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1、 物理学在高新技术材料中的应用物理系 沙 健 教 授绪论，纳米科技 绪论 沙 健纳米材料 沙 健高温超导体及应用 方明虎材料的物理性质 鲍世宁磁性材料 李海洋1、物理学的范畴，作用与意义, 何谓“高新技术材料”?2、物理学与高新技术材料的关系3、物理学在未来高新技术材料发展中的地位和作用绪 论一一、物理学的范畴物理学的范畴, 作用与意义, 何谓“高新技术材料”? * * 物理学的范畴物理学的范畴: :物理学是研究物质结构和运动规律的科学。物理学研究的是自然界中最基本最普遍的规律。精确性 (定量科学) 普遍性 (基础科学) 绪 论当今物理学研究的两个前沿领域：当今物理学研究的两个前沿领域：（1）
2、高能物理最小的空间尺度探索基本粒子和物质结构。（2）天体物理最大的空间尺度研究宇宙演化和起源。两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联 21世纪物理的突破点宇宙起源: 大爆炸理论 ( The Big Bang )绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论物理学的发展规律：物理学的发展规律：寻求最简单的基本原理，解释最普遍的客观事实。随着研究的深入而不断综合, 建立大统一理论，寻找总开关奥克姆准则：越接近真理，基本定律就越简单！物理学的研究范围与分类：物理学的研究范围与分类：（1）经典物理学-力、热、光和电磁学研究对象：宏观物体（大小 原子尺度）低速运动物体（速度 光速）（2）近代物理学-
3、相对论和量子力学研究对象：原子及小于原子尺度的粒子高速运动的物体（速度接近光速）绪 论* 物理学的作用与意义:物理学既是自然科学的基础学科、又是带头学科 （1）物理学与化学息息相关量子理论从本质上说明了元素性质周期性变化的规律。量子化学使人们认识了化学现象的微观本质。（2）物理学与生物学相互渗透物理学为生物学提供了理论概念和方法，如DNA双螺旋结构 ，基因，耗散结构理论。物理学为生物学提供了现代化实验手 段，如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。绪 论( 3) 物理学是现代技术革命的先导热力学的建立推动了蒸汽机实用技术的发展；电磁学的建立使电气时代到来量子力学和相对论的建立，催生了核能技术
4、、超导技术、激光技术、信息技术、纳米技术等高新技术（）物理与数学的关系：互相促进、共同发展微积分、微分方程 力学、电磁学 非欧几何(明可夫斯基空间、黎曼空间) 相对论群论 对称性研究现代微分几何 规范场( 5 ) 物理学是哲学和方法论的基础物理学每个新的概念和规律的确立，都是人类认识史上的一个 飞跃. 牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理 、牛顿颗 粒学说和惠更斯波动学说发展为德布罗意关于物质的波粒二象 性学说、爱因斯坦的相对论时空观、普朗克的量子概念等, 都 成为当代哲学的认识论基础.绪 论* 何谓“高新技术材料”?高深和远离日常生活经验时代性，社会性核技术(曼哈吨计划) 航天技术 半导体微
5、电子技术 纳米科技 能源技术 生物技术等绪 论库仑定律: (法国1785年)吉尔伯特 (英国,1544年), 发现琥珀等物体经摩擦,会吸引纸片等细小 物体, 创造了名词: 电 electricity 迪费（法国,1734年）, 发现两类性质相反的“电” 一类出现在玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛等物体上,另一类出现 在琥珀、树脂、丝、线、纸等物体上 绪 论二、 物理学与”高新技术材料”的关系以电磁现象的探索为例:法拉第(英国,1831年), 发现电磁感应现象法拉第定律： 麦克斯韦(英国,1864年), 集电磁现象研究之大成 - 电磁场理论 赫兹(德国,1887年),用实验证实了电磁波绪 论1832
6、年,皮西克(法国), 第一台手摇直流发电机1834年,雅可比(德国物理学家), 第一台船用直流电动机1943-1910年,德波里(德国物理学家), 第一条57公里远距输电线1878年后,爱迪生(美国)发明了电灯,电影,电子管等几百项电子产品1844年,亨利、莫尔斯(美国)发明了电报; 1922年,贝尔(美国)发明了电话1894年,马可尼(意大利)、波波夫(俄国)几乎同时发明了无线电发射机和接收机1925年,贝尔德(英国), 发明了第一台电视机1945年,莫克来(美国), 制成了第一台电子计算机在物理学诸多成就问世之后,电气化时代到来催生了那个时代的高新技术高新技术推动社会生产力极大发展,又为物
