1、您将一点一点地掀开物质您将一点一点地掀开物质世界神奇面纱世界神奇面纱欢迎欢迎1第1页物质世界与物理学物质世界与物理学(绪论绪论)1 物理学与物质世界物理学与物质世界物理学是探讨物质结构和运动基本规律学科物理学是探讨物质结构和运动基本规律学科 是自然科学基础是自然科学基础一一.物质世界物质世界研究对象十分广泛研究对象十分广泛 宇观宇观 宏观宏观 微观微观为人们描绘出一副五彩缤纷图画为人们描绘出一副五彩缤纷图画2第2页b空间尺度空间尺度(相差相差1010454510104646)101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年)(宇宙宇宙)101020 20 m m(夸克夸克)b时间尺度时
2、间尺度(相差相差10104545)10101818s 150s 150亿年亿年(宇宙年纪宇宙年纪)-10-10-27-27s s(硬硬 射线周期射线周期)b速率范围速率范围0 0(静止静止)-3x10-3x108 8 m/sm/s(光速光速)3第3页人们从自己向人们从自己向小尺度追问小尺度追问 以探索以探索物质组成物质组成 物理学上对应物理学上对应 粒子物理学粒子物理学当前物理学界公认组成物质最小单元是当前物理学界公认组成物质最小单元是夸克夸克 即认为即认为quarkquark没有内部结构没有内部结构 但最近有消息称但最近有消息称 quark quark 也也可一分为二可一分为二 说明说明认识
3、无止境认识无止境 物质世界总图象物质世界总图象4第4页 粒子种类粒子种类 自由状态存在自由状态存在:452:452 种种 其中其中 规范玻色子规范玻色子 4 4 种种 轻子轻子 12 12 种种 强子强子 436 436 种种基本相互作用基本相互作用:电磁电磁 强强 弱弱 引力引力 5第5页 人们从自己向人们从自己向大尺度追问以探索大尺度追问以探索宇宙奥秘宇宙奥秘 物理学上对应物理学上对应 天体物理学天体物理学宇宙是怎样运动呢？宇宙是怎样运动呢？进行绝热膨胀进行绝热膨胀 宇宙半径增大宇宙半径增大 宇宙密度降低宇宙密度降低 温度降低温度降低宇宙有限又无边宇宙有限又无边!有中心有中心?无中心无中心
4、?远离远离6第6页仙女座大星云仙女座大星云“物理学最大研究对象物理学最大研究对象”-”-陆陆 炎炎土土图图2 27第7页 粒子物理学粒子物理学(微观理论微观理论)标准模型标准模型 认定基本粒子认定基本粒子 揭示物质组成揭示物质组成 高能物理试验高能物理试验(试验伎俩试验伎俩)发展加速器取得试验数据发展加速器取得试验数据 验证微观理论验证微观理论 天体物理学天体物理学(宇观理论宇观理论)标准宇宙模型标准宇宙模型分析宇宙起源分析宇宙起源 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学二二.关于两个前沿基本理论关于两个前沿基本理论8第8页 当前天体物理理论和粒子物理理论已成为当前天体物理理论和粒子物理理论已成为 密不可分
5、姊妹学科密不可分姊妹学科 标准宇宙模型给出宇宙起源与基本粒子标准宇宙模型给出宇宙起源与基本粒子 标标准模型给出物质组成是一致准模型给出物质组成是一致 从而表达了物理学从而表达了物理学友好友好 完美和对称完美和对称从遥远过去宇宙产生于大爆炸从遥远过去宇宙产生于大爆炸 绝热膨胀至今绝热膨胀至今我们生活在这么世界中我们生活在这么世界中 人们从自己开始人们从自己开始 经过各种试验伎俩经过各种试验伎俩(比如加速器比如加速器)把物质打开把物质打开 探索内部由来探索内部由来9第9页标准宇宙模型给出宇宙生成发展标准宇宙模型给出宇宙生成发展人类经过试验认识物质组成历程人类经过试验认识物质组成历程依靠高能粒子加速
