1、物理类导论物理类导论 丁洪斌丁洪斌 大连理工大学大连理工大学 物理与光电工程学院物理与光电工程学院 物理学：物理学： 是研究物质和能量（场）以及时间、空是研究物质和能量（场）以及时间、空 间的性质及演化的一门科学；间的性质及演化的一门科学； 目标：理解自然奥秘，为其它学科提供目标：理解自然奥秘，为其它学科提供 基础，改造自然，推动人类文明进步基础，改造自然，推动人类文明进步 研究方法：观察，实验和推理研究方法：观察，实验和推理 观察观察-自然界万象如何存在和演化自然界万象如何存在和演化 实验实验-复现“特定的物理现象及其演化规律”复现“特定的物理现象及其演化规律” 推理推理-推导万物演化的规则
2、推导万物演化的规则 物质状态变化的原因：宇宙中已确定的四种基本力：物质状态变化的原因：宇宙中已确定的四种基本力： 1.电磁力：带电粒子间（相对强度电磁力：带电粒子间（相对强度=10-2） 2.万有引力：有质量（能量）的物体间（万有引力：有质量（能量）的物体间（相对强度相对强度= 10-40） 3.弱力：核子衰变过程（弱力：核子衰变过程（n-p+e-+v）（）（相对强度相对强度= 10-5） 4.强力：核内介子及重子之间（强力：核内介子及重子之间（相对强度相对强度= 1） 一、物理学进化史一、物理学进化史 1 1 、古代物理学时期（公元前古代物理学时期（公元前1616世纪中叶）世纪中叶） 2 2
3、、经典物理时期（、经典物理时期（1616世纪中叶世纪中叶1919世纪末）世纪末） 3 3、近近（现现）代物理学时期代物理学时期（19001900现在现在） 第一阶段第一阶段( (1900190019311931年年) )： 相对论和量子概念的创建和应用阶段；相对论和量子概念的创建和应用阶段； 第二阶段第二阶段( (1932193219541954年年) )： 亚原子物理学阶段亚原子物理学阶段； 第三阶段第三阶段( (19551955年年- -19991999) )： 亚核物理学即宇宙物理学阶段；亚核物理学即宇宙物理学阶段； 4 4 、2121世纪新物理学世纪新物理学（20002000年至今年至
4、今） 暗物质暗物质，暗能量暗能量，希格斯粒子希格斯粒子，质量起源质量起源，超对称型超对称型，超弦理论；超弦理论； 物理学实验和理论的发展，在三个层次上把人类对自然界的物理学实验和理论的发展，在三个层次上把人类对自然界的 认识提升到了前所未有的深度和广度。认识提升到了前所未有的深度和广度。 在微观领域内，已经深入到基本粒子的亚核世界（在微观领域内，已经深入到基本粒子的亚核世界（1010- -17 17 米， 米， 1010- -18 18s s），并建立起统一描述电磁、弱、强相互作用的标准模 ），并建立起统一描述电磁、弱、强相互作用的标准模 型，引起了人们对物理测量及因果观的深刻变革。型，引起了
5、人们对物理测量及因果观的深刻变革。 在宇观领域内，研究的广度已达到在宇观领域内，研究的广度已达到101025 25米 米的空间标度和的空间标度和101017 17 秒的宇宙纪元；广义相对论的理论预言，在巨大的时空尺度秒的宇宙纪元；广义相对论的理论预言，在巨大的时空尺度 上得到了证实，引起了人们时空观、宇宙观的深刻变革。上得到了证实，引起了人们时空观、宇宙观的深刻变革。 在宏观领域内，关于物质存在状态和运动形式的多样性、在宏观领域内，关于物质存在状态和运动形式的多样性、 复杂性的探索，也取得了突破性的进展。复杂性的探索，也取得了突破性的进展。 在应用方面在应用方面 现代物理学的发展导致了原子能的
6、应用，导致了半现代物理学的发展导致了原子能的应用，导致了半 导体、光通讯等新兴工业的崛起，为激光技术、新材导体、光通讯等新兴工业的崛起，为激光技术、新材 料研制、新能源开发开辟了新的技术途径，并推动了料研制、新能源开发开辟了新的技术途径，并推动了 计算机革命的进展。计算机革命的进展。 现代物理学在推空间科学、信息科学、环境科学、现代物理学在推空间科学、信息科学、环境科学、 海洋科学的发展中起到了关键性的作用，成为海洋科学的发展中起到了关键性的作用，成为20 20 世纪世纪 下半叶以来蓬勃发展的现代科学技术革命的重要科学下半叶以来蓬勃发展的现代科学技术革命的重要科学 基础。基础。 现代物理学以新
