现代物理学与工程技术市公开课获奖课件

1、杜祥琬 二五年六月现代物理学与工程技术献给世界物理年 浅 谈/10/10第1页第1页 序言 物理学与核能工程技术 物理学和激光技术与工程 物理学与宇航工程 物理学与工程技术互相联系普遍性 物理学家和工程技术专家共同品格 摘 要/10/10第2页第2页前 言 自有了人类，就有了原始生产活动和基于经验简朴技术与工具。在人类历史上，技术出现先于科学。/10/10第3页第3页序言 科学知识形成有两个源泉：一是由于生产发展需要二是人类对客观世界好奇心和求知兴趣感性结识理性结识思考自然界内在规律观测分析归纳/10/10第4页第4页前 言科学（首先是物理科学）革命，引起了生产技术革命，使人们对基础科学、应用

2、科学、工程技术和生产活动关系，有了新感受和结识。哥白尼19世纪17世纪16世纪爱因斯坦麦克斯韦牛顿20世纪科学独立存在有了完整体系/10/10第5页第5页序言物理学： 对许多工程技术领域开创起着先导、引领作用；工程技术： 直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究疆域，并为之提供了丰富精致环境条件和研究手段。在当代社会进步历程中，物理学和工程技术之间存在紧密互相联系和深刻互相作用。/10/10第6页第6页序言 物理学与工程技术：互相增进、携手并进、互相渗入；与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会发展；从生产方式、生活方式与思想观念上改变着人类文明进程。/10/10第7页第7页一、物

3、理学与核能工程技术 田湾核电站/10/10第8页第8页原子核物理学新发觉是核工程技术基础与先导 19世纪末，相继发觉了x射线、放射性和电子 19卢瑟福提出了原子核式模型 19玻尔完善了原子结构理论 19爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空新概念 ;提出了质能关系及其著名表示式E=mc2 20世纪初叶，是物理学革命年代。/10/10第9页第9页原子核物理学新发觉是核工程技术基础与先导 1932年，查德威克发觉中子;海森堡和伊凡宁柯分别独立提出了原子核由质子和中子构成模型 1934年约里奥-居里夫妇成功地用人工办法产生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在试验上发觉中子轰击下铀核裂变以及

4、梅特纳和弗里什理论解释 /10/10第10页第10页对核结构和质量研究，使人们结识到原子核结合能随原子量改变规律：一个重核分裂成两个中档质量核时，会释放能量；一些轻核聚合成一个较重核时，会释放能量；E= MC2 M-质量亏损，一次核聚变时放出能量要比核裂变时大四倍以上。原子核物理学新发觉是核工程技术基础与先导 /10/10第11页第11页原子核物理发觉，奠定了裂变核能与聚变核能应用基础。核能应用实现还必须进一步处理一系列应用物理学和工程技术上问题。 原子核物理学新发觉是核工程技术基础与先导 E=MC2/10/10第12页第12页核武器与核能 1) 核裂变能（原子能）被用来制造原子弹时，必须突破

5、诸多关键问题： 可裂变材料选取和制备；拟定实现链式裂变反应所必须裂变物质最小体积（临界体积）或临界质量；达到临界与裂变点火技术路径；/10/10第13页第13页核武器与核能 高能炸药研究，爆轰物理规律及其准确时空控制；将流体力学，中子核物理等耦合在一起全过程数值模拟，整套物理参数；核部件与非核部件加工，材料相容性研究及结构工程设计；核试验办法，核试验诊断理论与测试技术等。 /10/10第14页第14页核武器与核能 2) 核聚变放能是氢弹物理基础。制造氢弹必须创造性地处理一系列问题：必要热核燃料（如氘和氚或锂等）制备；如何利用原子弹爆炸能量产生高温、高压来点燃聚变材料，并使之自持燃烧；氢弹/10

