物理学与高新技术讲座-2015

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1、1,物理学知识与高新技术讲座,刘昌龙,天津大学理学院,目 录,1、引言 2、物理学发展简史 3、物理学与能源科学 4、现代光源激光、同步辐射光源 5、物理学与航天技术 6、纳米技术简介,1、引 言,-研究物质的基本结构、物质运动形式和相互作用的自然科学，涵盖力、热、光、电、磁等性质。, 物理学,空间尺度：原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、太阳山哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等。,时间尺度：基本粒子寿命 10-25 s；宇宙寿命 1018 s。,微观粒子Microscopic：质子 10-15 m；介观物质mesoscopic； 宏观物质macroscopi

2、c；宇观物质cosmological 类星体 1026m。,1、引 言,-是指那些对一个国家或一个地区的政治、经济和军事等各方面的进步产生深远的影响，并能形成产业的先进技术群。,高新技术,高新技术包括六大技术领域：,(一)、信息技术,信息的获取、传递、处理等技术。信息技术以电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等。,当前信息技术主要表现在：(1) 集成电路；( 2) 电子计算机；(3)软件技术；(4) 通信技术；(5) 激光技术。,(二)、生物技术,生物技术是以生命科学为基础，利用生物体和工程原理等生产制品的综合性技术，包括基因工程

3、、细胞工程、酶工程、微生物工程四个领域。生物技术是21世纪技术的核心。它有两个标志性技术：基因工程和蛋白质工程。,(三)、新材料技术,新材料技术是高新技术的物质基础，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料等的开发和利用。它有两个标志：一个是材料设计或分子设计，即根据需要来设计新材料；另一个是超导技术。,1、引 言,（四）、新能源技术领域,现代的新能源技术可划分为新能源技术和可再生能源技术，包括核能、太阳能、水能、地热能等。核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志。,（五）、空间技术领域,空间技术即新型高科技航天技术，是探索、开发和利用太空以及地球以外的天体的综

4、合性工程技术，包括对大型运载火箭、巨型卫星、宇宙飞船等空间军事技术的研究与开发。,（六）、海洋技术,海洋技术是21世纪技术的内向拓展，其标志技术是深海挖掘和海水淡化。,1、引 言,2、物理学发展简史, 古代文明,中国-四大发明、战国时墨经涉及到时间、空间、运动和惯性等，如：,“ 力，形之所以奋也”： “端具有非半性质” -原子说,考工记、沈括梦溪笔谈、宋应星开工天物：涉及力学、光学、声学和电磁学知识。,遗憾： 仅是观察分析，无系统化、定量化、未发展出分门别类的近代科学。,2、物理学发展简史,古希腊文明 德谟克利特原子论：不可分割(atom) 欧几里得-几何学 亚里斯多德-物理学Physics一

5、词的最早来源 错误：“运动靠力来维持”、“在地球上重物比 轻物落得快”。 阿基米德-浮力定律、杠杆、简单机械。,古代阿拉伯阿拉伯数字、印度十进制等,欧洲中世纪科学被作为神学的奴婢而丧失了独立性,2、物理学发展简史,经典物理学的产生和发展,欧洲文艺复兴+天文学的突破+经典力学,尼古拉-格列布斯(1401-1464)：宇宙一切处在运动中，没有 固定的中心。,尼古拉-哥白尼(1473-1543)： “日心说”、天体运行论。,莱昂纳多-达芬奇(1452-1519)：实验是认识的来源、“科学是 统帅，实践是士兵”、弹道曲线、飞行器。,布鲁诺(1548-1600)：进一步发展“日心说”，宇宙中有无数 个世