7、兴高技术群为中介向生产力的转化，现代物理学以新兴高技术群为中介向生产力的转化， 极大地改变了人类的生产方式和生活方式，成为推动极大地改变了人类的生产方式和生活方式，成为推动 现代社会发展的重要杠杆。现代社会发展的重要杠杆。 物理类导论讲授内容：物理类导论讲授内容： 1.概论课序论概论课序论 (丁洪斌丁洪斌） 2.计算物理（计算物理（刘金远刘金远） 3.理论物理（理论物理（周玲周玲） 4.核及粒子物理（核及粒子物理（张卫宁张卫宁） 5.等离子体物理（等离子体物理（王友年王友年） 6.凝聚态物理（凝聚态物理（张庆瑜张庆瑜） 7.原子分子物理（原子分子物理（丛书林丛书林) 8.天文物理（天文物理（丁
8、洪斌丁洪斌） 9.光物理（光物理（潘石潘石2学时）学时） 10.现代光电子技术现代光电子技术-I（赵明山赵明山） 11.现代光电子技术现代光电子技术-II（胡礼忠胡礼忠 ） 12现代光电子技术现代光电子技术-III（刘爱民刘爱民 ） 13.考核考核 （丁洪斌）（丁洪斌） 经典物理回顾：经典物理回顾： 一一. 经典力学与天体运动经典力学与天体运动 代表人物：伽利略代表人物：伽利略 伽利莱伽利莱（Galileo Galilei，1564.2.151642.1.8） 意大利人，近代实验科学 的奠基者之一与科学革命 的先驱。他最早使用望远 镜观测天体来支持哥白尼 的日心说。他通过逻辑分 析与实验推翻了
9、亚里士多 德的力学体系并建立了近 代力学。他提出的“实验 模型”思维方法成为现 代实验科学研究的基石。 为了纪念伽利略的功绩， 后人把木卫一、木卫二、 木卫三和木卫四称为伽利 略卫星。 影响：经典力学使人类文明进入机械化时代影响：经典力学使人类文明进入机械化时代 1687年，年，牛顿牛顿发表发表自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理，第一次阐，第一次阐 述牛顿力学三定律述牛顿力学三定律，奠定了经典力学的基础，奠定了经典力学的基础，推出万有推出万有 引力定律，创立了现代天文学引力定律，创立了现代天文学 (牛顿)。 经典力学诞生经典力学诞生 代表人物英国牛顿代表人物英国牛顿 经典力学体系发展及完善：
10、经典力学体系发展及完善： 伯努利伯努利（Daniel Bernoulli，17001782）流体力学、）流体力学、 欧拉欧拉（Leonhard Euler 公元公元1707-1783年年 ）、）、 拉格朗日拉格朗日（J. L. Lagrange，1736-1813）、）、 达朗贝尔达朗贝尔（Jean le Rond d Alembert，17171783） 经经伯努利和欧拉等伯努利和欧拉等人的发展和完善，形成了系统完备的经典人的发展和完善，形成了系统完备的经典 力学理论并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。力学理论并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。 到了到了18 世纪，经典
11、力学已经相当成熟，成了自然科学中的主世纪，经典力学已经相当成熟，成了自然科学中的主 导和领先学科。导和领先学科。 欧拉欧拉（Leonhard Euler 1707-1783年-杰出的天才大师 欧拉在数学、物理、天文、建筑以至欧拉在数学、物理、天文、建筑以至音音 乐乐、哲学哲学方面都取得了辉煌的成就；创方面都取得了辉煌的成就；创 立了立了分析力学分析力学、刚体力学等力学学科。、刚体力学等力学学科。 在数学的各个领域，以欧拉命名的公式、在数学的各个领域，以欧拉命名的公式、 定理、和重要常数，如定理、和重要常数，如（1736年），年），i （1777年），年），e（1748年），年），sin和和co
12、s （1748年），年），tg（1753年），年），x （1755年），年），（1755年），年），f(x) （1734年）等，都是年）等，都是欧拉欧拉创立并推广的。创立并推广的。 欧拉还首先完成了月球绕地球运动的精欧拉还首先完成了月球绕地球运动的精 确理论，深化了确理论，深化了望远镜望远镜、显微镜显微镜的设计的设计 计算理论。计算理论。 欧拉欧拉 是是18世纪最优秀的世纪最优秀的数学家数学家，也是历史上最伟大的数学家之，也是历史上最伟大的数学家之一一 1707年出生在年出生在瑞士瑞士的的巴塞尔巴塞尔（Basel）。）。13岁进入岁进入巴塞尔巴塞尔 大学大学读读 书。在大学里得到当时最有名的数
