1、1 物理學與物質世界物理學與物質世界 什么是物理學什么是物理學?物理學是探討物質結構和運動基本規律的學科物理學是探討物質結構和運動基本規律的學科 是自然科學的基礎是自然科學的基礎一一.物質世界物質世界研究的對象十分廣泛研究的對象十分廣泛 宏觀宏觀 微觀微觀為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫b空間尺度空間尺度( (相差相差1010454510104646) )101026 26 m(m(約約150150億光年億光年)()(宇宙宇宙) )101020 20 m(m(夸克夸克) )b時間尺度時間尺度( (相差相差10104545) )10101818s 150s 150億年

2、億年( (宇宙年齡宇宙年齡)-10)-10-27-27s(s(硬硬 射線周期射線周期) )人們從自己向小尺度追問人們從自己向小尺度追問 以探索物質的組成以探索物質的組成 物理學上對應物理學上對應 粒子物理學粒子物理學目前物理學界公認組成物質的最小單元是夸克目前物理學界公認組成物質的最小單元是夸克 即認為即認為quarkquark沒有內部結構沒有內部結構 但近來有消息稱但近來有消息稱 quark quark 也可一分為二也可一分為二 說明認識無止境說明認識無止境 物質世界總圖象物質世界總圖象 粒子種類粒子種類 自由狀態存在的自由狀態存在的: 452 : 452 種種 其中其中 規范玻色子規范玻色

3、子 4 4 種種 輕子輕子 12 12 種種 強子強子 436 436 種種基本相互作用基本相互作用 : : 電磁電磁 強強 弱弱 引力引力 粒子物理學粒子物理學( (微觀理論微觀理論) ) 標準模型標準模型 認定基本粒子認定基本粒子 揭示物質的組成揭示物質的組成 高能物理實驗高能物理實驗( (實驗手段實驗手段) ) 發展加速器取得實驗數據發展加速器取得實驗數據 驗證微觀理論驗證微觀理論 天體物理學天體物理學( (宇觀理論宇觀理論) ) 標準宇宙模型標準宇宙模型分析宇宙的起源分析宇宙的起源 大爆炸宇宙學大爆炸宇宙學二二. .關于兩個前沿的基本理論關于兩個前沿的基本理論 目前天體物理理論和粒子物

4、理理論已成為目前天體物理理論和粒子物理理論已成為 密不可分的姊妹學科密不可分的姊妹學科 標準宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子標準宇宙模型給出的宇宙起源與基本粒子 標準模型給出的物質組成是一致的標準模型給出的物質組成是一致的 從而體現了物理學的和諧從而體現了物理學的和諧 完美和對稱完美和對稱從遙遠的過去宇宙產生于大爆炸從遙遠的過去宇宙產生于大爆炸 絕熱膨脹至今絕熱膨脹至今我們生活在這樣的世界中我們生活在這樣的世界中 人們從自己開始人們從自己開始 通過各種實驗手段通過各種實驗手段( (比如加速器比如加速器) )把物質打開把物質打開 探索內部的由來探索內部的由來三三. .物理學使人們深入認識世界物理

5、學使人們深入認識世界 物質存在的基本形式物質存在的基本形式中學時已有中學時已有 粒子和場粒子和場( (波波) ) 的認識的認識場論給出最新認識場論給出最新認識每種粒子對應一種場每種粒子對應一種場場場有不同能量狀態有不同能量狀態場與粒子是統一體的場與粒子是統一體的兩種表現形式兩種表現形式波粒二相性波粒二相性b演繹法演繹法推理推理 演算演算b歸納法歸納法假設假設 模型模型b定性和半定量定性和半定量直覺直覺 想象力想象力 洞察力洞察力2 2 物理學與科學思維物理學與科學思維一一.物理學的研究方法物理學的研究方法物理學家的物理學家的1/3 1/3 激奮在于激奮在于 建立理論建立理論1/3 1/3 激奮

6、在于激奮在于 證實理論證實理論1/3 1/3 激奮在于激奮在于 突破理論突破理論愛因斯坦是典范愛因斯坦是典范 -最令人驚訝的是沒有出現令人驚訝的事最令人驚訝的是沒有出現令人驚訝的事-二二.物理學家的科學態度物理學家的科學態度實驗結果與已有理論不符合實驗結果與已有理論不符合 預示著重大突破預示著重大突破令人令人興奮興奮3 物理學與科學技術物理學與科學技術 物理學為其他學科創立技術和原理物理學為其他學科創立技術和原理 重大新技術領域的創立總是經歷重大新技術領域的創立總是經歷 長期的物理醞釀長期的物理醞釀如如 微電子技術的發展微電子技術的發展 物理學是人類深刻認識自然界的需要物理學是人類深刻認識自然

7、界的需要 ( (美美國物理學評國物理學評 述委員會述委員會)-)-Physical Review Letters b盧瑟福盧瑟福 a a 粒子散射實驗粒子散射實驗(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后) )b愛因斯坦受激輻射理論愛因斯坦受激輻射理論(1917) (1917) 第一臺激光器第一臺激光器(1960)(1960) ( (物理物理) () (技術技術) )b信息技術的發生和發展的硬件部分以物理學成果為基礎信息技術的發生和發展的硬件部分以物理學成果為基礎 ( (技術技術) () (物理物理) ) b量子力學量子力學 費米狄拉克統計費米狄拉克統計 固體能帶理論