6、/10第15页第15页核武器与核能 掌握辐射输运规律、辐射流体力学及高温高密度等离子体物理、状态方程、高剥离度原子参数；利用适当材料和巧妙构形实现热核爆炸；特殊效应核武器（如中子弹等）还需进行特殊设计等。 /10/10第16页第16页核武器与核能 问题处理是物理工作和工程技术紧密交叉结合过程：如,核爆炸物理诊断学，就是为了弄清核武器爆炸后快速而复杂物理过程、各种物理量随时、空改变规律，从而做到不但知其然，并且知其因此然。故意思是，几种核国家突破氢弹工作是 “英雄所见略同”。 两个太阳/10/10第17页第17页核武器与核能 3）明智人类把核能用于和平目的，作为洁净能源。基于核裂变反应堆核电站由

7、核岛和常规岛构成在核岛内要使核能以可控、安全、长期连续形式释放出来；通过常规岛转换成电能供人使用。/10/10第18页第18页核武器与核能 在核燃料选择、制备、控制办法、结构和安全设计等方面需处理一系列工程、技术问题。/10/10第19页第19页核武器与核能 基于核聚变反应堆聚变电站是处理人类未来能源问题一个希望。要实现热核燃料“点火”，并有净能量输出；必须控制热核聚变反应速率；是一项有难度大科学工程；当前处于前期试验研究阶段。 /10/10第20页第20页核工程技术发展深化着物理学研究 核爆炸物理环境：瞬时快变高温高密度等离子体和混合辐射场。揭示了高温高密度等离子体一些特有规律，如非平衡燃烧

8、需用“三温方程”描述。辐射场本身也也许是非平衡。/10/10第21页第21页核工程技术发展深化着物理学研究 再如，普通情况下，可用线性波尔兹曼方程来描述中子输运过程；但在发生猛烈热核聚变区域和时间内，中子之间碰撞已不可忽略，于是提出了非线性中子输运方程及其解法。 /10/10第22页第22页 核武器物理和工程发展过程中，形成了一个新兴交叉学科高能量密度物理学。广义地，“高能量密度”是指能量超出1011J/m3，或压力超出1兆巴，温度超出400ev，电磁波强度超出31015w/cm2物质状态；在核武器物理领域，“高能量密度”特指温度超出103ev，压力超出107atm，高密度物质状态。核工程技术

9、发展深化着物理学研究 /10/10第23页第23页核工程技术发展深化着物理学研究 进行高能量密度物理研究装置包括：激光惯性约束聚变装置基于脉冲功率技术Z箍缩装置长脉冲（s）功率装置 （如美国 Atlas）等神光II装置/10/10第24页第24页核工程技术发展深化着物理学研究 研究内容包括：材料特性可压缩流体动力学辐射流体动力学核聚变物理天体物理等。是以大科学工程为手段研究基础物理学/10/10第25页第25页核工程技术发展深化着物理学研究 可 见： 物理学引领工程技术生产力反哺物理学工程技术/10/10第26页第26页二、物理学和激光技术与工程 激光加工设备/10/10第27页第27页光物理

10、基础研究孕育了激光器诞生19世纪科学家们进行了关于电磁波卓越研究19爱因斯坦提出了光量子和光电效应概念，揭示了辐射波粒二象性 19爱因斯坦提出了受激辐射概念19普朗克引入能量量子概念 基础性、摸索性研究/10/10第28页第28页光物理基础研究孕育了激光器诞生激光走向新技术开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器 1958年美国汤斯和苏联巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光概念和理论设计 1960年美国梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功 /10/10第29页第29页激光技术与工程快速发展及其深刻影响 激光特性使之在光

11、学应用领域带来了革命性改变：方向性单色性相干性高亮度/10/10第30页第30页 四十多年来，激光器品种快速增长：固体激光器半导体激光器固体激光器（半导体激光泵浦）化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光技术与工程快速发展及其深刻影响/10/10第31页第31页自由电子激光器x射线激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。 激光技术与工程快速发展及其深刻影响铜蒸气激光/10/10第32页第32页 激光器输出水平不断提升：中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲激光。连续高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉

12、冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。 激光技术与工程快速发展及其深刻影响/10/10第33页第33页输出激光频率覆盖着越来越广范围：长至亚毫米（太赫兹）短至x射线激光也在摸索中，分立激光谱线达几千条；输出激光光束质量，好可达近衍射极限。 激光技术与工程快速发展及其深刻影响/10/10第34页第34页 激光应用开创性表现在 ： 激光光谱技术比老式分辨率提升了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富频率资源；激光技术与工程快速发展及其深刻影响充斥全球光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，

