1、愛因斯坦愛因斯坦 (18791955) ： 在物理學在物理學6 6個領域作出了具有劃時代意義的個領域作出了具有劃時代意義的貢獻：創建了貢獻：創建了光量子理論光量子理論、狹義相對論狹義相對論、分子運動論分子運動論、廣義相對論廣義相對論、輻射量子理論輻射量子理論和和現代科學的宇宙論現代科學的宇宙論。 1921年因光量子理論獲得諾貝年因光量子理論獲得諾貝爾物理學獎。爾物理學獎。“常識是人們在十八歲前敷常識是人們在十八歲前敷飾在思想上的一種偏見飾在思想上的一種偏見” 1.1 物質的結構及形態物質的結構及形態一、物質世界的結構層次一、物質世界的結構層次小到小到10-18 m 10-17 m 的的亞原子粒

2、子亞原子粒子到大至到大至1026 m 的的宇宙半宇宙半徑徑，跨越了大約，跨越了大約4243個數量級。個數量級。10-4灰塵線度灰塵線度10-10原子線度原子線度10-15原子核線度原子核線度103無線電波波長無線電波波長10-17基本粒子線度基本粒子線度6106地球半徑地球半徑1.51011日地距離日地距離7.61022銀河系半徑銀河系半徑1026（單位：（單位：m）已觀測到的宇宙范圍極限已觀測到的宇宙范圍極限E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的細胞的細胞原子原子原子核原子核基本粒子

3、基本粒子DNA長度長度星系團星系團銀河系銀河系最近恒最近恒星的距離星的距離太陽系太陽系太陽太陽山山哈勃半徑哈勃半徑超星系團超星系團人人蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次通過巴黎的子午線從北通過巴黎的子午線從北極到赤道距離的千萬分極到赤道距離的千萬分之一為之一為1米米（1m）空間中兩點間的距離為長度空間中兩點間的距離為長度選定某選定某一長度基準一長度基準任何長度的計量任何長度的計量空間的計量：空間的計量：空間反映物質運動的空間反映物質運動的廣延性廣延性在三維空間里的在三維空間里的位置可由三個相互獨立的坐標來確定位置可由三個相互獨立的坐標來確定國際上對

4、長國際上對長 度基準度基準“米米”的定義作過的定義作過 三次正式規定三次正式規定1960年第十一屆國際計量大會決年第十一屆國際計量大會決定，用定，用86Kr原子的橙黃色光波波原子的橙黃色光波波長的長的1 650 763.73倍來定義倍來定義“米米”，實現了長度的自然基準實現了長度的自然基準比較比較由于該基準由于該基準和它所表達和它所表達的值之間存的值之間存在差異在差異1889年第一屆國際計量年第一屆國際計量大會通過，將保存在法大會通過，將保存在法國的國際計量局中鉑銥國的國際計量局中鉑銥合金棒在合金棒在0.00時兩刻時兩刻線間的距離定義為線間的距離定義為1米米（1m）實物基準實物基準很難保證很難

5、保證其穩定性其穩定性1983年第十七屆國際計量大年第十七屆國際計量大會通過，會通過，“米米”是光在真空是光在真空中中（1/299 792 458）s的時間的時間間隔內運行路程的長度間隔內運行路程的長度激光激光微觀系統微觀系統介觀系統介觀系統宏觀系統宏觀系統宇觀系統宇觀系統依照物質的運動規律做了依照物質的運動規律做了系統性系統性劃分劃分 渺觀系統渺觀系統原子尺度數量級的客體，用原子尺度數量級的客體，用量子力學量子力學處理處理接近人體尺度附近幾個數量級的物體，用接近人體尺度附近幾個數量級的物體，用經典力學經典力學處理處理把由十幾個到數百個原子組成的團簇及同量級的物體把由十幾個到數百個原子組成的團簇

6、及同量級的物體物理學以及物理學與其他學科交叉的邊緣學科在物質世物理學以及物理學與其他學科交叉的邊緣學科在物質世界中許多層次都有研究。界中許多層次都有研究。固體物理學固體物理學固體固體等離子體物理學等離子體物理學等離子體等離子體高分子化學高分子化學10-9分子分子分子物理學分子物理學10-10原子原子化學物理、化學化學物理、化學10-14原子核原子核相關專業學科相關專業學科空間尺度數量級空間尺度數量級(單位：單位：m)層次名稱層次名稱原子、原子核、粒子物理學原子、原子核、粒子物理學液體動力學液體動力學氣體動力學氣體動力學介觀物理學介觀物理學凝聚態物理學凝聚態物理學地球、生物物理學地球、生物物理學

