chap.3-物理科学9.10省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,3.1 物理学起源与发展,3.2 物质世界与原子结构,自然科学概论,Chap.3 物理学与物质世界,3.4 粒子物理,3.3 原子核与核能利用,第1页,3.1.1 物理学起源,1.公元前600年以前,公元前650-前550年，古希腊人发觉摩擦琥珀可使之吸引轻物体，发觉磁石吸铁。泰勒斯首先统计了这个现象。,自然科学概论,3.1 物理学起源与发展,第2页,2.公元前600-1年,公元前480-前380年间战国时期，墨经中记有经过对平面镜、凹面镜和凸面镜试验研究，发觉物像位置和大小与镜面曲率之间经验关系(中国墨子和墨子学派)。公元前480-前380年间战国时期，墨经中记载了杠杆平衡现象(中国墨子学派)。公元前480-前380年间战国时期，研究筑城防御之术，创造云梯(中国墨子学派)。公元前四世纪，柏拉图学派已认识到光直线传输和光反射时入射角等于反射角。公元前350年左右，认识到声音由空气运动产生，并发觉管长一倍，振动周期长一倍规律(古希腊亚里士多德)。,自然科学概论,第3页,公元前三世纪，试验发觉斜面、杠杆、滑轮规律以及浮力原理，奠定了静力学基础(古希腊阿基米德)。公元前三世纪，创造举水螺旋，至今仍见用于埃及(古希腊阿基米德)。公元前250年左右，战国末年韩非子有度篇中，有“先王立司南以端朝夕”记载，“司南”大约是古人用来识别南北器械(或为指南车,或为磁石指南勺)。论衡叙述司南形同水勺，磁勺柄自动指南，它是以后指南针创造先驱。,自然科学概论,第4页,公元前221年，秦始皇统一中国度、量、衡，其进位体制沿用到二十世纪。公元前二世纪，中国西汉记载用漏壶(刻漏)计时，水钟使用更早。公元前二世纪，创造水钟、水风琴、压缩空气抛弹机(用于战争)(埃及悌西比阿斯)。公元前一世纪，最先记载过磁铁石排斥作用和铁屑试验(罗马卢克莱修)。公元前31年，中国西汉时创用平向水轮，经过滑轮和皮带推进风箱，用于炼铁炉鼓风。,第5页,3.11500年,(1)1400年,一世纪左右，创造蒸汽转动器和热空气推进转动机，这是蒸汽涡轮机和热气涡轮机萌芽(古希腊希隆)。一世纪，发觉盛水球状玻璃器含有放大作用(罗马塞涅卡)。300年至400年，中国史载晋代已经有指南船，可能是航海罗盘最早创造。,第6页,依据敦煌等地出土文物，在公元七、八世纪，中国唐朝已采取刻板印书，是世界上最早印刷术。十世纪，中国创造了使用火药火箭。十世纪左右，著光学，明确光反射定律并研究了球面镜和抛物面镜(阿拉伯阿尔哈赛姆)。,自然科学概论,(2)401-1000年,第7页,(3)1001-1500年,据梦溪笔谈，约公元10411048年间，中国宋朝毕昇创造活字印刷术，早于西方四百年。约1200年至1300年，欧洲人开始使用眼镜。1231年，中国宋朝人创造“震天雷”是一个充有火药、备有导火线铁器，可用投射器射出，是火炮雏型。1241年，蒙古人使用火箭作武器，西方认为这是战争中首次使用火箭。1259年，中国宋朝抗击金兵时，使用一个用竹筒射出子弹火器，是火枪雏型。十三世纪中叶，依据试验观察，描述凹镜和透镜焦点位置及其散度(英国罗杰培根)。十三世纪，用空气运动解释星光闪烁(意大利维塔罗)。十三世纪，指出虹霓是由日光反射和折射作用所造成(意大利维塔罗)。,自然科学概论,第8页,4.1501-1650年,(1)哥白尼,1533年，60岁哥白尼在罗马做了一系列讲演，提出了他学说关键点。1543年5月24日逝世那一天他写书天体运行论出版。,(2)伽利略,1583年，伽利略用本身脉搏作时间单位，发觉单摆周期和振幅无关，创用单摆周期作为时间量度单位(意大利伽利略)。1590年，做自由落体科学试验，发觉落体加速度与重量无关，否定了亚里士多德关于降落加速度决定于重量臆断，引发了一些人强烈反对(意大利伽利略)。1590年，发觉投射物运行路线是抛物线(意大利伽利略)。,第9页,伽利略伽利雷(15641642)是,意大利文艺复兴,后期伟大意大利,天文学,家、,力学,家、,哲学,家、,物理学,家、,数学,家。,第10页,伽利略伽利雷(15641642)是,意大利文艺复兴,后期伟大意大利,天文学,家、,力学,家、,哲学,家、,物理学,家、,数学,家。也是近代试验物理学开拓者，被誉为“近代科学之父”。他是为维护,真理,而进行,不屈不挠,战士。,恩格斯,称他是“不论有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创建新说巨人之一”。1564年2月15日生于,比萨,，1642年1月8日卒于比萨。伽利略家族姓伽利雷(Galilei)，他全名是,Galileo Galilei,，但现已通行称呼他名Galileo，而不称呼他姓。