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文档简介
2023/2/41
第一讲物理学的基本概念范畴
大学物理专题讲座2023/2/42第一讲物理学的基本概念范畴一、物理学的概念范畴1、总范畴物质存在的基本形态:实物与场(粒子与场)物质的根本属性:运动的绝对性、运动描述的相对性、各种低级运动形式的特殊性物质存在的基本形式:时间和空间←广延性2、具体学科的范畴——构成概念体系比如,力学:力、质量、惯性、碰撞、参照系…二、物理学的研究对象★物质的结构以及各种低级的运动形式!比如,电磁学:电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场…比如,热学:温度、内能、理想气体、熵、…比如,光学:光线、点光源、干涉、衍射、偏振、双折射…★基本概念★导出概念比如,原子物理学:原子核、能级、磁矩、量子数、放射性…★什么是概念2023/2/431、实物与场三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论物质的定义:客观实在性……——无论实物还是场……
实物的(到目前)十种形态日常条件
固、液、气、非晶态、液晶态超高温
等离子态:恒星内部…超高压
超固态:恒星后期的“白矮星”,原子被压碎
中子态:恒星后期的“中子星”,原子核被压碎黑洞……超低温
超导态:比如,水银的温度将到4.173K,即
—269℃时…
超流态:比如,液态氦的温度将到2.17K,出现超流动态…描述实物运动规律的理论:⑴关于实物成熟的经典力学、热力学、电动力学、光学、不完备的原子物理学;不完全成熟的量子力学、不成熟现代宇宙学;2023/2/44量子力学的不足①主要侧重于实物粒子的波粒二象性,甚至没有把光当作粒子处理;②在粒子的基础上谈其波动性——概率波——波、粒二象性地位不平等;③实物粒子的波动性——概率波——不是真正物理波场;④不能描述粒子的产生与消失——微观粒子的转化;①传递实物间相互作用的一种形态;②场是物质存在的基本形态;③场可以量子化——波粒二象性:④场与实物并无定性区别——质能守恒:目前对场的认识描述场运动规律的理论:成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论!⑵关于场2023/2/45
⑶实物与场的统一:量子场论关于物质存在形式的观点:
①场是物质存在更基本的形态:
场处于基态时——无能量、信号释放——所谓“真空”;
实物粒子——是场量子的激发态;
②两种场:
实物粒子场——场量子是实物粒子:电子场、中子场……
相互作用场——场量子是媒介粒子:引力场、电磁场……
③真空是各种量子场的基态——零点振动和虚粒子……
④实物粒子之间的相互作用表现为场之间的相互作用;实物粒子场相互作用场引力相互作用电磁相互作用弱相互作用强相互作用
量子几何动力学(引力场、实物粒子场)
量子电动力学(电磁场、电子场)
量子色动力学(胶子场、夸克场)
统一场论(引力场与电磁场的统一)
大统一理论四种相互作用超统一理论,超对称理论实物粒子场与相互作用场两种量子场的统一
量子味动力学(电磁场、电子场)2023/2/46狄拉克方程
引力场电磁场弱相互作用场强相互作用场
引力场方程
麦克斯韦方程组
量子色动力学
相对论粒子方程
普罗卡方程⑷实物与场的描述:量子场论关于场和实物粒子的特性
①一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子)都对应其量子场(实物粒子场和媒介粒子场)
②实物粒子场(电子场……)——没有经典场概念与其对应量;
③相互作用场(电磁场、引力场……)——有经典场概念与其对应量,是相互量子场的极限;④任何量子场都是真实的物理波场,可以用波动方程描述场的运动规律;用算符及其对易关系进行描述其粒子性运动规律
⑤量子场的基态:“真空态”,彻底否定了脱离物质的绝对时空观;实物粒子场2023/2/47
⑸大学物理学概念体系的尝试1——“实物与场”的角度第一篇宏观力学——质点与刚体第1章低速范围的宏观力学——牛顿力学第2章高速范围的宏观力学——狭义相对论第3章万有引力场与天体力学第4章广义相对论与宇宙学基础第二篇电磁场——场第5章电荷与电场第6章电流与磁场第7章电磁感应第8章麦克斯韦方程组与电磁辐射附录高速运动的电荷与电场的磁场统一性2023/2/48⑴两类粒子⑵两类波
