高二物理竞赛绪论 物理学的发展 课件

物理学的发展０-1历史的透视一、17〜19世纪——经典物理第1次突破：以17世纪牛顿力学的建立为标志建立两个定律运动定律：在力作用下物体的运动规律万有引力定律：物体间相互作用的规律1687年发表划时代著作：《自然哲学的数学原理》“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”罗伯特·胡克——英国历史上第一位职业科学家莱布尼兹数学上的争论第2次突破：以18、19世纪热力学理论和气体分子动理论的建立为标志蒸汽机：导致以解决动力机械为主导的第一次工业革命瓦特1892年研制的蒸汽机车开尔文1824~1907第3次突破：以19世纪法拉第-麦克斯韦电磁场理论的建立为标志电力和无线电通讯：开始工业电气化进程，导致第二次工业革命二、20世纪——近代物理1900年英国物理学家开尔文展望20世纪科学：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”——黑体热辐射实验——迈克耳逊-莫雷实验“但是，在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”相对论和量子力学引发物理学的革命风暴相对论量子力学近代物理的理论基础高新技术——核能、晶体管、激光、大规模集成电路、计算机等：导致第三次工业革命物理学进一步发展：核物理、半导体物理、固体物理、激光物理上海磁悬浮历史上物理与技术的关系大致有两种模式:

技术

物理

技术

(以第一次工业革命为标志)

物理

技术

物理

(以电气化进程为标志)爱因斯坦受激辐射理论（1917）第一台激光器诞生（1960）现代光学（物理）（技术）（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）量子力学费米-狄拉克统计固体能带理论（20年代）微结构物理21世纪~x世纪微观世界两大疑问宇宙中的两大疑问①弱相互作用中宇称不守恒②自由夸克没有观测到①暗物质由什么构成?②类星体缘何具有巨大能量？“真空”黑洞？灰洞！§０-2自然界的物理图象一、物质存在的形态A实物非凝聚态液体等离子体凝聚态固体气体

自然界由物质组成，一切物质都处于永不停息的运动中物质第五态：玻色－爱因斯坦凝聚态(1995年)

1924年，S.N.Bose将光子作为全同粒子推导黑体辐射Planck公式的论文寄给A.Einstein，Einstein将其译成德文并发表——玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)随后，Einstein将Bose的结论推广到有质量的原子系统，并且预言了一个非常吸引人的量子现象：极低温度下，气体原子可聚集到同一个量子态上Ketterle纳原子气中实现的BEC1995年，麻省理工学院的Ketterle和科罗拉多大学的Wieman和Cornell在实验上实现了BEC——分享2001年度诺贝尔物理学奖KetterleCornellWieman物质第六态：费米子凝聚态(2004年)

BEC和费米子凝聚态都是物质在量子状态下的形态1995年科罗拉多大学的DeborahJin在同事BEC研究基础上开始费米子凝聚研究Jin的研究小组利用过度冷却（两千万分之一度）的钾原子实现了费米子凝聚，创造出新的物质形态B场稳恒场电场、磁场物质内强作用场、弱作用场引力场运动的场——电磁场(波)二、物质存在的条件时间、空间是物质存在的条件“宇”——空间“宙”——时间四方上下曰宇，古往今来曰宙——《三苍》物质存在的形态之B《淮南子·原道训》注1.时间宇宙年龄：约10171018s

时间测量跨越1042-43量级粒子最短寿命：约10－25s2.空间宇宙线度：约1026m(200亿l.y)层子(夸克

guark)：约10－20m空间测量跨越1046量级无尽的过去与无尽的未来宇宙大爆炸说1946年伽莫夫提出大爆炸学说：180(150)亿年前密度极高的宇宙大爆炸宇宙膨胀温度下降

出现质子、中子、电子、光子、星系、生命等三、物质基本属性之一——质量质量内涵惯性的大小引力的大小能量的多少质量分类动质量——物体的质量与运动有关静质量——物体静止时的质量四、物质间的相互作用——自然力物质的基本属性之一1.四种相互作用的自然力(2)弱作用：引起粒子间的某些过程，如：衰变(短程：约10－18m)(1)强作用：原子核结合力，它使原子核牢固地保持为一个整体(短程：约10－15m)β衰变中放出电子和中微子之间只有弱力作用强度是强相互作用力的1/1013弱作用β衰变过程中，原子核内中子衰变成质子而失去的能量。然而，实验结果表明，电子所带走的能量，总比原子核应该放出的能量少得多。大胆的青年物理学家泡利，于1933年提出了一个崭新的理论：在微观世界，确实存在着一个“窃能贼”，把原子核内释放的一部分能量偷走了。它可能不带电，质量也非常小，同周围的相互作用力很弱，所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了---“中微子。费米利用“中微子”的假设，提出核衰变过程(3)电磁作用：发生在电荷间(电作用)、运动电荷间(磁作用)的相互作用(长程作用)(4)引力作用：物体间表现出的固有的相互作用(长程作用)——最弱的一种宏观物体间所能观测的是电磁和引力作用强相互作用的1/1038-42,强相互作用的1/137,各力的作用