物質(zhì)世界市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

Chapter1Material

World物質(zhì)世界第1頁Introduction

從物質(zhì)存在形式、形態(tài)、空間尺度、時間尺度以及物質(zhì)間相互作用描繪物質(zhì)世界基本輪廓。物質(zhì)世界第2頁2.物質(zhì)存在形式1.

物質(zhì)與物體§1.1

物質(zhì)世界大觀物質(zhì)：可獨立存在客體。物體：物質(zhì)表現(xiàn)形式。

實物場電磁場引力場規(guī)范場抽象化概念與詳細(xì)化概念。例：鋁鋁壺物質(zhì)基本屬性：

質(zhì)量能量物質(zhì)世界第3頁

實物占有一定體積，以空間間斷形式存在。場沒有確定體積，以連續(xù)形式存在于空間中，且含有疊加性。如電場、磁場、引力場等。實物與場Relation

(1)場是實物相互作用媒介(2)場與實物之間可相互轉(zhuǎn)化(3)場和實物含有波粒二象性例：電磁作用，引力作用正負(fù)電子碰撞湮滅產(chǎn)生電磁波光電效應(yīng)，電子衍射物質(zhì)世界第4頁3.物質(zhì)形態(tài)(1)分布方式不一樣(2)

運動屬性不一樣(1)固態(tài)Distinguish

基本形態(tài)(2)液態(tài)(3)氣態(tài)(4)等離子態(tài)實物：占有一定體積不可占有同一空間可被加速場：無確定體積，可疊加不能加速物態(tài)：物態(tài)是物質(zhì)聚集狀態(tài)簡稱，當(dāng)大量微觀粒子在一定溫度及壓強(qiáng)下聚集成一個穩(wěn)定狀態(tài)時，稱為一個物態(tài)。物質(zhì)世界第5頁(1)整體呈準(zhǔn)電中性(2)

集體效應(yīng)起主要作用

電弧關(guān)于等離子態(tài)

例：太陽霓虹燈白矮星原指物質(zhì)在高溫或場作用下電離后形成由等量正負(fù)離子組成一個聚合態(tài)。等離子態(tài)：氣態(tài)星云物質(zhì)世界第6頁Readingmaterial

等離子體1876年，英國物理學(xué)家克魯克斯研究了真空管中放電現(xiàn)象，極有興趣指出，這種現(xiàn)象在物理學(xué)中展現(xiàn)出一個新領(lǐng)域，放電物質(zhì)形態(tài)類似于氣體，但卻含有極高溫度和良好電磁性能，他認(rèn)為，物質(zhì)除了以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)形式存在之外，真空放電管中物質(zhì)當(dāng)屬物質(zhì)第四態(tài)了。1928年，朗繆爾在一篇題為“電離氣體中振蕩”一文中，給電離態(tài)這種物質(zhì)取名叫Plasma，漢字譯作等離子體。其經(jīng)典含義是指含有等量異性電荷電離了氣體。在地球上，天然等離子是非常少，這是因為等離子體存在條件和人類生存條件是不相容。然而，在茫茫宇宙中幾乎99%物質(zhì)都是等離子體，太陽和全部恒星、星云幾乎都是等離子體。物質(zhì)世界第7頁當(dāng)然，在地球上，我們依然能觀察到與等離子體相關(guān)一些自然現(xiàn)象，在夏季，當(dāng)暴風(fēng)雨降臨之際，我們經(jīng)常能觀察到電閃雷鳴，這實際上就是云層受某種激發(fā)所產(chǎn)生一個等離子表達(dá)象。在地球上空約50公里到幾萬公里高空存在一層等離子體，我們叫電離層。人造等離子體更是隨地可見，霓虹燈、電弧、日光燈內(nèi)發(fā)光物質(zhì)都是等離子體，還有，火箭發(fā)射時從尾部噴出火焰、原子彈爆炸時形成火球也都是等離子體。應(yīng)該指出，通常氣體可能會有電子和正離子，但它不是等離子體，不要認(rèn)為氣體被電離后必定就是等離子體，只有電離產(chǎn)生電子和正離子數(shù)目到達(dá)足夠大而且在宏觀上依然保持電中性時才可稱得上等離子體。等離子體在物理性質(zhì)上和高溫氣體有著顯著區(qū)分，等離子體因為含有大量電子和正離子而成為良好導(dǎo)體，宏觀電磁場對它有顯著影響，高溫氣體是絕緣體，它對電磁場幾乎沒有什么反應(yīng)。物質(zhì)世界第8頁等離子體會產(chǎn)生一系列以集體效應(yīng)為特征物理效應(yīng)，在等離子內(nèi)部會產(chǎn)生電子集體振蕩，磁場在等離子體內(nèi)部不會產(chǎn)生改變，磁感應(yīng)線似乎被“凍結(jié)”起來，由此會對外界磁場產(chǎn)生磁壓效應(yīng)等。伴隨對等離子體特征認(rèn)識和研究不停深入，等離子體技術(shù)在各領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)取得了一系列主要應(yīng)用。利用等離子體磁約束效應(yīng)可實現(xiàn)人工控制條件下核聚變反應(yīng)，利用等離子體熱溫效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)含有精細(xì)顆粒表面等離子體噴涂。可能，你已經(jīng)聽說過等離子體發(fā)射光譜儀、磁流發(fā)電機(jī)了，這都是等離體技術(shù)應(yīng)用實例。物質(zhì)世界第9頁其它形態(tài)(1)結(jié)晶態(tài)(2)非晶態(tài)(3)液晶態(tài)(4)超導(dǎo)態(tài)(5)超流態(tài)(6)超固態(tài)

