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1、大学物理,第1页 共35页,同学们好！,大学物理,第2页 共35页,一、物质世界的空间尺度宇宙的42个台阶,宇宙学、粒子物理的奇妙衔接,第二章 物质世界的结构层次,大学物理,第3页 共35页,胀观: 1040m 1016亿光年,实物物质,微观： 10-7m, 原子、分子、基本粒子， 波粒二象性，服从统计规律。 量子力学描述。,宏观： 10-7 m，各种凝聚态，显示粒子性， 服从因果规律。牛顿力学描述。,渺观：10-35m,介观：性质上介于微观与宏观,宇观: 天体物理,大学物理,第4页 共35页,二、宇宙中物体的质量量级跨跃了约80个数量级,科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的微小粒子组成
2、的。,大学物理,第5页 共35页,三、物质世界的时间尺度,星系形成：50亿年,大学物理,第6页 共35页,大气形成:,大学物理,第7页 共35页,生物的进化,大学物理,第8页 共35页,共计跨越了42个数量级,大学物理,第9页 共35页,第一节 基本粒子及其相互作用,要点：三大家族、四种相互作用基本粒子特征：质量、电荷、自旋、寿命,基本粒子：人类迄今为止尚未 发现其内部结构的 “点”粒子，是一个 不断向更深层次转 移的动态概念。,标准模型：1964年 美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直 线加速器中心电子 核子撞击实验首次 验证，获当年诺贝尔物理奖。,大学物理,第10页 共35页,1.规范粒子：
3、 场粒子，传递相互作用的媒介,共13种。,一、基本粒子分类,分类：三大家族,大学物理,第11页 共35页,规范粒子,大学物理,第12页 共35页,2. 轻子： 不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种。,轻子必定以粒子反粒子对的形式产生或湮灭。 总的轻子数(轻子数减去反轻子数)在已知的一切过程中保持不变。,大学物理,第13页 共35页,反粒子的发现,1930年狄拉克预言其存在；1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。,1999年6月3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪(AMS)升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质(反碳核和反氦核)。,大学物理,第1
4、4页 共35页,中微子之谜,1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设： 1933年费米建立弱作用理论。 1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。 1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995年诺贝尔物理奖。 1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。 尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，中微子通信，探测星球内部信息 ）,大学物理,第15页 共35页,3.夸克: 组成参与强相互作用的强子，3代、6味、每味3色，共36种。,大学物理,第16页 共35页,1964年 盖尔曼：1974年 丁肇中：1977年 莱德曼：1995年 费米实验室：,特点：分数电荷 1
5、977年超导铌球实验 渐近自由 红外奴役 色禁闭（找不到自由夸克）,大学物理,第17页 共35页,强子(核子、介子)的夸克模型,大学物理,第18页 共35页,物质结构层次,物质存在的基本形式实物和场,大学物理,第19页 共35页,大学物理,第20页 共35页,2) 与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的； 如电磁场，引力场，核场等。3) 场也与实物一样具有质量、能量、动量和角动量；4) 与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守 恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律；5) 与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一 种形式转变为另一种形式。,“场”与实物的比较,共同点： 1) 都是
6、客观存在的, 不以人的意志为转移; 是可知的，能够为人们的意识所反映。,大学物理,第21页 共35页,联系 - 实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物可以相互转化。 现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。,区别：1) 实物质量密度大( 1000kg/m3), 场质量密度很小( 10-23kg/m3)，无静止质量；2) 实物不能达到光速，场则以光速传播；3) 实物受力产生加速度，场则不能被加速；4) 实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作参考系；场具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。,大学物理,第22页 共35页,粒子和场的相互关系,
7、1) 每种粒子都有相对应的场。 2) 某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直接的物理效应。 3) 场处于激发态时，表现为相应的粒子。 4) 当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。 5) 无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与其他的场相互作用。,大学物理,第23页 共35页,迄今为止，人类了解得最多的是电磁力，了解得最早但最少的是引力。,二、基本相互作用,1. 四种基本相互作用,大学物理,第24页 共35页,物理理论的发展趋向统一,2. 相互作用的统一理论,大学物理,第25页 共35页,第二节 物态及相变,气态，液态，液晶，固态，晶体，等离子态，“超”态，反物质态。,研究物质结
8、构：微观层次 粒子物理 宏观层次 凝聚态物理,大学物理,第26页 共35页,大学物理,第27页 共35页,大学物理,第28页 共35页,固态可分为晶态和非晶态,晶态 晶态的固体称为晶体，组成晶体的粒子在三维空间呈周期性、规则排列的长程有序状态。如金属、石英等。,大学物理,第29页 共35页,非晶态 又称为玻璃态，其粒子的排列呈近程有序、长程无序的状态。如玻璃、塑料、玛瑙等。,等离子态：正离子和电子组成的状态。 “超”态：超导、超流、金属氢态、中子态等。 反物质：理论依其对称性推测自然界必然存在反粒 子组成的反物质。 真空态：现代物理观点设想真空中可以不断地发生 正反粒子对的虚产生和湮没一种状态
9、。,大学物理,第30页 共35页,二、相和相变,1) 相指物质系统内成分相同、结构相同、性能相同的均匀部分，不同相之间有明确的分界面。,不同的物态肯定是不同的相，但同一物态却可能有几种相。如水的气相、液相、固相；铁晶体在固态下不同的温度时却有 铁、 铁、 铁三个不同的相。,大学物理,第31页 共35页,体积突变，并伴随热量的吸收或释放的相变。相应的热量叫潜热。(一级相变、结构相变),凡体积不变, 不伴随热量的吸收或释放的相变，只有某些物理量（如热容、热膨胀系数等）发生突变的相变。(二级相变、特性相变) 如无外磁场时导体正常态和超导态间的变化；磁介质在居里温度时的顺磁相和铁磁相间的变化。,如熔化
10、和凝固，汽化和液化，升华和凝华，-Fe -Fe -Fe，等。,大学物理,第32页 共35页,例：1911年，昂纳斯实验发现在4.2K处, Hg从常导状态突变为超导态。4.2K称为临界温度。,大学物理,第33页 共35页,三、相图,状态参量：任何一个物质系统都可以用许多物理量从不同角度去描述，这些物理量叫做系统的状态参量。如温度、压强、体积、能量、熵、极化强度、磁化强度等。,大学物理,第34页 共35页,相图：以系统的状态参量为变量，建立坐标系，在坐标面上的点对应系统的状态，称为相点。面上的曲线对应系统的平衡过程。面上的区域对应系统的一个相。整个面称为相图。,一般物质的单元相图 pT相图,大学物理,第35页 共35页,水的相图 p T相图(左),
