現(xiàn)代物理學與工程技術市公開課獲獎課件

1、杜祥琬 二五年六月現(xiàn)代物理學與工程技術獻給世界物理年 淺 談/10/10第1頁第1頁 序言 物理學與核能工程技術 物理學和激光技術與工程 物理學與宇航工程 物理學與工程技術互相聯(lián)系普遍性 物理學家和工程技術專家共同品格 摘 要/10/10第2頁第2頁前 言 自有了人類，就有了原始生產活動和基于經驗簡樸技術與工具。在人類歷史上，技術出現(xiàn)先于科學。/10/10第3頁第3頁序言 科學知識形成有兩個源泉：一是由于生產發(fā)展需要二是人類對客觀世界好奇心和求知興趣感性結識理性結識思考自然界內在規(guī)律觀測分析歸納/10/10第4頁第4頁前 言科學（首先是物理科學）革命，引起了生產技術革命，使人們對基礎科學、應用

2、科學、工程技術和生產活動關系，有了新感受和結識。哥白尼19世紀17世紀16世紀愛因斯坦麥克斯韋牛頓20世紀科學獨立存在有了完整體系/10/10第5頁第5頁序言物理學： 對許多工程技術領域開創(chuàng)起著先導、引領作用；工程技術： 直接地創(chuàng)造生產力，反過來開拓、深化了物理學研究疆域，并為之提供了豐富精致環(huán)境條件和研究手段。在當代社會進步歷程中，物理學和工程技術之間存在緊密互相聯(lián)系和深刻互相作用。/10/10第6頁第6頁序言 物理學與工程技術：互相增進、攜手并進、互相滲入；與哲學、社會科學密切相關，共同推動著經濟與社會發(fā)展；從生產方式、生活方式與思想觀念上改變著人類文明進程。/10/10第7頁第7頁一、物

3、理學與核能工程技術 田灣核電站/10/10第8頁第8頁原子核物理學新發(fā)覺是核工程技術基礎與先導 19世紀末，相繼發(fā)覺了x射線、放射性和電子 19盧瑟福提出了原子核式模型 19玻爾完善了原子結構理論 19愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時空新概念 ;提出了質能關系及其著名表示式E=mc2 20世紀初葉，是物理學革命年代。/10/10第9頁第9頁原子核物理學新發(fā)覺是核工程技術基礎與先導 1932年，查德威克發(fā)覺中子;海森堡和伊凡寧柯分別獨立提出了原子核由質子和中子構成模型 1934年約里奧-居里夫婦成功地用人工辦法產生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在試驗上發(fā)覺中子轟擊下鈾核裂變以及

4、梅特納和弗里什理論解釋 /10/10第10頁第10頁對核結構和質量研究，使人們結識到原子核結合能隨原子量改變規(guī)律：一個重核分裂成兩個中檔質量核時，會釋放能量；一些輕核聚合成一個較重核時，會釋放能量；E= MC2 M-質量虧損，一次核聚變時放出能量要比核裂變時大四倍以上。原子核物理學新發(fā)覺是核工程技術基礎與先導 /10/10第11頁第11頁原子核物理發(fā)覺，奠定了裂變核能與聚變核能應用基礎。核能應用實現(xiàn)還必須進一步處理一系列應用物理學和工程技術上問題。 原子核物理學新發(fā)覺是核工程技術基礎與先導 E=MC2/10/10第12頁第12頁核武器與核能 1) 核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時，必須突破

5、諸多關鍵問題： 可裂變材料選取和制備；擬定實現(xiàn)鏈式裂變反應所必須裂變物質最小體積（臨界體積）或臨界質量；達到臨界與裂變點火技術路徑；/10/10第13頁第13頁核武器與核能 高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其準確時空控制；將流體力學，中子核物理等耦合在一起全過程數(shù)值模擬，整套物理參數(shù)；核部件與非核部件加工，材料相容性研究及結構工程設計；核試驗辦法，核試驗診斷理論與測試技術等。 /10/10第14頁第14頁核武器與核能 2) 核聚變放能是氫彈物理基礎。制造氫彈必須創(chuàng)造性地處理一系列問題：必要熱核燃料（如氘和氚或鋰等）制備；如何利用原子彈爆炸能量產生高溫、高壓來點燃聚變材料，并使之自持燃燒；氫彈/10