6、器发展依靠高能粒子加速器发展依靠高能粒子加速器发展依靠高能粒子加速器发展10第10页11第11页三三.物理学使人们深入认识世界物理学使人们深入认识世界 物质存在基本形式物质存在基本形式中课时已经有中课时已经有 粒子和场粒子和场 认识认识场论给出最新认识场论给出最新认识每种粒子对应一个场每种粒子对应一个场场场有不一样能量状态有不一样能量状态场与粒子是统一体两场与粒子是统一体两种表现形式种表现形式n e p 对应场对应场 均处于基态均处于基态 真空真空 p e对应场对应场处于激发态处于激发态出现对应粒子出现对应粒子12第12页 基本基本相互作用相互作用 粒子是场激发态形式粒子是场激发态形式所以粒子
7、间相互作用来自场之间相互作用所以粒子间相互作用来自场之间相互作用 场之间相互作用是粒子转化原因场之间相互作用是粒子转化原因 物质凝聚状态物质凝聚状态凝聚态凝聚态(固、液固、液)气态气态 等离子体等离子体致密态致密态恒星晚年恒星晚年 白矮星白矮星 中子星中子星 黑洞黑洞 13第13页提出命题提出命题修改理论修改理论推测答案推测答案理论预言理论预言试验检验试验检验应应 用用b演绎法演绎法推理推理 演算演算b归纳法归纳法假设假设 模型模型b定性和半定量定性和半定量直觉直觉 想象力想象力 洞察力洞察力2 2 物理学与科学思维物理学与科学思维一一.物理学研究方法物理学研究方法14第14页物理学家物理学家
8、1/3 1/3 激奋在于激奋在于 建立理论建立理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 证实理论证实理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 突破理论突破理论爱因斯坦是典范爱因斯坦是典范 -最令人诧异是没有出现令人诧异事最令人诧异是没有出现令人诧异事-二二.物理学家科学态度物理学家科学态度试验结果与已经有理论不符合试验结果与已经有理论不符合 预示着重大突破预示着重大突破令人令人兴奋兴奋15第15页3 物理学与科学技术物理学与科学技术 物理学为其它学科创建技术和原理物理学为其它学科创建技术和原理 重大新技术领域创建总是经历重大新技术领域创建总是经历 长久物理酝酿长久物理酝酿如如 微电子技术发展微电子技术
9、发展 物理学满足人类所深刻认识到最根本物理学满足人类所深刻认识到最根本 程度上了解自然界需要程度上了解自然界需要 (美国物理学评美国物理学评 述委员会述委员会)16第16页卢瑟福 a 粒子散射试验(1909)核能利用(40年代以后)爱因斯坦受激辐射理论(1917)第一台激光器(1960)(物理)(技术)信息技术发生和发展硬件部分以物理学结果为基础 (技术)(物理)量子力学 费米狄拉克统计 固体能带理论(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)17第17页4 4 物理学与高素质人才物理学与高素质人才h提升科学素质和能力以适应
10、高新技术提升科学素质和能力以适应高新技术h市场经济发展市场经济发展b当代工业技术工程师类型当代工业技术工程师类型i工程科学家型工程科学家型i革新创造家型革新创造家型i现场工程教授型现场工程教授型i管理规划教授型管理规划教授型要求良好科学素质要求良好科学素质!18第18页5物理学思想和观点物理学思想和观点 如如 建理想化模型建理想化模型5从物理本质上提出和研究本专业问题从物理本质上提出和研究本专业问题5创新能力创新能力t在工程技术中引入物理学新结果在工程技术中引入物理学新结果物理素质表现物理素质表现 重视提升科学素质重视提升科学素质深厚科学素养是创造创造基础深厚科学素养是创造创造基础19第19页
11、如：扫描隧道显微镜如：扫描隧道显微镜 (STM)(STM)创造创造 说明：深厚科学素质主要性说明：深厚科学素质主要性 7070年代年代 罗伯特罗伯特.杨杨 制成场发射显微镜制成场发射显微镜19811981年年 宾尼和罗雷尔宾尼和罗雷尔 应用隧道效应应用隧道效应 改进了场发射显微镜改进了场发射显微镜 S T M S T M得益于深厚科学素养得益于深厚科学素养19861986年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖20第20页经典经典量子量子隧道隧道效应效应21第21页导体表面导体表面 自由自由电子电子探针探针 表面电流表面电流表面结构表面结构狮子能量必须满足狮子能量必须满足才能越过高墙才能越过高墙按经典
