现代物理基础学科市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

当代物理当代物理-基础学科基础学科物理学物理学-尤其是尤其是当代物理学当代物理学已成为已成为当代科学当代科学基础学科基础学科甚么是基础学科？甚么是基础学科？语言学（语言，文学，外语等）语言学（语言，文学，外语等）数学（包含计算机及计算数学数学（包含计算机及计算数学）绪绪 论论第1页当代物理学？当代物理学？相对论相对论 E=Mc2 量子论量子论1919：普朗克：普朗克 1932 1932年：海德堡年：海德堡 1933 1933年年:薛薛 定定 谔、狄谔、狄 拉拉 克克 1945 1945年：泡年：泡 利利 1954 1954年年:玻玻 恩恩第2页物质物质反物质反物质反物质是一个假想物质反物质是一个假想物质形式，在形式，在粒子物理学粒子物理学里，里，反物质是反物质是反粒子反粒子概念延概念延伸，反物质是由反粒子伸，反物质是由反粒子组成组成 宏观物体都是由宏观物体都是由质子质子、中子中子和和电子电子所组成。这些粒子因所组成。这些粒子因而被称为而被称为基本粒子基本粒子，在，在30年年代初，就有些人发觉了带正代初，就有些人发觉了带正电电子，这是人们认识反物电电子，这是人们认识反物质第一步。到了质第一步。到了50年代，伴年代，伴随随反质子反质子和和反中子反中子发觉，人发觉，人们开始明确地意识到，任何们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有对基本粒子都在自然界中有对应反粒子存在。应反粒子存在第3页量子力学：量子力学：亚原子世界，亚原子世界，或者一切事物或者一切事物中物理量都是中物理量都是量子化量子化：原子：原子能量、角动量、能量、角动量、磁矩磁矩.。量子力学量子力学Photon,E=h第4页光学显微镜不能研究原子内部结构光学显微镜不能研究原子内部结构!量子力学量子力学：粒子含有波动性，波含有粒子性：粒子含有波动性，波含有粒子性l=l=h/p用电子显微镜用电子显微镜 大型电子正电子对撞机大型电子正电子对撞机LEPLEP是是当前世界上最大电子显微镜当前世界上最大电子显微镜 l=l=h/p 10-3fm=10-18m电子电子 第5页隧穿几率隧穿几率不不越越可势可势穿穿垒垒可可势势穿穿垒垒越越经典力学经典力学量子力学量子力学dEV0第6页物理学研究尺度物理学研究尺度第7页第8页Electrons(10-18 m)Atom nucleus nucleon quark10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m 微观结构微观结构 see原子原子原子核原子核核子核子夸克夸克第9页AfricanElephant Height 3.3 mRabbit(Length)3 x 10-1 mRed Blood Cell 7x10-6 m by 10-5 mVirus(Length)9 x 10-7 m 10-7 mCarbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 mCross section of human hair 8 x 10-5 m 10-4 mHousefly 7.5 x 103 m102 m第10页10 7 m 较大结构及尺度较大结构及尺度地球地球第11页太阳太阳（Sun）日冕日冕10 9 mSun 2x1030 kg 1057(核子核子)第12页10 11 m地球轨道地球轨道第13页旋涡星系旋涡星系（Spiral Galaxy）1021m10 11 stars第14页 galaxy cluster of galaxies 10 21 m 10 22 m 10 23 m super-cluster metagalaxy universe m 10 24 m 10 25 m 10 26 m 第15页组成物质基本粒子组成物质基本粒子第16页作用力及传输子作用力及传输子引力引力作用作用 引力子引力子（还未发觉）（还未发觉）电磁作用电磁作用 光子光子（1905爱因坦）爱因坦）弱作用弱作用 中间玻色子中间玻色子(CERN 83)强作用强作用 胶子胶子（DESY 1979）质量生成质量生成 HIGGS 玻色子玻色子(？)第17页物理学尺度从从 10 26 m 到到 10-18 m物质基本组成物质基本组成夸克和夸克和轻子及各种相轻子及各种相互作用传输子互作用传输子第18页物理学与其它学科关系物理学与其它学科关系近代近代物理学物理学化学化学生命科学生命科学材料科学材料科学近代力学近代力学天体与天体与天文学天文学地学地学金融、金融、社会学社会学电子技术电子技术计算机计算机量子量子 激光激光 计算化学计算化学结构生物学结构生物学细观力学细观力学纳米科技、材料纳米科技、材料量子计算机金融物理第19页物理学与其它学科关系物理学与其它学科关系杨振宁杨振宁：“近些年来物理学对化近些年来物理学对化学和生命科学发展起了极主要作用学和生命科学发展起了极主要作用”物理学已改造了化学物理学已改造了化学 -正在改变生命科学、材料科学正在改变生命科学、材料科学 -已进军电子学、金融、社会学已进军电子学、金融、社会学 当代物理学吸收其它学科资源当代物理学吸收其它学科资源也将渗透和改变整个当代科学也将渗透和改变整个当代科学第20页1989年年纳米科技纳米科技Scanning