我所認識的物理學

關于我所認識的物理學第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、物理學簡介定義1、物理學是研究物質運動最一般規(guī)律和物質基本結構的學科。作為自然科學的帶頭學科，物理學研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學學科的研究基礎。它的理論結構充分地運用數(shù)學作為自己的工作語言，以實驗作為檢驗理論正確性的唯一標準，它是當今最精密的一門自然科學學科。2、釋文解字：物理，“理”者物體的脈絡，物質通過能行聚合，現(xiàn)色相性勢為物體，故物理學，就是研究物質、物體內外脈絡關系與相互運化作用的—門科學。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四3、物理學與其他自然科學物理學與其他許多自然科學息息相關，如化學、生物、天文和地質等。特別是化學?；瘜W與某些物理學領域的關系深遠，如量子力學、熱力學和電磁學，而數(shù)學是物理的基本工具，也就是物理依賴著數(shù)學。所以有了數(shù)理化不分家之說。物理學是一種自然科學，主要研究的是物質在時空中的運動，和所有相關概念，包括能量和作用力。更廣義地說，物理學是對于大自然的研究分析，目的是為了要明白宇宙的行為。第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4、物理學的發(fā)展歷程及應用物理學是最古老的科學之一。在過去兩千年，物理學與哲學，化學等等經常被混淆在一起，相提并論。直到十六世紀科學革命之后，才單獨成為一門現(xiàn)代科學。物理學已成為自然科學中最基礎的學科之一。物理理論通常是以數(shù)學的形式表達出來。經過大量嚴格的實驗驗證的物理學規(guī)律被稱為物理定律。然而如同其他很多自然科學理論一樣，這些定律不能被證明，其正確性只能靠著反復的實驗來檢驗。物理學的影響深遠，這是因為物理學的突破時常會造成新科技的出現(xiàn)，物理學的新點子很容易會引起其它學術領域產生共鳴。例如，在電磁學的進展，直接地導致像電視，電腦，家用電器等等新產品，大幅度地提升了整個人類的生活水平；核裂變的成功應用，使得核能發(fā)電不再是夢想。第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、物理學的基本定義物理學是一種自然科學，注重于研究物質、能量、空間、時間，尤其是它們各自的性質與彼此之間的相互關系。物理學是關于大自然規(guī)律的知識；更廣義地說，物理學探索分析大自然所發(fā)生的現(xiàn)象，以了解其規(guī)則。物理學(Physics)：物理現(xiàn)象、物質結構、物質相互作用、物質運動規(guī)律物理學研究的范圍——物質世界的層次和數(shù)量級第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四***知識小拓展（1）空間尺度：原子、原子核、基本粒子、DNA長度、最小的細胞、太陽山哈勃半徑、星系團、銀河系、恒星的距離、太陽系、超星系團等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質空間尺寸的層次。微觀粒子Microscopic：質子10-15m介觀物質mesoscopic宏觀物質macroscopic宇觀物質cosmological類星體1026m第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四***知識小拓展（2）時間尺度：基本粒子壽命10-25s宇宙壽命1018s按空間尺度劃分：量子力學、經典物理學、宇宙物理學按速率大小劃分：相對論物理學、非相對論物理學按客體大小劃分：微觀、介觀、宏觀、宇觀按運動速度劃分：低速，中速，高速按研究方法劃分：實驗物理學、理論物理學、計算物理學第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四三、分類簡介●牛頓力學(Mechanics)研究物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律●電磁學(Electromagnetism)研究電磁現(xiàn)象，物質的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律●熱力學(Thermodynamics)研究物質熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)●相對論(Relativity)研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律●量子力學(Quantummechanics)研究微觀物質運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律此外，還有：粒子物理學、原子核物理學、原子與分子物理學、固體物理學、凝聚態(tài)物理學、激光物理學、等離子體物理學、地球物理學、生物物理學、天體物理學等等。第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四四、研究領域物理學研究的領域可分為下列四大方面：1.凝聚態(tài)物理——研究物質宏觀性質，這些物相內包含極大數(shù)目的組元，且組員間相互作用極強。最熟悉的凝聚態(tài)相是固體和液體，它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態(tài)相包括超流和波色-愛因斯坦凝聚態(tài)（在十分低溫時，某些原子系統(tǒng)內發(fā)現(xiàn)）；某些材料中導電電子呈現(xiàn)的超導相；原子點陣中出現(xiàn)的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態(tài)物理一直是最大的的研究領域。歷史上，它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2.原子，分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個原子結構范圍內，物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層，集中在原子和離子的量子控制；冷卻和誘捕；低溫碰撞動力學；準確測量基本常數(shù)；電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂，核合成等核內部現(xiàn)象則屬高能物理。