物理學(xué)在高新技術(shù)材料中的應(yīng)用課件

1、 物理學(xué)在高新技術(shù)材料中的應(yīng)用 物理系 沙 健 教 授緒論，納米科技 緒論 沙 健納米材料 沙 健高溫超導(dǎo)體及應(yīng)用 方明虎材料的物理性質(zhì) 鮑世寧磁性材料 李海洋1、物理學(xué)的范疇，作用與意義, 何謂“高新技術(shù)材料”?2、物理學(xué)與高新技術(shù)材料的關(guān)系3、物理學(xué)在未來高新技術(shù)材料發(fā)展中的地位和作用緒 論一、物理學(xué)的范疇, 作用與意義, 何謂“高新技術(shù)材料”? * 物理學(xué)的范疇:物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)研究的是自然界中最基本最普遍的規(guī)律。精確性 (定量科學(xué)) 普遍性 (基礎(chǔ)科學(xué)) 緒 論當(dāng)今物理學(xué)研究的兩個前沿領(lǐng)域：（1）高能物理最小的空間尺度探索基本粒子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。（2）天體物理最

2、大的空間尺度研究宇宙演化和起源。 兩者之間表面上看天差地別，實際上互相關(guān)聯(lián) 21世紀(jì)物理的突破點 宇宙起源: 大爆炸理論 ( The Big Bang )緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律：尋求最簡單的基本原理，解釋最普遍的客觀事實。隨著研究的深入而不斷綜合, 建立大統(tǒng)一理論， 尋找總開關(guān) 奧克姆準(zhǔn)則：越接近真理，基本定律就越簡單！物理學(xué)的研究范圍與分類：（1）經(jīng)典物理學(xué)-力、熱、光和電磁學(xué) 研究對象：宏觀物體（大小 原子尺度） 低速運(yùn)動物體（速度 光速）（2）近代物理學(xué)-相對論和量子力學(xué) 研究對象：原子及小于原子尺度的粒子 高速運(yùn)動的物體（速度接近光速）緒 論*

3、 物理學(xué)的作用與意義: 物理學(xué)既是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科、又是帶頭學(xué)科（1）物理學(xué)與化學(xué)息息相關(guān)量子理論從本質(zhì)上說明了元素性質(zhì)周期性變化的規(guī)律。量子化學(xué)使人們認(rèn)識了化學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。（2）物理學(xué)與生物學(xué)相互滲透物理學(xué)為生物學(xué)提供了理論概念和方法，如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，基因，耗散結(jié)構(gòu)理論。物理學(xué)為生物學(xué)提供了現(xiàn)代化實驗手段，如電子顯微鏡、核磁共振儀、原子力顯微鏡等。緒 論 ( 3) 物理學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)革命的先導(dǎo) 熱力學(xué)的建立推動了蒸汽機(jī)實用技術(shù)的發(fā)展； 電磁學(xué)的建立使電氣時代到來 量子力學(xué)和相對論的建立，催生了核能技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、 激光技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)（）物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系：互相促進(jìn)、

4、共同發(fā)展 微積分、微分方程 力學(xué)、電磁學(xué) 非歐幾何(明可夫斯基空間、黎曼空間) 相對論 群論 對稱性研究 現(xiàn)代微分幾何 規(guī)范場 ( 5 ) 物理學(xué)是哲學(xué)和方法論的基礎(chǔ) 物理學(xué)每個新的概念和規(guī)律的確立，都是人類認(rèn)識史上的一個飛躍. 牛頓劃時代的名著叫自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 、牛頓顆粒學(xué)說和惠更斯波動學(xué)說發(fā)展為德布羅意關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性學(xué)說、愛因斯坦的相對論時空觀、普朗克的量子概念等, 都成為當(dāng)代哲學(xué)的認(rèn)識論基礎(chǔ).緒 論* 何謂“高新技術(shù)材料”?高深和遠(yuǎn)離日常生活經(jīng)驗時代性，社會性核技術(shù)(曼哈噸計劃)航天技術(shù)半導(dǎo)體微電子技術(shù)納米科技能源技術(shù) 生物技術(shù)等緒 論庫侖定律:(法國1785年)吉爾伯特 (英

5、國,1544年), 發(fā)現(xiàn)琥珀等物體經(jīng)摩擦,會吸引紙片等細(xì)小物體, 創(chuàng)造了名詞: 電 electricity 迪費(fèi)（法國,1734年）, 發(fā)現(xiàn)兩類性質(zhì)相反的“電”一類出現(xiàn)在玻璃、巖晶、寶石、獸毛、絨毛等物體上,另一類出現(xiàn)在琥珀、樹脂、絲、線、紙等物體上 緒 論二、 物理學(xué)與”高新技術(shù)材料”的關(guān)系以電磁現(xiàn)象的探索為例:法拉第(英國,1831年), 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第定律：麥克斯韋(英國,1864年), 集電磁現(xiàn)象研究之大成 - 電磁場理論 赫茲(德國,1887年),用實驗證實了電磁波緒 論1832年,皮西克(法國), 第一臺手搖直流發(fā)電機(jī)1834年,雅可比(德國物理學(xué)家), 第一臺船用直流電動