7、天體物理學天體物理學天文學天文學宇宙學宇宙學10-610-8介觀物質介觀物質氣體氣體液體液體10610-3凝聚態物質凝聚態物質10-15以下以下基本粒子基本粒子107105地上物體地上物體1012107星球星球1020星系星系1026(已知部分已知部分)宇宙半徑宇宙半徑時間時間尺度：尺度：基本粒子壽命基本粒子壽命 10-25 s宇宙年齡宇宙年齡 1018 s一次大爆炸一次大爆炸瞬間溫度瞬間溫度約為約為10102828K各處的溫度各處的溫度約為約為10101010K宇宙溫度宇宙溫度從從10109 9K降降到到10106 6K溫度降到溫度降到幾千開幾千開宇宙大約是宇宙大約是在（在（1.02.0）1

8、010年前年前輕元素的輕元素的早期合成早期合成階段階段物質密度極大物質密度極大,宇宇宙的結構簡單，宙的結構簡單，只有質子、中子、只有質子、中子、電子、光子和中電子、光子和中微子等。微子等。1s1s后后3min3min現代的標準宇宙模型現代的標準宇宙模型約約4040萬萬年后年后原子核和電原子核和電子復合成電子復合成電中性的原子中性的原子和分子和分子,直至直至成為今天的成為今天的宇宙宇宙二、物質存在的時間尺度二、物質存在的時間尺度現代科學研究涉及的時間標度從現代科學研究涉及的時間標度從10-25 s 的的 z0 粒子粒子壽命到壽命到137億年億年的的宇宙年齡宇宙年齡（約（約1018 s ），跨越了

9、大約），跨越了大約43個數量級。個數量級。10-2市電周期市電周期10-4高速攝影曝光時間高速攝影曝光時間10-14光波周期光波周期103中子壽命中子壽命10-25Z0粒子粒子105地球自轉周期地球自轉周期107地球公轉周期地球公轉周期1017地球年齡地球年齡1018（單位：（單位：s）宇宙年齡宇宙年齡將一個平均將一個平均太陽日太陽日的的1/86400作為一秒，稱作世界時秒作為一秒，稱作世界時秒判別和排列各個事件發生的先后順序及運動的快慢程度判別和排列各個事件發生的先后順序及運動的快慢程度選定某種選定某種周期性重復的運動周期性重復的運動過程作為參考標準過程作為參考標準物質的運動過程物質的運動過

10、程時間的計量：時間的計量：時間表征物質運動的持續性，凡已知其運動規時間表征物質運動的持續性，凡已知其運動規律的物理過程，都可以用作時間的計量律的物理過程，都可以用作時間的計量。地球的自地球的自 轉和公轉轉和公轉月球繞地月球繞地 球的公轉球的公轉1967年第十三屆國際計量大會決定采用年第十三屆國際計量大會決定采用銫原子鐘銫原子鐘作為新的時作為新的時間計量標準，并定義間計量標準，并定義1s的長度等于的長度等于133Cs原子基態兩個超精細原子基態兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射周期的能級之間躍遷相對應的輻射周期的9 192 631 770倍這個躍倍這個躍遷頻率測量的準確度達到遷頻率測量的準確度達到

11、10-12至至10-13比較比較存在著不存在著不規則變化規則變化微觀研究有微觀研究有了新的發現了新的發現利用分子和原子的固有振動利用分子和原子的固有振動頻率作為時間的計量標準，頻率作為時間的計量標準，制成了大量的制成了大量的原子鐘原子鐘三、物質存在的基本形式三、物質存在的基本形式 實物實物是指由大量原子、分子所組成的是指由大量原子、分子所組成的宏觀實體宏觀實體，也包括原子、，也包括原子、分子、離子和靜止質量不為零的分子、離子和靜止質量不為零的基本粒子基本粒子，如電子、質子、中子，如電子、質子、中子等。等。它們之間的相互作用和相互轉化形式多樣，但都可以以它們之間的相互作用和相互轉化形式多樣，但都

12、可以以能量能量作為量度。作為量度。物質的基本存在形式是物質的基本存在形式是實物實物和和場場。 場場是傳遞物體間相互作用的媒質。如電場、磁場、引力場。是傳遞物體間相互作用的媒質。如電場、磁場、引力場。運動是物質的固有屬性運動是物質的固有屬性分子間的相互作用主要是分子間的相互作用主要是電磁力電磁力（比（比萬有引力萬有引力大大 1029 倍），倍），有時能使分子的有時能使分子的瞬時加速度瞬時加速度達到達到 1015 m s-2 ，但是由于一個加，但是由于一個加速到這樣的分子將迅速跑出另一分子的作用范圍，作用時間極速到這樣的分子將迅速跑出另一分子的作用范圍，作用時間極為短暫，瞬時速度一般不會很大。為短