因为翻译问题，所以姓众说纷纭，以伽利略伽里雷为准。,自然科学概论,第11页,当初，欧洲是“政教合一”，罗马教廷控制了许多国家，圣经被宣告为至高无上真理，凡是违反圣经学说，都被斥为“异端邪说”，凡是反对神权统治人，都被处以火刑。新兴资产阶级为自己生存和发展，掀起了一场反对封建制度和教会迷信思想斗争，出现了人文主义思潮。他们使用战斗武器，就是未被神学染污古希腊哲学、科学和文艺。这就是震撼欧洲文艺复兴运动。文艺复兴首先发生于意大利，很快就扩大到波兰及欧洲其它国家。,自然科学概论,第12页,(3)笛卡儿,1637年，提出光粒子假说，并用以推出光折射定律(法国笛卡儿)。1638年，提出一个无所不在“以太”假说，拒绝接收超距作用解释，坚持认为力只能经过物质粒子和与之紧邻粒子相接触来传输，把热和光看成是“以太”中瞬时传输压力(法国笛卡儿)。1643年，创造水银气压计(意大利托里切利、维维安尼)。16401690年，观察到气压对沸腾和凝结影响(英国波义耳)。,自然科学概论,第13页,1.力学与分析力学建立,(1)牛顿力学,1638年，伽利略两门新科学对话出版，给出了匀速，加速运动定义，有体系物理学诞生了。,1678年，牛顿自然哲学数学原理出版，给出了运动三定律和万有引力定律，物理学诞生了。,自然科学概论,3.1.2 物理学建立,第14页,1788年，法国拉格朗日建立了分析力学，理论物理学诞生了。,1834年，哈密顿发表了历史性论文“一个动力学普遍方法”(On a general method in dynamics)，成为动力学发展过程中新里程碑文中主要观点是从光学研究中类比出来称为哈密顿原理。,(2)分析力学,第15页,(1)瓦特改进蒸汽机,1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理过程中，瓦特熟悉了蒸汽机结构和原理，而且发觉了这种蒸汽机两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思索改进方法。直到1765年春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成，那么为何不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采取分离冷凝器最初构想。,出现第一次工业革命。,自然科学概论,2.热力学与统计物理学建立,第16页,(2)焦耳测定热功当量,1843年8月21日在英国学术会上，焦耳汇报了他论文论电磁热效应和热机械值，他在汇报中说1千卡热量相当于460千克米功。他汇报没有得到支持和强烈反响，这时他意识到自己还需要进行更准确试验。,焦耳还用鲸鱼油代替水来作试验，测得了,热功当量平均值为423.9千克米/千卡,。接着又用水银来代替水，不停改进试验方法，直到1878年，这时距他开始进行这一工作快要四十年了，他已前后用各种方法进行了四百屡次试验。他在1849年用磨擦使水变热方法所得结果跟1878年是相同，即为423.9千克重米/千卡。,第17页,(3)热力学第一定律能量守恒,亥姆霍兹对物理学主要贡献是发觉了能量守恒定律。他原来是硕士理学，在对生理过程和动物热起源进行分析时候，发觉著名化学家李比希活力学说有问题。李比希认为活机体会从一个“活力”取得能量。亥姆霍兹认为，假如生物机体除了从食物发烧取得能量外，还能够从某种“活力”得到能量，那么生物机体就成了永动机。说得通俗一点，就是人不吃饭也能够从“活力”中得到能量而活下去。,第18页,亥姆霍兹认为永动机是不可能实现。他把自己观点加以整理，写成论力守恒一文，送到德国物理年鉴。它遭到了同迈尔论文一样厄运，被主编波根道夫退了回来。,1847年7月23日，亥姆霍兹在柏林物理学会一次讲演中汇报了这篇论文。他全方面阐述了能量守恒和转换 来表示“活力”，也就是现在所说动能。,这篇论文表明，亥姆霍兹是能量守恒定律创建者之一。,自然科学概论,第19页,(4)热力学第二定律,克劳修斯,德意志帝国,物理学家。,热力学,奠基人之一。1822年1月2日生于,普鲁士,克斯林（今,波兰,科沙林），1888年8月24日卒于,波恩,。1840年入,柏林大学,，1847年获哈雷大学哲学博士学位。1850年因发表论文论热动力以及由此导出关于热本身诸定律而闻名。1855年任,苏黎世工业大学,教授，1867年任德意志帝国,维尔茨堡大学,教授，1869年起任,波恩大学,教授。,第20页,在1850年那篇论文中，克劳修斯必定了J.P.,焦耳,由试验确立热与功相当性（热功当量）而完全否定了热质说；他分清了热能与内能这两概念关系和区分并明确内能U属物质一个状态函数而功A与热量Q则否，所以就对理想气体而言写出了热力学第一定律表示式dQdUpdVdUdA。