6、界。,行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上 太阳到行星的矢径在相同的时间扫过相同的面积 行星绕日的周期的平方与它绕日的椭圆轨道的半长轴R的立方成正比：T2/R3=C,开普勒(1571-1630)：星球之间的总联系，开普勒行星运动 三定律。,伽利略(1564-1642)：伽利略相对性原理、惯性系、伽利略 变换、自由落体运动、惯性定律。(比 萨斜塔实验),Mere think (单纯的思考) Intelligent question (聪明的提问 ),2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,培根(1561-1626)：知识就是力量，归纳、分析、比较、观察 和实验的理性方法-新的科学观和思想

7、 方法。,牛顿(1642-1727)：完成创立经典力学、自然哲学的数学原 理 (45岁)-八个定义、万有引力定 律、“天上人间的和谐统一”、微积分。,笛卡尔(1596-1650)：运动量守恒、明确提出惯性定律。,惠更斯(1529-1695)：光的波动学说、活力(动能)守恒。,航天技术的发展！,2、物理学发展简史,如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。,我不知道世人将如何看待我，但是在我看来，我不过是海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴，但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢。,2、物理学发展简史, 电磁学和热(力)学的发展十九世纪,

8、吉伯(1544-1603)：摩擦生电 富兰克林(1706-1790)：运用风筝将“天电”引入实验室 卡文迪许(1731-1810)：实验上证明静电力与距离的平方成反比 库仑(1736-1806)：建立的静电的库仑定律 伏打(1745-1827)：发明电池、电学研究进入动电阶段 欧姆(1784-1854)：电路的欧姆定律 奥斯特(1777-1851)：电流的磁效应，电与磁的结合 安培(1775-1836)：电流之间相互作用的安培定律 法拉第(1791-1867)：确立了电磁感应定律,麦克斯韦(1831-1879)：将法拉第思想发展成完整的电磁场 理论，建立了微分形式的“麦克斯 韦方程组”，预言了

9、电磁波存在- -导致无线电通信发明,该领域实验和理论发展-能源、通信等 的基础！,2、物理学发展简史, 热力学与统计物理的建立和发展,2、物理学发展简史,十八至十九世纪随着热能的开发利用，使得热学得到了充分的发展： 1850年左右-基本确立了能量转化和守恒定律； 1851年-建立了热力学第二定律； 1901年-确立了热力学第三定律-绝对零度不可能达到 十九世纪末-经麦克斯韦、玻尔兹曼到吉布斯等努力 由分子运动论逐步发展到统计物理学 -热学与热力学的微观理论的完善,该领域实验和理论发展-能源、工农业的发展！,蒸汽机-实现热能转化为机械能(动力利用),历史上第一台蒸汽机是在1711年纽科曼(T.

10、Newcomen)发明的，但热能转化为机械能的效率很低。,1765年英国的瓦特(J. Watt)发明了分离冷凝器，大大地提高了热机效率。,卡诺：热机效率提高,2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,瓦特发明的蒸汽机示意图,瓦特发明的蒸汽机实物,到了19世纪末，经典物理学(力学、声学、电磁学、热学与热力学和光学)看起来似乎很完善了。,1900年开尔文元旦祝词中说道： “在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家们这要做一些零碎的修补工作就行了”；,但又说道： “在物理学晴朗的天空远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”； -热辐射实验，及紫外灾难 -迈克尔孙-莫雷实验,导致了量子理论、相对论!-近代物

11、理,2、物理学发展简史, 20世纪与物理学有关的科技上重大发明和发现,2、物理学发展简史,续表-,2、物理学发展简史,2、物理学发展简史,1900年：提出能量子，标志量子力学诞生普朗克,1905年：爱因斯坦建立狭义相对论； 1911年：卢瑟福发现原子核； 1913年：玻尔建立量子论； 1925-26：海森堡、薛定谔建立量子力学； 1950年后：粒子物理的研究 20世纪上半期：物理学研究天然存在的“物”之“理”； 20世纪下半期：人工材料制备，如纳米科学,二十一世纪物理学的发展主要在： 真空理论、类星体能量之谜、暗物质之谜、超对称、粒子物理学、暗能量之谜、宇宙起源、物理学的统一、计算物理学、高温