13、学家微积分权威书。在大学里得到当时最有名的数学家微积分权威 约翰约翰 伯努伯努 利（利（Johann Bernoulli）的精心指导。两年后，）的精心指导。两年后， 欧拉获得巴塞尔大学的学士学位，次年，欧拉又获得巴塞欧拉获得巴塞尔大学的学士学位，次年，欧拉又获得巴塞 尔大学的哲学硕士学位。尔大学的哲学硕士学位。1725年，欧拉年，欧拉 开始了他的科学研开始了他的科学研 究生涯。究生涯。 “研究欧拉的著作永远是了解数学的最好方法研究欧拉的著作永远是了解数学的最好方法 高斯高斯 “读欧拉原著：在任何意义上，他都是我们的大师”“读欧拉原著：在任何意义上，他都是我们的大师” 拉普拉斯拉普拉斯 被诺贝尔
14、物理奖获得者被诺贝尔物理奖获得者理查德理查德 费曼费曼称为“称为“最卓越的数学公式最卓越的数学公式” 高等数学中的经典著作 ： 无穷小分析引论 微分学原理 积分学原理 经典力学对哲学的贡献经典力学对哲学的贡献 绝对时空观：绝对时空观： 时空相互独立；时空相互独立； 空间处处均匀、静止；空间处处均匀、静止； 时间流逝绝对恒速！时间流逝绝对恒速！ 决定论因果律：决定论因果律： 因果一一对应，因果一一对应， 因果关系不可倒置！因果关系不可倒置！ 伽利略科学方法论伽利略科学方法论 科学研究方法：抽象研究方法，抓主要矛科学研究方法：抽象研究方法，抓主要矛 盾盾, 略次要矛盾，把物理对象从复杂运动略次要矛
15、盾，把物理对象从复杂运动 体系中孤立、片面、静止地提出来（形而体系中孤立、片面、静止地提出来（形而 上学）；上学）； 如：如： 质点、刚体、黑体、理想气体等物理概念质点、刚体、黑体、理想气体等物理概念 （模型（模型) 的提出的提出, 隔离法隔离法, 分离变量分离变量, 时间平均时间平均, n级近似解级近似解. . . . . 逐渐提炼出主要因素；逐渐提炼出主要因素； 逐渐逼近可重复的客观规律逐渐逼近可重复的客观规律! 伽利略科学研究方法把“抽象伽利略科学研究方法把“抽象-形而上学”和“归纳推理”形而上学”和“归纳推理” 的本征缺陷减小到极限的本征缺陷减小到极限! 伽利略科学方法论伽利略科学方法
16、论 局限性：局限性： “所谓归纳推理“所谓归纳推理, 如从过去太阳每天从如从过去太阳每天从 东方升起推出明东方升起推出明 天太阳仍将从东方升天太阳仍将从东方升, 其实那只不过是人们的一种心理其实那只不过是人们的一种心理 本能本能, 一种心理需要而已一种心理需要而已. - 休谟休谟(英国哲学家，英国哲学家，17111776) “从逻辑的观点看“从逻辑的观点看, 显然不能证明从单称陈述显然不能证明从单称陈述(不管它们不管它们 有多少有多少) 中推论出全称陈述是正确的中推论出全称陈述是正确的, 因为用这种方法因为用这种方法 得出的结论总是可以成为错误的”得出的结论总是可以成为错误的” - 波普尔（英
17、国哲学家，波普尔（英国哲学家， 19021994） Philip W. Anderson 局限性局限性： 将万事万物还原成简单的基 本规律的能力，并不蕴含着从这 些规律出发重建宇宙的能力 面对尺度与复杂性的双重困难， 重建论的假定就崩溃了。由基本 粒子构成的巨大的和复杂的集聚 体的行为并不能依据少数粒子的 性质作简单外推就能理解。正好 相反，在复杂性的每一个层次之 中会呈现全新的性质，而要理解 这些新行为所需要作的研究，就 其基础性而言，与其他研究相比 毫不逊色。 More is different 二二. 经典热力学经典热力学 (1) 温度概念确立温度概念确立 热质说热质说热质流动，热质守恒
18、热质流动，热质守恒 热动说热动说原子或分子运动快慢的标志原子或分子运动快慢的标志 例：例：一杯一杯“烫水烫水”，温度高，温度高 水分子运动快，动能大；水分子运动快，动能大； 反之则运动慢。反之则运动慢。 例：例：“烫烫”、“痛痛”、“热辐射热辐射”等的区别？等的区别？ 能量守恒能量守恒 (2)热量：热量：一种能量，它以原子（分子）动能形式储存在物一种能量，它以原子（分子）动能形式储存在物 体中。体中。 (3)热功当量：热功当量：1卡卡=4.186焦耳焦耳 (4)热力学第一定律热力学第一定律能量守恒的一种形式能量守恒的一种形式 热机热机 - 利用热量消耗而做功的动力源利用热量消耗而做功的动力源