他进而又断定了S.卡诺卡诺定理结论正确性及其推理中失误，他认为这二者间矛盾只有立足于“热不能自发地从低温物体向高温物体转移”基本观点才能处理，这观点就是首先由他提出热力学第二定律克氏表述。,自然科学概论,第21页,开尔文（Lord Kelvin 18241907）19世纪英国卓越物理学家。原名W.汤姆孙（William Thomson），1824年6月26日生于爱尔兰贝尔法斯特，1907年12月17日在苏格兰内瑟霍尔逝世。因为装设大西洋海底电缆有功，英国政府于1866年封他为爵士，后又于1892年封他为男爵，称为开尔文男爵，以后他就更名为开尔文。开尔文是热力学主要奠基人之一，在热力学发展中作出了一系列重大贡献。,自然科学概论,第22页,他依据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙理论于1848年创建了热力学温标。他指出：“这个温标特点是它完全不依赖于任何特殊物质物理性质。”这是当代科学上标准温标。他是热力学第二定律两个主要奠基人之一（另一个是克劳修斯），1851年他提出热力学第二定律：“不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响。”这是公认热力学第二定律标准说法。,自然科学概论,第23页,他指出，假如此定律不成立，就必须认可能够有一个永动机，它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功，即所谓第二种永动机。他从热力学第二定律断言，能量耗散是普遍趋势。1852年他与焦耳合作深入研究气体内能，对焦耳气体自由膨胀试验作了改进，进行气体膨胀多孔塞试验，发觉了焦耳汤姆孙效应，即气体经多孔塞绝热膨胀后所引发温度改变现象。这一发觉成为取得低温主要方法之一，广泛地应用到低温技术中。1856年他从理论研究上预言了一个新温差电效应，即当电流在温度不均匀导体中流过时，导体除产生不可逆焦耳热之外，还要吸收或放出一定热量（称为汤姆孙热）。,自然科学概论,第24页,玻耳兹曼（18441906）,Boltzmann，Ludwig,奥地利物理学家。,统计物理学,奠基人之一。1844年2月20日生于维也纳，卒于1906年 9月5日。1863年入维也纳大学，于1866年获博士学位，后在维也纳物理研究所任助理教授。今后历任拉茨、维也纳、慕尼黑和莱比锡等大学教授。,自然科学概论,(5)统计物理学建立,第25页,玻耳兹曼推广了J.C.麦克斯韦分子运动理论而得到有分子势能麦克斯韦-玻耳兹曼分布定律。他进而在1872年从更广和更深非平衡态分子动力学出发而引进了分子分布H函数，从而得到H定理，这是经典分子动力论基础。从此，宏观不可逆性、熵S及热力学第二定律就得以用微观几率态数W来说明其统计意义了，尤其是他引进玻耳兹曼常量k而得出SlnW关系式。,自然科学概论,第26页,(1)1820年,丹麦奥斯特发觉电流磁效应.,(2)1831年,法拉第发觉电磁感应定律.,迈克尔法拉第(Michael Faraday，1791-1867)19世纪最伟大试验,科学家,之一.主要从事电学、磁学、磁光学、,电化学,方面研究，并在这些领域取得了一系列重大发觉。1821年提出“由磁产生电”大胆构想，并开始了艰辛探索。1821年9月他发觉通电导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体运动，第一次实现了电磁运动向机械运动转换，从而建立了电动机试验室模型。接着经过无数次试验失败，终于在1831年发觉了电磁感应定律。,自然科学概论,3.电磁学与电动力学,第27页,(3)麦克斯韦电磁理论,麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879),19世纪伟大,英国,物理学,家、,数学,家。1831年11月13日生于,苏格兰,爱丁堡,，1879年11月5日在,剑桥,逝世。,麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面研究。尤其是他建立电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展最光芒结果，是科学史上最伟大综合之一。他预言了电磁波存在。这种理论遇见以后得到了充分试验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来。,自然科学概论,第28页,麦克斯韦于1873年出版了科学名著电磁理论。