物態(tài)在一定條件下是能夠相互轉(zhuǎn)化，影響物態(tài)兩個主要原因是溫度和壓強(qiáng)。分子規(guī)則、對稱、周期性排列分子無規(guī)則、對稱排列兼有液體和光學(xué)晶體性質(zhì)電阻率為零粘滯系數(shù)為零質(zhì)量密度極大食鹽瀝青顯示器超導(dǎo)體水銀珠白矮星物質(zhì)世界第10頁空間尺度4.物質(zhì)世界層次性結(jié)構(gòu)(1)宏觀系統(tǒng)(2)介觀系統(tǒng)(3)微觀系統(tǒng)(4)宇觀系統(tǒng)人體尺度（m)附近幾個數(shù)量級物質(zhì)系統(tǒng)。納米（nm)尺度物質(zhì)系統(tǒng)。納米尺度以下更小物質(zhì)系統(tǒng)。天體、星系和宇宙系統(tǒng)。物質(zhì)世界第11頁物質(zhì)世界第12頁E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小細(xì)胞原子原子核基本粒子DNA長度星系團(tuán)銀河系最近恒星距離太陽系太陽山哈勃半徑超星系團(tuán)人蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸層次宇觀宏觀介觀微觀物質(zhì)世界第13頁時間尺度任何物質(zhì)都處于運動改變之中，只能以某一個固定形態(tài)存在一定時間，這個時間稱為物質(zhì)存活壽命，壽命結(jié)束意味這物質(zhì)存在形態(tài)發(fā)生了改變。存活壽命存活壽命揭示了物質(zhì)由起源到滅亡演化過程例：z0

粒子10-25s宇宙壽命1018s物質(zhì)世界第14頁物質(zhì)世界第15頁宇宙大爆炸Readingmaterial

我們居住地球，只不過是宇宙之中滄海一粟，宇宙到底有多大？宇宙之外是什么？宇宙是怎樣產(chǎn)生？宇宙未來怎樣呢？都是人們多年來一直在追尋問題。其它問題暫且不談，關(guān)于宇宙起源，較為認(rèn)可是宇宙大爆炸理論。20世紀(jì)之初，斯里夫爾（VSlipher）在勞威爾天文臺研究星系光譜時，發(fā)覺整個光譜結(jié)構(gòu)向著光譜紅色一端偏移紅移現(xiàn)象，由此斷定，絕大多數(shù)星系正以不一樣速度悄悄離我們而去，這實際上顯示了一幅宇宙正在膨脹圖景。宇宙膨脹圖景能夠用一個簡單類比來描述。當(dāng)手榴彈在空中爆炸后，不一樣碎片能夠以不一樣速度向各方向飛散，莫非星系就是宇宙爆炸后飛散物質(zhì)碎片嗎？物質(zhì)世界第16頁

1964年，彭齊亞斯和威爾孫在貝爾試驗室接收到來自于宇宙微波噪音，指出這可能就是大爆炸遺址而稱之為“宇宙背景輻射”。巧合是，1981年1月，美國發(fā)射了一顆專門宇宙背景輻射探測器，它發(fā)回結(jié)果和伽莫夫依據(jù)宇宙大爆炸假設(shè)所預(yù)言結(jié)果竟驚人相同。其實，早在1927年，比利時數(shù)學(xué)家勒默爾就提出了宇宙大爆炸理論，他說宇宙最初是個致密宇宙蛋，它爆炸產(chǎn)生了今天宇宙。1942年，美籍俄人科學(xué)家把這一概念詳細(xì)化。宇宙爆炸后早期，其溫度極高，密度極大，時間從爆炸開始，空間從爆炸擴(kuò)漲，半個小時之后一次暴漲，數(shù)目驚人粒子，諸如中子、質(zhì)子、電子、光子等逐步產(chǎn)生了。伴隨宇宙膨脹，溫度急劇降低，大約經(jīng)過100萬年，溫度降至3000K左右，質(zhì)子和中子結(jié)合成了原子核，原子核和電子復(fù)合成電中性原子或分子，光子在原子形成過程從中退移，宇宙變了透明。又大約經(jīng)歷了100多億年慢長時期，伴隨溫度深入下降，分子和原子形成了宇宙間物質(zhì)世界第17頁氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐步凝結(jié)成星云，各種各樣星系、恒星開始形成，我們銀河系也從此誕生了。宇宙未來怎樣呢？是繼續(xù)像現(xiàn)今這么永遠(yuǎn)膨脹下去，還是有一天會收縮？宇宙之外是黑暗虛無空間，還是無法想象東西？都待于深入研究和觀察。右圖為威爾金森微波各向異性檢測衛(wèi)星測試宇宙微波背景輻射，2月12日，美國宇航局公布了（WMAP）確定宇宙“嬰兒期照片”。物質(zhì)世界第18頁§2.2

