物質(zhì)世界與物理學(xué)-緒論

1、您將一點(diǎn)一點(diǎn)地掀開物質(zhì)世界的神奇的面紗,歡迎,1,§1 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 是自然科學(xué)的基礎(chǔ),一.物質(zhì)世界,研究的對象十分廣泛 宇觀 宏觀 微觀,為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫,2,空間尺度(相差1045－1046)1026 m(約150億光年)(宇宙)－10－20 m(夸克),時(shí)間尺度(相差1045)1018s 150億年(宇宙年齡)-10

2、-27s(硬 ?射線周期),速率范圍0(靜止) - 3x108 m/s(光速),3,人們從自己向小尺度追問 以探索物質(zhì)的組成 物理學(xué)上對應(yīng) 粒子物理學(xué)目前物理學(xué)界公認(rèn)組成物質(zhì)的最小單元是夸克 即認(rèn)為quark沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu) 但近來有消息稱 quark 也可一分為二 說明認(rèn)識(shí)無止境,4,粒子種類 自由狀態(tài)存在的: 452 種 其中

3、 規(guī)范玻色子 4 種 輕子 12 種 強(qiáng)子 436 種,,基本相互作用 : 電磁 強(qiáng) 弱 引力,5,人們從自己向大尺度追問以探索宇宙的奧秘 物理學(xué)上對應(yīng) 天體物理學(xué),宇宙是怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？進(jìn)行絕熱膨脹?? 宇宙半徑增大?? 宇宙密度降低?? 溫度降低,宇宙有限又無邊!,有中心?無中心?,遠(yuǎn)離,6,仙女座大星云,7,? 粒

4、子物理學(xué)(微觀理論) 標(biāo)準(zhǔn)模型 認(rèn)定基本粒子 揭示物質(zhì)的組成 高能物理實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)手段) 發(fā)展加速器取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 驗(yàn)證微觀理論,? 天體物理學(xué)(宇觀理論) 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型分析宇宙的起源 大爆炸宇宙學(xué),二.關(guān)于兩個(gè)前沿的基本理論,8,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 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

5、致的 從而體現(xiàn)了物理學(xué)的和諧 完美和對稱從遙遠(yuǎn)的過去宇宙產(chǎn)生于大爆炸 絕熱膨脹至今我們生活在這樣的世界中 人們從自己開始 通過各種實(shí)驗(yàn)手段(比如加速器)把物質(zhì)打開 探索內(nèi)部的由來,9,依靠高能粒子加速器的發(fā)展,10,11,三.物理學(xué)使人們深入認(rèn)識(shí)世界 ? 物質(zhì)存在的基本形式中學(xué)時(shí)已有 粒子和場 的認(rèn)識(shí),場論給出最新認(rèn)識(shí)每種粒子對應(yīng)一種場場有不同能量狀態(tài),場與粒子是統(tǒng)一體的兩種表現(xiàn)形式,12,? 基本相互作用

6、粒子是場的激發(fā)態(tài)形式因此粒子間的相互作用來自場之間的相互作用 場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)凝聚態(tài)(固、液) 氣態(tài) 等離子體致密態(tài)恒星晚年 白矮星 中子星 黑洞,13,演繹法－推理 演算歸納法－假設(shè) 模型定性和半定量,直覺 想象力 洞察力,§2 物理學(xué)與科學(xué)思維,一.物理學(xué)的研究方法,14,物理學(xué)家的1/3 激奮在于 建立理論1/3 激奮在于

7、 證實(shí)理論1/3 激奮在于 突破理論愛因斯坦是典范 --最令人驚訝的是沒有出現(xiàn)令人驚訝的事--,二.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 預(yù)示著重大突破,令人興奮,15,§3 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? 重大新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷 長期的物理醞釀如 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 程度上

8、了解自然界的需要 (美國物理學(xué)評 述委員會(huì)),16,盧瑟福 a 粒子散射實(shí)驗(yàn)(1909)－核能利用(40年代以后)愛因斯坦受激輻射理論(1917) －第一臺(tái)激光器(1960) (物理) (技術(shù))信息技術(shù)的發(fā)生和發(fā)展的硬件部分－以物理學(xué)成果為基礎(chǔ) (技術(shù)) (物理) 量子力學(xué) 費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì) 固體能帶理論(20年代)(物理

9、) －晶體管誕生(1947) 集成電路(1962) 大規(guī)模集成電路 (70年代后期)(技術(shù))－微結(jié)構(gòu)物理(物理),17,,§4 物理學(xué)與高素質(zhì)人才,提高科學(xué)素質(zhì)和能力以適應(yīng)高新技術(shù)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)工程師類型工程科學(xué)家型革新發(fā)明家型現(xiàn)場工程專家型管理規(guī)劃專家型,要求良好的科學(xué)素質(zhì)!,18,物理學(xué)的思想和觀點(diǎn) 如 建理想化模型從物理本質(zhì)上提出和研究本專業(yè)問題創(chuàng)新能力在工程技術(shù)中引入物

10、理學(xué)的新成果,物理素質(zhì)的表現(xiàn),重視提高科學(xué)素質(zhì)深厚的科學(xué)素養(yǎng)是發(fā)明創(chuàng)造的基礎(chǔ),19,如：掃描隧道顯微鏡 (STM)的發(fā)明 說明：深厚的科學(xué)素質(zhì)的重要性,70年代 羅伯特.楊 制成場發(fā)射顯微鏡,1981年 賓尼和羅雷爾 應(yīng)用隧道效應(yīng) 改進(jìn)了場發(fā)射顯微鏡 ? ? S T M,得益于深厚的科學(xué)素養(yǎng),1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),20,經(jīng)典量子,,,21,表面電流表面結(jié)構(gòu),,獅子的能量必須滿足

11、,才能越過高墻,按經(jīng)典的觀點(diǎn)：,,量子：同樣用勢能表示,獅子可能穿過勢壘到左方,實(shí)際：,,,22,中國科學(xué)院化學(xué)研究所研制的 CSTM-9000型掃描隧道顯微鏡 “原子和分子的觀察與操縱” -- 白春禮 插頁彩圖1,23,硅表面7?7重構(gòu)圖象 “原子和分子的觀察與操縱” -- 白春禮 插頁彩圖2,解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問題,24,用AFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象“原子和分子的觀察與操縱” -- 白春禮

12、 P.98 圖 4-8,基于STM工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列原子力(AFM) 磁力 分子力顯微鏡 等等,25,1994年中國科學(xué)院科學(xué)家“寫”出的 平均每個(gè)字的面積僅百萬分之一平方厘米“原子和分子的觀察與操縱” -- 白春禮 插頁彩圖13,操縱原子不是夢 “原子書法”,26,一氧化碳“分子人”“原子和分子的觀察與操縱” -- 白春禮 P.151 圖7-8,“掃描隧道繪畫”,27,移動(dòng)鐵原子,28

13、,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)域的大門打開大門 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汲取營養(yǎng) 茁壯成長,29,“大學(xué)物理學(xué)”一套四冊，張三慧主編“普通物理學(xué)輔導(dǎo)與答疑”一套三冊“新概念物理教程”力學(xué)，趙凱華，羅蔚茵“基礎(chǔ)物理學(xué)”上下冊，陸果“物理學(xué)教程”一套七冊，夏學(xué)江，史斌星主編“伯克利物理學(xué)教程”一套五冊,30,發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立創(chuàng)新的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把知