19、如蒸汽机、汽油机、柴油机、温差电源等均是热机。如蒸汽机、汽油机、柴油机、温差电源等均是热机。 动物动物(人类人类)也是一种热机，他们需要不断进食碳水化合物也是一种热机，他们需要不断进食碳水化合物, 经过和空气中的氧气化合而产生热量，从而提供生命得以维经过和空气中的氧气化合而产生热量，从而提供生命得以维 持的能量。持的能量。 热力学第一定律热力学第一定律能量守恒能量守恒 卡诺定理：卡诺定理：一切热机的最高极限效率为： 即： 温差越大，效率越高，但不可能达到1； 温差 0， 0，热机无法在无温差时做功。 (i) Q1=Q2=0,A0: 第一类永动机（第一类永动机（违反能量守恒定律） (ii) Q1
20、=A,Q2=0: 第二类永动机第二类永动机（不违反能量守恒定律） 永动机之谜永动机之谜 热力学第二定律：热力学第二定律： “热量不会从低温物体自动传向高温物体，除非对它做功”“热量不会从低温物体自动传向高温物体，除非对它做功” 当两杯水接触后，达到平衡温度当两杯水接触后，达到平衡温度T，且，且T1TT2 环境污染：气体和液体污染物的扩散是自动的环境污染：气体和液体污染物的扩散是自动的, 而回收则需要大量能量而回收则需要大量能量! 矿石的形成：这是一个从无序到有序的过程，矿石的形成：这是一个从无序到有序的过程， 需要太阳或地热做大量的功！而且需要亿年以上需要太阳或地热做大量的功！而且需要亿年以上
21、 的漫长岁月的漫长岁月! (6)热寂说的终结 据第二定律，热量永远会自动从高温物体流向低温物体， 最终宇宙必将处处温度相等，进入死亡热寂状态。 错误原因： 第二定律是在很有限的时空尺度中得到的， 不能推广至 整个宇宙。宇宙中还有无数的未知：自组织结构，黑洞、 类星体等宇宙奇点存在,. 三三. 经典电磁学经典电磁学 经典电磁学建立经典电磁学建立 代表人物：代表人物：法拉第，麦克斯韦等法拉第，麦克斯韦等 发电机，电动机发电机，电动机 人类文明进入人类文明进入-电气化电气化- 自动化时代自动化时代 （电报，电视）（电报，电视） 1831年法拉第发现电磁感应现象年法拉第发现电磁感应现象) (1)静止电
22、荷周围存在静电场静止电荷周围存在静电场E；电场对电荷有力的作用；电场对电荷有力的作用,同性相斥，同性相斥， 异性相吸。异性相吸。 (2)运动电荷运动电荷 电流电流 电流周围形成磁场电流周围形成磁场 直流电流直流电流 稳恒磁场稳恒磁场 (4)闭合导线切割磁力线闭合导线切割磁力线 电流电流 线圈线圈 (3)磁场对电流（载体）有力的作用磁场对电流（载体）有力的作用 通电导线 磁场 力 (5)交变电流交变电流-电磁波电磁波 电流方向随时间改变电流方向随时间改变 交变电流（电荷作加速运动） 向四周辐射交变电磁波电磁波 （6）麦克斯韦方程及电磁波的预言）麦克斯韦方程及电磁波的预言 上式中的上式中的 即为麦
23、克斯韦的位移电流假说。这一天才之举使得本来相互即为麦克斯韦的位移电流假说。这一天才之举使得本来相互 独立的四个方程紧紧地联系在了一起，形成了可解决一切经独立的四个方程紧紧地联系在了一起，形成了可解决一切经 典电磁场运动规律的、犹如诗歌一样的麦克斯韦方程组典电磁场运动规律的、犹如诗歌一样的麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组预测电磁波麦克斯韦方程组预测电磁波: 赫兹实验第一次证明了麦克斯韦方程组的预言赫兹实验第一次证明了麦克斯韦方程组的预言, 证明了电磁波的存在证明了电磁波的存在! 科学启示：科学启示： “一个具有真理意义的科学理论不但要能够解释已有的实验事实，而“一个具有真理意义的科学理论不但要能够
24、解释已有的实验事实，而 且要能够预言尚未发现的实验现象，并能被进一步的实验所证实”且要能够预言尚未发现的实验现象，并能被进一步的实验所证实” 赫兹实验证明电磁波赫兹实验证明电磁波 电磁波谱电磁波谱 太赫兹太赫兹 经典电磁场理论的诞生是物理学的一次伟大革命经典电磁场理论的诞生是物理学的一次伟大革命,人类文明人类文明 的历史在这里被划上了一道清晰的分界线。的历史在这里被划上了一道清晰的分界线。 电磁波的发现使人类的视野和遥控范围穿透了高山电磁波的发现使人类的视野和遥控范围穿透了高山,跨过了跨过了 大海大海,跃出了大气层跃出了大气层,冲出了太阳系冲出了太阳系,逐渐延伸至茫茫的宇宙深逐渐延伸至茫茫的宇