12、观点：按经典观点：量子：量子：一样用势能表示一样用势能表示狮子可能穿过狮子可能穿过势垒到左方势垒到左方实际：实际：势垒势垒22第22页 中国科学院化学研究所研制中国科学院化学研究所研制 CSTM-9000 CSTM-9000型扫描隧道显微镜型扫描隧道显微镜 “原子和分子观察与操纵原子和分子观察与操纵”-”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1 123第23页 硅表面硅表面7 7 7 7重构图象重构图象“原子和分子观察与操纵原子和分子观察与操纵”-”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图2 2处理许多理论和试验上疑难问题处理许多理论和试验上疑难问题24第24页 用用AFMAFM得到癌细胞表面图象得到癌细胞
13、表面图象“原子和分子观察与操纵原子和分子观察与操纵”-”-白春礼白春礼 P.98 P.98 图图 4-8 4-8基于基于STMSTM工作原理或扫描成像方法派生显微镜系列工作原理或扫描成像方法派生显微镜系列原子力原子力(AFM)(AFM)磁力磁力 分子力显微镜分子力显微镜 等等等等25第25页 1994 1994年中国科学院科学家年中国科学院科学家“写写”出出 平均每个字面积仅百万分之一平方厘米平均每个字面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子观察与操纵原子和分子观察与操纵”-”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1313操纵原子不是梦操纵原子不是梦“原子书法原子书法”26第26页 一氧化碳一氧化碳“分
14、子人分子人”“原子和分子观察与操纵原子和分子观察与操纵”-”-白春礼白春礼 P.151 P.151 图图7-87-8“扫描隧道绘画扫描隧道绘画”27第27页移动铁原子移动铁原子28第28页大学物理课任务大学物理课任务把大学生领进物理学各个领域大门把大学生领进物理学各个领域大门打开大门打开大门 并送一枚指南针并送一枚指南针 使之能在物理学展示五彩缤纷世界中使之能在物理学展示五彩缤纷世界中汲取营养汲取营养 茁壮成长茁壮成长29第29页h“大学物理学大学物理学”一套四册，张三慧主编一套四册，张三慧主编h“普通物理学辅导与答疑普通物理学辅导与答疑”一套三册一套三册h“新概念物理教程新概念物理教程”力学
15、，赵凯华，罗蔚茵力学，赵凯华，罗蔚茵h“基础物理学基础物理学”上下册，陆果上下册，陆果h“物理学教程物理学教程”一套七册，夏学江，史斌星主编一套七册，夏学江，史斌星主编h“伯克利物理学教程伯克利物理学教程”一套五册一套五册参参 考考 书书30第30页 发展独立思索和独立创新普通能力，应发展独立思索和独立创新普通能力，应当一直放在首位，而不应该把知识放在首位。当一直放在首位，而不应该把知识放在首位。假如一个人掌握了他学科基础理论，假如一个人掌握了他学科基础理论，而且学会了独立思索与工作，他必定会找到自而且学会了独立思索与工作，他必定会找到自己道路。己道路。爱因斯坦爱因斯坦结束语结束语31第31页不停地探索未知是物理学家一生不停地探索未知是物理学家一生作者：作者：刘凤英刘凤英陈惟蓉陈惟蓉制作：制作：刘凤英刘凤英秦联华秦联华清华大学出版社清华大学出版社98.1198.1132第32页
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