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1、物理之美,时间：2015年07月24日,NASA发现另一个“地球”美国宇航局(NASA)表示北京时间今晚12点将发布开普勒太空望远镜的一项新发现，并暗示这将是一个重大消息：天文学家可能发现了人类几千年来梦寐以求的“另一颗地球”。,物理之美物理前沿,新视野号再飞16亿公里：2019年抵达下一目标,7月14日，新视野号飞船历史性飞越冥王星和冥卫一。目前，飞船正在快速飞离冥王星、进入柯依伯带中心地带。8月29日，美国宇航局今天公布了这艘飞船的下一个目的地：编号为2014 MU69的柯依伯带天体。2014 MU69的昵称是PT1，即潜在目标一号的英文缩写，运行在冥王星以远16亿千米的轨道上。,物理前沿
2、,新视野号总投资7亿美元，是美国宇航局的小型太阳系探测任务。该项目由马歇尔太空飞行中心总体负责，约翰霍普金斯大学应用物理实验室负责飞船的设计、建造和任务运行，西南研究院负责科学探测任务规划和科学仪器操作。新视野号安装了一个反应堆，携带了10.9公斤二氧化钚，通过放射性燃料衰变发电，提供给飞船上的各种仪器使用。新视野号携带的常规燃料只有66公斤，通过常规燃料点火给飞船提供动力，改变飞行轨道。这66公斤燃料就像一个液化气罐，每点火一次，燃料就变少一点。因此，新视野号下一个探测目标只能在原先的飞行轨迹附近选择，不能偏离原轨迹太远，否则它携带的燃料不足以进行轨道调整。设计时，飞船携带了飞越柯依伯带其他
3、天体所需的肼燃料，通信系统的设计可以满足比冥王星更遥远天体的探测，飞船上相机和光谱仪都可以在比2014 MU69更暗弱的光照水平下成像。新视野号的心脏放射性同位素温差电池，至少可以保证新视野号正常工作到2030年。,物理前沿,中国科大:高维固态量子存储器研制成功,日前，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室李传锋研究组在固态系统中首次实现对三维量子纠缠态的量子存储，保真度高达99.1%，存储带宽达1千兆赫，存储效率为20%，而且该存储器具有对高达51维的量子态的存储能力。该成果发表于物理评论快报。李传锋表示，高维轨道角动量存储技术可用于存储器的多模式存储，以提升量子网络的传输速率及未来量子U
4、盘的存储容量。利用多模式存储，这种新颖的量子存储器的存储容量有望超过100万量子比特。本成果为固态量子存储器的集成化、规模化应用打下重要基础。,物理前沿,英国科学家研发量子电池：可实现快速充电,时间：2015年08月05日据国外媒体报道，当前的充电技术还无法实现持久的续航力，以智能手机为例，充一次电需要数个小时，经过一天使用后，手机就需要再次充电。为了让充电更加便捷、快速，一种新型充电技术已经开始研发，这就是量子电池。量子充电技术利用了了多个量子比特之间的纠缠特性，理论上可以实现更快的充电。纠缠态处于不带电荷和带电荷的状态中，能够满足用电器快速充电的要求。,物理前沿,E=MC2,一个重核分裂成
5、两个中等质量的核时，会释放能量。,物理前沿,某些轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量。能否建成核聚变电站？,物理前沿,物理前沿,10,“牛顿啊，请原谅我，你所发现的道路，在你所在的那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路。你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地了解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。”爱因斯坦在纪念牛顿诞生300周年 纪念会上的讲话,人文之美,11,爱因斯坦反传统的叛逆者,简单生平出生在德国南部一电器作坊小业主家庭16岁开始思考：“什么是时间？空间？若追光将如何？”等问题,人文之
6、美,12,1905.6 论动体的电动力学狭义相对论1905.9 导出E=mc；1917提出广义相对论1919 在巴西、西非的日食观测验证他的引力曲光的假设（名声大噪）1921 获诺贝尔物理奖（二游上海）,人文之美,阿基米德,托勒密,开普勒,伽利略,牛顿,惠更斯,麦克斯韦,爱因斯坦,霍金,人文之美,十大最美的物理实验,实验之美,1.托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验（1960年）2.伽利略的自由落体实验（16世纪末）3.罗伯特密立根的油滴实验（1907-1913年）4.牛顿的棱镜分解太阳光（1666年）5.托马斯杨的光干涉实验（1830年）6.卡文迪许的扭矩实验（1798年）7.埃拉托色尼测量
7、地球圆周长（公元前3世纪）8.伽利略的加速度实验（16世纪末）9.卢瑟福发现核子实验（1911年）10.米歇尔傅科钟摆实验（1851年）,伽利略(Galileo，1564-1642)，意大利物理学家、天文学家、哲学家，近代实验科学的先驱者。被誉为是“经典物理学的奠基人”。,1.伽利略的自由落体实验（排名第二）,实验之美,亚里士多德,亚里士多德，古代先哲，古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他是柏拉图的学生，亚历山大（古代马其顿国王）的老师。一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献。他的写作涉及伦理学、形而上学、心理学、经济学、神学、政治学
8、、修辞学、自然科学、教育学、诗歌、风俗，以及雅典法律。吾爱吾师，吾更爱真理。,在物理学的力学上，亚里士多德的成就也不少，但最常被提到的，却是他所犯的错误。,“物体下落的速度和重量成正比。”即重的物体下落的快。,亚里士多德的说法统治人们思想长达2000多年，直到16世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快。,伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。【实验装置及原理】1590年的一天，在比萨斜塔上，他将一个重10磅，一个重1磅的铁球同时抛下，几乎同时落地。伽利略挑战亚里士多德的代价也许使他失去了工作，但他展示了自然界的本质，而不是人类的权威，科学做出了最后的裁决。,