25、宙深 处。处。 五五. 量子理论及相对论量子理论及相对论 近代物理学诞生近代物理学诞生 量子理论量子理论 代表人物：代表人物：普朗克，玻尔，薛定谔，海森堡，狄拉克等普朗克，玻尔，薛定谔，海森堡，狄拉克等 量子理论导致微电子量子理论导致微电子 器件，集成电路等发器件，集成电路等发 明，人类进入了微电明，人类进入了微电 子及信息化时代。子及信息化时代。 1900年普朗克提出年普朗克提出量子”概念解释黑体辐射；玻尔发表量子”概念解释黑体辐射；玻尔发表 氢原子量子论，薛定谔建立量子波动力学，海森堡建立量氢原子量子论，薛定谔建立量子波动力学，海森堡建立量 子矩阵力学，狄拉克建立相对论量子波动力学。子矩阵
26、力学，狄拉克建立相对论量子波动力学。 1919世纪末物理学面临矛盾世纪末物理学面临矛盾 光速与地球运动无关光速与地球运动无关，形成电动力学与牛顿，形成电动力学与牛顿 力学的矛盾力学的矛盾 电动力学观点：电动力学观点：带电粒子（电子）构成原子，带电粒子（电子）构成原子， 电子圆周运动（加速），必然不稳定。电子圆周运动（加速），必然不稳定。 原子光谱原子光谱有分立的线谱有分立的线谱 发现核放射性（发现核放射性（1896），镭衰变为钋），镭衰变为钋 （1898），原子不再是不可破坏的最小稳定），原子不再是不可破坏的最小稳定 结构。结构。 18951895年年, , 伦琴发现伦琴发现X X射线射线.
27、. ( (伦琴伦琴, W. C. , W. C. Rontgen, 1845Rontgen, 1845- -1923, 1923, 德国物理学家德国物理学家, , 19011901年获首届诺贝尔物理学奖年获首届诺贝尔物理学奖) ) 18961896年年, , 贝克勒尔发现放射性贝克勒尔发现放射性. (. (贝克勒尔贝克勒尔, , H. A. Becquerel, 1852H. A. Becquerel, 1852- -1908, 1908, 法国物理法国物理 学家学家, 1903, 1903年同居里夫妇年同居里夫妇 一起一起 获诺贝尔获诺贝尔 奖奖.).) 18971897年年, , 汤姆生发
28、现电子汤姆生发现电子. (J. J. . (J. J. Thomson, 1856Thomson, 1856- -1940, 1940, 英国物理学家英国物理学家, , 19061906年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖.).) 19021902年年, , 勒纳德得到光电效应的基勒纳德得到光电效应的基 本规律本规律, , 发现光电子的最大速度与发现光电子的最大速度与 光强无关光强无关. . ( (勒纳德勒纳德, P. Lenard, , P. Lenard, 18621862- -1947, 1947, 德国物理学家德国物理学家, 1905, 1905年年 因对阴极射线的研究获诺贝尔物理因对阴极
29、射线的研究获诺贝尔物理 奖奖) ) 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 电子作加速运动 ! 原子不可能稳定 ? 19131913 玻尔在原子模型中玻尔在原子模型中 引入引入定态定态和和量子化量子化 条件条件，电子在原子，电子在原子 中运动的轨道必须中运动的轨道必须 满足量子化条件，满足量子化条件， 解决了原子稳定性解决了原子稳定性 问题和线状光谱现问题和线状光谱现 象象 大连理工大学物理系 波尔理论的困难波尔理论的困难 Bohr理论理论的功绩的功绩 量子定态得到实验验证量子定态得到实验验证 成功解释了氢光谱之谜成功解释了氢光谱之谜 理论上计算出理论上计算出Rydberg常量常量 解释预告了类氢离子的
30、光谱解释预告了类氢离子的光谱 说明特征说明特征X射线光谱射线光谱 部分阐明了元素周期表部分阐明了元素周期表 大连理工大学物理系 3-2 波粒二象性波粒二象性 1 经典物理中的波和粒子经典物理中的波和粒子 波和粒子为完全两种不同的能量传播方式波和粒子为完全两种不同的能量传播方式 粒子粒子：（理想）可以精确得到他的位置、动量、质量等：（理想）可以精确得到他的位置、动量、质量等 遵守遵守Newton运动定律运动定律 因果决定律因果决定律 波：波： 特征量特征量 波长、频率波长、频率 具有衍射、干涉性质具有衍射、干涉性质 理想的波可以精确测量波长、频率理想的波可以精确测量波长、频率 波粒二象性波粒二象