系统、全方面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学主要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了主要贡献，他是气体动理论创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观量求统计平均值更确切路径。1866年他给出了分子按速度分布函数新推导方法，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是利用数学工具分析物理问题和准确地表述科学思想大师，他非常重视试验，由他负责建立起来卡文迪什试验室，在他和以后几位主任领导下，发展成为举世闻名学术中心之一。,自然科学概论,第29页,1.相对论,爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），举世闻名德裔美国科学家，当代物理学开创者和奠基人。爱因斯坦1900年毕业于苏黎世工业大学，1909年开始在大学任教，1914年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，1940年入美国籍。,自然科学概论,3.1.3 物理学发展,第30页,爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），举世闻名德裔美国科学家，当代物理学开创者和奠基人。,第31页,他利用业余时间开展科学研究，在1905年，年近26岁爱因斯坦连续发表了三篇论文（,光量子,、,布朗运动,和,狭义相对论,），在物理学三个不一样领域中取得了历史性成就，尤其是狭义相对论建立和光量子论提出，推进了物理学理论革命。同年，以论文分子大小新测定法，取得,苏黎世大学,博士位。,1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作光线经过太阳引力场要弯曲预言，于1919年由英国天文学家亚瑟斯坦利爱丁顿日全食观察结果所证实。1916年他预言引力波在1978年也得到了证实。,第32页,十九世纪末期是物理学变革时期，爱因斯坦从试验事实出发，从新考查了物理学基本概念，在理论上作出了根本性突破。他一些成就大大推进了天文学发展。他量子理论对天体物理学、尤其是理论天体物理学都有很大影响。理论天体物理学第一个成熟方面恒星大气理论，就是在量子理论和辐射理论基础上建立起来。爱因斯坦狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间关系，处理了长久存在恒星能源起源难题。近年来发觉越来越多高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象一个最基本理论工具。其广义相对论也处理了一个天文学上多年不解之谜，并推断出以后被验证了光线弯曲现象，还成为以后许多天文概念理论基础。,自然科学概论,第33页,2.量子论,(1)1900年,普朗克提出辐射能量量子化假设,成功处理了黑体辐射问题。,(2)1905年,爱因斯坦提出光量子概念,处理光电效应问题。,(3)1911年,卢瑟夫提出原子结构行星模型。,(4)1913年,玻尔原子理论诞生。,自然科学概论,第34页,Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947姓名：马克斯普朗克，职务：教授,德国,物理学家，,量子物理学,开创者和奠基人，1918年,诺贝尔物理学奖,取得者。,第35页,（5）量子力学诞生,1925年，德国海森伯提出矩阵力学；,1926年，奥地利薛定谔提出了波动力学，并证实波动力学与矩阵力学等价；,1928年，英国狄拉克发表相对论量子力学。,第36页,量子力学与经典力学差异首先表现在对粒子状态和力学量描述及其改变规律上。在量子力学中，粒子状态用波函数描述，它是坐标和时间复函数。为了描写微观粒子状态随时间改变规律，就需要找出波函数所满足运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到，被称为薛定谔方程。,第37页,当微观粒子处于某一状态时，它力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)普通不含有确定数值，而含有一系列可能值，每个可能值以一定几率出现。当粒子所处状态确定时，力学量含有某一可能值几率也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了深入阐释。,第38页,在自然界中，我们看到物质以各种各样形态存在着：花虫鸟兽、山河湖海、不一样肤色人种、各种漂亮建筑大到星球宇宙，小到分子、原子、电子等极微小粒子，真是千姿百态斗奇争艳。