物理与技术.ppt

,中原工学院,物理与技术,物理学领域所包含的（空间）尺度，从最小的粒子的半径 m，直到目前可探测到的最远的类星体（quasar）的距离 m，跨越了32个数量级。,一 什么是物理学,物理学是一门基础科学，它研究组成自然界物质的物理性质、相互作用及运动规律。,,物理学研究的规律具有很大的基本性和普遍性，它的新概念、新理论、新思想、新方法已经广泛应用于科学技术的各个领域，并发挥了重要作用。物理学的一些新概念（比如场、熵等），甚至也为社会科学所引用，并产生了一定影响。,2、 物理学是自然科学的基础,（3）物理学的发展极大地促进了生物学的发展。,（2）物理学与化学本是唇齿相依、息息相关的。,（1）物理学与数学之间有深刻的内在联系。,（4）物理学为计算机科学的出现和发展奠定了理论基础。,物理学作为严格的、定量的学科，一直在自然科学的发展中发挥着及其重要的作用。它与数学、天文学、化学和生物学之间有密切的联系，它们之间相互作用，促进了物理学及其它学科的发展。,3 物理学为技术提供了理论依据,物理学不仅是自然科学的基础，而且是工程技术和社会文明的理论支柱。,基础科学促进了科学技术、社会进步和人类的发展．20世纪后半叶，科学的新发现和科技新发明的数量，已超过过去几个世纪的总和，特别是核物理更为典型，在与核物理学有关的核发现或理论突破中，已有４０余人次获得过诺贝尔奖，这是物理学其他分支学科从未有过的现象．２１世纪国家繁荣的程度取决于具有坚实理论基础、富于创新能力人才的数量。,工程技术的许多重大突破都与物理学的发展分不开。  （1） 17、18世纪，牛顿力学的建立和热力学的发展与机械工业革命；,（3） 20世纪以来，以相对论和量子论为基础的近代物理学的发展为技术进步不断开辟新的方向。,（2）19世纪，麦克斯韦电磁理论与工业电气化；,高新技术泛指：能源技术领域，材料技术领域，信息技术领域，生物技术领域，空间技术领域，海洋技术领域。,1999年在亚特兰大召开的第23届国际纯粹物理与应用物理联合会（IUPAP）代表大会，通过的决议《物理学对社会的重要性》指出： “物理学——研究物质、能量和它们的相互作用的学科，是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家都是重要的，这是因为：,物理学的发展成为科学技术和社会进步的巨大推动力。物理学的发展和技术的进步，深刻地改变了人类的物质生产和精神生活。,4 物理学对社会的影响,(1)物理学是一项激动人心的智力探险活动，它鼓舞着年轻人，并扩展着我们关于大自然知识的疆界。 (2)物理学发展着未来技术进步所需要的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转。 (3)物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用，提供所需要的训练有素的人才。 (4)物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家，以及其他物理科学和生物医学科学工作者的教育中，是一个重要组成部分。,(5)物理学扩展和提高我们对其他学科的理解，诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学以及天文学和宇宙学，这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。 (6)物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需要的基本知识，如计算机层析术（CT）、磁共振成像、正电子发射层析术、超声波成像和激光手术等，改善了我们的生活质量。 鉴于以上各项理由，物理学是每个进步社会的一个重要组成部分。”,物理学理论的形成和发展，是科学的思想与科学的方法论相结合的结果。,5 物理学是科学的世界观和方法论的基础,在物理学发展的进程中，每一个新的物理概念和物理规律的确立都是人类认识上的一次飞跃和对陈旧观念、意识的一次冲击，都是对陈旧传统观念束缚的突破。物理学的每一项重大发现都直接改变着人们的世界观。,物理学是理论与实验相结合的科学。物理学中很多重大的发现，重要原理的提出和发展都体现了实验与理论的辨证关系。,哥白尼,伽利略,牛顿,爱迪生,欧洲思想解放的潮流催生了许多顶天立地的科学巨匠， 物理领域的突破又推动了世界范围内的科技革命。,哥白尼（1473—1543），文艺复兴时期波兰著名的天文学家，太阳中心说的创始人，近代天文学的奠基者。　　 .,从哥白尼到伽利略,哥白尼的贡献及意义,哥白尼通过天文观察和数学计算创立了“日心说”，认为太阳位于宇宙的中心，地球和其他星球都围绕太阳运转。,1512年哥白尼迁到波兰的一个古代城堡——弗隆堡。在城堡的西北角，有一座箭楼。这座箭楼，就是举世闻名的天文学家哥白尼观察天文的天文台、天文学史上著名的“哥白尼塔”。无论盛夏或严冬，他用自制的、粗劣的仪器，不分昼夜地观察天文，完成了对天体的观测，写成了不朽的巨著《天体运行论》。,哥白尼塔,哥白尼的生活室,哥白尼,从哥白尼到伽利略,哥白尼的贡献及意义,青春应该是：一头醒智的狮，一团智慧的火！醒智的狮，为理性的美而吼；智慧的火，为理想的美而燃。 ——哥白尼,哥白尼“日心说”的意义是,思考,改变了那个时代人类对宇宙的认识，根本上动摇了宗教神学的理论基础。,各国为纪念哥白尼而发行的邮票,从哥白尼到伽利略,哥白尼的贡献及意义,（部分）,伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。,伽利略出生于比萨一个没落贵族家庭。17岁进比萨大学学医，但他对物理和数学很有兴趣。他做了大量的实验和研究工作，首次用自制的天文望远镜细心地观察了天体，宣告了和哥白尼学说完全相符的结论。伽利略把他在望远镜中所观察到的壮丽景象，到处宣传，并用观察到的事实和力学原理作了严密的论证，进一步维护和发展了哥白尼的体系。教会向伽利略发出多次警告，但是他无视这一警告，发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的巨著，从实践和理论的高度批驳了地球中心说。伽利略的“异端”活动引起了教会的恐慌，罗马教皇向宗教裁判所带头提出控诉，于是这位体弱抱病的科学家被送进了监牢，遭到审讯，以至被终身软禁。软禁期间，他继续研究物理学，写出《关于两门新科学的谈话和数学证明》。,1609年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到月球表面凹凸不平，并绘制了第一幅月面图。,伽利略的折射式望远镜,伽利略的手稿,伽利略受审,人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。,由于他勇敢的宣传哥白尼的学说，1616年，被传唤到罗马的宗教裁判所，并责令伽利略保持沉默。伽利略发表《两种世界观的对话》一书，被教会认为违反了禁令被召到罗马囚禁受到缺席审判，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着忏悔，最后被判处终身监禁，他的书也被列为禁书。 1642年，伽利略在贫病交加中逝世，享年78岁。1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。,伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。,从哥白尼到伽利略,伽利略的贡献及意义,伽利略的折射式望远镜,1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。,伽利略所做的两个铁球同时落地实验：,从哥白尼到伽利略,伽利略的贡献及意义,人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义。 　　 ——爱因斯坦《物理学的进化》,伽利略的杰出成就为牛顿经典力学的创立奠定了基础。,牛顿出生于英国的林肯郡，1665年毕业于著名的剑桥大学三一学院，获得学士学位。三年后又获得文学硕士学位。牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，授予爵士称号。,牛顿（ 1642—1727）,二、牛顿的经典力学,牛顿是生活在地球上的影响最大的科学家之一。他是遗腹子，生于伽利略逝世的那一天。牛顿的背景为天才如何能在逆境中出人头地提供了一个客观范例。牛顿少年时代即表现出手工制作精巧机械的才能。虽然他是个聪明伶俐的孩子，但并未引起他的老师们的注意。他在学校的成绩不好，他体弱多病，性格腼腆。学习成绩是班上倒数几名，还经常受顽皮学生的欺侮。直到有一次跟同学打架。据说那个男孩在牛顿的肚于上踹了一脚，于是牛顿把他狠狠地揍了一顿，并把他的鼻于摁在教堂的墙上蹭来蹭去。从此之后，牛顿便开始在班里崭露头角，尤其在制作模型上表现出心灵手巧 .成年时，母亲令其退学，因为希望儿子成为一名出色的农夫。十分幸运的是他的主要天赋不满足于他在农业方面发挥。他被证明不是一个好农夫，干活漫不经心，而且脾气急躁。于是他又被送回学校， 18岁那年他进入了剑桥大学，极快地通晓了当时已知的自然与数学知识，之后转入个人的专门研究。,牛顿（1642-1727） 著作：《自然哲学的数学原理》 （1687）他提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律，创建牛顿力学体系。,《自然哲学的数学原理》,1687年，牛顿出版了力学经典著作《自然哲学的数学原理》，建立起了完整的力学理论体系，实现了物理学史上的第一次大飞跃。,牛顿的经典力学,牛顿的贡献及意义,剑桥大学牛顿数学桥,数学桥又称牛顿桥，是位于剑桥大学内的一座木桥。相传，这座桥是牛顿运用数学和力学原理设计建造的，整座桥上没有使用一根钉子，堪称是个奇迹。后来，好奇的学生把它拆下来，想看个究竟。谁知拆下容易，恢复难！无论他们用什么方法，就是恢复不了原样，连校方也无能为力。最后，不得不用钉子固定，才重新将木桥架起来。,牛顿的经典力学,牛顿的贡献及意义,海王星,牛顿的经典力学,牛顿的贡献及意义,海王星的发现是证明牛顿力学和万有引力定律有效性的最成功范例。,牛顿力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及与 之相关的工程技术的理论基础。,,我的成就当归于精力的思索。,胜利者往往是从坚持最后五分钟的时间中得来成功。,聪明人之所以不会成功，是由于他们缺乏坚韧的毅力。