分子物理集中在多原子結構以及它們，內外部和物質及光的相互作用，這里的光學物理只研究光學的基本性質及光與物質在在微觀領域的相互作用。3.高能/粒子物理——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現(xiàn)。據基本粒子的相互作用標準模型描述，有12種已知物質的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過強，弱和電磁基本力相互作用。標準模型還預言一種希格斯-波色粒子存在?，F(xiàn)正尋找中。第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.天體物理——天體物理和天文學是物理的理論和方法用到研究星體的結構和演變，太陽系的起源，以及宇宙的相關問題。因為天體物理的范圍寬。它用了物理的許多原理。包括力學，電磁學，統(tǒng)計力學，熱力學和量子力學。1931年卡爾發(fā)現(xiàn)了天體發(fā)出的無線電訊號。開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需用紅外，超紫外，伽瑪射線和x-射線。物理宇宙論研究在宇宙的大范圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現(xiàn)代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期哈勃從圖中發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，促進了宇宙的穩(wěn)定狀態(tài)論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上：愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了ACDM宇宙演變模型；它包括宇宙的膨脹，黑能量和黑物質。從費米伽瑪-射線望運鏡的新數(shù)據和現(xiàn)有宇宙模型的改進，可期待出現(xiàn)許多可能性和發(fā)現(xiàn)。尤其是今后數(shù)年內，圍繞黑物質方面可能有許多發(fā)現(xiàn)。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四五、物理學史●伽利略（1564年-1642年）人類現(xiàn)代物理學的創(chuàng)始人，奠定了人類現(xiàn)代物理科學的發(fā)展基礎?！?900-1926年建立了量子力學。●1926年建立了費米狄拉克統(tǒng)計?！?927年建立了布洛赫波的理論?！?928年索末菲提出能帶的猜想。●1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念，同年貝特提出了費米面的概念。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四●1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明了晶體管，標志著信息時代的開始?！?957年皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子?！?958年杰克.基爾比發(fā)明了集成電路?！?0世紀70年代出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路。物理與物理技術的關系：●熱機的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：技術——物理——技術●電氣化的進程，提供了第二種模式：物理——技術——物理第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四***當今物理學當今物理學和科學技術的關系兩種模式并存，相互交叉，相互促進“沒有昨日的基礎科學就沒有今日的技術革命”。例如：核能的利用、激光器的產生、層析成像技術(CT)、超導電子技術、粒子散射實驗、X射線的發(fā)現(xiàn)、受激輻射理論、低溫超導微觀理論、電子計算機的誕生。幾乎所有的重大新(高)技術領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經過長期的醞釀。物理學的方法和科學態(tài)度：提出命題→理論解釋→理論預言→實驗驗證→修改理論。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，它的產生過程如下：①物理命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來，或從已有原理中推演出來；②首先嘗試用已知理論對命題作解釋、邏輯推理和數(shù)學演算。如現(xiàn)有理論不能完美解釋，需修改原有模型或提出全新的理論模型；④新理論模型必須提出預言，并且預言能夠為實驗所證實；⑤一切物理理論最終都要以觀測或實驗事實為準則，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或被推翻。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四***小小思考一下●怎樣學習物理學？著名物理學家費曼說：科學是一種方法，它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象？著名物理學家愛因斯坦說：發(fā)展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位.如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四學習的觀點：從整體上邏輯地，協(xié)調地學習物理學，了解物理學中各個分支之間的相互聯(lián)系。物理學的本質：物理學并不研究自然界現(xiàn)象的機制（或者根本不能研究），我們只能在某些現(xiàn)象中感受自然界的規(guī)則，并試圖以這些規(guī)則來解釋自然界所發(fā)生任何的事情。我們有限的智力總試圖在理解自然，并試圖改變自然，這是物理學，甚至是所有學科所共同追求的目標。以物理學為基礎的相關科學：化學，天文學，自然地理學等。