物理學(xué)是一門以實驗為本的自然科學(xué)自然科學(xué)的發(fā)展開始公開課一等獎優(yōu)質(zhì)課大賽微課獲獎?wù)n件

1、第1頁第2頁物理實驗方法的延伸第八講第3頁物理學(xué)是一門以試驗為本自然科學(xué)。自然科學(xué)發(fā)展開始于觀察，當人們不滿足于在自然條件下去觀察研究對象，要求對研究對象進行主動干預(yù)時，就要使用試驗方法?？茖W(xué)從觀察階段進入試驗階段是一個質(zhì)飛躍。尤其是在當代物理學(xué)研究中，物理學(xué)試驗方法不但促進了理論誕生，而且愈來愈成為當代物理學(xué)各分支領(lǐng)域研究主要工具。 4-3 物理試驗方法延伸第4頁總之，提供事實、驗證理論，測定常數(shù)，推廣應(yīng)用這四個方面基本上概括了試驗在物理學(xué)發(fā)展中作用。張文裕正如我國著名物理學(xué)家張文裕教授所指出：“科學(xué)試驗是科學(xué)理論源泉，是自然科學(xué)根本，也是工程技術(shù)基礎(chǔ)。”他還說：“基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、開發(fā)研

2、究和生產(chǎn)四方面要緊密結(jié)合在一起，必需有一條紅線，這條紅線就是科學(xué)試驗?！钡?頁伽利略提倡試驗理論相結(jié)合，用試驗來檢驗理論正確性，開創(chuàng)了以試驗為基礎(chǔ)含有嚴密邏輯理論體系近代科學(xué)，他進行一系列出色試驗，為物理學(xué)快速發(fā)展成為一門真正獨立科學(xué)作出了巨大貢獻。能夠說物理學(xué)是試驗方法發(fā)源地，伴伴隨物理學(xué)發(fā)展試驗方法內(nèi)容極其豐富多彩，技術(shù)精妙絕倫。因為物理學(xué)中試驗方法取得輝煌結(jié)果，今后，自然科學(xué)研究，逐步推廣了經(jīng)過專門設(shè)計科學(xué)試驗，以尋找科學(xué)規(guī)律，建立科學(xué)理論科學(xué)方法。同時，物理學(xué)試驗方法也在社會科學(xué)中延伸，發(fā)揮了巨大作用。第6頁4-3-1 物理試驗方法在生命科學(xué)中應(yīng)用十九世紀五十年代早期，英國物理學(xué)家克里

3、克和美國生物化學(xué)家華特生利用X光衍射試驗，對脫氧核糖核酸(DNA)分子進行分析。說明了存在于細胞核中DNA分子是染色體結(jié)構(gòu)主要組成部分，其基本空間結(jié)構(gòu)是雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)，以及它四種核苷酸中所含堿基配對規(guī)律，從而提出了生物遺傳內(nèi)部機制。第7頁在生物界，用動物來模擬人生理過程或病理過程，應(yīng)用就是物理模擬試驗。比如為了研究氣管炎發(fā)病自然條件，能夠?qū)⒑镒印⒋蟀资蟮仍囼瀯游镏糜跓熝?、低溫等條件下觀察其發(fā)病過程。為了考查尼古丁毒害，能夠?qū)⒛峁哦臒煵葜刑崛〕鰜?，注射到試驗動物體內(nèi)，觀察由此引發(fā)各種病理改變。用試驗動物作為人體生理模型和病理模型進行試驗，能夠到達比較大規(guī)模，而且能夠依據(jù)試驗需要不停重復(fù)和進行剖檢

4、。當代醫(yī)學(xué)總是首先在試驗動物即物理模型上進行大量工作，得到可靠結(jié)論，然后再應(yīng)用于臨床。第8頁光一直是人類認識和改造自然有力工具。20世紀60年代激光技術(shù)出現(xiàn)后，人類利用光本事到達了一個新高度。激光技術(shù)應(yīng)用歷史即使不長，然而效果也相當顯著，下面是激光技術(shù)在一些主要領(lǐng)域基本作用。第9頁(1) 工業(yè)材料加工。激光束經(jīng)聚焦后，在工作面上能夠形成直徑為10m1m光斑，加工點能夠取得極高能量密度，能夠?qū)^去難以處理硬度大、熔點高、脆性大材料進行打孔、切割、焊接等加工。比如激光能夠在1mm汽冷高溫反應(yīng)堆燃料顆粒上打出0.8mm孔。70年代，在工業(yè)許多領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了利用激光常規(guī)生產(chǎn)。第10頁(2) 農(nóng)牧業(yè)應(yīng)用

