物理模型与物理学习20130528

物理学与信息技术学院SCHOOLOFPHYSICS&INFORMATIONTECHNOLOGY学院简介2013年6月陕西师范大学简介陕西师范大学是教育部直属、国家“211工程”重点建设大学，国家教师教育“985”优势学科创新平台建设高校；学校位于世界四大历史文化名城之一的古都西安，占地面积2700余亩，建有长安、雁塔两个校区。学校现设有21个学院，2个基础教学部，64个本科专业，12个博士后科研流动站，15个一级博士学位授权点，103个二级博士学位授权点，40个一级硕士学位点，185个二级硕士学位点，1个教育博士专业学位点，20个硕士专业学位点（含工程硕士8个领域）。物理学与信息技术学院是陕西师范大学的主干学院，历史悠久、传统优良。物理学专业是首批国家级特色专业、陕西省名牌专业，是跨学科“x-物理学”人才培养模式创新省级实验区。学院拥有国家级跨学科“x-物理学”实验教学示范中心、“超声学”省级重点实验室、省级“物理学实验教学示范中心”和“电工电子学实验教学示范中心”等科研与人才培养平台。物理学与信息技术学院——基本状况教职员工：89人，其中专任教师70人；职称结构：双聘院士1人，教授16人，博士导师12人；副教授26人，硕士生导师35。教师中有国家级突出贡献专家2人，享受国务院政府特殊津贴专家4人，入选教育部骨干教师资助计划、教育部优秀青年教师资助计划、教育部新世纪优秀人才支持计划5人。物理学与信息技术学院——教师队伍物理学博士后流动站物理学（一级博士点）1、声学2、理论物理3、凝聚态物理4、光学5、原子与分子物理6、生物物理物理学与信息技术学院——学科介绍（博士）11个学术型硕士学位招收方向：课程与教学论、理论物理、原子与分子物理、凝聚态物理、声学、光学、无线电物理、生物物理学、光学工程、信号与信息处理、生物医学工程3个专业硕士学位招收方向：学科教学（物理）、光学工程、电子与通信工程物理学与信息技术学院——学科介绍（硕士）4个一级学科硕士学位授权点：物理学、光学工程、生物医学工程、信息与通信工程优秀毕业生风采国家千人计划学者、中国科学院西安光学精密机械研究所刘兴胜教授国家“长江学者计划”特聘教授、电子科技大学微电子与固体电子学院院长张怀武教授澳门大学校长赵伟教授国家级模范教师、山阳中学仰孝生副校长1.霍裕平院士视察我院超声学重点实验室2.李家明院士来我院做学术讲座3.葛墨林院士来院做学术讲座4.孙昌璞院士作客首期“恒元物理学讲座”学术交流3412物理模型与物理学习陕西师范大学物理学与信息技术学院2013,61.物理模型的定义2.物理模型的作用3.典型的物理模型4.利用物理模型解决物理问题的实例5.物理学习与物理模型的关系物理模型与物理学习模型是物理学认识由唯象理论过渡到动力学理论重要的环节．物理学的发展史清楚地说明了这一点．它通常是摆脱了旧概念的独立思考的成果，代表着科学认识的飞跃．胡宁---模型在物理学发展中的作用--《物理》1993年08期1.物理模型的定义物理模型是物理现象的高度科学抽象，是反映物体运动规律的本质描述。物理模型与物理学习2.物理模型的作用物理学发展的历史，就是不断提出物理模型，并且是新的模型不断地完善旧模型或取代旧模型的历史。一个模型是否正确，要由实践来检验。物理模型的不断提出、更新，推动着物理学的发展，使人们对物质世界的认识不断深化，并逐步逼近真理。可以说，没有物理模型就没有现代严密的物理学理论，不逐步完善旧模型，提出新的物理模型，物理学就得不到发展。物理模型与物理学习例如：（1）哥白尼的“日心说”模型取代了托勒正的“地心说”。（2）关于原子的卢瑟福模型模型取代汤姆孙模型。（3）普朗克为解释黑体辐射提出了最小平均能量模型以及从玻尔模型发展了量子力学。（4）对原子核结构的认识先后有：气体模型、液滴模型、粒子模型，壳层模型等。2.物理模型的作用物理模型与物理学习尽管物理模型的建立为物理学的发展起到了重大作用，但是不能把物理学的发展单纯归结为物理模型的建立、演变和更新。人类的物质生产活动和科学技术的发展才是物理学发展的真正动力。