8、固體能帶理論(20(20年代年代)()(物理物理) ) 晶體管誕生晶體管誕生(1947) (1947) 集成電路集成電路(1962) (1962) 大規模集成電路大規模集成電路 (70(70年代后期年代后期)()(技術技術) )微結構物理微結構物理( (物理物理) )4 4 物理學與高素質人才物理學與高素質人才( (工科人才工科人才) )h提高科學素質和能力以適應高新技術提高科學素質和能力以適應高新技術h市場經濟的發展市場經濟的發展b現代工業技術工程師類型現代工業技術工程師類型i工程科學家型工程科學家型i革新發明家型革新發明家型i現場工程專家型現場工程專家型i管理規劃專家型管理規劃專家型5物理

9、學的思想和觀點物理學的思想和觀點 如如 建理想化模型建理想化模型5從物理本質上提出和研究本專業問題從物理本質上提出和研究本專業問題5創新能力創新能力t在工程技術中引入物理學的新成果在工程技術中引入物理學的新成果物理素質的表現物理素質的表現 如：掃描隧道顯微鏡如：掃描隧道顯微鏡 (STM)(STM)的發明的發明 說明：深厚的科學素質的重要性說明：深厚的科學素質的重要性 70 70年代年代 羅伯特羅伯特. .楊楊 制成場發射顯微鏡制成場發射顯微鏡19811981年年 賓尼和羅雷爾賓尼和羅雷爾 應用隧道效應應用隧道效應 改進了場發射顯微鏡改進了場發射顯微鏡 S T M S T M得益于深厚的科學素養

10、得益于深厚的科學素養19861986年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎鐵原子鐵原子2007年度年度諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎授授予法國科學家艾爾伯予法國科學家艾爾伯-費爾和德國科學家皮費爾和德國科學家皮特特-克魯伯格，以表彰克魯伯格，以表彰他們他們1988年發現巨磁年發現巨磁電阻效應的貢獻。電阻效應的貢獻。開創自旋電子學領域！開創自旋電子學領域！自旋電子學自旋電子學2010年諾貝爾年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料研究方面的革命性成就。 到目前為止，有10位華裔諾貝爾獎獲得者，按獲獎時間順序為：華裔諾貝爾獎獲得者，按獲獎時間順序為： 李

11、政道：李政道：1926年生于上海，美籍華人，中學時代在大陸，年生于上海，美籍華人，中學時代在大陸，1957年獲諾貝爾年獲諾貝爾物理學獎，時年物理學獎，時年31歲；歲； 楊振寧：楊振寧：1922年生于安徽，美籍華人，中學時代在大陸，年生于安徽，美籍華人，中學時代在大陸，1957年獲諾貝爾年獲諾貝爾物理學獎，時年物理學獎，時年35歲；歲； 丁肇中：丁肇中：1936年生于美國，美籍華人，中學時代在臺灣，年生于美國，美籍華人，中學時代在臺灣，1976年獲諾貝爾年獲諾貝爾物理學獎，時年物理學獎，時年40歲；歲； 李遠哲：李遠哲：1936年生于臺灣，中國臺灣，中學時代在臺灣，年生于臺灣，中國臺灣，中學時代

12、在臺灣，1986年獲諾貝爾年獲諾貝爾獲化學獎，時年獲化學獎，時年50歲；歲； 朱棣文：朱棣文：1948年生于美國，美籍華人，年生于美國，美籍華人，1997年獲諾貝爾獲物理學獎，時年年獲諾貝爾獲物理學獎，時年49歲；歲； 崔崔 琦：琦：1939年生于河南，美籍華人，中學時代在大陸，年生于河南，美籍華人，中學時代在大陸，1998年獲諾貝爾年獲諾貝爾獲物理學獎，時年獲物理學獎，時年59歲；歲； 達達 賴：賴：1935年生于青海，中國國籍，中學時代在大陸，年生于青海，中國國籍，中學時代在大陸，1989年獲諾貝爾年獲諾貝爾和平獎，時年和平獎，時年54歲；歲； 高行健：高行健：1940年生于江西，年生于江

13、西，46歲離開大陸，獲獎的同年加入法國籍，歲離開大陸，獲獎的同年加入法國籍，2000年獲諾貝爾文學獎，時年諾貝爾文學獎，時年60歲。歲。 錢永健錢永健:年出生于美國紐約年出生于美國紐約,美籍華人，美籍華人，2011年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎.其中2人未得到中國政府承認。大學物理課的任務大學物理課的任務把大學生領進物理學的各個領域的大門把大學生領進物理學的各個領域的大門打開大門打開大門 并送一枚指南針并送一枚指南針 使之能在物理學展示的五彩繽紛的世界中使之能在物理學展示的五彩繽紛的世界中汲取營養汲取營養 茁壯成長茁壯成長h“大學物理大學物理”上下冊，羅圓圓主編上下冊，羅圓圓主編h“大學物理學大學物理學”一套四冊，張三慧主編一套四冊，張三慧主編h“普通物理學普通物理學”一套三冊，程守洙，江之永主一套三冊，程守洙，江之永主編編h“新概念物理教程新概念物理教程”力學，趙凱華，羅蔚茵力學，趙凱華，羅蔚茵h“基礎物理學基礎物理學”上下冊，陸果上下冊，陸果h“伯克利物理學教程伯克利物理學教程”一套五冊一套五冊h盧德馨物理