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四六、學科性質1、基本性質物理學是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規(guī)律性的總結。這種運動和轉變應有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸，二是近代人們通過發(fā)明創(chuàng)造供觀察測量用的科學儀器，實驗得出的結果，間接認識物質內部組成建立在的基礎上。物理學從研究角度及觀點不同，可分為微觀與宏觀兩部分，宏觀是不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經出現(xiàn)的，微觀物理學隨著科技的發(fā)展理論逐漸完善。其次，物理又是一種智能第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言：“如其說是因為我發(fā)表的工作里包含了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里包含了一個關于自然現(xiàn)象的科學思想方法基礎?！蔽锢韺W之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因為它在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學當之無愧地成了人類智能的結晶，文明的瑰寶。大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發(fā)展都有著重要的貢獻。有人統(tǒng)計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫(yī)學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景；——這意味著他們從物理學中汲取了智能，轉而在非物理領域里獲得了成功。——反過來，卻從未發(fā)現(xiàn)有非物理專業(yè)出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智能的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養(yǎng)的民族是愚蠢的民族！總之物理學是概括規(guī)律性的總結，是概括經驗科學性的理論認識第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2、六大性質(1)真理性：物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘，反映出物質運動的客觀規(guī)律。(2)和諧統(tǒng)一性：神秘的太空中天體的運動，在開普勒三定律的描繪下，顯出多么的和諧有序。物理學上的幾次大統(tǒng)一，也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和萬有引力定律把天上和地上所有宏觀物體統(tǒng)一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實現(xiàn)了統(tǒng)一。愛因斯坦質能方程又把質量和能量建立了統(tǒng)一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動性實現(xiàn)了統(tǒng)一。愛因斯坦的相對論又把時間、空間統(tǒng)一了。(3)簡潔性：物理規(guī)律的數(shù)學語言，體現(xiàn)了物理的簡潔明快性。如：牛頓第二定律，愛因斯坦的質能方程，法拉第電磁感應定律(4)精巧性：物理實驗具有精巧性，設計方法的巧妙，使得物理現(xiàn)象更加明顯第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四(5)對稱性：對稱一般指物體形狀的對稱性，深層次的對稱表現(xiàn)為事物發(fā)展變化或客觀規(guī)律的對稱性。如：物理學中各種晶體的空間點陣結構具有高度的對稱性。豎直上拋運動、簡諧運動、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質和反物質、正電和負電等。(6)預測性：正確的物理理論，不僅能解釋當時已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，更能預測當時無法探測到的物理現(xiàn)象。例如麥克斯韋電磁理論預測電磁波存在，盧瑟福預言中子的存在，菲涅爾的衍射理論預言圓盤衍射中央有泊松亮斑，狄拉克預言電子的存在。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四七、物理變化1.物理變化：物質隨時間而發(fā)生變化的變化；化學變化：舊化學鍵破裂，新化學鍵形成2.物理變化現(xiàn)象：很廣的，只要物質在時間上發(fā)生變化都是；化學變化：發(fā)光，發(fā)熱，生成沉淀，生成氣體是中學階段常規(guī)的現(xiàn)象，但有些反應是肉眼看不到的，如二氧化碳和水反應。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四3.物理變化包括化學變化：化學變化就看有沒有新舊化學鍵的破裂與形成。物理性質是物質化學鍵沒有被破壞和形成而表現(xiàn)出來的性質：化學性質是通過破壞物質化學鍵而表現(xiàn)出來的性質（就是物質要通過化學反應才說他有這個化學性質）。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四八、研究方法對于物理學理論和實驗來說，物理量的定義和測量的假設選擇，理論的數(shù)學展開，理論與實驗的比較是與實驗定律一致，是物理學理論的唯一目標。人們能通過這樣的結合解決問題，就是預言指導科學實踐，這不是大唯物主義思想，其實是物理學理論的目的和結構第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四九、思想理論物理與形而上學的關系在不斷反思形而上學而產生的非經驗主義的客觀原理的基礎上，物理學理論可以用它自身的科學術語來判斷。而不包括依賴于它們可能從屬于哲學學派的主張。在著手描述的物理性質中選擇簡單的性質，其它性質則是群聚的想象和組合。通過恰當?shù)臏y量方法和數(shù)學技巧從而進一步認知事物的本來性質。實驗選擇后的數(shù)量存在某種對應關系