緒言2——物理學(xué)的研究范疇

1、1物理學(xué)的研究范疇物理學(xué)的研究范疇 主講人2004年5月18日）第一冊 第一章 緒言2物理學(xué) 物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、運動和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，從而認(rèn)識這些結(jié)構(gòu)的組成元素及其相互作用、運動和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學(xué)。 簡單而言：物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的科學(xué)。3物理學(xué)的研究范疇 物理學(xué)的研究范疇很廣，從夸克到宇宙，從宇宙大爆炸到宇宙的終結(jié)，包含了所有的和。 其分支學(xué)科涉及原子物理、分子物理、核物理、聲、光、電、磁及其與物理學(xué)相關(guān)的跨學(xué)科的諸多方面內(nèi)容。 4 宇宙大約在200億年前的大爆炸中產(chǎn)生的 如果宇宙在不斷地膨脹的話，相信任何人都會得出結(jié)論，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過去，那時的宇宙一定非常小，宇宙中的物質(zhì)被壓縮到很小的空間內(nèi)。 人們半開玩笑地稱呼剛“出生”的宇宙為宇宙蛋。 忽然有一天，宇宙蛋發(fā)生了破裂，高速的爆炸產(chǎn)生了今天的宇宙。 5 美國宇航局公布了探測器拍到的宇宙“嬰兒期照片”，為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)。 根據(jù)這些照片，科學(xué)家還精確地測量出了宇宙的實際年齡是億年，誤差不超過 以秒為單位，宇宙的年齡約為1018s的數(shù)量級。6哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 哈勃望遠(yuǎn)鏡長13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價近30億美元，于1990年4月25日由美國航天飛機送上高590千米的太空軌道。 哈勃望遠(yuǎn)鏡以時速2.8萬千

3、米沿寂靜的太空軌道運行，默默地窺探著太空的秘密。7891011粒子的壽命 在已發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中，除電子、質(zhì)子和中微子以外，實驗確認(rèn)它們都是不穩(wěn)定的。 它們都要在或長或短時間內(nèi)衰變?yōu)槠渌Ｗ?。粒子在衰變前平均存在的時間叫粒子的壽命。 例如一個自由中子的壽命約 12min，有的粒子的壽命為 10-10s 或 10-14s ，很多粒子的壽命僅為 10-23s 甚至 10-25s 。 壽命最短的，則要算通過強相互作用衰變的“共振態(tài)粒子”（如粒子、粒子等）。 它們只能生活一千萬億億分之一秒左右，即壽命大致是10-28秒。12北京正負(fù)電子對撞機 1988年10月16日凌晨5點56分，我國第一座高能加速器

4、北京正負(fù)電子對撞機首次對撞成功。 這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。 這項被認(rèn)為是中國科學(xué)技術(shù)史上最大的科研工程，是鄧小平同志在1984年10月7日奠基破土動工的。131415北京正負(fù)電子對撞機將獲北京正負(fù)電子對撞機將獲“新生新生” 曾經(jīng)叱咤風(fēng)云的我國高技術(shù)標(biāo)志性工程北京正負(fù)電子對撞機將獲得“新生”。在第二屆亞洲粒子加速器會議上，我國計劃通過實施二期工程，投入4億元以上資金，提高北京正負(fù)電子對撞機的性能，為進一步探索微觀世界的奧秘創(chuàng)造條件，從而繼續(xù)保持我國在高能物理方面的國際領(lǐng)先地位。 中國科學(xué)院高能物理研究所副所長張闖研究員說，從1999年起到

5、今年，我國已經(jīng)投入9000萬元用于北京正負(fù)電子對撞機的改進和未來發(fā)展的預(yù)先研究。目前，二期工程的可行性報告已經(jīng)完成，正在做初步設(shè)計。二期工程的動工時間預(yù)計將是明年年中，到2006年底，獲得“新生”的北京正負(fù)電子對撞機將正式為廣大用戶提供服務(wù)。16圖為開工現(xiàn)場拆除靜電分離器17物質(zhì)世界的時間尺度 物質(zhì)世界的時間尺度，從1018到10-25，共跨越了4344個數(shù)量級。1819從空間尺度上看 從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次化的圖表來看，物理學(xué)的主要空白區(qū)域突出地顯示為圖表的底部和頂部。 其一是尺度上最最微?。〝?shù)量級為10-15m）但能量最高的世界，對應(yīng)的學(xué)科為粒子物理學(xué)(亦稱高能物理學(xué))； 其二是尺度上最最宏大（數(shù)