12、超导体、生物学、基因组学、广义相对论、量子力学、恒星和行星的形成等。,2、物理学发展简史,十九世纪：化学家在实验室制成了一系列的化合物，促进 了化学工业的发展，可以说19世纪是化学世纪。 二十世纪：相对论和量子力学的建立标志现代物理的诞 生，物理学不仅深入探讨物质本质，而且促进 了技术的飞速发展，电视、激光、电脑、原子 能、航天技术、信息产业均建立在物理学研究 成果之上，可以说二十世纪是物理学世纪。 二十一世纪：生物学世纪？信息世纪？,2、物理学发展简史, 能源的重要性,人类生活和经济发展的基础，社会发展和进步的动力。, 能源科学的发展过程, 向大自然索取能源 先进能源技术的使用 新能源的不断

13、开发,围绕能源的开发和利用，形成了一门综合交叉特色学科能源科学。涉及物理、化学、材料、自动化、环境等,3、物理学与能源科学,火的使用 18世纪初蒸汽机的发明和使用 19世纪初电能的使用 20世纪下半叶原子能的使用-核电站,与物理学发展密切相关。,物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用提供了 理论和实验基础,3、物理学与能源科学能源,重点研究化石能源高效洁净利用与转化的物理化学基础，高性能热功转换及高效节能储能中的关键科学问题，可再生能源规模化利用原理和新途径，电网安全稳定和经济运行理论，大规模核能基本技术和氢能技术的科学基础等。, 国家中长期科学和技术发展规划纲要,能源可持续发展中的关键科学

14、问题,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源, 能源的分类, 来自地球外天 体的能量,-海洋中的氘(D)、氚(T)等 聚变能资源,-风能、水能、海洋能,-太阳辐射能,-化石能源(煤、石油、天然气), 地球本身蕴藏 的能量,-地热能,-地壳中储存的裂变燃料(铀), 地球、月亮和太阳等天体相互作用而产生的能 量，如潮汐能等。, 能源与环境,氮氧化物(NO、NO2)； SO2 ； 悬浮颗粒物； CO； 碳氢化合物(CH4、C2H6等), 污染来源于：, 煤、石油等燃料的燃烧(70%以上)； 汽车等排出的废气； 工业生产中产生的废气, 能源的利用带来地球环境的污染(大气 和水资源), 在大

15、气中的主要污染物：,举例：,-1吨普通煤：10kgSO2，8kg氮氧化物， 11kg粉尘,-1吨高硫石油： 50kgSO2，10kg氮氧化物,3、物理学与能源科学能源, 大气污染对全球的危害：, 臭氧层破坏；,对人体、动植物会产生致命的伤害, 酸雨问题；, 温室效应；,- SO2,- 氮氧化合物,与大气中的水蒸气作用,- CO2的作用,- 臭氧与NO、H、Cl等的反应,3、物理学与能源科学能源,人口的极度膨胀(60亿)； 工业的飞速发展，导致能源消耗的快速增长； 不可再生能源(化石能源、裂变能铀)的有限性； 目前世界能源消耗模式仍以化石能源为主； -专家预测：化石能源中石油、天然气大概能维持三、四十年，煤炭维持一、二百年。 能源危机日趋严重。, 能源危机,结论：,必须开发和利用新的能源-氢能、太阳能、核能等！,3、物理学与能源科学能源,3、物理学与能源科学能源,新能源例子,干净的氢能,优点：,-热值高（汽油的3倍）,-易燃烧（高功率）,-来源广（海水）,-燃烧污染少(水、少量氮的氢化物),难题：,氢的制备,-电解水,-电化学方法,-如何利用太阳能制氢光化学分解法,氢的储存,3、物理学与能源科学能源,太阳能,太阳是一个巨大的能源-太阳内部不断进行的核聚变反应，表面温度：6000K；中心温度：1.5107K。太阳能以辐射的形式传播。其利用途径主要有：