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1、授课教师 韩 忠 Tel: 15823432018 Email:,大 学 物 理 学II-1,什么是物理学 中国的物理学发展历程 物理学的研究对象 物理学的研究方法 大学物理课程的任务,绪 论,一 什么是物理学？,物理：Physics 自然哲学,物 物质的结构和性质 理 物质的运动和变化规律,物理：研究物质的基本结构、基本相互作用和基本运动规律的科学。,古代，无论在中国还是在西方，哲学和科学本是一家。文艺复兴以后，自然科学开始与哲学分离而成为独立的学科，而物理学也逐渐成为自然科学的一个重要分支。,物理学既是一门科学， 也是一种文化， 它是人类思想文明的源泉。,在古代，中国对物质的起源问题上提出
2、了“五行说”，即世界是由金、木、水、火、土五种元素组成的。在易经的注解书易传中说：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”,“太极” 宇宙本体， “两仪”阴阳， “四象”春夏秋冬四时 “八卦”天、地、雷、风、水、火、山、泽。 意思是把世界上万物变化的原因都归之于阴阳的相互作用。,现代：物理学家把世界分成四个层次来观察， 那就是宇观、宏观、介观和微观。,西方也有类似的“四根说”： 认为火、水、土、气是组成物质的基本元素。,德谟克利特(Democritus, 460BC 370BC)提出“原子论”， “原子”atom 一词在希腊文中的原意是“不可分割”，当时认为原子的种类和数量都无限多，在
3、空间处于永恒的运动之中，一切物质都是由不可分割的原子组成的。,二 中国的物理学发展历程,物理学与哲学混为一体, “天人合一” 天文、力、声、光、电的成就 近代中国物理的艰辛 现代物理的发展,“物理”一词在2300前的先秦时期就出现了，它泛指人类对自然界及人类自身的理性认识或世界万物的道理。 当时的思想家认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的，人文社会的法则也应该归结为天地、自然的法则；后来有人把这个观点概括为“天人合一”。,物理学的发展历程,物格而后致知，致知而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。 朱熹：(“物格者，物理之极处无不到也。知至者，吾心
4、之所知无不尽也”。）,人们首先要尽力探求世界万物的道理，深入理解得到的各种知识，才会有坚定的信念，修养好个人的品德；每个人有了崇高的品德，就能处理好家族、社会与国家的关系，达到天下大同。,Astronomical observation facilities in 1442, Beijing,Celestial Globe of Zhang Heng in 125,1.天文学与古代历法： 通过长期观测，中国创造了与农业经济相结合的农历，促进了农业经济的发展，并延用至今,这是天体力学的起源。,The 65 Chime Bells of Marquis Yi of Zeng Each bell c
5、an produce 2 tones when struck (Warring States Period (475-221 B.C.) ),2.声学： 在乐器制作、声音传播规律的掌握以及具备完美听觉的音乐殿堂的建造上都取得了突出的成就。如被誉为20世纪考古学的重大事件的湖北随县出土的曾侯乙编钟是中国古代声学的杰作,Performance with Chime Bells in Paris (2000),3.光学： 在光学方面，在墨子的“墨经”中对几何光学的现象已有相当完整的表述，当时已发现了小孔成像技术，发展了金属放大镜技术.等,能够在反射光中现出背面纹饰的镜子,4.力学： 在杠杆原理、静力