31、性 大连理工大学物理系 2 光的波粒二象性光的波粒二象性 光在传播时显示出波性，在转移能量时显示出粒子性。光在传播时显示出波性，在转移能量时显示出粒子性。 1905年年 Einstein光量子说光量子说 h p E E = h= h 标志波动性的标志波动性的 通过通过Planck常数与标志粒子性的常数与标志粒子性的 E,P联系起来联系起来 , v 大连理工大学物理系 de Broglie假设假设 波粒二象性波粒二象性 “任何物体伴随以波，而且不可能将物体的任何物体伴随以波，而且不可能将物体的 运动和波的传播分开运动和波的传播分开” h p de Broglie关系式关系式 普朗克常数普朗克常数
32、h的物理意义：的物理意义： 它是量子化的量度，即它是不连续程度的最小量度单位；它是量子化的量度，即它是不连续程度的最小量度单位； 在物质的波性和粒子性之间起着桥梁作用；在量子化和在物质的波性和粒子性之间起着桥梁作用；在量子化和 波粒两象性这两个重要概念中都起着关键的作用。波粒两象性这两个重要概念中都起着关键的作用。 在任何表达式中，只要有普朗克常数在任何表达式中，只要有普朗克常数h出现，出现， 就意味这一表达式的量子力学特征。就意味这一表达式的量子力学特征。 2 Emc质能关系 大连理工大学物理系 G.P1928 Thomson实验（年） 数量级，将金属电场加速，其波长为从阴极逸出的电子，经
33、A 的为数量级，可以视为缝宽间距离为压成薄膜，由于晶格之 AA 得同心圆衍射图象。光栅，在照相底片上获 B K |U 阴极 薄金属箔 大连理工大学物理系 电子衍射实验电子衍射实验 多晶多晶 铝铝 箔箔 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象 汤姆逊（汤姆逊（1928） 3、约恩逊（、约恩逊（1960） 单缝衍射单缝衍射 双缝衍射双缝衍射 三缝衍射三缝衍射 四缝衍射四缝衍射 大连理工大学物理系 与粒子相联系的波称为物质波与粒子相联系的波称为物质波, ,或或 de de BroglieBroglie波波 要使电子稳定运动，电子绕核回转一圈的周长必须是要使电
34、子稳定运动，电子绕核回转一圈的周长必须是 与其相应的波长的整数倍，与其相应的波长的整数倍， vc1 1 22 h a m cmc 大连理工大学物理系 (2) (2) 波动性波动性 弥散性弥散性”“”“可叠加性可叠加性”“”“干涉干涉”“”“衍射衍射 射射”“”“偏振偏振” 具有频率和波矢具有频率和波矢 不是经典的波不是经典的波 不代表实在的物理量的波动不代表实在的物理量的波动 对波粒二象性的理解对波粒二象性的理解 (1) (1) 粒子性粒子性 原子性原子性”或或“整体性整体性” 不是经典的粒子不是经典的粒子, ,抛弃了抛弃了“轨道轨道”概概 念念 大连理工大学物理系 不确定关系（测不准关系）不
35、确定关系（测不准关系） 经典粒子：可以同时有 确定的位置、速度、动 量、能量 经典波：在空间扩展， 没有确定的位置 波粒二象性：不可能同 时具有确定的位置和动 量。 Werner Karl Heisenberg 19011976 1925年建立了量子理论第一年建立了量子理论第一 个数学描述个数学描述矩阵力学矩阵力学 1927年阐述了著名的不确定年阐述了著名的不确定 关系关系 大连理工大学物理系 一、位置与动量的不确定关系一、位置与动量的不确定关系( 1927 ( 1927 海森伯海森伯 ) ) q：坐标的不确定范围坐标的不确定范围 ：动量的不确定范围动量的不确定范围 x hxpq 大连理工大学
36、物理系 二、能量与时间的不确定关系二、能量与时间的不确定关系 htE t E 该体系处于该状态的能量的不确定范围该体系处于该状态的能量的不确定范围 t 为平均寿命为平均寿命 一体系处于某一状态的时间一体系处于某一状态的时间 若一粒子在能量状态若一粒子在能量状态E只能停留只能停留t t时间，那么，在这段时间内粒时间，那么，在这段时间内粒 子的能量状态并非完全确定，它有一个弥散子的能量状态并非完全确定，它有一个弥散 ；只有；只有 当粒子的停留时间为无限长时（稳态或定态），它的能量状态才当粒子的停留时间为无限长时（稳态或定态），它的能量状态才 完全确定完全确定 t E 2 0E 大连理工大学物理系