6、/10第15頁第15頁核武器與核能 掌握輻射輸運規(guī)律、輻射流體力學及高溫高密度等離子體物理、狀態(tài)方程、高剝離度原子參數(shù)；利用適當材料和巧妙構形實現(xiàn)熱核爆炸；特殊效應核武器（如中子彈等）還需進行特殊設計等。 /10/10第16頁第16頁核武器與核能 問題處理是物理工作和工程技術緊密交叉結合過程：如,核爆炸物理診斷學，就是為了弄清核武器爆炸后快速而復雜物理過程、各種物理量隨時、空改變規(guī)律，從而做到不但知其然，并且知其因此然。故意思是，幾種核國家突破氫彈工作是 “英雄所見略同”。 兩個太陽/10/10第17頁第17頁核武器與核能 3）明智人類把核能用于和平目的，作為潔凈能源?；诤肆炎兎磻押穗娬居?/p>

7、核島和常規(guī)島構成在核島內要使核能以可控、安全、長期連續(xù)形式釋放出來；通過常規(guī)島轉換成電能供人使用。/10/10第18頁第18頁核武器與核能 在核燃料選擇、制備、控制辦法、結構和安全設計等方面需處理一系列工程、技術問題。/10/10第19頁第19頁核武器與核能 基于核聚變反應堆聚變電站是處理人類未來能源問題一個希望。要實現(xiàn)熱核燃料“點火”，并有凈能量輸出；必須控制熱核聚變反應速率；是一項有難度大科學工程；當前處于前期試驗研究階段。 /10/10第20頁第20頁核工程技術發(fā)展深化著物理學研究 核爆炸物理環(huán)境：瞬時快變高溫高密度等離子體和混合輻射場。揭示了高溫高密度等離子體一些特有規(guī)律，如非平衡燃燒

8、需用“三溫方程”描述。輻射場本身也也許是非平衡。/10/10第21頁第21頁核工程技術發(fā)展深化著物理學研究 再如，普通情況下，可用線性波爾茲曼方程來描述中子輸運過程；但在發(fā)生猛烈熱核聚變區(qū)域和時間內，中子之間碰撞已不可忽略，于是提出了非線性中子輸運方程及其解法。 /10/10第22頁第22頁 核武器物理和工程發(fā)展過程中，形成了一個新興交叉學科高能量密度物理學。廣義地，“高能量密度”是指能量超出1011J/m3，或壓力超出1兆巴，溫度超出400ev，電磁波強度超出31015w/cm2物質狀態(tài)；在核武器物理領域，“高能量密度”特指溫度超出103ev，壓力超出107atm，高密度物質狀態(tài)。核工程技術

9、發(fā)展深化著物理學研究 /10/10第23頁第23頁核工程技術發(fā)展深化著物理學研究 進行高能量密度物理研究裝置包括：激光慣性約束聚變裝置基于脈沖功率技術Z箍縮裝置長脈沖（s）功率裝置 （如美國 Atlas）等神光II裝置/10/10第24頁第24頁核工程技術發(fā)展深化著物理學研究 研究內容包括：材料特性可壓縮流體動力學輻射流體動力學核聚變物理天體物理等。是以大科學工程為手段研究基礎物理學/10/10第25頁第25頁核工程技術發(fā)展深化著物理學研究 可 見： 物理學引領工程技術生產力反哺物理學工程技術/10/10第26頁第26頁二、物理學和激光技術與工程 激光加工設備/10/10第27頁第27頁光物理