Probe Techniques第21页物理学近十年一个新方向物理学近十年一个新方向用科学语言阐述并研究社会科学用科学语言阐述并研究社会科学中各种问题，使社会科学问题更中各种问题，使社会科学问题更靠近物理学靠近物理学交通流交通流城市膨胀城市膨胀人人 迹迹 系系 统统社会网络几何学社会网络几何学科学研究之经济回报科学研究之经济回报金金 融融 物物 理理第22页第二届第二届“物理学在金融分析中应用物理学在金融分析中应用”国际学术讨论会国际学术讨论会 Application of Application of Physics in Financial Analysis,Physics in Financial Analysis,University of Liege,Institut University of Liege,Institut Zoologique Liege,Belgium July 13-Zoologique Liege,Belgium July 13-15,15,ConferenceConference第一届第一届“物理学在金融分析中应用物理学在金融分析中应用”国国际学术讨论会际学术讨论会 19991999年年7 7月爱尔兰都柏月爱尔兰都柏林三叶学院（林三叶学院（Trinity CollegeTrinity College）金融物理研究崛起金融物理研究崛起金融物理专题讨论国际会议频频召开金融物理专题讨论国际会议频频召开 第23页经济物理国际高级研讨班及金融复杂性学术讨论会9月合肥中国科技大学非线性科学中心主办第二届复杂性科学和经济物理学理论与应用国际学术会议（广西师范大学 桂林.8.22-26）第24页当代物理学基础地位决定当代物理学基础地位决定了它了它“多交叉学科性多交叉学科性”界面界面古典古典物理学物理学当代当代物理学物理学第25页研究对象研究对象研究对象研究对象一、课程定位一、课程定位整个宇宙各层次尺寸（整个宇宙各层次尺寸（单位单位m）1026 宇宙宇宙 1020 银河系银河系 1012 日地距离日地距离 106 地球半径地球半径 100 人人 10-3 尘埃尘埃 10-6 细胞、大分子、分子细胞、大分子、分子 10-10 原子原子 10-15 原子核原子核 10-18 基本粒子基本粒子课程定义：课程定义：课程定义：课程定义：研究原子内研究原子内研究原子内研究原子内部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动部结构、性质及其运动规律物理学分支规律物理学分支规律物理学分支规律物理学分支原子原子原子原子第26页二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史二、原子物理学发展简史1 1 1 1、古人对物质结构探讨与认识、古人对物质结构探讨与认识、古人对物质结构探讨与认识、古人对物质结构探讨与认识国外国外国外国外 古希腊古希腊古希腊古希腊（B.C.400)B.C.400)B.C.400)B.C.400)德膜克利特：德膜克利特：德膜克利特：德膜克利特：万物本原是原万物本原是原万物本原是原万物本原是原 子子子子(atom)(atom)(atom)(atom)和虚空。和虚空。和虚空。和虚空。atom，希腊文原意就是，希腊文原意就是“不可分割性不可分割性”亚里士多德：亚里士多德：亚里士多德：亚里士多德：万物由水气火土（以万物由水气火土（以万物由水气火土（以万物由水气火土（以太组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分太）组成；物质无限可分“吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理吾爱吾师，吾更爱真理”；“法律是法律是法律是法律是不受情欲影响理智不受情欲影响理智不受情欲影响理智不受情欲影响理智”；主张学生德智；主张学生德智；主张学生德智；主张学生德智体美全方面发展体美全方面发展体美全方面发展体美全方面发展 第27页中国，B.C.475-2 战国时期墨翟，墨经中，墨翟，墨经中，“端，体之无序而最前者也端，体之无序而最前者也”当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将当连续递进分割过程，至先后次序将不复存在时，端将是最终分析结果是最终分析结果 公孙龙，公孙龙，一尺之棰，日取其半，万世不竭一尺之棰，日取其半，万世不竭五行说：五行说：物质由金、木、水、火、土组成物质由金、木、水、火、土组成 阴阳说：阴阳说：物质由阴、阳二气组成物质由阴、阳二气组成 直觉、猜测、思辨直觉、猜测、思辨 第28页2 2 2 2、19191919世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说世纪，建立了原子学说物质原子学说：全部化学元素都由原子组成物质原子学说：全部化学元素都由原子组成物质原子学说：全部化学元素都由原子组成物质原子学说：全部化学元素都由原子组成 热原子学说：利用原子运动解释热力学定律热原子学说：利用原子运动解释热力学定律热原子学说：利用原子运动解释热力学定律热原子学说：利用原子运动解释热力学定律电原子学说：自然界存在带电原子电原子学说：自然界存在带电原子电原子学说：自然界存在带电原子电原子学说：自然界存在带电原子 试验总结，认识到原子是物质结构一个层次试验总结，认识到原子是物质结构一个层次 3 3 3 3、19191919世纪末世纪末世纪末世纪末20202020世纪初，建立了严格原子物理理世纪初，建立了严格原子物理理世纪初，建立了严格原子物理理世纪初，建立了严格原子物理理论论论论量子力学。