微观粒子(正、反粒子)实物粒子媒介粒子质子、中子、轻子(电子、中微子)夸克…引力子?(传递引力作用)光子(传递电磁作用)希格斯玻色子
W玻色子(传递弱作用)胶子(传递强作用)
介质波概率波机械波:声波、水波…
波粒二象性:光波、物质波(德布罗意波)…●介质波:需要介质(媒质),介质粒子的振动——能量的传播,介质粒子没有迁移……是一种经典的机械波;●概率波:无需介质(媒质),波动场粒子可以脱离波源独立的传播——能量的传播;波强弱并非是波动场粒子的真实行为,只是波动场粒子的可能出现的时空几率……是一种不完备的量子观点、波粒二象性的描述;2、粒子与波2023/2/49●介质波(机械波)波动方程★平面简谐波的波函数●对波函数求时间t的偏导数,得●对波函数求传播空间x的偏导数,得●综合,得←波动方程
物理学的典型方程之一;麦克斯韦据此推断出光的电磁说★设原点的扰动函数—简谐振动2023/2/410●概率波(波粒二象性)的薛定谔方程●将该波函数对时间求导,得★自由粒子的波函数——平面波●平面波●自由粒子的波函数2023/2/411●将该波函数对时间求导,得●将波函数求空间x的偏导数,得★自由粒子的波函数——平面波同理可得★自由粒子的能量和动量的关系三式相加得2023/2/412★算符●设力场的势能函数为,则●薛定谔方程★改写(1)(2)式
近代物理学的典型方程之一;波恩解释——概率波2023/2/413●目前大学物理(普通物理学)的概念体系力学;热学;电磁学;波动与光学——概念体系的错误;量子物理——伯克利物理教程——张三惠——分科的……●
高中物理新课程标准体系3-4
(一)机械振动与机械波;(二)电磁振荡与电磁波;(三)光——干涉、衍射和偏振;(四)相对论⑶
关于两类波(介质波与概率波)科学思维⑷关于两类波(介质波与概率波)研究方法●虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的,但是其本质完全不同;●表面上降低了高中甚至大学生的学习难度,实际上可能殆误了这些人才的终身创造力。2023/2/414⑸大学物理学概念体系的尝试2——“粒子与波”的角度第三篇振动与波第9章振动——机械振动与电磁振荡第10章波动——机械波与电磁波第11章光的波动性(干涉、衍射和偏振)第四篇物质的波粒二象性第12章光的二象性第13章物质波——量子力学基础第14章原子及原子核物理学第五篇大量粒子运动的宏观规律第15章热力学第16章统计物理学基础2023/2/415单位秒:①一个“平太阳日”的1/86400为1秒;1967年,铯-133
原子基态,在零磁场跃迁周期:1秒=9192631770T。米:②经过巴黎子午线1/4千万为1米;1米=光在真空中经历
1/299792458秒所经过的距离。
(在真空中的光速为普适常数)⑴
物理学的旧时空观盖天说—地心说:①唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性;②绝对静止的存在、被宗教神学利用(托马斯·阿奎那[TAguinas])代表人物:托勒密应当指出……旧时空模型主要观点①承认时间、空间是客观存在的;②空间的“上”、“下”观念是相对的;宇宙空间有限有中心;③承认时间的无限性;意义③没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。3、时间与空间←至今难以揭开的科学之谜之一!2023/2/416⑵物理学的经典时空观哥白尼—日心说:伽利略的主要贡献伽利略变换;牛顿的主要贡献①承认时间、空间的客观实在性;将实验方法、数学方法引入物理学的研究;惯性定律;低速宏观伽利略相对性原理;经典时空模型代表人物:哥白尼、伽利略、牛顿哥白尼的主要贡献“太阳中心说”取代“地球中心说”;数学表达越简单越接近自然;②建立了绝对的时空观:(ⅰ)时间、空间彼此无关,各自独立;(ⅱ)时间一维单向——有始无终,(ⅲ)空间三维的均匀性、各向同性和无限性;
超距、质点……。③发明了微积分;发现了万有引力定律;建立了动力学三定律;2023/2/417绝对时空观的功过是非功时间的均匀性——能量守恒定律;空间的均匀性——动量守恒定律;空间的各向同性——角动量守恒定律;过时间与空间——彼此无关;时间与空间——与物质的运动状态无关;同时性的绝对性——超距作用;抛弃了旧的时空观;证明惯性系是等价的;绝对静止的空间;需要特殊的惯性系——以太非时间、空间无关——超距哲学观!2023/2/418⑶狭义相对论的时空观(高速、宏观、惯性系等价)时间的一维、均匀、无限;空间的三维、均匀、无限;②发展了“宇宙无中心”的观点——时空对称原理;③