37、不确定关系是微观粒子不确定关系是微观粒子 波粒二象性的数学表达波粒二象性的数学表达 玻尔对波粒二象玻尔对波粒二象 性哲学上的概括性哲学上的概括 互补原理互补原理 互补原理互补原理 1、波与粒子是互斥的、波与粒子是互斥的 波性和粒子性绝不会在同一个测量中出现，波和粒子这两种经波性和粒子性绝不会在同一个测量中出现，波和粒子这两种经 典的概念在描述微观现象时是互斥的典的概念在描述微观现象时是互斥的 2、波与粒子是互补的或称并协的、波与粒子是互补的或称并协的 波性和粒子性不能同时存在，他们就不会在同一个实验中直接冲波性和粒子性不能同时存在，他们就不会在同一个实验中直接冲 突，但这两个概念在描述微观现象
38、和解释实验时又都是不可缺少突，但这两个概念在描述微观现象和解释实验时又都是不可缺少 的，企图抛弃哪一个都不行，在这种意义上他们是互补的！的，企图抛弃哪一个都不行，在这种意义上他们是互补的！ 玻尔说：一些经典概念的应用不可避免地将排除另一些经典概念的应用，而这玻尔说：一些经典概念的应用不可避免地将排除另一些经典概念的应用，而这 “另一些经典概念”在另一些条件下又是描述现象所不可缺少的。必须而且只需“另一些经典概念”在另一些条件下又是描述现象所不可缺少的。必须而且只需 将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成现象的详尽无遗将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成现象
39、的详尽无遗 的描述。的描述。 互补原理互补原理 大连理工大学物理系 波恩对波函数的几率解释波恩对波函数的几率解释 波恩指出：对应于空间的一个状态，就有波恩指出：对应于空间的一个状态，就有 一个由伴随这状态的徳布罗意波确定的几一个由伴随这状态的徳布罗意波确定的几 率。若电子对应的波函数在空间某点为零，率。若电子对应的波函数在空间某点为零， 这就意味着在这点发现电子的几率为零！这就意味着在这点发现电子的几率为零！ 几率解释是量子力学的基本原理之一，几率解释是量子力学的基本原理之一， 也可以说是一个基本假设！也可以说是一个基本假设！ 大连理工大学物理系 按照波恩的观点：按照波恩的观点： 波函数波函数
40、(x)是几率波振幅，简称几率幅；是几率波振幅，简称几率幅； 波函数的模方波函数的模方|(x)|2=*是几率密度是几率密度 (*代代 表复共轭表复共轭)； |(x)|2dx是粒子出现在是粒子出现在xx+dx间隔内的间隔内的 几率；几率； 粒子出现在粒子出现在x1 x2间隔内的几率是间隔内的几率是 大连理工大学物理系 Schr dinger方程 量子力学的最基本方程 薛定谔方程薛定谔方程 爱因斯坦诞生于德国乌尔姆，在瑞士接受中学和高爱因斯坦诞生于德国乌尔姆，在瑞士接受中学和高 等教育，是人类历史上继牛顿之后的最伟大的物理等教育，是人类历史上继牛顿之后的最伟大的物理 学家，近代物理学有三大支柱学家，
41、近代物理学有三大支柱： 狭义相对论（狭义相对论（1905） 广义相对论（广义相对论（1916） 旧量子论（旧量子论（1900-1925） 两个半主要来源于爱因斯坦的贡献两个半主要来源于爱因斯坦的贡献 爱因斯坦爱因斯坦-物理学大师物理学大师 世界物理年， 相对论改变了对宇宙的认识，是现代物理相对论改变了对宇宙的认识，是现代物理 学基础学基础 爱因斯坦爱因斯坦19051905年，年，5 5篇论文，三个内容，百年物篇论文，三个内容，百年物 理革命理革命 相对论和量子力学两大发现从根本上突破了古典物理学局限相对论和量子力学两大发现从根本上突破了古典物理学局限 光速不变原理：光速不变原理： 光在真空中的
42、传播速度，在所有参照系中均相同。光在真空中的传播速度，在所有参照系中均相同。 光在不同介质中的传播光在不同介质中的传播 速度是可以不一样的速度是可以不一样的 相对性原理：所有的物理规律在不同的惯性参照系中是一样的。相对性原理：所有的物理规律在不同的惯性参照系中是一样的。 乘坐的火车停在乘坐的火车停在 车站上时，有一车站上时，有一 列原停靠在相邻列原停靠在相邻 铁轨上的火车向铁轨上的火车向 后驶离车站，您后驶离车站，您 却觉得自己所乘却觉得自己所乘 坐的列车向前开坐的列车向前开 动了动了 现代物理学形成庞大的学科群现代物理学形成庞大的学科群 高能物理（粒子物理）高能物理（粒子物理） 原子核物理原
