物理学与高新技术讲座-2015.

TianjinUniversity1物理学知识与高新技术讲座刘昌龙天津大学理学院TianjinUniversity目录1、引言2、物理学发展简史3、物理学与能源科学4、现代光源—激光、同步辐射光源5、物理学与航天技术6、纳米技术简介TianjinUniversity1、引言----研究物质的基本结构、物质运动形式和相互作用的自然科学，涵盖力、热、光、电、磁等性质。物理学空间尺度：原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、太阳山哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等。时间尺度：基本粒子寿命10-25s；宇宙寿命1018s。微观粒子Microscopic：质子10-15m；介观物质mesoscopic；宏观物质macroscopic；宇观物质cosmological类星体1026m。TianjinUniversity1、引言----是指那些对一个国家或一个地区的政治、经济和军事等各方面的进步产生深远的影响，并能形成产业的先进技术群。高新技术高新技术包括六大技术领域：(一)、信息技术信息的获取、传递、处理等技术。信息技术以电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。当前信息技术主要表现在：(1)集成电路；(2)电子计算机；(3)软件技术；(4)通信技术；(5)激光技术。TianjinUniversity(二)、生物技术生物技术是以生命科学为基础，利用生物体和工程原理等生产制品的综合性技术，包括基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程四个领域。生物技术是21世纪技术的核心。它有两个标志性技术：基因工程和蛋白质工程。(三)、新材料技术新材料技术是高新技术的物质基础，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料等的开发和利用。它有两个标志：一个是材料设计或分子设计，即根据需要来设计新材料；另一个是超导技术。1、引言TianjinUniversity（四）、新能源技术领域现代的新能源技术可划分为新能源技术和可再生能源技术，包括核能、太阳能、水能、地热能等。核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志。（五）、空间技术领域空间技术即新型高科技航天技术，是探索、开发和利用太空以及地球以外的天体的综合性工程技术，包括对大型运载火箭、巨型卫星、宇宙飞船等空间军事技术的研究与开发。（六）、海洋技术海洋技术是21世纪技术的内向拓展，其标志技术是深海挖掘和海水淡化。1、引言TianjinUniversity2、物理学发展简史古代文明中国---四大发明、战国时《墨经》涉及到时间、空间、运动和惯性等，如：“力，形之所以奋也”：“端具有非半性质”----原子说amF《考工记》、沈括《梦溪笔谈》、宋应星《开工天物》：涉及力学、光学、声学和电磁学知识。遗憾：仅是观察分析，无系统化、定量化、未发展出分门别类的近代科学。TianjinUniversity2、物理学发展简史古希腊文明德谟克利特—原子论：不可分割(atom)欧几里得----几何学亚里斯多德---《物理学》Physics一词的最早来源错误：“运动靠力来维持”、“在地球上重物比轻物落得快”。阿基米德---浮力定律、杠杆、简单机械。古代阿拉伯—阿拉伯数字、印度十进制等欧洲中世纪—科学被作为神学的奴婢而丧失了独立性TianjinUniversity2、物理学发展简史经典物理学的产生和发展欧洲文艺复兴+天文学的突破+经典力学尼古拉-格列布斯(1401-1464)：宇宙一切处在运动中，没有固定的中心。尼古拉-哥白尼(1473-1543)：“日心说”、《天体运行论》。莱昂纳多-达芬奇(1452-1519)：实验是认识的来源、“科学是统帅，实践是士兵”、弹道曲线、飞行器。布鲁诺(1548-1600)：进一步发展“日心说”，宇宙中有无数个世界。TianjinUniversity(1)行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上(2)太阳到行星的矢径在相同的时间扫过相同的面积(3)行星绕日的周期的平方与它绕日的椭圆轨道的半长轴R的立方成正比：T2/R3=C开普勒(1571-1630)：星球之间的总联系，开普勒行星运动三定律。伽利略(1564-1642)：伽利略相对性原理、惯性系、伽利略变换、自由落体运动、惯性定律。(比萨斜塔实验)Merethink(单纯的思考)Intelligentquestion(聪明的提问)2、物理学发展简史TianjinUniversity2、物理学发展简史培根(1561-1626)：知识就是力量，归纳、分析、比较、观察和实验的理性方法----新的科学观和思想方法。牛顿(1642-1727)：完成创立经典力学、《自然哲学的数学原理》(45岁)----八个定义、万有引力定律、“天上人间的和谐统一”、微积分。笛卡尔(1596-1650)：运动量守恒、明确提出惯性定律。惠更斯(1529-1695)：光的波动学说、活力(动能)守恒。航天技术的发展！！！TianjinUniversity2、物理学发展简史如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。我不知道世人将如何看待我，但是在我看来，我不过是海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴，但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢。TianjinUniversity2、物理学发展简史电磁学和热(力)学的发展—十九世纪吉伯(1544-1603)：摩擦生电富兰克林(1706-1790)：运用风筝将“天电”引入实验室卡文迪许(1731-1810)：实验上证明静电力与距离的平方成反比库仑(1736-1806)：建立的静电的库仑定律伏打(1745-1827)：发明电池、电学研究进入动电阶段欧姆(1784-1854)：电路的欧姆定律奥斯特(1777-1851)：电流的磁效应，电与磁的结合安培(1775-1836)：电流之间相互作用的安培定律法拉第(1791-1867)：确立了电磁感应定律TianjinUniversity麦克斯韦(1831-1879)：将法拉第思想发展成完整的电磁场理论，建立了微分形式的“麦克斯韦方程组”，预言了电磁波存在----导致无线电通信发明该领域实验和理论发展------能源、通信等的基础！2、物理学发展简史TianjinUniversity热力学与统计物理的建立和发展2、物理学发展简史十八至十九世纪随着热能的开发利用，使得热学得到了充分的发展：1850年左右----基本确立了能量转化和守恒定律；1851年----建立了热力学第二定律；1901年----确立了热力学第三定律-绝对零度不可能达到十九世纪末---经麦克斯韦、玻尔兹曼到吉布斯等努力由分子运动论逐步发展到统计物理学------热学与热力学的微观理论的完善该领域实验和理论发展------能源、工农业的发展！TianjinUniversity蒸汽机---实现热能转化为机械能(动力利用)历史上第一台蒸汽机是在1711年纽科曼(T.Newcomen)发明的，但热能转化为机械能的效率很低。1765年英国的瓦特(J.Watt)发明了分离冷凝器，大大地提高了热机效率。卡诺：热机效率提高2、物理学发展简史TianjinUniversity2、物理学发展简史瓦特发明的蒸汽机示意图瓦特发明的蒸汽机实物TianjinUniversity到了19世纪末，经典物理学(力学、声学、电磁学、热学与热力学和光学)看起来似乎很完善了。1900年开尔文元旦祝词中说道：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家们这要做一些零碎的修补工作就行了”；但又说道：“在物理学晴朗的天空远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”；-----热辐射实验，及紫外灾难-----迈克尔孙-莫雷实验导致了量子理论、相对论!!-----近代物理2、物理学发展简史TianjinUniversity20世纪与物理学有关的科技上重大发明和发现1895：伦琴发现X射线1905：爱因斯坦相对论和光的量子论1896：贝克勒尔发现放射性1911：卢瑟福-原子核，昂内斯-超导1897：J.J.汤姆逊发现电子1913：玻尔建立原子模型1898：居里夫人提炼出钋和镭1915：爱因斯坦建立广义相对论1900：普朗克，量子力学诞生1925-26：海森堡，薛定谔-量子力学1901：马可尼发明无线电1932：查特威克发现中子2、物理学发展简史TianjinUniversity续表---1939：哈恩、斯特拉斯曼发现裂变1961：加加林，载人飞船上上天1942：费米建立第一个核反应堆1969：阿姆斯特朗等登上月球1945：奥本海默等，原子弹爆炸1970：光纤通讯逐渐实用化1947：肖克莱等，发明晶体管1972-78：研制出大规模集成电路计算机1947-55：从电子管计算机到晶体管计算机1978以后：计算机大量普及1957：前苏联，人造卫星上天1986：贝特诺兹，缪勒等发现高温超导现象1958-60：汤斯、肖诺、梅曼发现激光2、物理学发展简史TianjinUniversity2、物理学发展简史1900年：提出能量子，标志量子力学诞生—普朗克1905年：爱因斯坦建立狭义相对论；1911年：卢瑟福发现原子核；1913年：玻尔建立量子论；1925-26：海森堡、薛定谔建立量子力学；1950年后：粒子物理的研究20世纪上半期：物理学研究天然存在的“物”之“理”；20世纪下半期：人工材料制备，如纳米科学TianjinUniversity二十一世纪物理学的发展主要在：真空理论、类星体能量之谜、暗物质之谜、超对称、粒子物理学、暗能量之谜、宇宙起源、物理学的统一、计算物理学、高温超导体、生物学、基因组学、广义相对论、量子力学、恒星和行星的形成等。2、物理学发展简史TianjinUniversity十九世纪：化学家在实验室制成了一系列的化合物，促进了化学工业的发展，可以说19世纪是化学世纪。二十世纪：相对论和量子力学的建立标志现代物理的诞生，物理学不仅深入探讨物质本质，而且促进了技术的飞速发展，电视、激光、电脑、原子能、航天技术、信息产业均建立在物理学研究成果之上，可以说二十世纪是物理学世纪。二十一世纪：生物学世纪？信息世纪？2、物理学发展简史TianjinUniversity能源的重要性人类生活和经济发展的基础，社会发展和进步的动力。能源科学的发展过程向大自然索取能源先进能源技术的使用新能源的不断开发围绕能源的开发和利用，形成了一门综合交叉特色学科—能源科学。涉及物理、化学、材料、自动化、环境等3、物理学与能源科学TianjinUniversity火的使用18世纪初蒸汽机的发明和使用19世纪初电能的使用20世纪下半叶原子能的使用---核电站与物理学发展密切相关。物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用提供了理论和实验基础3、物理学与能源科学能源TianjinUniversity重点研究化石能源高效洁净利用与转化的物理化学基础，高性能热功转换及高效节能储能中的关键科学问题，可再生能源规模化利用原理和新途径，电网安全稳定和经济运行理论，大规模核能基本技术和氢能技术的科学基础等。国家中长期科学和技术发展规划纲要能源可持续发展中的关键科学问题3、物理学与能源科学能源TianjinUniversity3、物理学与能源科学能源能源的分类◆来自地球外天体的能量---海洋中的氘(D)、氚(T)等聚变能资源---风能、水能、海洋能---太阳辐射能---化石能源(煤、石油、天然气)◆地球本身蕴藏的能量---地热能---地壳中储存的裂变燃料(铀)◆地球、月亮和太阳等天体相互作用而产生的能量，如潮汐能等。TianjinUniversity能源与环境氮氧化物(NO、NO2)；SO2；悬浮颗粒物；CO；碳氢化合物(CH4、C2H6等)污染来源于：煤、石油等燃料的燃烧(70%以上)；汽车等排出的废气；工业生产中产生的废气能源的利用带来地球环境的污染(大气和水资源)在大气中的主要污染物：举例