清华大学物理课件教改试点部分内容物质世界与物理学(绪论)

1您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱欢迎2物质世界与物理学(绪论)§1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的学科是自然科学的基础一.物质世界研究的对象十分广泛宇观宏观微观为人们描绘出一副五彩缤纷的图画3空间尺度(相差1045－1046)1026m(约150亿光年)(宇宙)－10－20m(夸克)时间尺度(相差1045)1018s150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬射线周期)速率范围0(静止)-3x108m/s(光速)4人们从自己向小尺度追问以探索物质的组成物理学上对应粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克即认为quark没有内部结构但近来有消息称quark也可一分为二说明认识无止境物质世界总图象5粒子种类自由状态存在的:452种•其中规范玻色子4种•轻子12种•强子436种基本相互作用:电磁强弱引力6人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘物理学上对应天体物理学宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀宇宙半径增大宇宙密度降低温度降低宇宙有限又无边!有中心?无中心?远离7仙女座大星云“物理学的最大研究对象”--陆炎土图28粒子物理学(微观理论)标准模型认定基本粒子揭示物质的组成高能物理实验(实验手段)发展加速器取得实验数据验证微观理论天体物理学(宇观理论)标准宇宙模型分析宇宙的起源大爆炸宇宙学二.关于两个前沿的基本理论9目前天体物理理论和粒子物理理论已成为密不可分的姊妹学科标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子标准模型给出的物质组成是一致的从而体现了物理学的和谐完美和对称从遥远的过去宇宙产生于大爆炸绝热膨胀至今我们生活在这样的世界中人们从自己开始通过各种实验手段(比如加速器)把物质打开探索内部的由来10温度（K）能量（eV）物理过程10321028粒子产生10281024大统一‘大沙漠’1013109强子1011107轻子5×1095×105e+e-湮没中子自由衰变109105核合成4×1030·4复合星系形成2·73×10－4现在标准宇宙模型给出的宇宙生成发展人类通过实验认识物质组成的历程依靠高能粒子加速器的发展1112三.物理学使人们深入认识世界物质存在的基本形式中学时已有粒子和场的认识场论给出最新认识每种粒子对应一种场场有不同能量状态pe场与粒子是统一体的两种表现形式nep相应的场均处于基态真空pe相应的场处于激发态出现相应的粒子13基本相互作用粒子是场的激发态形式因此粒子间的相互作用来自场之间的相互作用场之间的相互作用是粒子转化的原因物质的凝聚状态凝聚态(固、液)气态等离子体致密态恒星晚年白矮星中子星黑洞14提出命题修改理论推测答案理论预言实验检验应用演绎法－推理演算归纳法－假设模型定性和半定量直觉想象力洞察力§2物理学与科学思维一.物理学的研究方法15物理学家的1/3激奋在于建立理论1/3激奋在于证实理论1/3激奋在于突破理论爱因斯坦是典范--最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事--二.物理学家的科学态度实验结果与已有理论不符合预示着重大突破令人兴奋16§3物理学与科学技术物理学为其他学科创立技术和原理重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿如微电子技术的发展物理学满足人类所深刻认识到的最根本的程度上了解自然界的需要(美国物理学评述委员会)17卢瑟福a粒子散射实验(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)信息技术的发生和发展的硬件部分－以物理学成果为基础(技术)(物理)量子力学费米狄拉克统计固体能带理论(20年代)(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)18§4物理学与高素质人才提高科学素质和能力以适应高新技术市场经济的发展现代工业技术工程师类型工程科学家型革新发明家型现场工程专家型管理规划专家型要求良好的科学素质!19物理学的思想和观点如建理想化模型从物理本质上提出和研究本专业问题创新能力在工程技术中引入物理学的新成果物理素质的表现重视提高科学素质深厚的科学素养是发明创造的基础20如：扫描隧道显微镜(STM)的发明说明：深厚的科学素质的重要性70年代罗伯特.杨制成场发射显微镜1981年宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜STM得益于深厚的科学素养1986年诺贝尔物理学奖21•经典•量子隧道效应22导体表面自由电子探针表面电流表面结构UUE狮子的能量必须满足才能越过高墙按经典的观点：E量子：同样用势能表示UE狮子可能穿过势垒到左方实际：UE势垒23中国科学院化学研究所研制的CSTM-9000型扫描隧道显微镜“原子和分子的观察与操纵”--白春礼插页彩图124硅表面77重构图象“原子和分子的观察与操纵”--白春礼插页彩图2解决许多理论和实验上的疑难问题25用AFM得到的癌细胞的表面图象“原子和分子的观察与操纵”--白春礼P.98图4-8基于STM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列原子力(AFM)磁力分子力显微镜等等261994年中国科学院科学家“写”出的平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵”--白春礼插页彩图13操纵原子不是梦“原子书法”27一氧化碳“分子人”“原子和分子的观察与操纵”--白春礼P.151图7-8“扫描隧道绘画”28移动铁原子29大学物理课的任务把大学生领进物理学的各个领域的大门打开大门并送一枚指南针使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中汲取营养茁壮成长30“大学物理学”一套四册，张三慧主编“普通物理学辅导与答疑”一套三册“新概念物理教程”力学，赵凯华，罗蔚茵“基础物理学”上下册，陆果“物理学教程”一套七册，夏学江，史斌星主编“伯克利物理学教程”一套五册参考书31发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。－爱因斯坦结束语32不断地探索未知是物理学家一生的作者：刘凤英陈惟蓉制作：刘凤英秦联华清华大学出版社98.11