,你该将名誉作为你最高人格的标志。,牛顿名言,牛顿的经典力学,牛顿的贡献及意义,,1、在光学方面，牛顿发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。 2、在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律 3、在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。 4、在天文学领域，他在1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。,,詹姆斯·瓦特（1736—1819）是英国著名的发明家，是工业革命时的重要人物。,瓦特与蒸汽机,瓦特改良的蒸气机模型,瓦特的贡献及意义,陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的世界上第一台蒸汽机，其许多主体部件都是用木头制造的。,瓦特与蒸汽机,瓦特的贡献及意义,瓦特的蒸汽机是科学史上划时代的成就，蒸汽机大大促进了机器的运用和工厂的生产，使工业技术的变革出现了新的飞跃。,1807年，这艘汽船在内河试航成功，揭开了水上交通运输工具的新篇章。航行时蒸汽机推动船两侧的明轮，所以这种船就被称为轮船。,“克莱蒙特”号蒸汽船,瓦特与蒸汽机,瓦特的贡献及意义,1814年，英国人史蒂芬孙发明了第一台蒸汽机车，这台机车在前进时不断从烟囱里冒出火来，因此被称为“火车”。火车的发明，使陆上交通工具得到突飞猛进的发展。,瓦特与蒸汽机,瓦特的贡献及意义,1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的 磁效应，人们就开始了其逆效应的研究。,英国实验物理学家法拉第于1821年重复了奥斯特和安培的实验，并对磁铁的一极绕载流导线旋转进行了研究。,1824年，法拉第就提出了“磁能否产生电”的想法。1831年8月，法拉第和美国物理学家亨利各自独立地发现了电磁感应现象。,电磁感应定律的发现，不但找到了磁生电的规律，更重要的是它揭示了电和磁的联系，为电磁理论奠定了基础。并且开辟了人类使用电能的道路。成为电磁理论发展的第一个重要的里程碑。,经德国理论物理学家诺埃曼、英国物理学家麦克斯韦等人的工作，给出了电磁感应定律的数学表达式。,迈克尔·法拉第(Michael Faraday，1791-1867)，英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。,麦克斯韦(James Clerk Maxwel 1831～1879)英国物理学家． 最近，英国广播公司评选出了近一千年最伟大的十位思想家，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦榜上有名。,19世纪末是经典物理学向现代物理学转化的时期，麦克斯韦则是科学革命前的重要转折人物。一方面，他是近代物理学的巨匠、经典物理学大厦的主要完成者之一；另一方面，他由于加速了牛顿力学观的崩溃而成为现代物理学的先驱。麦克斯韦对科学的伟大贡献在于他提出和发展了新的世界观，为未来的科学研究指明了方向。他的电磁学理论通向相对论；他的气体动力学理论对量子论起过作用；他筹建并领导的卡文迪许实验室引导了实验原子物理学的发展。这一切使他成为牛顿之后、爱因斯坦之前最重要的物理学家。,爱迪生（1847—1931），美国著名发明大王，一生完成了2000多种发明。,爱迪生与电的应用,爱迪生的贡献及意义,爱迪生发明的电灯,从爱迪生16岁发明自动定时发报机算起，平均每12天半就有一项发明，其中包括电灯、留声机、发报机、电影、电车、蓄电池、打字机、水泥等。,I want to bring out the secrets of nature and apply them for the happiness of man. I don’t know of any better service to offer for the short time we are in the world. 我想揭示大自然的秘密并用来造福人类。我认为，在我们的短暂一生中，最好的贡献莫过于此了。 If you wish to succeed ，you should use persistence as your good friend， experience as your reference，prudence as your brother and hope as your sentry. 如果你希望成功，当以恒心为良友、以经验为参谋、以谨慎为兄弟、以希望为哨兵。 If you don't learn to think when you are young ， you may never learn. 如果你年轻时就没有学会思考，那么就永远学不会思考。,爱迪生与电的应用,爱迪生的贡献及意义,爱迪生的实验室 他的许多电器发明都是在这里诞生的。,爱迪生与电的应用,爱迪生的贡献及意义,,爱迪生的发明把人们带进了万家灯火、通讯便捷的新世界， 人们的生活从此更加丰富多彩。,意义：,19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。 