5、。用激光照射種子，農(nóng)作物不但對促進當代農(nóng)作物增產(chǎn)、早熱、誘變育成小麥、水稻、蔬菜等新品種或新品系方面取得了很多結(jié)果，有新品種還已大面積推廣，而且對提升農(nóng)畜精液品質(zhì)，提升母牛繁殖力，促進家禽胚胎發(fā)育，提升孵化率和成活率等方面也做出了許多成績。尤其值得提出是，近幾年來應(yīng)用激光束進行細胞融合、染色體切割、外源基因轉(zhuǎn)移等遺傳工程中取得了可喜進展。第11頁(3) 醫(yī)學(xué)治療。利用激光高溫高壓作業(yè)表現(xiàn)性能優(yōu)勢，可將二氧化碳激光用作手術(shù)刀，與普通手術(shù)刀相比含有自動止血，傷口基本無菌、感染率小等優(yōu)點。所以，在眼科、胸科、牙科、皮膚科、婦科等手術(shù)中都有廣泛應(yīng)用。第12頁(4) 光通訊。激光通訊含有容量大、保密性好

6、、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)點。1960年英國提出了用玻璃纖維進行遠距離光信息傳輸可能性，1970年美國康寧企業(yè)研制出衰減率低于20分貝/公里純二氧化硅光學(xué)纖維。同年，誕生了適合用于光纖通訊光源雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，由此使光纖通訊成為現(xiàn)實。第13頁(5) 全息攝影。普通攝影得到是平面象，因為感光膠片上統(tǒng)計只是物體輻射或反射光強度分布，而無法統(tǒng)計光位相信息。1947年，英國科學(xué)家蓋伯(D. Gabor)提出了統(tǒng)計光強度和位相從而得到物體三維立體像全息攝影理論。1961年10月，美國利恩(E.N. Leith)和烏帕特尼克斯(J.Upatnieks)利用激光拍攝到了第一張實用離軸全息圖，用激光參考

7、波照射時，實現(xiàn)了逼真三維物體像。20世紀70年代后，激光全息攝影開始走向?qū)嵱?。?4頁(6) 準直、測距和制導(dǎo)。許多工程都需要一條直線基準，利用激光良好方向性能夠制成準直儀。在調(diào)準了3km 長直線加速器時，總偏差不超出0.25mm。處用穩(wěn)頻激光作為長度標準，比用傳統(tǒng)光源星程長、亮度高、精度高，測量1m長度，精度可達10710 8m。因為這種優(yōu)良測距性能，加之激光抗干擾能力，配置激光制導(dǎo)系統(tǒng)炮彈和導(dǎo)彈，基本能夠百發(fā)百中。年7日美國又首次試飛了載有激光炮波音747-400型飛機，這種裝載著“激光炮”波音飛機，聽說可在1.2萬米高空巡查?！凹す馀凇鄙涑炭蛇_300-600公里，能擊毀被五角大數(shù)列入威脅

8、名單29種導(dǎo)彈中任何一個。第15頁因為科學(xué)發(fā)展，人們已經(jīng)認識到生命在地球上是由非生命物質(zhì)在適宜條件下，逐步發(fā)展演化來，生命是物質(zhì)一個運動形式。在地球上，由沒有生命無機物演化、發(fā)展成為含有生命特征蛋白質(zhì)，這個過程可分為三個階段：由無機物到有機物；由簡單有機物到生物大分子；由生物大分子到蛋白體出現(xiàn)。第16頁在地球形成早期，地面溫度很高，原始大氣和原始海洋中幾乎沒有氧，而含有一些象甲烷、氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、氮、氨、氫和水蒸氣等物質(zhì)。隕石及火山暴發(fā)也不停提供一些碳化物和其它物質(zhì)。這些物質(zhì)就是化學(xué)進化物質(zhì)條件。以后在太陽紫外光、電離輻射、閃電、火山、高溫、局部高壓等原因長久作用下，使這些物質(zhì)以及