6、機(jī)1943-1910年,德波里(德國物理學(xué)家), 第一條57公里遠(yuǎn)距輸電線1878年后,愛迪生(美國)發(fā)明了電燈,電影,電子管等幾百項電子產(chǎn)品 1844年,亨利、莫爾斯(美國)發(fā)明了電報; 1922年,貝爾(美國)發(fā)明了電話 1894年,馬可尼(意大利)、波波夫(俄國)幾乎同時發(fā)明了無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)1925年,貝爾德(英國), 發(fā)明了第一臺電視機(jī)1945年,莫克來(美國), 制成了第一臺電子計算機(jī)在物理學(xué)諸多成就問世之后,電氣化時代到來催生了那個時代的高新技術(shù)高新技術(shù)推動社會生產(chǎn)力極大發(fā)展,又為物理學(xué)的深入研究奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)緒 論倫福德（1798年），從摩擦生熱發(fā)現(xiàn)熱質(zhì)說的謬誤巴本（

7、法國1679年,蒸煮器）紐可門（英國1705年）,瓦特（英國1765年）發(fā)明帶冷凝器的蒸汽機(jī) 卡若（法國1824年）理想熱機(jī)，卡若定理推動蒸汽機(jī)向高效和實用化方向發(fā)展對熱現(xiàn)象的研究始于溫度的測量伽利略第一支溫度計（空氣熱脹冷縮，且無刻度），華倫海（1714年，德國）水銀溫度計，鹽水冰點人體溫攝爾修斯（1742年，瑞典物理學(xué)家），冰點沸點布克萊（1760年，蘇格蘭化學(xué)家），發(fā)現(xiàn)潛熱隨后，熱質(zhì)說興起以熱現(xiàn)象的探索為例:緒 論邁爾（德國年），焦耳（英國年）熱力學(xué)第一定律電源R第一定律包含: （）內(nèi)能定義（） 熱量定義（）能量守恒第一類永動機(jī)不可能意義：認(rèn)識了熱能這種新的能量形式 以及它與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)

8、換的規(guī)律緒 論開爾文（德國1849年），克勞修斯（德國1850年）熱力學(xué)第二定律 開爾文表述 循環(huán)熱機(jī)不可能只從單一熱源吸熱使之完全變成功而不引起其它變化 克勞修斯表述 熱量不會從低溫物體自動傳向高溫物體而不引起其它變化第二類永動機(jī)不可能意義: 指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性緒 論在物理學(xué)諸多成就問世之后,機(jī)械化時代到來催生了那個時代的高新技術(shù)1769年,居紐(法國),第一輛蒸汽機(jī)汽車1796年,特里維西(英國),第一輛蒸汽機(jī)火車隨后, 英美法等國大興鐵路,使交通運(yùn)輸出現(xiàn)了翻天地復(fù)的變化1860年,勒努瓦(法國),第一臺煤氣內(nèi)燃機(jī)鉆井探油煉油等石油工業(yè)開始發(fā)展1880年,本茨(德

9、國),第一臺氣油點火內(nèi)燃機(jī)汽車汽車工業(yè)開始發(fā)展,隨后是現(xiàn)代造船業(yè),飛機(jī)制造業(yè)的興起緒 論量子理論的誕生相對論的誕生熱輻射實驗 邁克爾遜 - 莫雷實驗以近代物理學(xué)的出現(xiàn)為線索:1900年,物理學(xué) “燦爛天空中” 出現(xiàn)了兩朵小小的烏云緒 論頻率為 的諧振子只能取下列不連續(xù)能量：一個能量子的能量:熱輻射實驗緒 論實物粒子的波動性德布羅意(De.Broglie)假設(shè)：（1924年）一個能量為E、動量為P的粒子，從波動觀點看相當(dāng)于具有波長為、頻率為的波，這種波稱為物質(zhì)波。A.Einstein的光量子理論解釋了光電效應(yīng)A.H.Compton的X射線射光量子效應(yīng)緒 論隨后,波爾,德布羅意,海森伯等, 建立了

10、量子力學(xué). 半導(dǎo)體物理, 激光物理, 核物理邁克耳遜莫雷實驗 ( MichelsonMorly ) 所有慣性系在 力學(xué) 上等價 所有慣性系在 電磁學(xué) 上是否等價 ?1862年 麥克斯韋( Maxwell )建立統(tǒng)一電磁場理論 光是電磁波 麥克斯韋方程組不滿足伽利略相對性原理。 電磁波在真空中的傳播速度 c ，相對于什么參考系?以太假說: 以太參考系 ( 絕對參考系 ) ( 以太 假想傳播電磁波的彈性介質(zhì),充滿整個空間)若存在光速差 干涉條紋將移動實驗結(jié)果 不存在條紋移動 ( 宣布實驗 “失敗”)緒 論1905年 愛因斯坦( A.Einstein ) 提出二條狹義相對論的基本假設(shè):(1) 光速不

11、變原理: 在所有慣性系中,真空中的光速都相同(c)(2) 相對性原理: 在所有慣性系中,一切物理定律的形式都相同緒 論* 同時的相對性, 時間間隔的相對性 (時間延緩) 人類探索遙遠(yuǎn)太空的可能性 長度的相對性(長度縮短) 質(zhì)能關(guān)系* 化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量虧損比例約為十億分之一到一千億 分之一。 核反應(yīng)的比例約為一千到一萬分之一。 50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。* 引力大的地方時鐘走得慢 引力導(dǎo)致空間彎曲緒 論介子的壽命子在靜止參照系中的平均壽命為在大氣層上層產(chǎn)生的子, 速度0.998c。沒有相對論效應(yīng)，能運(yùn)動的距離實際上介子可穿越上萬米的大氣層到達(dá)地面。由狹義相對論，地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時鐘每天慢大約7微秒。 GPS衛(wèi)星距離地面約2萬千米。根據(jù)廣義相對