10、基礎研究孕育了激光器誕生19世紀科學家們進行了關于電磁波卓越研究19愛因斯坦提出了光量子和光電效應概念，揭示了輻射波粒二象性 19愛因斯坦提出了受激輻射概念19普朗克引入能量量子概念 基礎性、摸索性研究/10/10第28頁第28頁光物理基礎研究孕育了激光器誕生激光走向新技術開發(fā)和工程應用階段1954年研制成第一臺微波激射器 1958年美國湯斯和蘇聯(lián)巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光概念和理論設計 1960年美國梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。我國第一臺激光器于1961年在長春光機所創(chuàng)制成功 /10/10第29頁第29頁激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響 激光特性使之在光

11、學應用領域帶來了革命性改變：方向性單色性相干性高亮度/10/10第30頁第30頁 四十多年來，激光器品種快速增長：固體激光器半導體激光器固體激光器（半導體激光泵浦）化學激光器（HF/DF激光、氧碘化學激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響/10/10第31頁第31頁自由電子激光器x射線激光器準分子激光器金屬蒸氣激光器等。 激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光/10/10第32頁第32頁 激光器輸出水平不斷提升：中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脈沖體制從連續(xù)波、準連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖激光。連續(xù)高能激光單次輸出能量已達百萬焦耳以上；超短脈

12、沖：納秒 皮秒 費秒 阿秒 脈沖功率密度則可高達1020瓦/cm2以上。 激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響/10/10第33頁第33頁輸出激光頻率覆蓋著越來越廣范圍：長至亞毫米（太赫茲）短至x射線激光也在摸索中，分立激光譜線達幾千條；輸出激光光束質量，好可達近衍射極限。 激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響/10/10第34頁第34頁 激光應用開創(chuàng)性表現(xiàn)在 ： 激光光譜技術比老式分辨率提升了百萬倍，靈敏度提 高了百億倍； 激光為信息技術開拓了豐富頻率資源；激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響充斥全球光纖網，加上衛(wèi)星通信網，形成了信息高速公路基礎；光存儲、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術等，

13、提供了全新多樣化信息服務。 可擦除小型光盤刻錄母盤/10/10第35頁第35頁 激光可在很小區(qū)域上聚焦很高功率密度：在工業(yè)制造中可進行準確切削和表面改性做精密醫(yī)療手術作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響/10/10第36頁第36頁 激光技術開辟了嶄新軍事應用，包括：激光瞄準、制導、測距激光雷達激光陀螺激光引信激光致盲傳感器高能強激光武器等。 激光技術與工程快速發(fā)展及其深刻影響ABLABL/10/10第37頁第37頁激光應用本身及其提供研究手段又增進了物理學發(fā)展 非線性光學成為一個主要研究領域：激光與介質（含大氣）互相作用時產生各種非線性效應物理本質和規(guī)律。產生條件、特

14、性、機理：受激拉曼散射自聚焦熱暈光學和頻與倍頻相干瞬態(tài)光學效應等/10/10第38頁第38頁激光應用本身及其提供研究手段又增進了物理學發(fā)展 非線性光學材料及非線性光學效應幾種應用：擴展激光波長范圍發(fā)展非線性光學相位共軛技術光學雙穩(wěn)為研究非線性系統(tǒng)中動力學行為提供實用手段；超短、超強激光將對強場超快科學、相對論非線性物理、天體物理及宇宙學研究提供新手段和極端條件。/10/10第39頁第39頁激光應用本身及其提供研究手段又增進了物理學發(fā)展 激光光譜學高靈敏度和高分辨率：可用于對物質結構、能譜、瞬態(tài)改變和微觀動力學進行進一步研究，進一步結識原子和分子超精細結構，更準確地擬定基本物理常數(shù)數(shù)值；1995

15、年人們利用激光冷卻辦法，在試驗室實現(xiàn)了愛因斯坦1926年預言Bose-Einstein凝聚；Bose-Einstein凝聚態(tài)/10/10第40頁第40頁 激光還在物理學與其它基礎科學交叉學科研究中，發(fā)揮了巨大推動作用如化學物理學生物物理學（以激光為手段分子雷達成為生命活細胞研究工具就是一例）等 激光應用本身及其提供研究手段又增進了物理學發(fā)展 /10/10第41頁第41頁三、物理學與宇航工程 /10/10第42頁第42頁物理學為宇航奠定理論基礎 宇航學開端與物理學進展密不可分。正是物理學基礎和當代技術發(fā)展才使“嫦娥奔月”佳話和“萬戶”航天抱負得以變?yōu)楝F(xiàn)實。/10/10第43頁第43頁17世紀開普