大自然本身发展，造就了物质世界这种绚丽多彩宏伟场面。物质详细存在形态有多少，这确实是难以说清。不过，经过物理学研究，千姿百态物质都能够初步归纳为两种基本存在形态：,“实物”和“场”。,自然科学概论,3.2 物质世界与原子结构,第39页,3.2.1 物态,什么是“物态”呢？日常所知固态、液态和气态就是三种“物态”。为何要有“物态”概念？因为实物详细形态太多了，将它们归纳一下能否分成较少几类？这就产生了“物态”概念。,“物态”是按属性划分实物存在基本形态，它都表现为大量微小物质粒子作为一个大整体而存在集合状态。,以往人们只知道有固态、液态和气态三种物态，伴随科学发展，在大自然中又发觉了各种“物态”。人类迄今知道“物态”已达10余种之多。,第40页,1.固态,严格地说，物理上,固态应该指“结晶态”，也就是各种各样晶体所含有状态。,最常见晶体是食盐（化学成份是氯化钠，化学符号是NaCl）。你拿一粒食盐观察（最好是粗制盐），能够看到它由许多立方形晶体组成。假如你到地质博物馆还能够看到许多颜色、形状各异规则晶体，十分漂亮。,自然科学概论,第41页,物质在固态时突出特征是有一定体积和几何形状，在不一样方向上物理性质能够不一样（称为“各向异性”）；有一定熔点，就是熔化时温度不变。,在固体中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像我们全体做操时，人与人之间都等距离地排列一样。每个人在一定位置上运动，就像每个分子或原子在各自固定位置上作振动一样。,我们将晶体这种结构称为“空间点阵”结构。,自然科学概论,第42页,液体有流动性，把它放在什么形状容器中它就有什么形状。,另外与固体不一样，液体还有“各向同性”特点（不一样方向上物理性质相同），这是因为，物体由固态变成液态时候，因为温度升高使得分子或原子运动猛烈，而不可能再 保持原来固定位置，于是就产生了流动。但这时分子或原子间吸引力还比较大，使它们不会分散远离，于是液体仍有一定体积。,2.液态,第43页,实际上，在液体内部许多小区域仍存在类似晶体结构“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间能够移动形成。我们打个比喻，在柏油路上送行“车流”，每辆汽车内人是有固定位置一个“类晶区”，而车与车之间能够相对运动，这就造成了车队整体流动。,第44页,液体加热会变成气态。,这时分子或原子运动更猛烈，“类晶区”也不存在了。因为分子或原子间距离增大，它们之间引力能够忽略，所以气态时主要表现为分子或原子各自无规则运动，这造成了我们所知气体特征：,有流动性，没有固定形状和体积，能自动地充满任何容器；轻易压缩；物理性质“各向同性”。,显然，液态是处于固态和气态之间形态。,自然科学概论,3.气态,第45页,普通玻璃是固体吗？你一定会说，当然是固体。其实，它不是处于固态（结晶态）。对这一点，你一定会奇怪。这是因为玻璃与晶体有不一样性质和内部结构。你能够做一个试验，将玻璃放在火中加热，随温度逐步升高，它先变软，然后逐步地熔化。也就是说玻璃没有一个固定熔点。另外，它物理性质也“各向同性”。这些都与晶体不一样。,自然科学概论,4非晶态特殊固态,第46页,经过研究，玻璃内部结构没有“空间点阵”特点，而与液态结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动，造成玻璃没有流动性。我们将这种状态称为“非晶态”。,严格地说，“非晶态固体”不属于固体，因为固体专指晶体；它能够看作一个极粘稠液体。所以，“非晶态”能够作为另一个物态提出来。除普通玻璃外，“非晶态”固体还很多，常见有橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。,自然科学概论,第47页,液晶态结晶态和液态之间一个形态。,“液晶”现在对我们已不陌生，它在电子表、计算器、手机、传呼机、微型电脑和电视机等文字和图形显示上得到了广泛应用。“液晶”这种材料属于有机化合物，迄今人工合成液晶已达5000各种。,自然科学概论,5.液晶态,第48页,这种材料在一定温度范围内能够处于“液晶态”，就是既含有液体流动性，又含有晶体在光学性质上“各向异性”。它对外界原因（如热、电、光、压力等）微小改变很敏感。我们正是利用这些特征，使它在许多方面得到应用。上述几个“物态”，在日常条件下我们都能够观察到。不过伴随物理学试验技术进步，在超高温、超低温、超高压等条件下，又发觉了一些新“物态”。,自然科学概论,第49页,这是气体在约几百万度极高温或在其它粒子强烈碰撞下所展现出物态，这时，电子从原子中游离出来而成为自由电子。,等离子体就是一个被高度电离气体，不过它又处于与“气态”不一样“物态”“等离子态”。