物質(zhì)間相互作用1.

四種基本作用(1)

電磁相互作用(2)

引力相互作用(3)

強(qiáng)相互作用(4)弱相互作用例：電荷,電流重力核力粒子衰變光子光子引力子引力子介子介子玻色子玻色子Note:電磁力和引力為長程力，強(qiáng)相互作用和弱相互作用為短程力。？2.

質(zhì)量與能量

大量事實表明，物質(zhì)內(nèi)不但蘊藏一定內(nèi)能，而且能夠釋放。物質(zhì)世界第19頁愛因斯坦在研究物質(zhì)能量時得出結(jié)論：一定質(zhì)量對應(yīng)一定能量(1)

相對論質(zhì)量經(jīng)典理論：

假如m常量，將悖于光速極限理論。

由動量守恒原理可證實：當(dāng)v

<<c

時，

m=m0（2）當(dāng)v

c時，

Note:

按此式可知，光子靜止質(zhì)量為零。物質(zhì)世界第20頁(2)

質(zhì)能關(guān)系按動能定理有：由：得：微分：點積（標(biāo)積）?

物質(zhì)世界第21頁(1)注意相對論動能與經(jīng)典力學(xué)動能討論（2）當(dāng)v

<<c

時，因：退化到經(jīng)典動能靜止能量：運動過程總能量：物質(zhì)世界第22頁(3)質(zhì)量是能量量度。(4)質(zhì)量改變必定引發(fā)能量改變，且：例：原子躍遷輻射產(chǎn)生電磁波能量為：求該電磁波對應(yīng)動量與質(zhì)量是多少？解：首先分析能量與動量關(guān)系兩邊乘以c

4對光子：物質(zhì)世界第23頁從力對物體做功性質(zhì)考慮3.保守力與勢能(1)保守力(2)非保守力保守力：做功與路徑無關(guān)非保守力：做功與路徑相關(guān)萬有引力靜電力摩擦力磁場力例：萬有引力功

元功為：Mabm保守力物質(zhì)世界第24頁Mab總功為：結(jié)論:萬有引力功與路徑無關(guān)，是保守力。假如從數(shù)學(xué)角度定義保守力，則因：L2L1ab結(jié)論:做功與路徑無關(guān)物質(zhì)世界第25頁保守力勢能保守力做功與路徑無關(guān)，依據(jù)功效原理，可定義一個僅由系統(tǒng)位置決定能量—勢能，其改變量可用保守力做功多少來量度。定義：?。簞t

：零勢點無窮遠(yuǎn)點，有限遠(yuǎn)點地球物體在某點勢能等于物體從該點沿任意路徑移至零勢點時保守力所做功。物質(zhì)世界第26頁保守力與勢能微分關(guān)系由：因：所以，勢能微分存在

：當(dāng)有：物質(zhì)世界第27頁關(guān)于勢能梯度以勢能為例，顯然，物理上，慣用梯度概念反應(yīng)某一物理量沿某一特定方向（梯度方向）改變快慢程度。勢能沿x、y、z方向改變率勢能沿某方向改變率該方向沿保守力反向，垂直于等勢面，這就是勢能梯度方向。Fn物質(zhì)世界第28頁

為了簡練表示保守力與勢能微分關(guān)系，引入梯度算符：運算符號，表示進(jìn)行某種特殊函數(shù)運算，當(dāng)函數(shù)作用在算符上，才能表達(dá)其完整意義。Fn定義勢能梯度：則有：在相臨兩等勢面間l結(jié)論:勢能梯度方向表示勢能增加最快方向。物質(zhì)世界第29頁View

世界以物質(zhì)而存在。自然界中物質(zhì)形態(tài)各異、形式多樣、由小至大、由大至小、有瞬間消失，有存活久遠(yuǎn)，