1、1 物理学与物质世界,一.物质世界,研究的对象十分广泛，从宇观、宏观、介观到微观，为人们描绘出一副五彩缤纷的图画,绪 论,物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科是自然科学的基础,空间尺度(相差10451046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)1020 m(夸克),时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期),速率范围 0(静止) - 3x108 m/s(光速),人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成 物理学上对应 粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构 但近来有消息称 quark 也可一分为二,
2、认识无止境,粒子种类 自由状态存在的: 452 种 如：规范玻色子 轻子 强子等,基本相互作用: 电磁 强 弱 引力,人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘 物理学上对应 天体物理学,宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀 宇宙半径增大 宇宙密度降低 温度降低,宇宙有限又无边!, 粒子物理学(微观理论) 标准模型 认定基本粒子 揭示物质的组成 高能物理实验(实验手段) 发展加速器取得实验数据 验证微观理论, 天体物理学(宇观理论) 标准宇宙模型分析宇宙的起源 大爆炸宇宙学,二.关于两个前沿的基本理论,目前天体物理理论和粒子物理理论已成为 密不可分的姊妹学科,物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支宇
3、宙学和粒子物理学奇妙地衔接在一起,弱相互作用中的手征性和天体运动的同向性都起源于宇宙的初始,三.物理学使人们深入认识世界,场论给出最新认识每种粒子对应一种场场有不同能量状态,场与粒子是统一体的两种表现形式, 基本相互作用 粒子间的相互作用来自场之间的相互作用 场之间的相互作用是粒子转化的原因,物质存在的基本形式 中学时已有 粒子和场 的认识, 物质的凝聚状态 凝聚态(固、液) 气态 等离子体 致密态 恒星晚年 白矮星 中子星 黑洞,美国航空航天局的钱德拉X-射线望远镜测得的黑洞吞噬恒星附近气体的情况,气体被中子星吸入时释放出灼热能量,气体穿越黑洞发出的X射线信号比穿越中子星时要弱100倍,逆时
4、针,演绎法推理 演算归纳法假设 模型定性和半定量,直觉 想象力 洞察力,2 物理学与科学思维,一.物理学的研究方法,物理学家的1/3 激奋在于 建立理论1/3 激奋在于 证实理论1/3 激奋在于 突破理论爱因斯坦是典范 -最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事-,二.物理学家的科学态度,实验结果与已有理论不符合 预示着重大突破,令人兴奋,3 物理学与科学技术 物理学为其他学科创立技术和原理 重大新技术领域的创立总是经历 长期的物理酝酿如 微电子技术的发展 物理学满足人类所深刻认识到的最根本的 程度上了解自然界的需要 (美国物理学评 述委员会),卢瑟福 a 粒子散射实验(1909)核能利用(40年代
5、以后)爱因斯坦受激辐射理论(1917) 第一台激光器(1960) (物理) (技术)信息技术的发生和发展的硬件部分以物理学成果为基础 (技术) (物理) 量子力学 费米狄拉克统计 固体能带理论(20年代)(物理) 晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路 (70年代后期)(技术)微结构物理(物理),4 物理学与高素质人才,提高科学素质和能力以适应高新技术市场经济的发展,现代工业技术工程师类型工程科学家型革新发明家型现场工程专家型管理规划专家型,要求良好的科学素质!,物理学的思想和观点 如 建理想化模型从物理本质上提出和研究本专业问题创新能力在工程技术中引入物理学的新成果,物
6、理素质的表现,重视提高科学素质深厚的科学素养是发明创造的基础,如：扫描隧道显微镜 (STM)的发明 说明：深厚的科学素质的重要性,70年代 罗伯特.杨 制成场发射显微镜,1981年 宾尼和罗雷尔 应用隧道效应 改进了场发射显微镜 S T M,得益于深厚的科学素养,1986年诺贝尔物理学奖,经典量子,表面电流表面结构,狮子的能量必须满足,才能越过高墙,按经典的观点：,量子：同样用势能表示,狮子可能穿过势垒到左方,实际：,硅表面77重构图象,解决许多理论和实验上的疑难问题,用AFM得到的癌细胞的表面图象,基于STM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列原子力(AFM) 磁力 分子力显微镜 等等,1
7、994年中国科学院科学家“写”出的 平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米,操纵原子不是梦 “原子书法”,一氧化碳“分子人”“原子和分子的观察与操纵” - 白春礼,“扫描隧道绘画”,移动铁原子,我校大学生“挑战杯”全国一等奖获得者的实验结果,大学物理课的任务,把大学生领进物理学的各个领域的大门打开大门 并送一枚指南针 使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中汲取营养 茁壮成长,参考系问题，相互作用力与相互作用能问题，电磁感应问题，微观与宏观划分问题，等等,发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。 如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。 爱因斯坦,结束语,