提出两条基本假设(公设、公理)④建立四维时空坐标——闵可夫斯基空间:★所有的物理规律对于所有的惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊(绝对静止)的惯性系。★在任何惯性系中,光在真空中的速率都相等。①继承绝对时空观:2023/2/419
⑤抛弃了绝对时时空观——相对时空观洛仑兹变换时间与空间皆与物质的运动状态有关空间间隔是相对的时间间隔是相对的同时性是相对的光速不变原理爱因斯坦火车理想实验←测运动的时间变慢←测运动尺子收缩2023/2/420由得当时,有⑦
同时性不同时的简单理论证明⑥同时性不同时的理想实验证明:
爱因斯坦火车理想实验2023/2/421
⑧四维时空间隔不变性时空相对、赝欧几何、惯性系等价注1:狭义相对论的两条基本假定光速不变原理相对性原理注2:狭义相对论的实验基础迈克尔逊—莫雷实验★实验第一步★实验第二步★时间差★附加光程差两步实验的条纹应当移动N=0.37个条纹,但是实验结果N=0!2023/2/422第一束光在以太参照系的时间t1(光程)光束由分光板P射向M2需时间1—追光光束由M2返回分光板P需时间2—迎光
⑨迈克尔逊—莫雷实验的原理及其结果证明
迈克尔逊干涉仪2023/2/423第二束光在以太参照系的的时间t2(光程)所以
2023/2/424所以得实验结果1将实验装置旋转90°同理得实验结果2因为两步实验有时间差其对应附加光程差★两步实验的条纹位置,应当移动N=0.37个条纹,相当于明暗条纹互换位置,但是,实验结果N=0!!此时,会有一个稳定的条纹分布此时,亦会有一个稳定的条纹分布2023/2/425⑷
广义相对论的时空观(非惯性系与引力场等价)①进一步发展了“宇宙无中心”的观点——等效原理②补充了时空观念依赖于物质分布的相对性——引力场方程广义相对性原理:一切物理规律在任意参考系间等价。——运动的绝对性③补充了时空结构与物质分布的关系——空间弯曲物质密度越大的地方——统一时空弯曲的曲率越大空间越弯曲;时间流逝越慢引力张量;黎蔓曲率张量;时空度规张量;宇宙半径关于非惯性系等效原理:加速场与引力场等效;——无法区分2023/2/426⑸广义相对论的近代引力理论——②宇宙空间是有限的还是无限的——有限无边——爱因斯坦提出的小尺度宇宙:渺观——轻子、光子、夸克以下的层次微观——光子、质子、中子、原子核、原子、分子、有机物③时间有始有终,还是无始无终?物理学“宇宙”的“生死”交替,构成了哲学“宇宙”的时间的无限性……大尺度宇宙:宏观——行星、恒星、恒星系统(太阳系)宇观——银河系、星系群、星系团之间的暗物质胀观——超星系团、总星系……无限宇宙…①大爆炸宇宙模型——无限膨胀,直至消亡;无限膨胀;膨胀一定阶段,转化为收缩。3K宇宙辐射背景;氦丰度;哈勃红移;天体年龄物理学的,…?哲学的,?……现代宇宙学的理论基础2023/2/427①时间和空间可能存在着一个最小限度——时间、空间量子化普朗克时间普朗克长度美国物理学家古斯(guth)的暴胀宇宙模型:宇宙起源于物理点,而非数学点——超过以上范围,现今物理学理论已不适用假真空态——黑格斯场,其能量密度是原子核密度的倍。②宇宙并非起源于时间、空间和没有物质的“虚无”——假真空态③真空也有复杂的结构真空——各种基态量子场……。*⑹量子理论的时空观及其现代宇宙学的时空观④量子理论的时空观在处理渺观和胀观物质领域遇到了困难,……2023/2/428⑴运动是绝对的①哲学上的意义:物质与运动是不可分割的③相对性原理:一切动力学规律的形式都不因参照系的选择而改变。⑵运动描述的相对性运动学规律的形式会因不同参照系的选择而不同。⑶
物理学只研究物质低级运动的形式(物质运动的五种形式)①低级运动形式的含义:机械运动和物理运动——最基本、最直接的②低级运动形式的具体学科:
力学、热学、电磁学、光学原子物理学、原子核物理学粒子物理学——量子物理学大学物理学(普通物理学)②质能守恒——广义的运动狭义的运动参照系的本质特征是什么?4、运动与静止2023/2/4292002年诺贝尔物理学奖三科学家1、美国2人:雷蒙德-戴维斯,里卡多-贾科尼