过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。,经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物质为研究对象的，在这里，时间和空间被认为是绝对的，是与物质运动无关的因素。因此，一旦物理学研究的这种基础发生变化，如所研究的物质是以光速或接近光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。 相对论的两个基本原理是相对性原理和光速不变原理。在相对性原理中，爱因斯坦认为时间、运动、质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物体重量变大。,相对论的提出可以广泛地解释不同运动的物质，创立了一个全新的物理世界，极大地扩展了物理学应用的领域，也使人们对自然规律的探索从普通世界深入到广阔的宏观宇宙空间。 由于相对论的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。,阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955），1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。 爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。,作为科学家的爱因斯坦，他是窥见上帝秘密的人；作为思想家的爱因斯坦，他是窥见人间秘密的人。,有高度社会责任感的人，通常是具有良心的智识者。让我们轻轻地伸出我们的手，抚摸一下爱因斯坦的滚烫的良心：1939年8月2日，爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信给罗斯福总统建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹；后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修表匠！”爱因斯坦就核武器问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出的最强音。听爱因斯坦的自责之声，我们明白人类良知之宝贵,请记住爱因斯坦的话吧：“没有能独立思考和独立判断的有创造性的个人，社会的向上发展是不可想象的。”,名人传记,而且，就是这样一位光彩夺目的人物，在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉。想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理。数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。,和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。,在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。     “知识是死的；而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”,在２０世纪思想家的画廊中，爱因斯坦，就是公正、善良、真理的化身。他的品格与天地日月相争辉，他的科学贡献，人类将万世景仰。,爱因斯坦 （1879-1955） 1905-1915年 提出了相对论，发展了牛顿力学。,,普朗克（1858—1947）生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗 克家是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳，忠于职守，他的 业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登 山运动。,量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界。 量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。,尼尔斯·玻尔，物理学家，1885年10月７日出生于丹麦哥本哈根的一个知识分子家庭。他的父亲是丹麦皇家科学文学院的院士，是一位著名的生理学教授。玻尔自幼就受到家庭浓厚的科学、哲学、文学和艺术气氛的熏陶。 １９４３年，在纳粹占领下的丹麦，玻尔面临作为人质被逮捕的危险，便不得不逃离丹麦，经过瑞典转去英国和美国，而且马上参加了制造原子弹的工作。在原子弹尚未试验之前，玻尔就看到原子武器可能给人类文明带来的灾难。他指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的国家手中，这种能量就会保障世界的持久和平；如果它被滥用，就会导致文明的毁灭。,战后，玻尔回到饱经劫难的丹麦，他为恢复丹麦的科学研究努力工作，为全世界和平利用原子能进行呼吁，为促进各国科学之间的国际合作不断作出努力。他是目前欧洲最大规模的国际合作组织欧洲原子核研究中心的发起人之一。,谢谢大家！,