,太阳及其它许多恒星是极炽热星球，它们就是等离子体。宇宙内大部分物质都是等离子体。地球上也有等离子体：高空电离层、闪电、极光等等。日光灯、水银灯里电离气体则是人造等离子体。,自然科学概论,6.超高温下等离子态,第50页,在140万大气压下，物质原子就可能被“压碎”。,电子全部被“挤出”原子，形成电子气体，裸露原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固态。,一块乒乓球大小超固态物质，其质量最少在1000吨以上。已经有充分依听说明，质量较小恒星发展到后期阶段,白矮星就处于这种超固态。它平均密度是水几万到一亿倍。,自然科学概论,7.超高压下超固态,第51页,在更高温度和压力下，原子核也能被“压碎”。我们知道，原子核由中子和质子组成，,在更高温度和压力下质子吸收电子转化为中子，物质展现出中子紧密排列状态，称为“中子态”。,已经确认，中等质量（1.442倍太阳质量）恒星发展到后期阶段“中子星”，是一个密度比白矮星还大星球，它物态就是“中子态”。,自然科学概论,8超高压下中子态,第52页,更大质量恒星后期，理论预言它们将演化为比中子星密度更大“黑洞”，当前还没有直接观察证实它存在。,至于“黑洞”中超高压作用下物质又展现什么物态，当前一无所知，有待于今后观察和研究。物质在高温、高压下出现了反常物态，那么在低温、超低温下物质会不会也出现一些特殊形态呢？,第53页,超导态是一些物质在超低温下出现特殊物态。,最先发觉超导现象，是荷兰物理学家卡麦林昂纳斯（18531926年）。1911年夏天，他用水银做试验，发觉温度降到4.173K时候（约-269），水银开始失去电阻。接着他又发觉许多材料都又有这种特征：在一定临界温度（低温）下失去电阻。,自然科学概论,9超导态,第54页,卡麦林昂纳斯把一些物质在低温条件下表现出电阻等于零现象称为“超导”。,超导体所处物态就是“超导态”，超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测仪器等方面将会给人类带来极大益处。,自然科学概论,第55页,超导态发觉，尤其是它奇特性质，引发全世界关注，人们纷纷投入了极大力量研究超导，至今它仍是十分热门科研课题。当前发觉超导材料主要是一些金属、合金和化合物，已不下几千种，它们各自对应有不一样“临界温度”，,当前最高“临界温度”已到达130K（约零下143摄氏度），各国科学家正在拼命努力向室温（300K或27）临界温度冲刺。,超导态物质结构怎样？当前理论研究还不成熟，有待继续探索,第56页,超流态是一个非常奇特物理状态，当前所知，这种状态只发生在超低温下个别物质上。1937年，前苏联物理学家彼得列奥尼多维奇卡皮察（18941984年）惊奇地发觉，,当液态氦温度降到2.17K时候，它就由原来液体普通流动性突然改变为“超流动性”：,它能够无任何妨碍地经过连气体都无法经过极微小孔或狭缝（线度约10万分之一厘米），还能够沿着杯壁“爬”出杯口外。,10超流态,第57页,我们将含有超流动性物态称为“超流态”。,不过当前只发觉低于2.17K液态氦有这种物态。超流态下物质结构，理论也在探索之中。上面介绍只是迄今发觉10 种物态，有文件归纳说还存在着更各种类物态，,比如：超离子态、辐射场态、量子场态，限于篇幅，这里就不一一列举了。,我们相信，伴随科学发展，我们一定会认识更多物态，解开更多谜，并利用它们奇特性质造福于人类。,第58页,（1）远在两千多年前，古希腊哲学家德膜克利特,（Democritus),提出“原子”这 个概念，意思是,“不可分割”，并 把它作为物质最小单元.,（2）19世纪早期，道尔顿(J.Dalton)提出原子学说.,3.2.2 原子结构,1.原子概念,（3）现在原子概念，基本沿用道耳顿学说，,它 是化学反应中不可分割微粒。,第59页,2.汤姆逊原子模型,1903年英国科学家,汤姆逊,提出“葡萄干蛋糕”式原子模型或称为“西瓜”模型。,汤姆逊正在进行试验,第60页,该模型对原子发光现象解释：,汤姆孙模型,第61页,3.卢瑟福原子模型,1909年汤姆逊学生,卢瑟福,经过试验否定了汤姆逊模型,建立了卢瑟福原子模型。,盖革（左）和卢瑟福在试验室,第62页,4.,粒子散射试验,检验汤姆逊模型正确性,目标,原理,带电粒子射向原子,探测出射粒子角分布。,第63页,(a),侧视图,(b)俯视图,(b)俯视图,R,:放射源,F,:散射箔,S,:闪烁屏,B,:圆形金属匣,A,:代刻度圆盘,C,光滑套轴,T,抽闲B管,M,显微镜,试验装置和模拟试验,模拟试验,模拟试验,第64页,按汤姆逊模型从理论上预言:,散射角大于,3,比,1%,少得多；,散射角大于,90,约为,10,-,3500,。