必須滿獅子的能量必須滿足足才能越過(guò)高墻才能越過(guò)高墻按經(jīng)典的觀點(diǎn)：按經(jīng)典的觀點(diǎn)：E量子：量子：同樣用勢(shì)能表同樣用勢(shì)能表示示UE獅

14、子可能穿過(guò)獅子可能穿過(guò)勢(shì)壘到左方勢(shì)壘到左方實(shí)際：實(shí)際：UE勢(shì)壘勢(shì)壘第21頁(yè)/共32頁(yè)23 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研制的中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研制的 CSTM-9000CSTM-9000型掃描隧道顯微鏡型掃描隧道顯微鏡 “原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 插頁(yè)彩圖插頁(yè)彩圖1 1第22頁(yè)/共32頁(yè)24 硅表面硅表面7 7 7 7重構(gòu)圖象重構(gòu)圖象 “原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 插頁(yè)彩插頁(yè)彩圖圖2 2解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問(wèn)題解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問(wèn)題第23頁(yè)/共32頁(yè)25 用用AFMAFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象得到的癌

15、細(xì)胞的表面圖象“原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 P.98 P.98 圖圖 4-84-8基于基于STMSTM工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列原子力原子力(AFM) (AFM) 磁力磁力 分子力顯微鏡分子力顯微鏡 等等等等第24頁(yè)/共32頁(yè)26 1994 1994年中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家年中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家“寫寫”出的出的 平均每個(gè)字的面積僅百萬(wàn)分之一平方厘米平均每個(gè)字的面積僅百萬(wàn)分之一平方厘米“原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 插頁(yè)彩圖插頁(yè)彩圖1313操縱原子不是夢(mèng)操縱原子不是夢(mèng) “原子

16、書法原子書法”第25頁(yè)/共32頁(yè)27 一氧化碳一氧化碳“分子人分子人”“原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 P.151 P.151 圖圖7-7-8 8“掃描隧道繪畫掃描隧道繪畫”第26頁(yè)/共32頁(yè)28移動(dòng)鐵原子移動(dòng)鐵原子第27頁(yè)/共32頁(yè)29大學(xué)物理課的任務(wù)大學(xué)物理課的任務(wù)把大學(xué)生領(lǐng)進(jìn)物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域的大門把大學(xué)生領(lǐng)進(jìn)物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域的大門打開大門打開大門 并送一枚指南針并送一枚指南針 使之能在物理學(xué)展示的五彩繽紛的世界中使之能在物理學(xué)展示的五彩繽紛的世界中汲取營(yíng)養(yǎng)汲取營(yíng)養(yǎng) 茁壯成長(zhǎng)茁壯成長(zhǎng)第28頁(yè)/共32頁(yè)30h“大學(xué)物理學(xué)大學(xué)物理學(xué)”一套四冊(cè)，張三慧主編一套四冊(cè)，張三慧主編h“普通物理學(xué)輔導(dǎo)與答疑普通物理學(xué)輔導(dǎo)與答疑”一套三冊(cè)一套三冊(cè)h“新概念物理教程新概念物理教程”力學(xué)，趙凱華，羅蔚茵力學(xué)，趙凱華，羅蔚茵h“基礎(chǔ)物理學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)”上下冊(cè)，陸果上下冊(cè)，陸果h“物理學(xué)教程物理學(xué)教程”一套七冊(cè)，夏學(xué)江，史斌星主一套七冊(cè)，夏學(xué)江，史斌星主編編h“伯克利物理學(xué)教程伯克利物理學(xué)教程”一套五冊(cè)一套五冊(cè)參參 考考 書書第29頁(yè)/共32頁(yè)31 發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立創(chuàng)新的一般能力，應(yīng)發(fā)