16、勒通過計算，發(fā)覺行星沿橢圓軌道運營等開普勒三定律 1957年10月蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，這是人類航天歷史上一個里程碑 17世紀牛頓力學形成體系，結識了萬有引力定律 物理學為宇航奠定理論基礎 20世紀初葉，齊奧爾科夫斯基給出了三個宇宙速度概念并準確計算了它們數(shù)值。 /10/10第44頁第44頁航天有賴眾多關鍵技術突破和集成，是復雜系統(tǒng)工程 航天包括運載火箭、應用衛(wèi)星和衛(wèi)星應用、載人航天和深空探測等幾大方面。 應用衛(wèi)星又包括資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星及各類科學試驗衛(wèi)星和軍用衛(wèi)星等各種。除大型衛(wèi)星外，還在開發(fā)微小衛(wèi)星技術，以及衛(wèi)星組網和編隊飛行技術。 /10/10第45頁第

17、45頁航天有賴眾多關鍵技術突破和集成，是復雜系統(tǒng)工程 每類衛(wèi)星涉及一系列關鍵技術，比如：衛(wèi)星結構設計姿態(tài)控制技術變軌技術熱控制技術電源技術 “亞洲蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星/10/10第46頁第46頁衛(wèi)星測控技術衛(wèi)星回收技術有效載荷技術衛(wèi)星總體技術，包括總體設計、總裝測試、環(huán)境模擬等。配套基礎設施，如衛(wèi)星發(fā)射基地，衛(wèi)星測控網站和應用站等 航天有賴眾多關鍵技術突破和集成，是復雜系統(tǒng)工程 /10/10第47頁第47頁航天有賴眾多關鍵技術突破和集成，是復雜系統(tǒng)工程 伴隨航天技術發(fā)展，衛(wèi)星應用將產業(yè)化、規(guī)模化，而新一代高水平航天器將陸續(xù)出現(xiàn)，并走上更遠征程，摸索太陽系其它星球、銀河系乃至更深遠處宇宙未知。 /

18、10/10第48頁第48頁航天工程技術和遙感技術為物理學研究開辟新天地 關于宇宙起源學：宇宙存在3oK溫度背景微波輻射、哈勃紅移測量、宇宙中氦元素豐度測量，這三條為宇宙大爆炸理論提供了支持。盡管有待研究問題還諸多。/10/10第49頁第49頁航天工程技術和遙感技術為物理學研究開辟新天地 探月和登月，大大增長對月球物理環(huán)境理解；美國“勇氣”號和“機遇”號對火星探測，為火星研究提出了更多課題，也對地球物理研究有新啟示；/10/10第50頁第50頁航天工程技術和遙感技術為物理學研究開辟新天地 搭載在卡西尼號土星探測器上惠更斯土衛(wèi)六探測器，正在揭開土衛(wèi)六奧秘 ，還也許對生命起源摸索提供線索；“伽利略”

19、號探測器對木星探測和所獲取木星信息，是科學技術史另一曲凱歌。航天大大開闊了人類結識世界眼界。 /10/10第51頁第51頁 借助航天航宇工程和探測技術研究一系列物理學尚不明白重大問題：尋覓宇宙中反物質，弄清暗物質和暗能量起源和本質等；利用外空微重力、高真空、超潔凈環(huán)境，研究微重力科學，對地球、太陽、宇宙天體及外空環(huán)境進行全新觀測研究；提供關于“空間”和“時間”新結識，為物理學乃至哲學發(fā)展開拓新天地。 航天工程技術和遙感技術為物理學研究開辟新天地 /10/10第52頁第52頁四、物理學與工程技術緊密聯(lián)系和互相增進含有普遍性 /10/10第53頁第53頁 一個典型例子:基本粒子物理學與大型加速器工