13、提供了全新多样化信息服务。 可擦除小型光盘刻录母盘/10/10第35页第35页 激光可在很小区域上聚焦很高功率密度：在工业制造中可进行准确切削和表面改性做精密医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程快速发展及其深刻影响/10/10第36页第36页 激光技术开辟了崭新军事应用，包括：激光瞄准、制导、测距激光雷达激光陀螺激光引信激光致盲传感器高能强激光武器等。 激光技术与工程快速发展及其深刻影响ABLABL/10/10第37页第37页激光应用本身及其提供研究手段又增进了物理学发展 非线性光学成为一个主要研究领域：激光与介质（含大气）互相作用时产生各种非线性效应物理本质和规律。产生条件、特

14、性、机理：受激拉曼散射自聚焦热晕光学和频与倍频相干瞬态光学效应等/10/10第38页第38页激光应用本身及其提供研究手段又增进了物理学发展 非线性光学材料及非线性光学效应几种应用：扩展激光波长范围发展非线性光学相位共轭技术光学双稳为研究非线性系统中动力学行为提供实用手段；超短、超强激光将对强场超快科学、相对论非线性物理、天体物理及宇宙学研究提供新手段和极端条件。/10/10第39页第39页激光应用本身及其提供研究手段又增进了物理学发展 激光光谱学高灵敏度和高分辨率：可用于对物质结构、能谱、瞬态改变和微观动力学进行进一步研究，进一步结识原子和分子超精细结构，更准确地拟定基本物理常数数值；1995

15、年人们利用激光冷却办法，在试验室实现了爱因斯坦1926年预言Bose-Einstein凝聚；Bose-Einstein凝聚态/10/10第40页第40页 激光还在物理学与其它基础科学交叉学科研究中，发挥了巨大推动作用如化学物理学生物物理学（以激光为手段分子雷达成为生命活细胞研究工具就是一例）等 激光应用本身及其提供研究手段又增进了物理学发展 /10/10第41页第41页三、物理学与宇航工程 /10/10第42页第42页物理学为宇航奠定理论基础 宇航学开端与物理学进展密不可分。正是物理学基础和当代技术发展才使“嫦娥奔月”佳话和“万户”航天抱负得以变为现实。/10/10第43页第43页17世纪开普

16、勒通过计算，发觉行星沿椭圆轨道运营等开普勒三定律 1957年10月苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星，这是人类航天历史上一个里程碑 17世纪牛顿力学形成体系，结识了万有引力定律 物理学为宇航奠定理论基础 20世纪初叶，齐奥尔科夫斯基给出了三个宇宙速度概念并准确计算了它们数值。 /10/10第44页第44页航天有赖众多关键技术突破和集成，是复杂系统工程 航天包括运载火箭、应用卫星和卫星应用、载人航天和深空探测等几大方面。 应用卫星又包括资源卫星、气象卫星、通信卫星、导航卫星及各类科学试验卫星和军用卫星等各种。除大型卫星外，还在开发微小卫星技术，以及卫星组网和编队飞行技术。 /10/10第45页第

17、45页航天有赖众多关键技术突破和集成，是复杂系统工程 每类卫星涉及一系列关键技术，比如：卫星结构设计姿态控制技术变轨技术热控制技术电源技术 “亚洲蜂窝卫星系统”卫星/10/10第46页第46页卫星测控技术卫星回收技术有效载荷技术卫星总体技术，包括总体设计、总装测试、环境模拟等。配套基础设施，如卫星发射基地，卫星测控网站和应用站等 航天有赖众多关键技术突破和集成，是复杂系统工程 /10/10第47页第47页航天有赖众多关键技术突破和集成，是复杂系统工程 伴随航天技术发展，卫星应用将产业化、规模化，而新一代高水平航天器将陆续出现，并走上更远征程，摸索太阳系其它星球、银河系乃至更深远处宇宙未知。 /

