緒言2——物理學(xué)的研究范疇

1、物理學(xué)的研究范疇物理學(xué)的研究范疇 主講人山西省 介休市 第一中學(xué)李奇良2004年5月18日全日制普通高級(jí)中學(xué)（試驗(yàn)修訂本）第一冊(cè) 第一章 緒言物理學(xué) 物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組成元素及其相互作用、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學(xué)。 簡(jiǎn)單而言：物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)的研究范疇 物理學(xué)的研究范疇很廣，從夸克到宇宙，從宇宙大爆炸到宇宙的終結(jié)，包含了所有的和。 其分支學(xué)科涉及原子物理、分子物理、核物理、聲、光、電、磁及其與物理學(xué)相關(guān)的跨學(xué)科的諸多方面內(nèi)容。 宇宙大約在200億年前的大爆炸中產(chǎn)生的 如果宇宙在不斷地膨脹

2、的話，相信任何人都會(huì)得出結(jié)論，即昨天的宇宙比今天的小，去年的宇宙比今年的小。 回推到很久很久以前的過(guò)去，那時(shí)的宇宙一定非常小，宇宙中的物質(zhì)被壓縮到很小的空間內(nèi)。 人們半開(kāi)玩笑地稱(chēng)呼剛“出生”的宇宙為宇宙蛋。 忽然有一天，宇宙蛋發(fā)生了破裂，高速的爆炸產(chǎn)生了今天的宇宙。 美國(guó)宇航局公布了探測(cè)器拍到的宇宙“嬰兒期照片”，為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)。 根據(jù)這些照片，科學(xué)家還精確地測(cè)量出了宇宙的實(shí)際年齡是億年，誤差不超過(guò) 以秒為單位，宇宙的年齡約為1018s的數(shù)量級(jí)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 哈勃望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價(jià)近30億美元，于1990年4月25日由美國(guó)航天飛機(jī)送上高590

3、千米的太空軌道。 哈勃望遠(yuǎn)鏡以時(shí)速2.8萬(wàn)千米沿寂靜的太空軌道運(yùn)行，默默地窺探著太空的秘密。粒子的壽命 在已發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中，除電子、質(zhì)子和中微子以外，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)它們都是不穩(wěn)定的。 它們都要在或長(zhǎng)或短時(shí)間內(nèi)衰變?yōu)槠渌Ｗ?。粒子在衰變前平均存在的時(shí)間叫粒子的壽命。 例如一個(gè)自由中子的壽命約 12min，有的粒子的壽命為 10-10s 或 10-14s ，很多粒子的壽命僅為 10-23s 甚至 10-25s 。 壽命最短的，則要算通過(guò)強(qiáng)相互作用衰變的“共振態(tài)粒子”（如粒子、粒子等）。 它們只能生活一千萬(wàn)億億分之一秒左右，即壽命大致是10-28秒。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) 1988年10月16日凌晨5點(diǎn)5

4、6分，我國(guó)第一座高能加速器北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功。 這是我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。 這項(xiàng)被認(rèn)為是中國(guó)科學(xué)技術(shù)史上最大的科研工程，是鄧小平同志在1984年10月7日奠基破土動(dòng)工的。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將獲北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將獲“新生新生” 曾經(jīng)叱咤風(fēng)云的我國(guó)高技術(shù)標(biāo)志性工程北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將獲得“新生”。在第二屆亞洲粒子加速器會(huì)議上，我國(guó)計(jì)劃通過(guò)實(shí)施二期工程，投入4億元以上資金，提高北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的性能，為進(jìn)一步探索微觀世界的奧秘創(chuàng)造條件，從而繼續(xù)保持我國(guó)在高能物理方面的國(guó)際領(lǐng)先地位。 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)張闖研究員說(shuō)，從

5、1999年起到今年，我國(guó)已經(jīng)投入9000萬(wàn)元用于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的改進(jìn)和未來(lái)發(fā)展的預(yù)先研究。目前，二期工程的可行性報(bào)告已經(jīng)完成，正在做初步設(shè)計(jì)。二期工程的動(dòng)工時(shí)間預(yù)計(jì)將是明年年中，到2006年底，獲得“新生”的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將正式為廣大用戶(hù)提供服務(wù)。圖為開(kāi)工現(xiàn)場(chǎng)拆除靜電分離器物質(zhì)世界的時(shí)間尺度 物質(zhì)世界的時(shí)間尺度，從1018到10-25，共跨越了4344個(gè)數(shù)量級(jí)。從空間尺度上看 從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次化的圖表來(lái)看，物理學(xué)的主要空白區(qū)域突出地顯示為圖表的底部和頂部。 其一是尺度上最最微?。〝?shù)量級(jí)為10-15m）但能量最高的世界，對(duì)應(yīng)的學(xué)科為粒子物理學(xué)(亦稱(chēng)高能物理學(xué))； 其二是尺度上最最宏大（數(shù)量

6、級(jí)為1026 1027m ）的世界，即天體與宇宙，對(duì)應(yīng)的學(xué)科為天體物理學(xué)與宇宙論。 這兩者，表面上看來(lái)，南轅北轍，結(jié)果卻殊途同歸，有合二為一的趨向，奇妙地體現(xiàn)了大與小辯證的統(tǒng)一。 粒子物理學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)在于探索更加細(xì)微尺度下，也就是更高能區(qū)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，希望能夠超越現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型，追求相互作用的進(jìn)一步統(tǒng)一。 而宇宙大爆炸的標(biāo)準(zhǔn)模型則表明早期的宇宙是處于超高能的狀態(tài)。因而高能物理學(xué)的研究，從某種意義上來(lái)說(shuō)，是對(duì)宇宙進(jìn)行考古學(xué)的研究。 提高研究的能量范圍，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天體物理的實(shí)驗(yàn)研究都屬于大科學(xué)的范疇。 大科學(xué)威風(fēng)凜凜，但大也有大的難處，正如紅樓夢(mèng)中王熙鳳所說(shuō)的，大科學(xué)