6、平衡原理以及在秤量工具和建筑结构等方面也很早就有很多建树,斗拱是古建筑抗震中的又一位重要“战士”,榫卯是抗击地震的关键,5.中国近代物理学的起步比西方晚了200 多年！,长期封建统治下的伦理道德与文化观念不利于近代科学的萌发 清朝“闭关锁国” 政策阻止西方近代科学的传入 我国的传统文化比较讲究实用, 缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力。 基础科学代表着一种探索，其目标在于揭示和认识客观世界的基本规律；它的动机是求知、求真，对真理的追求！,鸦片战争的惨痛教训，激励国人“兴学救国”开始以译书、建学、派留学生等方式向西方学习现代科学技术 我国正式用物理学作为 Physics 的学名是1900 年从
7、日文翻译的 “物理学”出版开始的 1919 年的“五四” 运动高举“科学、民主”的大旗，使发展近代物理和科学成为中国人民摒弃陈腐思想、制度，争取民族独立解放，建立新中国的重要组成部份,近代物理在苦难中艰辛创业,改革开放、科教兴国 与 中国物理的春天,北京高能正负电子对撞机5.6 Gev 1988年10月16日凌晨5点56分,正负电子对撞机首次对撞成功,重大科学工程的建设,美国Fermi实验室质子-反质子对撞机 TEVATRON 2 Tev,对撞机的几种实例,对反应有贡献的是质心系统中的能量,扭秤调制法检验光子静止质量上限,将国际上同类实验上限提高约20倍!,华中科技大学教授：罗俊 2002年扭
8、秤调制实验结果给出：,最近改进方案实验结果：,神光靶场系统,靶场系统概貌,传输空间滤波器(SF2)输出端,真空靶室,神光-III原型靶室,三、物理学的研究对象,宇宙 物质 运动,物理学的研究对象(一)宇宙,1.探索宇宙从哪里来?又向何处去?,上帝创世说与盘古开天地 老子:天下万物生于有,有生于无 道生一,一生二,二生三,三生万物 霍金:宇宙存在起始点,而且有生于无,勇气号火星探测器于2003年六月升空,“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3日和1月24日在火星不同区域着陆机遇号传回照片,“卡西尼”号土星探测器进入土星轨道效果图(NASA图片),美航空航天局(NASA)和欧空局(ESA)合
9、作研究的“卡西尼惠更斯”土星探测器经过6年半35.2亿公里的飞行，2004年7月1日成功进入了土星轨道。并且向地球传回了几组照片。,中国人的光荣与梦想,神舟系列飞船,探索宇宙的代价,2003年2月1号，哥伦比亚号返航时坠毁,2.大爆炸宇宙学,1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。 宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成,George Gamov,Possible Fates of the Universe,3.宇宙的概貌 宇宙中的天体分为不同的层次: 恒星(伴随着行星)
10、星系 星系团 超星系团 宇宙,地球 其他行星 太阳系小天体与行星际物质,美丽的地球,以太阳系行星为例,（1） 行星层次,太阳系的行星,冥王星,天体的尺度：,地球一个精测孤本，其它天体离我们都远。,1秒差距:1pc= 3.11016m =3.3光年,1光年：1l.y.= 9.461015m,光谱测量：探明天体的原子、分子、离子以及其它粒子的丰度；了解物质状态、温度、密度、磁场、电场；均为对物理量的测量。,天文观测的“观”是远远地看天体发出的光； “测”是远远地测量光所带来的物理信息。,天体的测量和尺度,日地距离:1AU =1.5亿公里,（2） 恒星层次,其他恒星： 比邻星、 天狼星等,太阳： M
11、=1.991030kg L=3.901026W R=7105km,星际间物质,炽热的太阳,（3）星系层次,银河系 （1011颗恒星）,星际物质和 尘埃物质,河外星系 （106个大星系）,银河系(侧视),星系由几十亿至几千亿颗恒星构成,星系的尺度在 pc量级,银河系,(顶视),银河系的质量约为1011 M,银河系约有 1011 颗恒星,银河系全貌,河外星系,螺旋星云 M83,（4）星系团：已发现上万个星系团,星系团尺度在Mpc量级,本星系团：由银河系所属的星系团，大小麦哲仑云、仙女座星云等40多个星系组成。,星系团：星系结合而成的星系团,（5）超星系团,本超星系团：由本星系群、室女星系团、大熊座