9、從地球內(nèi)部沖出金屬碳化物相互作用，形成了大量氨基酸、核酸、單糖、腺三磷等各種各樣有機物，它們?nèi)芙庠诤Ｋ?，日久天長，不停積累，使海水成為富有有機物溶液。海水中這些有機物之間又不停發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐步由簡單有機物聚合成生物大分子蛋白質(zhì)和核酸等。第17頁1952年，米勒用甲烷、氨、氫和水汽混合成一個與原始地球大氣基本相同氣體，把它放進真空玻璃儀器中，并連續(xù)施行放電，以模擬原始大氣層閃電。結(jié)果只用了一星期時間，竟然在這種混合氣體中得到了五種組成蛋白質(zhì)重氨基酸。而在自然界，完成這種轉(zhuǎn)化需要很長年代。這表明這種物理試驗為碩士命起源開辟了一條新路徑。第18頁激光是20世紀60年代誕生新技術(shù)，它在工農(nóng)業(yè)及國防

10、中應(yīng)用歷史即使不長，然而效果已相當顯著，尤其值得提出是，近些年來，激光試驗技術(shù)在生命科學(xué)中也取得廣泛應(yīng)用。激光對微生物細胞生長、代謝、生理性能和遺傳特征等方面試驗研究，為工農(nóng)業(yè)微生物激光育種以及開抬遺傳育種新領(lǐng)域等提供了理論依據(jù)和實用技術(shù)。這將促進激光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等新興邊緣學(xué)科發(fā)展。第19頁4-3-2 物理試驗方法在其它學(xué)科應(yīng)用物理試驗方法思想和技術(shù)受到了其它學(xué)科高度贊賞和廣泛借鑒。甚至象數(shù)學(xué)這么純理論學(xué)科也建立起數(shù)學(xué)試驗室。象會計學(xué)這么屬于社會學(xué)學(xué)科也已經(jīng)有了會計試驗室。第20頁遙感試驗技術(shù)是近代研究地理學(xué)主要伎倆。利用遙感技術(shù)采集數(shù)據(jù)，能夠深入了解地球資源、自然災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境等方面情況

11、及動態(tài)改變，從而為國土整改、大型工程建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。第21頁穆斯堡爾效應(yīng)指是 射線無反沖發(fā)射和共振吸收效應(yīng)，是核物理學(xué)中一個特殊現(xiàn)象，是法國年輕物理學(xué)家穆斯堡爾于1958年發(fā)覺。穆斯堡爾穆斯堡爾效應(yīng)因為含有很高能量分辨率特點，其試驗方法被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、冶金、地質(zhì)考古、環(huán)境科學(xué)和材料學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。第22頁X射線衍射試驗方法用于胰島素氫原子結(jié)構(gòu)信息取得，標志著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)精化工作到達了一個新水平。等離子體物理試驗技術(shù)開創(chuàng)了離子注入水稻誘變育種新方法，為“設(shè)計育種”理想提供了可能路徑。第23頁掃錨隧道顯微試驗技術(shù)用于礦物學(xué)研究取得主要結(jié)果，圖象到達原子級分辨率。其分辯

12、率普通都到達60-70A，有高達30A，今天 已能在原子水平上直觀地研究物質(zhì)運動。量子化學(xué)、量子生物學(xué)是用物理學(xué)中量子論觀點和試驗方法研究化學(xué)、生物學(xué)中問題，取得突出成績。其試驗方法在免疫學(xué)、蛋白質(zhì)拆疊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，甚至在交通管理、股票市場預(yù)測等方面都有可觀用途。第24頁混沌理論和試驗方法用于醫(yī)療衛(wèi)生器械對治療癲癇病，實踐表明前景樂觀。伴隨試驗設(shè)計水平提升，試驗伎倆改進，試驗規(guī)模擴大，試驗技術(shù)精湛，試驗方法將對發(fā)展科學(xué)理論、推進社會發(fā)展起來越來越主要作用。第25頁4-4 熵概念建立和拓寬4-4-1 熵概念建立英國出色哲學(xué)家培根說過，一個人成功價值，并不在于他作出了一些令人驚異創(chuàng)造，而在于他在大自