,模拟试验,第65页,10,-3500 -,1/8000,正电荷集中在,原子中 心。,结果,结论,大多数散射角很小，约1/8000散射大于90；,极个别散射角等于180,。,第66页,用卢瑟福自己话说,:,“这是我一生中从未有过最难以置信事件，它难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上，而当我做出计算时看到，除非采取一个原子大部分质量集中在一个微小核内系统，是无法得到这种数量级任何结果，这就是我以后提出原子含有体积很小而质量很大关键想法。”,第67页,5.原子核式结构模型,原子序数为Z原子中心,有一个带正电荷核(原子核),它所带正电量Ze,它体主动小但质量很大,几乎等于整个原子质量,正常情况下核外有Z个电子围绕它运动。,第68页,6.玻尔氢原子理论,(1)前提条件,1）电子绕核作圆周运动；,2）电子与核之间作用恪守库仑定律和牛顿运动定律；,3）原子核不动，若考虑核运动，则将电子质量m用折合质量 代替,第69页,r,+Ze,F,e,v,电子轨道,m,e,-,第70页,(2)玻尔基本假设,原子中存在一系列不连续稳定状态,简称定态。这些定态各与一定能量E,1,E,2,相对应，在这些定态下，电子虽作加速运动，但不向外辐射能量。,原子从一个能量E,i,定态跃迁到能量E,j,定态时，会发出（或吸收）一个光子，这个光子频率,满足以下关系：,i)定态假设：,ii)频率条件：,第71页,处于定态时，电子绕核运动角动量,必须满足:,iii)圆轨道量子化条件,iv)库仑引力是电子圆周运动向心力:,第72页,(3)主要结果,轨道半径,玻尔第一轨道半径,能量和 能级,主量子数：n=1,2,3,第73页,氢原子能级图,第74页,3.1 物理学起源与发展,3.2 物质世界与原子结构,自然科学概论,Chap.3 物理学与物质世界,3.4 粒子世界,3.3 原子核与核能利用,第75页,在自然界中，我们看到物质以各种各样形态存在着：花虫鸟兽、山河湖海、不一样肤色人种、各种漂亮建筑大到星球宇宙，小到分子、原子、电子等极微小粒子，真是千姿百态斗奇争艳。大自然本身发展，造就了物质世界这种绚丽多彩宏伟场面。物质详细存在形态有多少，这确实是难以说清。不过，经过物理学研究，千姿百态物质都能够初步归纳为两种基本存在形态：,“实物”和“场”。,自然科学概论,3.2 物质世界与原子结构,第76页,3.2.1 物态,什么是“物态”呢？日常所知固态、液态和气态就是三种“物态”。为何要有“物态”概念？因为实物详细形态太多了，将它们归纳一下能否分成较少几类？这就产生了“物态”概念。,“物态”是按属性划分实物存在基本形态，它都表现为大量微小物质粒子作为一个大整体而存在集合状态。,以往人们只知道有固态、液态和气态三种物态，伴随科学发展，在大自然中又发觉了各种“物态”。人类迄今知道“物态”已达10余种之多。,第77页,1.固态,严格地说，物理上,固态应该指“结晶态”，也就是各种各样晶体所含有状态。,最常见晶体是食盐（化学成份是氯化钠，化学符号是NaCl）。你拿一粒食盐观察（最好是粗制盐），能够看到它由许多立方形晶体组成。假如你到地质博物馆还能够看到许多颜色、形状各异规则晶体，十分漂亮。,自然科学概论,第78页,物质在固态时突出特征是有一定体积和几何形状，在不一样方向上物理性质能够不一样（称为“各向异性”）；有一定熔点，就是熔化时温度不变。,在固体中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像我们全体做操时，人与人之间都等距离地排列一样。每个人在一定位置上运动，就像每个分子或原子在各自固定位置上作振动一样。,我们将晶体这种结构称为“空间点阵”结构。,自然科学概论,第79页,液体有流动性，把它放在什么形状容器中它就有什么形状。,另外与固体不一样，液体还有“各向同性”特点（不一样方向上物理性质相同），这是因为，物体由固态变成液态时候，因为温度升高使得分子或原子运动猛烈，而不可能再 保持原来固定位置，于是就产生了流动。但这时分子或原子间吸引力还比较大，使它们不会分散远离，于是液体仍有一定体积。,2.液态,第80页,实际上，在液体内部许多小区域仍存在类似晶体结构“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间能够移动形成。我们打个比喻，在柏油路上送行“车流”，每辆汽车内人是有固定位置一个“类晶区”，而车与车之间能够相对运动，这就造成了车队整体流动。,第81页,液体加热会变成气态。,这时分子或原子运动更猛烈，“类晶区”也不存在了。因为分子或原子间距离增大，它们之间引力能够忽略，所以气态时主要表现为分子或原子各自无规则运动，这造成了我们所知气体特征：,有流动性，没有固定形状和体积，能自动地充满任何容器；轻易压缩；物理性质“各向同性”。