12、星系团等50多个星系团组成。 空洞：例如几十Mpc的范围内几乎没有星系存在。,超星系团尺度在100Mpc量级,超星系团和空洞是宇宙结构中最大的层次,各层次天体的尺度,宇宙学原理和哈勃定律 宇宙学原理:宇宙从小尺度看物质分布不均匀，但从宇观尺度看可认为是均匀的（固体微观看不均匀宏观看均匀）。,大爆炸宇宙学理论简介,“The most incomprehensible thing about the universe is that it is comprehensible.” Einstein,哈勃定律：哈勃得出了视向速度V与距离d之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系： V
13、 = H0d,哈勃望远镜,进一步发现： 河外星系； 证明黑洞的存在； 宇宙膨胀； 提供新的恒星形成和消失的照片； 捕捉到彗星与木星相撞的壮观景象。,哈勃轨道：地球上空375英里，97分钟绕地球一周,神舟轨道：地球上空343公里，92分钟绕地球一周,1990年发射了哈勃太空望远镜,微波背景辐射分析宇宙早期星系团发现: 一种暗能量正在驱动着宇宙加速膨胀,宇宙的组成,重元素 0.03%,中微子 0.3%,星系物质 0.5%,自由氢和氦 3.17%,暗物质 23%,暗能量 73%,宇宙起源于150-200亿年前的一次大爆炸， 在产生的初始，半径很小，能量和温度很高， 以后随着宇宙的膨胀，温度下降，逐渐
14、形成多层次的物质结构，直到星体、星系。,1948年Gamove, Alpher, Bethe提出大爆炸宇宙模型,理论预言： He丰度为0.25, 存在均匀充满空间温度为5K 左右的背景黑体辐射,按现代的大爆炸宇宙模型，宇宙的演化过程如下： (1) 宇宙创生期 爆炸 0 1044 s， T1032 k , 宇宙处于高温、高压、高密度状态,(2) 宇宙的极早期 10- 4310-36 s, T1028 k ， 粒子平均能量1015 GeV, ， 宇宙暴涨, 增大1050倍；,10-10s以后： T1014 k 弱电相变弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的过程。,1s后： 温度下降
15、到1010K 光子不再有足够的能量产生粒子； 中微子脱耦而独立出来。,10-2s后： 1.01011K 1.0107eV： 宇宙充满光子、电子、正电子、中微子， 三种夸克可以形成中子、质子及其它强子, 粒子不断碰撞转化, 整个宇宙处于热力学平衡。,人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合了！,宇宙生成史上第一个重要时期进入高能物理学研究领域,(3) 宇宙的早期 10-36102 s, T1027 k T109 k, 大爆炸后10-36 s 大统一相变强作用同电磁、弱作用分离，物质和反物质之间的不对称性出现；,5s后： e、e+电子湮灭，自由中子衰变,3分钟后： 温度降到109K，p、n结合成
16、2H、4He核,宇宙生成史上的第二个重要时期,(4) 辐射为主时期 0 1012 s (几十万年, 每年3.15107 s),辐射和实物粒子处于热平衡,(5) 实物为主时期,1012 s 现在,40万年：中性原子形成, 辐射与实物相互作用减弱；,50亿年：星系形成，太阳系形成；,(6) 暗能量为主时期,70亿年左右现在,1989年，为研究宇宙背景辐射发射了 “宇宙背景探测者”卫星(COBE),宇宙背景探测者(COBE),COBE卫星在30多个波长上，每个波长用四个仪器做测量。,目前的吻合值： T = 2.728 0.004K,第一批卫星数据表明： 在从0.05cm到30cm的最重要的频谱波段上，该辐射的谱分布与温度为 2.375K0.006K 的理想黑体吻合！,大爆炸宇宙学模型令人信服的又一证据！,美两位物理学家凭借宇宙背景辐射研究成果获奖,2006年度诺贝尔物理学奖,宇宙中的核丰度 按大爆炸理论, 在爆炸后很快就产生了H,