18、10/10第48页第48页航天工程技术和遥感技术为物理学研究开辟新天地 关于宇宙起源学：宇宙存在3oK温度背景微波辐射、哈勃红移测量、宇宙中氦元素丰度测量，这三条为宇宙大爆炸理论提供了支持。尽管有待研究问题还诸多。/10/10第49页第49页航天工程技术和遥感技术为物理学研究开辟新天地 探月和登月，大大增长对月球物理环境理解；美国“勇气”号和“机遇”号对火星探测，为火星研究提出了更多课题，也对地球物理研究有新启示；/10/10第50页第50页航天工程技术和遥感技术为物理学研究开辟新天地 搭载在卡西尼号土星探测器上惠更斯土卫六探测器，正在揭开土卫六奥秘 ，还也许对生命起源摸索提供线索；“伽利略”

19、号探测器对木星探测和所获取木星信息，是科学技术史另一曲凯歌。航天大大开阔了人类结识世界眼界。 /10/10第51页第51页 借助航天航宇工程和探测技术研究一系列物理学尚不明白重大问题：寻觅宇宙中反物质，弄清暗物质和暗能量起源和本质等；利用外空微重力、高真空、超洁净环境，研究微重力科学，对地球、太阳、宇宙天体及外空环境进行全新观测研究；提供关于“空间”和“时间”新结识，为物理学乃至哲学发展开拓新天地。 航天工程技术和遥感技术为物理学研究开辟新天地 /10/10第52页第52页四、物理学与工程技术紧密联系和互相增进含有普遍性 /10/10第53页第53页 一个典型例子:基本粒子物理学与大型加速器工

20、程相伴发展, 最近期待是在欧洲核子研究中心（CERN）建成大型强子对撞机（LHC），有希望为弦论提供证据，增进粒子理论模型进步，影响宇宙学发展。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第54页第54页 低温物理一个光辉篇章是超导体研究。物理学与工程技术结合含有普遍性19发觉超导现象20世纪最后十几年，高温超导研究取得主要进展1957年BCS超导理论问世/10/10第55页第55页 超导技术应用：电能输送加速器应用贮能超导磁悬浮列车生物磁学医学等领域物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第56页第56页 纳米科技是在物理与技术紧密结合过程中发展一个主要领域，并且很典型地表达了从量变到质变

21、哲学。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第57页第57页 物理学同其它学科交叉：生物物理学是一个主要研究方向。物理学与计算数学和计算机技术交叉结合，还产生了计算物理学。量子理论与信息科学与技术交叉造成量子通信概念、量子调控技术和量子信息论产生，并快速走向技术，包括新光通信技术量子通信、光学量子计算等。物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第58页第58页量子纠缠试验装置图/10/10第59页第59页研究结果“五光子纠缠和终端开放量子态隐形传播”“年中国十大科技进展”之一；“国际物理学重大事件”“国际物理学十大进展”之一。 若干年后，将会出现实用网络化量子通信和量子计算。信息获取和

22、传播将超越人们感官和神经系统生理极限。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第60页第60页 在研究工作办法论方面，如 ：以算子理论为基础数值办法应用于工程科学领域，阐明波理论是宏观物理学中一个普遍性问题；许多国际计量原则（如长度单位米）从基于欧氏空间概念典型直观量，改成了基于波函数空间概念电磁量，这样波函数空间数学概念已经与生产和生活紧密联系起来 。物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第61页第61页波量子性并不是光所独有，机械波在与其它物体互相作用过程中也存在量子性，声子就是对声波在互相作用过程中能量状态不连续性描述。 物理学与工程技术结合含有普遍性量子加密试验室/10/10第

23、62页第62页前沿物理学研究：有一部分属于纯正物理学，在相称初期内不一定用于生产实践；有一部分应用性很强。人类生产实践：不但是发展科学技术基本推动力；也为科学理论验证提供着无限舞台。 物理学研究与工程技术相结合是相得益彰，十分主要。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第63页第63页科学技术结识和改造世界作用，也包括结识和改造人类本身（如脑认知科学），同时逐步掌握、适应并利用客观规律，学会用科学发展观指导社会发展实践，同自然友好相处，取得连续发展自由。科学与工程技术密切结合，推动节约型社会，环境友好型社会建立，是一个急迫而长期主要使命。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第64