,显然，液态是处于固态和气态之间形态。,自然科学概论,3.气态,第82页,普通玻璃是固体吗？你一定会说，当然是固体。其实，它不是处于固态（结晶态）。对这一点，你一定会奇怪。这是因为玻璃与晶体有不一样性质和内部结构。你能够做一个试验，将玻璃放在火中加热，随温度逐步升高，它先变软，然后逐步地熔化。也就是说玻璃没有一个固定熔点。另外，它物理性质也“各向同性”。这些都与晶体不一样。,自然科学概论,4非晶态特殊固态,第83页,经过研究，玻璃内部结构没有“空间点阵”特点，而与液态结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动，造成玻璃没有流动性。我们将这种状态称为“非晶态”。,严格地说，“非晶态固体”不属于固体，因为固体专指晶体；它能够看作一个极粘稠液体。所以，“非晶态”能够作为另一个物态提出来。除普通玻璃外，“非晶态”固体还很多，常见有橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。,自然科学概论,第84页,液晶态结晶态和液态之间一个形态。,“液晶”现在对我们已不陌生，它在电子表、计算器、手机、传呼机、微型电脑和电视机等文字和图形显示上得到了广泛应用。“液晶”这种材料属于有机化合物，迄今人工合成液晶已达5000各种。,自然科学概论,5.液晶态,第85页,这种材料在一定温度范围内能够处于“液晶态”，就是既含有液体流动性，又含有晶体在光学性质上“各向异性”。它对外界原因（如热、电、光、压力等）微小改变很敏感。我们正是利用这些特征，使它在许多方面得到应用。上述几个“物态”，在日常条件下我们都能够观察到。不过伴随物理学试验技术进步，在超高温、超低温、超高压等条件下，又发觉了一些新“物态”。,自然科学概论,第86页,这是气体在约几百万度极高温或在其它粒子强烈碰撞下所展现出物态，这时，电子从原子中游离出来而成为自由电子。,等离子体就是一个被高度电离气体，不过它又处于与“气态”不一样“物态”“等离子态”。,太阳及其它许多恒星是极炽热星球，它们就是等离子体。宇宙内大部分物质都是等离子体。地球上也有等离子体：高空电离层、闪电、极光等等。日光灯、水银灯里电离气体则是人造等离子体。,自然科学概论,6.超高温下等离子态,第87页,在140万大气压下，物质原子就可能被“压碎”。,电子全部被“挤出”原子，形成电子气体，裸露原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固态。,一块乒乓球大小超固态物质，其质量最少在1000吨以上。已经有充分依听说明，质量较小恒星发展到后期阶段,白矮星就处于这种超固态。它平均密度是水几万到一亿倍。,自然科学概论,7.超高压下超固态,第88页,在更高温度和压力下，原子核也能被“压碎”。我们知道，原子核由中子和质子组成，,在更高温度和压力下质子吸收电子转化为中子，物质展现出中子紧密排列状态，称为“中子态”。,已经确认，中等质量（1.442倍太阳质量）恒星发展到后期阶段“中子星”，是一个密度比白矮星还大星球，它物态就是“中子态”。,自然科学概论,8超高压下中子态,第89页,更大质量恒星后期，理论预言它们将演化为比中子星密度更大“黑洞”，当前还没有直接观察证实它存在。,至于“黑洞”中超高压作用下物质又展现什么物态，当前一无所知，有待于今后观察和研究。物质在高温、高压下出现了反常物态，那么在低温、超低温下物质会不会也出现一些特殊形态呢？,第90页,超导态是一些物质在超低温下出现特殊物态。,最先发觉超导现象，是荷兰物理学家卡麦林昂纳斯（18531926年）。1911年夏天，他用水银做试验，发觉温度降到4.173K时候（约-269），水银开始失去电阻。接着他又发觉许多材料都又有这种特征：在一定临界温度（低温）下失去电阻。,自然科学概论,9超导态,第91页,卡麦林昂纳斯把一些物质在低温条件下表现出电阻等于零现象称为“超导”。,超导体所处物态就是“超导态”，超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测仪器等方面将会给人类带来极大益处。,自然科学概论,第92页,超导态发觉，尤其是它奇特性质，引发全世界关注，人们纷纷投入了极大力量研究超导，至今它仍是十分热门科研课题。当前发觉超导材料主要是一些金属、合金和化合物，已不下几千种，它们各自对应有不一样“临界温度”，,当前最高“临界温度”已到达130K（约零下143摄氏度），各国科学家正在拼命努力向室温（300K或27）临界温度冲刺。,超导态物质结构怎样？当前理论研究还不成熟，有待继续探索,第93页,超流态是一个非