13、暫，瞬時速度一般不會很大。1.2 實物的實物的基基本性質本性質一、分子間的作用力一、分子間的作用力分子的經典模型是分子的經典模型是電中性的小球電中性的小球，但其中運動著的電荷的，但其中運動著的電荷的活動性使分子能產生活動性使分子能產生電磁相互作用力電磁相互作用力。有。有分子間斥力分子間斥力和和分子間分子間引力引力之分。之分。 分子間斥力分子間斥力和和分子間引力分子間引力都隨都隨著分子間距離的增大而迅速減小。著分子間距離的增大而迅速減小。 當分子間距離當分子間距離 r 10-9 m（稱為（稱為分子作用距離分子作用距離）時，分子間）時，分子間作用力可忽略不計。作用力可忽略不計。二、固體二、固體晶體

14、中的粒子排列非常規則；結晶固體包括原子態的、分子態晶體中的粒子排列非常規則；結晶固體包括原子態的、分子態的、離子態的、或宏觀分子態的晶體。象水晶、金剛石、方解的、離子態的、或宏觀分子態的晶體。象水晶、金剛石、方解石等。石等。 晶體：晶體：非晶體：非晶體：非晶體中粒子的排列完全沒有規則；象玻璃、瀝青、橡膠等。非晶體中粒子的排列完全沒有規則；象玻璃、瀝青、橡膠等。準晶體：準晶體：固體有一定的形狀和體積，分為固體有一定的形狀和體積，分為晶體晶體、非晶體非晶體和和準晶體準晶體。 具有粒子長程準周期排列；如急驟冷卻形成的微米量級鋁猛合金具有粒子長程準周期排列；如急驟冷卻形成的微米量級鋁猛合金 。三、液體

15、和氣體三、液體和氣體液體和氣體都稱為液體和氣體都稱為流體流體。氣體分子間的平均距離要比分子力作用范圍大的得多，因氣體分子間的平均距離要比分子力作用范圍大的得多，因此除碰撞外，氣體分子間沒有相互作用。在接連兩次碰撞之間，此除碰撞外，氣體分子間沒有相互作用。在接連兩次碰撞之間，分子是沿著直線運動的分子是沿著直線運動的。 宏觀上看，液體有一定的體積，不易壓縮，但沒有固定的宏觀上看，液體有一定的體積，不易壓縮，但沒有固定的形狀。形狀。兩次碰撞之間走過的平均路程：兩次碰撞之間走過的平均路程：m1010. 27-其他氣體分子的平均速度更小，而其他氣體分子的平均速度更小，而液體分子、固體分子液體分子、固體分

16、子比氣體分子的平均速度要小得多比氣體分子的平均速度要小得多。13sm1070. 1-v盡管在標準狀態下，氫氣中的盡管在標準狀態下，氫氣中的 H2 分子的瞬時加速度有時會分子的瞬時加速度有時會相當大，但平均速度相當大，但平均速度四、等離子體四、等離子體宇宙中的宇宙中的恒星恒星、星云星云等內部溫度極高，等內部溫度極高，組成這些它們的原子處于電離狀態，這些組成這些它們的原子處于電離狀態，這些電離的電離的“氣體氣體”與普通的氣體有很大的不與普通的氣體有很大的不同，稱為同，稱為等離子體等離子體。等離子體由等離子體由電子電子、離子離子和和中性粒子中性粒子組組成，是電和熱的良導體，比熱非常大。并成，是電和熱

17、的良導體，比熱非常大。并具有以下兩個特點：具有以下兩個特點： 集體效應起主要作用。集體效應起主要作用。 整體呈現準電中性；整體呈現準電中性；ennnn 32132五、暗物質五、暗物質 根據星體發光的光度學理論得到的宇宙的總質量比動力學根據星體發光的光度學理論得到的宇宙的總質量比動力學理論的結果要小理論的結果要小12個數量級，由此人們推測宇宙中還存在所謂個數量級，由此人們推測宇宙中還存在所謂的的“暗物質暗物質”。 但其存在及其形態目前還不清楚。但其存在及其形態目前還不清楚。 六、生物大分子六、生物大分子生物大分子歸屬于軟凝聚態物質。生物大分子歸屬于軟凝聚態物質。 1953年，物理學家威爾金斯與生