7、所面臨的問(wèn)題在于如何持續(xù)地獲得社會(huì)的支持。 物理學(xué)一直是一門(mén)生氣勃勃的學(xué)科，這和它具有高度的開(kāi)放性是密切相關(guān)的。它和技術(shù)并沒(méi)有截然的分界線，它和其他的自然科學(xué)也沒(méi)有截然的分界線。它的門(mén)戶(hù)總是開(kāi)放的，鼓勵(lì)跨學(xué)科的交流與溝通。 物理學(xué)的分支 自從物理學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科之后，它的研究領(lǐng)域就在不斷地開(kāi)拓著，逐漸建立起了力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、相對(duì)論、量子力學(xué)、粒子物理學(xué)等物理學(xué)基礎(chǔ)部門(mén)； 每一個(gè)基礎(chǔ)部門(mén)，又不斷地形成許多新的分支。本世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)的基本理論和方法又不斷地向其他研究領(lǐng)域滲透，并把一些部門(mén)從物理學(xué)中分化出來(lái)，形成一系列獨(dú)立的新學(xué)科。 力學(xué) 力學(xué)又稱(chēng)經(jīng)典力學(xué)，是研究通常尺寸的物體在受力下

8、的形變，以及速度遠(yuǎn)低于光速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一門(mén)自然科學(xué)。 力學(xué)是物理學(xué)、天文學(xué)和許多工程學(xué)的基礎(chǔ)，機(jī)械、建筑、航天器和船艦等的合理設(shè)計(jì)都必須以經(jīng)典力學(xué)為基本依據(jù)。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最基本的形式。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)亦即力學(xué)運(yùn)動(dòng)，是物質(zhì)在時(shí)間、空間中的位置變化，包括移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、流動(dòng)、變形、振動(dòng)、波動(dòng)、擴(kuò)散等。 而平衡或靜止，則是其中的特殊情況。 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的其他形式還有熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子及其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和化學(xué)運(yùn)動(dòng)等。 力是物質(zhì)間的一種相互作用，機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是由這種相互作用引起的。 靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。 因此，力學(xué)可以說(shuō)是力和(機(jī)械)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)力學(xué)分類(lèi) 力學(xué)可粗分為

9、靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分，靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問(wèn)題；運(yùn)動(dòng)學(xué)只考慮物體怎樣運(yùn)動(dòng)，不討論它與所受力的關(guān)系；動(dòng)力學(xué)討論物體運(yùn)動(dòng)和所受力的關(guān)系。 力學(xué)也可按所研究對(duì)象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個(gè)分支，流體包括液體和氣體；固體力學(xué)和流體力學(xué)可統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)的模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后，余下的部分組成一般力學(xué)。 力學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合也產(chǎn)生一些交又性的分支，最早的是和天文學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的天體力學(xué)。 在20世紀(jì)特別是60年代以來(lái)，出現(xiàn)更多的這類(lèi)交叉分支，其中有物理力學(xué)、化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)、電流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力學(xué)、理性力學(xué)、

10、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、地球流體力學(xué)等。 聲學(xué) 聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。 媒質(zhì)包括各種狀態(tài)的物質(zhì)，可以是彈性媒質(zhì)也可以是非彈性媒質(zhì)； 機(jī)械波是指質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化的傳播現(xiàn)象。 熱學(xué)熱學(xué) 熱學(xué)是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時(shí)的有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，它起源于人類(lèi)對(duì)冷熱現(xiàn)象的探索。人類(lèi)生存在季節(jié)交替、氣候變幻的自然界中，冷熱現(xiàn)象是他們最早觀察和認(rèn)識(shí)的自然現(xiàn)象之一。 熱學(xué)理論有兩個(gè)方面，一是宏觀理論，即熱力學(xué)；一是微觀理論，即統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。這兩個(gè)方面相輔相成，構(gòu)成了熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。 光學(xué) 光學(xué)是關(guān)于光和視見(jiàn)的科學(xué)，optics(光學(xué))這個(gè)

11、詞，早期只用于跟眼睛和視見(jiàn)相聯(lián)系的事物。 而今天，常說(shuō)的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。 光學(xué)的另一個(gè)重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。 這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)； 1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的

12、分支學(xué)科組成； 例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)； 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測(cè)試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等； 還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。 電磁學(xué) 電磁學(xué)是研究電、磁和電磁的相互作用現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。 電磁學(xué)從原來(lái)互相獨(dú)立的兩門(mén)科學(xué)(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場(chǎng)的電效應(yīng)。 這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加上麥克斯韋關(guān)于變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系，發(fā)展了對(duì)現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。 核物理學(xué) 核物理學(xué)又稱(chēng)原子核物理學(xué)，是20世紀(jì)新建立的一個(gè)物理學(xué)分支。 它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律；射線束的產(chǎn)生、探測(cè)和分析技術(shù)；以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問(wèn)題。 它是一門(mén)既有深刻理論意義，又有重大實(shí)踐意義的學(xué)科。 高中物理第一部分第一部分 力力 學(xué)學(xué)第二部分第二部分 熱熱