13、然原野上燃起一點星火。培根這星火驟然燎原燃起炯炯火焰，照亮我們現(xiàn)成知識疆域遙遠邊緣。這火焰愈燒愈烈、越照越亮，傾刻間使自然界一切最幽邃秘密都大白于天下。而“熵”正是這么星星之火。第26頁它提出由經(jīng)驗方法開始，又經(jīng)過理性方法深化了它內(nèi)涵，最終在邏輯方法推進下它不停豐富和泛化，終于形成了燎原烈火。熵概念提出和發(fā)展處處表達了物理方法作用。（視頻文件見下頁)第27頁視頻播放熵物理意義 12 .6MB,17分35秒第28頁十八世紀，英國人瓦特兩次改進了蒸汽機，人類找到了把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能詳細方法，蒸汽機問世產(chǎn)生了人類社會第一次工業(yè)革命。但效率非常低，人們希望最大程度地提升熱機效率，但卻不知道熱機效率是否

14、有上限？同時也不了解到底提升效率關(guān)鍵問題在哪里？在研究蒸汽機效率過程中，卡諾提出了著名卡諾定理，它表明熱不能全部轉(zhuǎn)變成功。人們馬上發(fā)覺它與能量守恒定律存在矛盾。1. 熵概念建立歷史背景第29頁能量守恒定律和卡諾定理都是經(jīng)過觀察和試驗證實基本規(guī)律，二者差異說明了什么呢？是不是僅用能量一個概念不能完全描述狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程差異呢？這個矛盾處理，造成了熵這個新概念誕生。第30頁1850年，克勞修斯觀察了大量能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，如摩擦生熱、氣體膨脹與收縮、水流動等等后，他發(fā)覺自然界中各種正轉(zhuǎn)變(無需任何賠償能夠自行發(fā)生轉(zhuǎn)變)都是不可逆轉(zhuǎn)變，一切自發(fā)過程不可逆性不是過程本身屬性，而反應(yīng)了初始和末了兩態(tài)存在某種性質(zhì)上

15、。本質(zhì)差異，這種差異就是概率大小不一樣。也正是這一差異，決定了過程進行方向，為了定量描述這一性質(zhì)，需要引入新物理量熵(用S表示)。熵改變指明了自發(fā)過程進行方向，并給出了孤立系統(tǒng)到達平衡必要條件。克勞修斯從自發(fā)改變方向認識到不可逆改變方向。第31頁這是人類在認識自然改變方向上深入和飛躍。比如，(1) 孤立系統(tǒng)自發(fā)改變方向，從幾率小向幾率大過渡；(2) 孤立系統(tǒng)改變方向是由有序向無序過渡；(2) 孤立系統(tǒng)熵不降低。第32頁為了度量正、負轉(zhuǎn)變數(shù)量，為了度量不可逆性，克勞修斯經(jīng)過類比從“熱功當量”得到啟示：應(yīng)該找一個“轉(zhuǎn)變含量”，把不一樣形式轉(zhuǎn)變相互比較，從而使熱力學(xué)第二定律定量化。克勞修斯應(yīng)用數(shù)學(xué)方法得到一個數(shù)學(xué)表示式：(等號對應(yīng)可逆過程；不等號對應(yīng)不可逆過程)它說明孤立系統(tǒng)熵不降低。2. 熵定義：是系統(tǒng)態(tài)函數(shù)第33頁這就是著名克勞修斯不等式。其中Q/T是一個循環(huán)中全部熱變換等價量量度稱為熱溫比。這就是他所要找“轉(zhuǎn)變含量”。假如用dS表示這個量，對一個微小可逆過程就有：dS=dQ/T而兩態(tài)熵差可表為：第34頁即假如一個物體絕對溫度為T，加進熱量為dQ, 則熵增加為dS=dQ/T若ds0，則過程是可能屬自發(fā)過程。若ds E部D. E整 E部B第87頁4. 熵概念是誰引