20、程相伴發(fā)展, 最近期待是在歐洲核子研究中心（CERN）建成大型強子對撞機（LHC），有希望為弦論提供證據，增進粒子理論模型進步，影響宇宙學發(fā)展。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第54頁第54頁 低溫物理一個光輝篇章是超導體研究。物理學與工程技術結合含有普遍性19發(fā)覺超導現(xiàn)象20世紀最后十幾年，高溫超導研究取得主要進展1957年BCS超導理論問世/10/10第55頁第55頁 超導技術應用：電能輸送加速器應用貯能超導磁懸浮列車生物磁學醫(yī)學等領域物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第56頁第56頁 納米科技是在物理與技術緊密結合過程中發(fā)展一個主要領域，并且很典型地表達了從量變到質變

21、哲學。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第57頁第57頁 物理學同其它學科交叉：生物物理學是一個主要研究方向。物理學與計算數(shù)學和計算機技術交叉結合，還產生了計算物理學。量子理論與信息科學與技術交叉造成量子通信概念、量子調控技術和量子信息論產生，并快速走向技術，包括新光通信技術量子通信、光學量子計算等。物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第58頁第58頁量子糾纏試驗裝置圖/10/10第59頁第59頁研究結果“五光子糾纏和終端開放量子態(tài)隱形傳播”“年中國十大科技進展”之一；“國際物理學重大事件”“國際物理學十大進展”之一。 若干年后，將會出現(xiàn)實用網絡化量子通信和量子計算。信息獲取和

22、傳播將超越人們感官和神經系統(tǒng)生理極限。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第60頁第60頁 在研究工作辦法論方面，如 ：以算子理論為基礎數(shù)值辦法應用于工程科學領域，闡明波理論是宏觀物理學中一個普遍性問題；許多國際計量原則（如長度單位米）從基于歐氏空間概念典型直觀量，改成了基于波函數(shù)空間概念電磁量，這樣波函數(shù)空間數(shù)學概念已經與生產和生活緊密聯(lián)系起來 。物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第61頁第61頁波量子性并不是光所獨有，機械波在與其它物體互相作用過程中也存在量子性，聲子就是對聲波在互相作用過程中能量狀態(tài)不連續(xù)性描述。 物理學與工程技術結合含有普遍性量子加密試驗室/10/10第

23、62頁第62頁前沿物理學研究：有一部分屬于純正物理學，在相稱初期內不一定用于生產實踐；有一部分應用性很強。人類生產實踐：不但是發(fā)展科學技術基本推動力；也為科學理論驗證提供著無限舞臺。 物理學研究與工程技術相結合是相得益彰，十分主要。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第63頁第63頁科學技術結識和改造世界作用，也包括結識和改造人類本身（如腦認知科學），同時逐步掌握、適應并利用客觀規(guī)律，學會用科學發(fā)展觀指導社會發(fā)展實踐，同自然友好相處，取得連續(xù)發(fā)展自由。科學與工程技術密切結合，推動節(jié)約型社會，環(huán)境友好型社會建立，是一個急迫而長期主要使命。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第64

24、頁第64頁人類結識世界過程沒有盡頭，人類改造世界過程也沒有終點。愛因斯坦說：“我深信深化理論進程是沒有止境。”物理學既老又新。物理學不是一切，但幾乎一切都離不開物理學。物理學過去、現(xiàn)在和未來都是富有生命力科學。 物理學與工程技術結合含有普遍性/10/10第65頁第65頁五、物理學家和工程技術專家共同品格 /10/10第66頁第66頁物理學家和工程技術專家共同品格 1. 無論是結識世界還是改造世界，其主線目的都應當是造福于全人類。 有幸從事物理學研究或工程科技事業(yè)人，一個首要共同品格：含有高度社會責任感為科技事業(yè)獻身精神 /10/10第67頁第67頁物理學家和工程技術專家共同品格周光召在談到愛因