2、日本1人:小柴昌俊(MasatoshiKoshiba)●小雷蒙德-戴维斯来自于美国宾夕法尼亚大学物理天文学系,●小柴是日本东京大学初级粒子物理国际研究中心已经东京大学的科学家,瑞典皇家科学院认为他们“在天体物理学领域做出卓越贡献,尤其是他们发现了宇宙中的微中子”。●里卡多-贾科尼是另一位获奖的美国华盛顿特区联合大学的科学家,表彰他“在天体物理学领域取得的卓越成就,尤其是他的研究引导发现了宇宙X射线源”。3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。4、诺贝尔的遗嘱:给人类带来最大的利益,在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。2023/2/430维尔泽克格罗斯格罗斯
2004年诺贝尔物理学奖三科学家分享共约136万美元美国人:戴维·格罗斯
,戴维·波利泽和弗兰克·维尔泽克
●表彰他们“对夸克的研究使科学更接近于实现它为“所有的事情构建理论”的梦想
”。瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。诺贝尔的遗嘱:给人类带来最大的利益,在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。2023/2/4312005年诺贝尔物理学奖由美、德三个科学家共同获得,分享共约130万美元1、美国人:约翰·霍尔,罗伊·格劳伯2、德国人:特奥多尔·亨施●罗伊·格劳伯得一半,成就是对“光粒子的特性进行了理论描述——光学相干的量子理论”●约翰·霍尔,特奥多尔·亨施得另外一半,成就是对“开发了基于激光的高精度光谱技术,即以极高的精度确定原子和分子的光线颜色——光频梳技术,其以15位的精确度来衡量光频率成为可能;”●他们成就“可以构建非常鲜艳色彩(单色)的激光,可以开发高精度的时钟,可以改进全球定位系统”。3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。4、诺贝尔的遗嘱:给人类带来最大的利益,在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。2023/2/432约翰·马瑟乔治·斯穆特2006年诺贝尔物理学奖由两个美国科学家共同获得,分享共约140万美元美国人:约翰·马瑟:激动和吃惊……乔治·斯穆特:我很惊讶……●他们成就:“发现了宇宙背景辐射的黑体形式和各向异性”:
有助于研究早期宇宙,并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源。瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。诺贝尔的遗嘱:给人类带来最大的利益,在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。诺贝尔2023/2/433艾尔伯-费尔(1938—)皮特-克鲁伯格(1939—)2007年诺贝尔物理学奖
他们于1988年独立作出的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。Fert和Grünberg将分享总金额为一千万瑞士法郎的奖金,大概相当于一百五十万美元。隧穿磁阻效应会在比巨磁阻效应中更弱的磁场下就获得显著的电阻改变。●法国科学家:艾尔伯-费尔●德国科学家:皮特-克鲁伯格●他们成就:以表彰他们发现“巨磁电阻效应”的贡献。2023/2/4342008年诺贝尔物理学奖
美日三科学家因亚原子物理学自发破缺对称机制和破缺对称起源获奖:瑞典皇家科学院10月7日宣布,美国籍科学家南部阳一郎和日本科学家小林诚、益川敏英获得2008年的诺贝尔物理学奖。南部阳一郎因为发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制而获奖。小林诚、益川敏英则因有关对称性破缺起源的发现而获奖。2023/2/435
2009年诺贝尔物理学奖英美科学家分享2009年诺贝尔物理学奖:2009年10月6日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科
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