24、页第64页人类结识世界过程没有尽头，人类改造世界过程也没有终点。爱因斯坦说：“我深信深化理论进程是没有止境。”物理学既老又新。物理学不是一切，但几乎一切都离不开物理学。物理学过去、现在和未来都是富有生命力科学。 物理学与工程技术结合含有普遍性/10/10第65页第65页五、物理学家和工程技术专家共同品格 /10/10第66页第66页物理学家和工程技术专家共同品格 1. 无论是结识世界还是改造世界，其主线目的都应当是造福于全人类。 有幸从事物理学研究或工程科技事业人，一个首要共同品格：含有高度社会责任感为科技事业献身精神 /10/10第67页第67页物理学家和工程技术专家共同品格周光召在谈到爱因

25、斯坦时说：“我们纪念这位伟人，不但要理解他在科学上作出主要奉献，更要学习他在任何困难条件下都一心为科学而献身精神，学习他为实现社会公正而无私无畏奋斗精神。”/10/10第68页第68页物理学家和工程技术专家共同品格爱因斯坦说过：“照亮我道路，并且不断地给我新勇气去愉快地正视生活抱负，是善、美和真。人们所努力追求庸俗目的财产、虚荣、奢侈生活我总觉得都是可鄙。” /10/10第69页第69页物理学家和工程技术专家共同品格 在新中国半个多世纪科技发展中，有 : “健康生命全不顾，精忠报国重天山”邓稼先。/10/10第70页第70页物理学家和工程技术专家共同品格 有因飞机失事被烧死时刻，与警卫员紧紧抱

26、在一起，使两人腹部间装有主要机密资料公文包完好无损郭永怀等一大批可敬科学家。郭永怀/10/10第71页第71页物理学家和工程技术专家共同品格 他们不但创造了载入史册业绩，也创造了与崇高事业相称关键价值观：“铸国家基石，做民族脊梁。”他们在我们内心留下了永远珍贵精神财富。 /10/10第72页第72页物理学家和工程技术专家共同品格 与高水平科技工作相应崇高人文精神，是支撑科学家群体向高处登攀神圣情怀。不久前，美国科学家为了不影响对也许存在外星生命现象摸索，决定让“伽利略”号探测器在运营了之后在木星大气层中焚毁，使人们看到了当年伽利略对真理负责、对人类负责精神延伸，读出了科学家人文精神在新世纪标高

27、。 /10/10第73页第73页物理学家和工程技术专家共同品格2. 唯真求实是科学精神基本内涵，是科技工作者基本品格。无论搞基础还是搞应用，都必须脚踏实地、潜心钻研。 以自由电子激光研究为例，国内外都经历过做来做去还是出不了光“拂晓前黑暗”，只有把从头到尾每一个参数都精密地做到位了，才干取得硬碰硬成功。FIR-FEL试验装置 /10/10第74页第74页物理学家和工程技术专家共同品格 最近我国THz-FEL研究在通过八年不懈努力之后终获突破，再次使人感受到：“自由电子激光不自由。”“一百件事，做好了九十九件，还是出不了光，必须百分之百。”因此，精密高科技研究，容不得一点浮躁，不允许半点马虎。在

28、今天中国科技界，尤其要提倡远离浮躁、静心钻研学风。 THz-FEL试验系统布局图 /10/10第75页第75页物理学家和工程技术专家共同品格3. 创新是科学技术灵魂。20世纪物理学突破了已有概念，创建了革命性新理论。但这并不意味着新摸索终止，人类未知远多于已知。 如恩格斯所说：“我们还差不多处于人类历史开端，而未来会纠正我们错误后代，大约比我们纠正其结识错误前代要多得多。”/10/10第76页第76页物理学家和工程技术专家共同品格工程技术领域创造创造和集成创新也将是永无止境。对已有结果说“不”，对权威说“不”，既需要有敢想敢说、追求真理勇气，更需要严谨进一步实干精神。 整个科学技术史是不断创新历史、不断跨越历史、人才辈出历史。自主创新能力是关键竞争力，在今天中国更要提倡开放自主创新。/10/10第77页第77页物理学家和工程技术专家共同品格一些已进入耄耋之年老科学家还在不断思考新问题，是我们榜样；而创新责任则更多地落在青年科技工作者肩上。彭桓武先生总结16字诀： “积极继承