物理学的发展（1）经典物理学集中于描述客观世界的宏观运动规律，接近人类直接的感觉或观测。经典物理的发展堆动了历史上的工业革命，为人类工业化及城市(电气)化奠定了科学基础。（2）二十世纪物理学的发展，主要是揭示了微观世界(原子、分子、光子)的基本运动规律，并进而使人们从微观角度深入了解各类物质(原子核、原子、分子、光子、气体、液体、各类固体、等离子体等)的性质及其变化过程。可以称之为“现代物理”。（3）现代物理是人类认识客观世界的一个组成部分，也是人们建立唯物主义世界观的基础之一。2.物理模型的作用物理模型与物理学习3.典型的物理模型•质点模型•刚体模型•弹性碰撞模型•谐振子模型•平面波模型•理想气体模型•光的波动性模型•光的粒子性模型•点电荷模型•电场线模型•偶极振子模型•介质极化模型物理模型与物理学习4.利用物理模型解决物理问题的实例简谐振子模型2+0xxcosxAtfkxmxkx2++=0xxx[][i+]2=[i+i]2xUExptExptUExptt物理模型与物理学习(1)经典理论将一个原子看作是由一个负电中心和一个正电中心组成的电偶极子。当正负电中心距离r作频率为的简谐振动时，该原子辐射频率为的电磁波，电磁波在空间某点的场矢量为：0ν0νtνUU002cos由于原子在振动的过程中不断地辐射能量，则上式应写为：0,2cos020ttνeUUt电偶极子辐射场的衰减振动此式表示场矢量随时间衰减的振动规律，模型的应用—原子的经典模型物理模型与物理学习(2)衰减振动不是简谐振动，因此原子辐射的波不是单色的，谱线具有有限宽度。tνitteeUtUtνeUU0220020)(2cosdνeνUtUνti2)()(由傅立叶分析可知：dteeUdtetUνUtννitνti)(22020)()(考虑到t0时U(t)=0，所以上式可写成：21)(2)(00)(22000ννiUdteeUνUtννit物理模型与物理学习由于电偶极子的衰减振动可展开成频率在一定范围内连续变化的简谐波，所以光强在谱线范围内随频率有一个分布：2202202)21()(4)()(ννUνUνI(3)自然增宽:作为电偶极子看待的原子作衰减振动而造成的谱线增宽。由线型函数归一化条件可得：22020)21()(41)(11)(νννfAdννfNN2112νννN原子谱线的半值宽度即自然增宽为物理模型与物理学习200eiteqxxxEm在这里将电磁波与物质相互作用过程看作为介质中的带电粒子被电场极化，产生电偶极矩并在电场的作用下运动的过程。电偶极矩可以写为()eqtpx()eqtpx电偶极矩在电场i0tEtEe作用下的运动行为可以看做是做受迫衰减的简谐振动，运动方程可以表示为i0220()iteqExtem方程的解为---光与介质相互作用的偶极振子模型物理模型与物理学习设单位体积中的偶极矩数为N,根据极化强度的定义和极化规律0()()eepqNxtNEt222001ieeqm在各向均匀介质中，若1r,折射率与极化率的关系为21en222200111(ieNqnm）物理模型与物理学习关于折射率的几点讨论•折射率随频率的变化现象叫做色散，折射率表示为频率函数的公式称为色散方程。•当场的频率接近于介质的自身固有频率时，折射率会达到最大的值。220011ieNqnm当场的频率远大于介质固有频率时0220111ieNqnm介质对作用场相当于透明。物理模型与物理学习•谐振子的振动衰变过程是导致折射率为复数主要因素，将折射率写为：'i''nnnii()i010nxkxttceeeEEEi'''''i'ii1010ninxnxnxttccceeeeeEEE可见折射率的虚部反映的是场衰变过程，或场与介质的能量交换过程，而折射率的实部反映的是相位的变化，它主导着介质对场的色散作用。物理模型与物理学习5.物理学习与物理模型的关系（1）通过物理模型理解物理规律（2）通过物理现象建立物理模型研究物理规律（3）在学习物理学的过程中，重要的是建立物理图像。（4）通过简单的物理图像，构建物理模型。（5）通过数学公式，表述物理模型和物理规律。物理模型与物理学习物理模型与物理学习2013年6月