7、理学的深入研究奠定了坚实的物质基础 绪 论伦福德（1798年），从摩擦生热发现热质说的谬误巴本（法国1679年,蒸煮器）纽可门（英国1705年）,瓦特（英 国1765年）发明带冷凝器的蒸汽机 卡若（法国1824年）理想热机，卡若定理推动蒸汽机向高效和实用化方向发展对热现象的研究始于温度的测量 伽利略第一支温度计（空气热胀冷缩，且无刻度）， 华伦海（1714年，德国）水银温度计，盐水冰点人体温 摄尔修斯（1742年，瑞典物理学家），冰点沸点 布克莱（1760年，苏格兰化学家），发现潜热 随后，热质说兴起以热现象的探索为例 :绪 论迈尔（德国年），焦耳（英国年） 热力学第一定律电源R第一定律包含:
8、（）内能定义 （） 热量定义（）能量守恒第一类永动机不可能意义：认识了热能这种新的能量形式以及它与机械能相互转换的规律绪 论开尔文（德国1849年），克劳修斯（德国1850年）热力学第二定律开尔文表述 循环热机不可能只从单一热源吸热使之完全 变成功而不引起其它变化克劳修斯表述 热量不会从低温物体自动传向高温物体而 不引起其它变化第二类永动机不可能意义: 指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性绪 论在物理学诸多成就问世之后,机械化时代到来 催生了那个时代的高新技术1769年,居纽(法国),第一辆蒸汽机汽车1796年,特里维西(英国),第一辆蒸汽机火车随后, 英美法等国大兴铁路,使交通运输出
9、现了翻天地复的变化1860年,勒努瓦(法国),第一台煤气内燃机钻井探油炼油等石油工业开始发展1880年,本茨(德国),第一台气油点火内燃机汽车汽车工业开始发展,随后是现代造船业,飞机制造业的兴起绪 论量子理论的诞生相对论的诞生热辐射实验迈克尔逊 - 莫雷实验以近代物理学的出现为线索:1900年,物理学 “灿烂天空中” 出现了两朵小小的乌云绪 论频率为 的谐振子只能 取下列不连续能量：一个能量子的能量:热辐射实验绪 论实物粒子的波动性 德布罗意(De.Broglie)假设：（1924年）一个能量为E、动量为P的粒子，从波动观点看相当于具有 波长为、频率为的波，这种波称为物质波。A.Einstei
10、n的光量子理论解释了光电效应A.H.Compton的X射线射光量子效应绪 论随后,波尔,德布罗意,海森伯等, 建立了量子力学. 半导体物理, 激光物理, 核物理迈克耳逊莫雷实验 ( MichelsonMorly )所有惯性系在 力学 上等价所有惯性系在 电磁学 上是否等价 ? 1862年 麦克斯韦( Maxwell )建立统一电磁场理论 光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。 电磁波在真空中的传播速度 c ，相对于什么参考系?以太假说: 以太参考系 ( 绝对参考系 ) ( 以太 假想传播电磁波的弹性介质,充满整个空间) 若存在光速差 干涉条纹将移动 实验结果 不存在条纹移动 ( 宣
11、布实验 “失败”)绪 论1905年 爱因斯坦( A.Einstein ) 提出二条狭义相对论的基本假设:(1) 光速不变原理: 在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2) 相对性原理: 在所有惯性系中,一切物理定律的形式都相同绪 论* 同时的相对性, 时间间隔的相对性 (时间延缓时间延缓) )人类探索遥远太空的可能性长度的相对性(长度缩短) 质能关系* 化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿 分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。50克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。* 引力大的地方时钟走得慢 引力导致空间弯曲绪 论介子的寿命子在静止参照系中的平均寿命为 在大气层上层产生的子, 速度0.998c。没有相对论效应，能运动的距离 实际上介子可穿越上万米的大气层到达地面 。由狭义相对论，地球上看 GPS卫星，它们携带的时钟每天慢大约7微秒。 GPS卫星距离地面约2 万千米。根据广义相对 论，地球表面的时空要 比GPS卫星所在的时空 更加弯曲，从地球上看 ，GPS卫星上时钟每天 快大约45微秒。 集成化电子线路 微型计算机超大规模集成化电子线路1947年,肖克莱,巴丁,布拉坦根据半导体理论,发明了锗晶体管在物理学诸多成就问世之后, 高科技时代到来 催生了当代的高新技术核技术(曼哈吨计划) 航天技术 半导体微电子技术 纳米科技 能源技术 生物技术等绪 论
