物质世界市公开课一等奖省赛课获奖课件

Chapter1Material

World物质世界第1页Introduction

从物质存在形式、形态、空间尺度、时间尺度以及物质间相互作用描绘物质世界基本轮廓。物质世界第2页2.物质存在形式1.

物质与物体§1.1

物质世界大观物质：可独立存在客体。物体：物质表现形式。

实物场电磁场引力场规范场抽象化概念与详细化概念。例：铝铝壶物质基本属性：

质量能量物质世界第3页

实物占有一定体积，以空间间断形式存在。场没有确定体积，以连续形式存在于空间中，且含有叠加性。如电场、磁场、引力场等。实物与场Relation

(1)场是实物相互作用媒介(2)场与实物之间可相互转化(3)场和实物含有波粒二象性例：电磁作用，引力作用正负电子碰撞湮灭产生电磁波光电效应，电子衍射物质世界第4页3.物质形态(1)分布方式不一样(2)

运动属性不一样(1)固态Distinguish

基本形态(2)液态(3)气态(4)等离子态实物：占有一定体积不可占有同一空间可被加速场：无确定体积，可叠加不能加速物态：物态是物质聚集状态简称，当大量微观粒子在一定温度及压强下聚集成一个稳定状态时，称为一个物态。物质世界第5页(1)整体呈准电中性(2)

集体效应起主要作用

电弧关于等离子态

例：太阳霓虹灯白矮星原指物质在高温或场作用下电离后形成由等量正负离子组成一个聚合态。等离子态：气态星云物质世界第6页Readingmaterial

等离子体1876年，英国物理学家克鲁克斯研究了真空管中放电现象，极有兴趣指出，这种现象在物理学中展现出一个新领域，放电物质形态类似于气体，但却含有极高温度和良好电磁性能，他认为，物质除了以固态、液态、气态形式存在之外，真空放电管中物质当属物质第四态了。1928年，朗缪尔在一篇题为“电离气体中振荡”一文中，给电离态这种物质取名叫Plasma，汉字译作等离子体。其经典含义是指含有等量异性电荷电离了气体。在地球上，天然等离子是非常少，这是因为等离子体存在条件和人类生存条件是不相容。然而，在茫茫宇宙中几乎99%物质都是等离子体，太阳和全部恒星、星云几乎都是等离子体。物质世界第7页当然，在地球上，我们依然能观察到与等离子体相关一些自然现象，在夏季，当暴风雨降临之际，我们经常能观察到电闪雷鸣，这实际上就是云层受某种激发所产生一个等离子表达象。在地球上空约50公里到几万公里高空存在一层等离子体，我们叫电离层。人造等离子体更是随地可见，霓虹灯、电弧、日光灯内发光物质都是等离子体，还有，火箭发射时从尾部喷出火焰、原子弹爆炸时形成火球也都是等离子体。应该指出，通常气体可能会有电子和正离子，但它不是等离子体，不要认为气体被电离后必定就是等离子体，只有电离产生电子和正离子数目到达足够大而且在宏观上依然保持电中性时才可称得上等离子体。等离子体在物理性质上和高温气体有着显著区分，等离子体因为含有大量电子和正离子而成为良好导体，宏观电磁场对它有显著影响，高温气体是绝缘体，它对电磁场几乎没有什么反应。物质世界第8页等离子体会产生一系列以集体效应为特征物理效应，在等离子内部会产生电子集体振荡，磁场在等离子体内部不会产生改变，磁感应线似乎被“冻结”起来，由此会对外界磁场产生磁压效应等。伴随对等离子体特征认识和研究不停深入，等离子体技术在各领域内已经取得了一系列主要应用。利用等离子体磁约束效应可实现人工控制条件下核聚变反应，利用等离子体热温效应能够实现含有精细颗粒表面等离子体喷涂。可能，你已经听说过等离子体发射光谱仪、磁流发电机了，这都是等离体技术应用实例。物质世界第9页其它形态(1)结晶态(2)非晶态(3)液晶态(4)超导态(5)超流态(6)超固态

物态在一定条件下是能够相互转化，影响物态两个主要原因是温度和压强。分子规则、对称、周期性排列分子无规则、对称排列兼有液体和光学晶体性质电阻率为零粘滞系数为零质量密度极大食盐沥青显示器超导体水银珠白矮星物质世界第10页空间尺度4.物质世界层次性结构(1)宏观系统(2)介观系统(3)微观系统(4)宇观系统人体尺度（m)附近几个数量级物质系统。纳米（nm)尺度物质系统。纳米尺度以下更小物质系统。天体、星系和宇宙系统。物质世界第11页物质世界第12页E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小细胞原子原子核基本粒子DNA长度星系团银河系最近恒星距离太阳系太阳山哈勃半径超星系团人蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸层次宇观宏观介观微观物质世界第13页时间尺度任何物质都处于运动改变之中，只能以某一个固定形态存在一定时间，这个时间称为物质存活寿命，寿命结束意味这物质存在形态发生了改变。存活寿命存活寿命揭示了物质由起源到灭亡演化过程例：z0