25、斯坦時說：“我們紀念這位偉人，不但要理解他在科學上作出主要奉獻，更要學習他在任何困難條件下都一心為科學而獻身精神，學習他為實現(xiàn)社會公正而無私無畏奮斗精神。”/10/10第68頁第68頁物理學家和工程技術專家共同品格愛因斯坦說過：“照亮我道路，并且不斷地給我新勇氣去愉快地正視生活抱負，是善、美和真。人們所努力追求庸俗目的財產、虛榮、奢侈生活我總覺得都是可鄙?！?/10/10第69頁第69頁物理學家和工程技術專家共同品格 在新中國半個多世紀科技發(fā)展中，有 : “健康生命全不顧，精忠報國重天山”鄧稼先。/10/10第70頁第70頁物理學家和工程技術專家共同品格 有因飛機失事被燒死時刻，與警衛(wèi)員緊緊抱

26、在一起，使兩人腹部間裝有主要機密資料公文包完好無損郭永懷等一大批可敬科學家。郭永懷/10/10第71頁第71頁物理學家和工程技術專家共同品格 他們不但創(chuàng)造了載入史冊業(yè)績，也創(chuàng)造了與崇高事業(yè)相稱關鍵價值觀：“鑄國家基石，做民族脊梁?！彼麄冊谖覀儍刃牧粝铝擞肋h珍貴精神財富。 /10/10第72頁第72頁物理學家和工程技術專家共同品格 與高水平科技工作相應崇高人文精神，是支撐科學家群體向高處登攀神圣情懷。不久前，美國科學家為了不影響對也許存在外星生命現(xiàn)象摸索，決定讓“伽利略”號探測器在運營了之后在木星大氣層中焚毀，使人們看到了當年伽利略對真理負責、對人類負責精神延伸，讀出了科學家人文精神在新世紀標高

27、。 /10/10第73頁第73頁物理學家和工程技術專家共同品格2. 唯真求實是科學精神基本內涵，是科技工作者基本品格。無論搞基礎還是搞應用，都必須腳踏實地、潛心鉆研。 以自由電子激光研究為例，國內外都經歷過做來做去還是出不了光“拂曉前黑暗”，只有把從頭到尾每一個參數(shù)都精密地做到位了，才干取得硬碰硬成功。FIR-FEL試驗裝置 /10/10第74頁第74頁物理學家和工程技術專家共同品格 最近我國THz-FEL研究在通過八年不懈努力之后終獲突破，再次使人感受到：“自由電子激光不自由?！薄耙话偌拢龊昧司攀偶?，還是出不了光，必須百分之百?！币虼?，精密高科技研究，容不得一點浮躁，不允許半點馬虎。在

28、今天中國科技界，尤其要提倡遠離浮躁、靜心鉆研學風。 THz-FEL試驗系統(tǒng)布局圖 /10/10第75頁第75頁物理學家和工程技術專家共同品格3. 創(chuàng)新是科學技術靈魂。20世紀物理學突破了已有概念，創(chuàng)建了革命性新理論。但這并不意味著新摸索終止，人類未知遠多于已知。 如恩格斯所說：“我們還差不多處于人類歷史開端，而未來會糾正我們錯誤后代，大約比我們糾正其結識錯誤前代要多得多。”/10/10第76頁第76頁物理學家和工程技術專家共同品格工程技術領域創(chuàng)造創(chuàng)造和集成創(chuàng)新也將是永無止境。對已有結果說“不”，對權威說“不”，既需要有敢想敢說、追求真理勇氣，更需要嚴謹進一步實干精神。 整個科學技術史是不斷創(chuàng)新歷史、不斷跨越歷史、人才輩出歷史。自主創(chuàng)新能力是關鍵競爭力，在今天中國更要提倡開放自主創(chuàng)新。/10/10第77頁第77頁物理學家和工程技術專家共同品格一些已進入耄耋之年老科學家還在不斷思考新問題，是我們榜樣；而創(chuàng)新責任則更多地落在青年科技工作者肩上。彭桓武先生總結16字訣： “積極繼承