43、子核物理 等离子体物理等离子体物理 凝聚态物理凝聚态物理 原子分子物理原子分子物理 光物理光物理 声学声学 计算物理计算物理 理论物理理论物理 天文物理天文物理 其他分支学科其他分支学科 代科学技术代科学技术 微电子、微电子、 电子计算机，电子计算机， 激光激光、 光纤、光纤、 微光电子、微光电子、 核动力、核动力、 核分析、核分析、 医学图像、医学图像、 纳米技术等纳米技术等. LEP 27 公里公里, 200GeV正负电子对撞机正负电子对撞机 探索轻子：电子、夸克、探索轻子：电子、夸克、 物理研究的大科学工程项目物理研究的大科学工程项目-欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心 Google 大科
44、学研究工程项目大科学研究工程项目-X射线太空望远镜射线太空望远镜 大科学研究工程项目大科学研究工程项目-国际空间站国际空间站 人造人造“太阳太阳” 高温核聚变等离子体高温核聚变等离子体 托卡马克装置托卡马克装置 EAST装置装置 ITERITER- -国际热核聚变实验堆国际热核聚变实验堆 (International Thermonuclear Experimental Reactor， ITER)计划 大科学研究工程项目大科学研究工程项目-ITER 项目项目 核聚变研究中一个划时代的里程碑核聚变研究中一个划时代的里程碑ITERITER计划计划 （International Thermonuc
45、lear Experiment Reactor)International Thermonuclear Experiment Reactor) 其目的是要建造一个可自持燃烧的核聚变实验堆，其目的是要建造一个可自持燃烧的核聚变实验堆， 来验证聚变反应堆的工程可行性。来验证聚变反应堆的工程可行性。 20052005年年6 6月，确定将聚变反应堆建在月，确定将聚变反应堆建在法国南部的卡达拉什。法国南部的卡达拉什。 20062006年年1111月月2121日，正式签署国际合作协议，总耗资日，正式签署国际合作协议，总耗资4646亿欧元。亿欧元。 正式成员为：中国、欧盟、日本、美国、俄罗斯、印度、韩国等七
46、方。正式成员为：中国、欧盟、日本、美国、俄罗斯、印度、韩国等七方。 典雅玄妙的物理学方程典雅玄妙的物理学方程: 物理学的物理学的 BIG QUESTIONS： 质量起源？质量起源？ 夸克和轻子是有结构的吗？夸克和轻子是有结构的吗？ 暗物质，暗能量？暗物质，暗能量？ 真空的结构和对称性？真空的结构和对称性？ 量子力学是最终的理论吗？量子力学是最终的理论吗？ 宇宙和时空如何起源？是否存在多个宇宙？宇宙和时空如何起源？是否存在多个宇宙？ 宇宙的结构和命运是唯一决定的吗？宇宙的结构和命运是唯一决定的吗？ 生命起源的物理基础？生命起源的物理基础？ 谢谢！谢谢！ 天文物理学简介天文物理学简介 第四部分第四
47、部分 天文物理学简介天文物理学简介 恒星距离的测定 哈勃(Hubble)（18891953） 哈勃定律 Hubbleslaw 1929年，E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比， 即 v = H0 d v为退行速度，d为星系距离，H0为比例常数，称为哈勃 常数。这个关系称为哈勃定律，又称哈勃 效应。哈勃定律中， v以千米秒为单位，d以百万秒差距为单位，H的单位是千米 （秒 百万秒差距）。 哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全 空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全 一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心 向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。 哈勃定律 哈勃又得出重要的结论： 星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速 度越高。 这一结论意义深远，以为一直以来，天文学家都认为宇 宙是静止的，而现在发现宇宙是在膨胀的，并且更重要 的是，哈勃于1929年还发现宇宙膨胀的速率是一常数。 这个被称为哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比 值。后来经过其他天文学家的理论研