粒子10-25s宇宙寿命1018s物质世界第14页物质世界第15页宇宙大爆炸Readingmaterial

我们居住地球，只不过是宇宙之中沧海一粟，宇宙到底有多大？宇宙之外是什么？宇宙是怎样产生？宇宙未来怎样呢？都是人们多年来一直在追寻问题。其它问题暂且不谈，关于宇宙起源，较为认可是宇宙大爆炸理论。20世纪之初，斯里夫尔（VSlipher）在劳威尔天文台研究星系光谱时，发觉整个光谱结构向着光谱红色一端偏移红移现象，由此断定，绝大多数星系正以不一样速度悄悄离我们而去，这实际上显示了一幅宇宙正在膨胀图景。宇宙膨胀图景能够用一个简单类比来描述。当手榴弹在空中爆炸后，不一样碎片能够以不一样速度向各方向飞散，莫非星系就是宇宙爆炸后飞散物质碎片吗？物质世界第16页

1964年，彭齐亚斯和威尔孙在贝尔试验室接收到来自于宇宙微波噪音，指出这可能就是大爆炸遗址而称之为“宇宙背景辐射”。巧合是，1981年1月，美国发射了一颗专门宇宙背景辐射探测器，它发回结果和伽莫夫依据宇宙大爆炸假设所预言结果竟惊人相同。其实，早在1927年，比利时数学家勒默尔就提出了宇宙大爆炸理论，他说宇宙最初是个致密宇宙蛋，它爆炸产生了今天宇宙。1942年，美籍俄人科学家把这一概念详细化。宇宙爆炸后早期，其温度极高，密度极大，时间从爆炸开始，空间从爆炸扩涨，半个小时之后一次暴涨，数目惊人粒子，诸如中子、质子、电子、光子等逐步产生了。伴随宇宙膨胀，温度急剧降低，大约经过100万年，温度降至3000K左右，质子和中子结合成了原子核，原子核和电子复合成电中性原子或分子，光子在原子形成过程从中退移，宇宙变了透明。又大约经历了100多亿年慢长时期，伴随温度深入下降，分子和原子形成了宇宙间物质世界第17页气态物质，气体逐步凝结成星云，各种各样星系、恒星开始形成，我们银河系也从此诞生了。宇宙未来怎样呢？是继续像现今这么永远膨胀下去，还是有一天会收缩？宇宙之外是黑暗虚无空间，还是无法想象东西？都待于深入研究和观察。右图为威尔金森微波各向异性检测卫星测试宇宙微波背景辐射，2月12日，美国宇航局公布了（WMAP）确定宇宙“婴儿期照片”。物质世界第18页§2.2

物质间相互作用1.

四种基本作用(1)

电磁相互作用(2)

引力相互作用(3)

强相互作用(4)弱相互作用例：电荷,电流重力核力粒子衰变光子光子引力子引力子介子介子玻色子玻色子Note:电磁力和引力为长程力，强相互作用和弱相互作用为短程力。？2.

质量与能量

大量事实表明，物质内不但蕴藏一定内能，而且能够释放。物质世界第19页爱因斯坦在研究物质能量时得出结论：一定质量对应一定能量(1)

相对论质量经典理论：

假如m常量，将悖于光速极限理论。

由动量守恒原理可证实：当v

<<c

时，

m=m0（2）当v

c时，

Note:

按此式可知，光子静止质量为零。物质世界第20页(2)

质能关系按动能定理有：由：得：微分：点积（标积）?

物质世界第21页(1)注意相对论动能与经典力学动能讨论（2）当v

<<c

时，因：退化到经典动能静止能量：运动过程总能量：物质世界第22页(3)质量是能量量度。(4)质量改变必定引发能量改变，且：例：原子跃迁辐射产生电磁波能量为：求该电磁波对应动量与质量是多少？解：首先分析能量与动量关系两边乘以c

4对光子：物质世界第23页从力对物体做功性质考虑3.保守力与势能(1)保守力(2)非保守力保守力：做功与路径无关非保守力：做功与路径相关万有引力静电力摩擦力磁场力例：万有引力功

元功为：Mabm保守力物质世界第24页Mab总功为：结论:万有引力功与路径无关，是保守力。假如从数学角度定义保守力，则因：L2L1ab结论:做功与路径无关物质世界第25页保守力势能保守力做功与路径无关，依据功效原理，可定义一个仅由系统位置决定能量—势能，其改变量可用保守力做功多少来量度。定义：取：则

：零势点无穷远点，有限远点地球物体在某点势能等于物体从该点沿任意路径移至零势点时保守力所做功。物质世界第26页保守力与势能微分关系由：因：所以，势能微分存在

：当有：物质世界第27页关于势能梯度以势能为例，显然，物理上，惯用梯度概念反应某一物理量沿某一特定方向（梯度方向）改变快慢程度。势能沿x、y、z方向改变率势能沿某方向改变率该方向沿保守力反向，垂直于等势面，这就是势能梯度方向。Fn物质世界第28页

为了简练表示保守力与势能微分关系，引入梯度算符：运算符号，表示进行某种特殊函数运算，当函数作用在算符上，才能表达其完整意义。Fn定义势能梯度：则有：在相临两等势面间l结论:势能梯度方向表示势能增加最快方向。物质世界第29页View

世界以物质而存在。自然界中物质形态各异、形式多样、由小至大、由大至小、有瞬间消失，有存活久远，