18、物學專家合作，得到了年，物理學家威爾金斯與生物學專家合作，得到了DNA結晶的結晶的X射線衍射圖射線衍射圖。 同年，物理學家克里克和遺傳學家沃森提出了同年，物理學家克里克和遺傳學家沃森提出了DNA雙螺旋雙螺旋結構模型結構模型。 1.3 場與物場與物質的質的相互作用相互作用一、場的基本性質一、場的基本性質場與物質的相互作用一般表現為不同形式的相互作用力，場與物質的相互作用一般表現為不同形式的相互作用力， 如：如：引力場引力場中的引力、中的引力、電磁場電磁場中的電磁力。中的電磁力。 1、場是傳遞物質間相互作用的媒質、場是傳遞物質間相互作用的媒質 可疊加性可疊加性：相同性質的場在空間某一點可相互疊加。

19、：相同性質的場在空間某一點可相互疊加。2、場具有獨立性和可疊加性、場具有獨立性和可疊加性獨立性獨立性：空間某一點可以有各種不同的場同時存在，：空間某一點可以有各種不同的場同時存在， 它們保持各自獨立存在的特征；它們保持各自獨立存在的特征；3、描述場存在及其大小有不同的特征指標、描述場存在及其大小有不同的特征指標速度梯度速度梯度速度場速度場場強、磁感應強度場強、磁感應強度電場、磁場電場、磁場萬有引力萬有引力引力場引力場4、勢勢是描述場與物質相互作用的重要物理量是描述場與物質相互作用的重要物理量與場發生相互作用的宏觀實物或微觀粒子，與場相互作用力與場發生相互作用的宏觀實物或微觀粒子，與場相互作用力

20、是是保守力保守力（這種力做功只與路徑的起點和終點的位置有關，（這種力做功只與路徑的起點和終點的位置有關，而與路徑無關）。如而與路徑無關）。如靜電場靜電場、重力場重力場等都是保守場。等都是保守場。保守場：保守場：非保守場：非保守場：不具備上述特征的場即為不具備上述特征的場即為非保守場非保守場，如，如穩恒磁場穩恒磁場。二、物質相互作用的形式二、物質相互作用的形式（1）電磁相互作用電磁相互作用；（；（2）萬有引力相互作用萬有引力相互作用；（3）強相互作用強相互作用； （4）弱相互作用弱相互作用。將自然界物質間的相互作用歸結為以下四種：將自然界物質間的相互作用歸結為以下四種：強子，輕子強子，輕子光，膠

21、子，光，膠子，重子重子一切物體一切物體強子，強子，e，r作用對象作用對象約約90GeV假定為假定為0未知未知0媒介粒子質量媒介粒子質量中間玻色子中間玻色子W，Z0膠子膠子g1g8引子引子光子光子r媒介粒子媒介粒子10-10 s10-23 s10-1610-20 s典型衰變時間典型衰變時間10-13110-3810-2相對強度相對強度10-16m10-15m長程長程長程長程作用距離作用距離弱相互作用弱相互作用強相互作用強相互作用引力相互作用引力相互作用電磁相互作用電磁相互作用相互作用類型相互作用類型1.4 物質的能量物質的能量一、能量守恒定律一、能量守恒定律它是物質在運動和相互作用的過程中遵循的

22、普遍原理，即：它是物質在運動和相互作用的過程中遵循的普遍原理，即：能量可在不同的系統之間交換，不同形式的能量是能量可在不同的系統之間交換，不同形式的能量是可以相互轉化的，但能量的總量保持不變。可以相互轉化的，但能量的總量保持不變。二、實物的質量與能量二、實物的質量與能量由由愛因斯坦的相對論愛因斯坦的相對論可知，運動中實物（質點）的質量為可知，運動中實物（質點）的質量為 1220cvmmm0 是靜止質量是靜止質量令令cv201mmrFEkd如果實物在合外力如果實物在合外力 的作用下從靜止開始作加速運動，根據的作用下從靜止開始作加速運動，根據動能定理動能定理（能量守恒定律能量守恒定律），經過時間），經過時間 t 后，動能后，動能 Ek 等于等于 所所 做的功：做的功：FF由牛頓運動定律：由牛頓運動定律：tvmFd)d(20)(cmmEk-2mc由以上兩式聯立可得：由以上兩式聯立可得：經典力學中的表達式：經典力學中的表達式： 2021