6、量級為1026 1027m ）的世界，即天體與宇宙，對應(yīng)的學(xué)科為天體物理學(xué)與宇宙論。 這兩者，表面上看來，南轅北轍，結(jié)果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現(xiàn)了大與小辯證的統(tǒng)一。2021 粒子物理學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)在于探索更加細(xì)微尺度下，也就是更高能區(qū)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，希望能夠超越現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型，追求相互作用的進一步統(tǒng)一。 而宇宙大爆炸的標(biāo)準(zhǔn)模型則表明早期的宇宙是處于超高能的狀態(tài)。因而高能物理學(xué)的研究，從某種意義上來說，是對宇宙進行考古學(xué)的研究。 提高研究的能量范圍，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天體物理的實驗研究都屬于大科學(xué)的范疇。22 大科學(xué)威風(fēng)凜凜，但大也有大的難處，正如紅樓夢中王熙鳳

7、所說的，大科學(xué)所面臨的問題在于如何持續(xù)地獲得社會的支持。 物理學(xué)一直是一門生氣勃勃的學(xué)科，這和它具有高度的開放性是密切相關(guān)的。它和技術(shù)并沒有截然的分界線，它和其他的自然科學(xué)也沒有截然的分界線。它的門戶總是開放的，鼓勵跨學(xué)科的交流與溝通。 23物理學(xué)的分支 自從物理學(xué)成為一門獨立的學(xué)科之后，它的研究領(lǐng)域就在不斷地開拓著，逐漸建立起了力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、相對論、量子力學(xué)、粒子物理學(xué)等物理學(xué)基礎(chǔ)部門； 每一個基礎(chǔ)部門，又不斷地形成許多新的分支。本世紀(jì)以來，物理學(xué)的基本理論和方法又不斷地向其他研究領(lǐng)域滲透，并把一些部門從物理學(xué)中分化出來，形成一系列獨立的新學(xué)科。 2425力學(xué) 力學(xué)又稱經(jīng)典力學(xué)，是

8、研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠(yuǎn)低于光速的運動過程的一門自然科學(xué)。 力學(xué)是物理學(xué)、天文學(xué)和許多工程學(xué)的基礎(chǔ)，機械、建筑、航天器和船艦等的合理設(shè)計都必須以經(jīng)典力學(xué)為基本依據(jù)。 機械運動是物質(zhì)運動的最基本的形式。 機械運動亦即力學(xué)運動，是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉(zhuǎn)動、流動、變形、振動、波動、擴散等。26 而平衡或靜止，則是其中的特殊情況。 物質(zhì)運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內(nèi)部的運動和化學(xué)運動等。 力是物質(zhì)間的一種相互作用，機械運動狀態(tài)的變化是由這種相互作用引起的。 靜止和運動狀態(tài)不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。 因此，力學(xué)可以說是力和(機械)運

9、動的科學(xué)27力學(xué)分類 力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)三部分，靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學(xué)只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關(guān)系；動力學(xué)討論物體運動和所受力的關(guān)系。 力學(xué)也可按所研究對象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個分支，流體包括液體和氣體；固體力學(xué)和流體力學(xué)可統(tǒng)稱為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)的模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后，余下的部分組成一般力學(xué)。 28 力學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合也產(chǎn)生一些交又性的分支，最早的是和天文學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的天體力學(xué)。 在20世紀(jì)特別是60年代以來，出現(xiàn)更多的這類交叉分支，其中有物理力學(xué)、化學(xué)流體動力學(xué)、等離子體動力學(xué)、電流體動

10、力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力學(xué)、理性力學(xué)、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動力學(xué)、地球構(gòu)造動力學(xué)、地球流體力學(xué)等。 29 聲學(xué) 聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。 媒質(zhì)包括各種狀態(tài)的物質(zhì)，可以是彈性媒質(zhì)也可以是非彈性媒質(zhì)； 機械波是指質(zhì)點運動變化的傳播現(xiàn)象。 30熱學(xué)熱學(xué) 熱學(xué)是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時的有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，它起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索。人類生存在季節(jié)交替、氣候變幻的自然界中，冷熱現(xiàn)象是他們最早觀察和認(rèn)識的自然現(xiàn)象之一。 熱學(xué)理論有兩個方面，一是宏觀理論，即熱力學(xué)；一是微觀理論，即統(tǒng)計物理學(xué)。這兩個方面相輔相成，構(gòu)成了熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。 31光

11、學(xué) 光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。 而今天，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。32 光學(xué)的另一個重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。 這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎； 1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了

12、1971年諾貝爾物理學(xué)獎。 33 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成； 例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測量的光度學(xué)、輻射度學(xué)； 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等； 還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。 34電磁學(xué) 電磁學(xué)是研究電、磁和電磁的相互作用現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。 電磁學(xué)從原來互相獨立的兩門科學(xué)(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個重要的實驗發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場的電效應(yīng)。 這兩個實驗現(xiàn)象，加上麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。 35 核物理學(xué) 核物理學(xué)又稱原子核物理學(xué)，是20世紀(jì)新建立的一個物理學(xué)分支。 它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律；射線束的產(chǎn)生、探測和分析技術(shù)；以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。 它是一門既有深刻理論意義，又有重大實踐意義的學(xué)科。 36高中物理第一部分第一部分 力力 學(xué)學(xué)第二部分第二部分 熱熱