量子力学。量子力学。量子力学。重大发觉有：重大发觉有：第29页18691869，周期表发觉，周期表发觉，门捷列夫门捷列夫18851885，氢原子光谱规律发觉，巴耳末氢原子光谱规律发觉，巴耳末18951895，X X射线发觉，射线发觉，伦琴伦琴18961896，放射线发觉，放射线发觉，贝克勒耳贝克勒耳18971897，电子发觉，电子发觉，汤姆逊汤姆逊19001900，能量子概念建立，普朗克能量子概念建立，普朗克19111911，原子核式结构建立，卢瑟福，原子核式结构建立，卢瑟福19131913，玻尔量子理论建立，玻尔，玻尔量子理论建立，玻尔19251925前后，量子力学建立，前后，量子力学建立，近代物理序幕近代物理序幕 原子物理新篇章原子物理新篇章 对原子这一层次认识，从试验到理论取得比较完对原子这一层次认识，从试验到理论取得比较完全认识。全认识。4 4 4 4、20202020世纪初至现在，对物质结构认识不停地深入，原世纪初至现在，对物质结构认识不停地深入，原世纪初至现在，对物质结构认识不停地深入，原世纪初至现在，对物质结构认识不停地深入，原子子子子-原子核原子核原子核原子核-基本粒子基本粒子基本粒子基本粒子-夸克夸克夸克夸克,分子是由原子组成分子是由原子组成第30页基本粒子指人们认知组成物质最小最基本单位。但在基本粒子指人们认知组成物质最小最基本单位。但在夸克夸克理论理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂结构，故现在普通不提提出后，人们认识到基本粒子也有复杂结构，故现在普通不提“基本粒子基本粒子”这一说法。依据作用力不一样，这一说法。依据作用力不一样，粒子粒子分为分为强子强子、轻子轻子和和传输子传输子三大类。三大类。基本粒子，即在不改变物质属性前提下最小体积物质基本粒子，即在不改变物质属性前提下最小体积物质。原子是由原子核和电子组成。原子是由原子核和电子组成。原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子）。原子核由质子与中子组成（氢原子核只有一个质子）。原子序数原子序数=质子数质子数=核电荷数核电荷数=核外电子数核外电子数 质子由两个质子由两个上夸克上夸克和一个和一个下夸克下夸克组成，带一个单位正电荷。组成，带一个单位正电荷。20世纪世纪60年代，美国物理学家年代，美国物理学家默里默里盖尔曼盖尔曼和和G.茨威格茨威格各自独立提各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本单元出了中子、质子这一类强子是由更基本单元夸克（夸克（quark）组）组成。成。全部中子都是由三个夸克组成，全部中子都是由三个夸克组成，反中子反中子则是由三个对应反夸克则是由三个对应反夸克组成，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，组成，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。第31页三、课程内容三、课程内容三、课程内容三、课程内容（章节介绍。（章节介绍。）四、课程特点四、课程特点四、课程特点四、课程特点1、新概念、原理较抽象，不够直观、新概念、原理较抽象，不够直观 2 2、重试验，理论由试验建立，不完全靠逻辑推理从、重试验，理论由试验建立，不完全靠逻辑推理从理论推导出试验结果理论推导出试验结果（光谱是研究原子内部结构与电子运光谱是研究原子内部结构与电子运动规律主要试验伎俩动规律主要试验伎俩。）第32页五、课程学习主要性五、课程学习主要性五、课程学习主要性五、课程学习主要性当代物理学一门主要课程。当代物理学一门主要课程。当代物理学一门主要课程。当代物理学一门主要课程。了解与掌握当代高科技基础了解与掌握当代高科技基础了解与掌握当代高科技基础了解与掌握当代高科技基础如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术如：宇宙起源与演化，星际分子，激光技术及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生及光电子领域，材料科学，医学，化学，生命科学中应用。命科学中应用。命科学中应用。命科学中应用。第33页六、原子物理学学习中应注意问题六、原子物理学学习中应注意问题六、原子物理学学习中应注意问题六、原子物理学学习中应注意问题 1.1.实践是检验真理标准，科学是逐步地不停实践是检验真理标准，科学是逐步地不停地发展地发展2.2.对微观体系不能要求都按宏观规律来描述对微观体系不能要求都按宏观规律来描述3.3.要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓要善于观察、善于学习、善于动脑、开拓进取，不停创新进取，不停创新第34页希望我们共同努希望我们共同努力完成该课程力完成该课程第35页