9、1.伽利略的自由落体实验,实验之美,伽利略利用理想实验和科学推理巧妙地否定了亚里斯多德的自由落体运动理论。那么正确的自由落体运动规律应是怎样的呢?,2.伽利略的加速度实验（排名第八）,【实验装置及原理】伽利略做了一个6米多长、3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。,实验之美,“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确
10、度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”,铜壶漏滴（水钟）,实验之美,亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的；铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程与时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。,2.伽利略的加速度实验,物理实验,为惯性定律和自由落体定律的发现奠定了坚实的实验基础。把真实实验和理想实验相结合，把经验和理性(包括数学论证)相结合的方法，是伽利略对近代科学的重大贡献。,伽利略对
11、近代科学的贡献,伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。爱因斯坦,实验之美,Henry Cavendish（1731-1810）英国科学家，称量地球第一人。,3.卡文迪许扭矩实验（排名第六）,实验之美,万有引力定律牛顿的一大贡献，但是万有引力到底多大？18世纪末，英国科学家亨利卡文迪许决定对此进行测量。,3.卡文迪许扭矩实验,实验之美,【实验装置及原理】将两边系有小金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样；再将两个350磅重的铅球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制的仪器测量出微小的
12、转动，即可测出万有引力的大小，从而确定万有引力常数的数值。下图是卡文迪许使 用的装置图。,3.卡文迪许扭矩实验,实验之美,万有引力定律：,卡文迪许的计算结果是：地球重 5.961024 千克。,测量结果惊人的准确，他测出了万有引力常量的参数：,在此基础上卡文迪许计算了地球质量。,13万亿万亿磅。,实验之美,【重大发现】证明了万有引力的存在，精确测量了其大小，并用实验证明了万有引力常数确实是个恒量。【深远意义】不仅从实验上直接支持了牛顿的万有引力定律，使其成为更加完美的理论。而且为爱因斯坦创立广义相对论提供了试验前提。,3.卡文迪许扭矩实验,实验之美,亨利卡文迪许轶事（17311810),特别腼
13、腆，他跟任何人接触都会感到局促不安，连他的管家都要以书信的方式跟他交流。终生未婚，过着奇特的隐居生活。卡文迪许为了搞科学研究，把客厅改作实验室，在卧室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。他从祖上接受了大笔遗产，成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次，他的一个仆人因病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。1810年卡文迪许逝世后，他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里，谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时，这些充满了智慧和心血的笔
14、记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞，不由大惊失色，连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克斯韦决定搁下自己的一些研究课题，呕心沥血地整理这些手稿，使卡文迪许的光辉思想流传了下来。,实验之美,卡文迪许实验室,他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室，它最初是以 H.卡文迪许命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪许家族命名。该中心注重独立的、系统的、集团性的
15、开拓性实验和理论探索，其中关键性设备都提倡自制。这个实验室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献。近百年来卡文迪许实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。,实验之美,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,实验之美,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,实验之美,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,与卡文迪什实验室有密切关系的诺贝尔物理学奖,实验之美,4.罗伯特密立根的油滴实验（排名第三）,罗伯特安德鲁密立根(18681953)，美国实验物理学家，由于其在测定电子电荷以及光电效应的出色工作被授予1923年诺贝尔物理学奖。,实验之美,很
16、早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家JJ托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。1909年美国科学家罗伯特密立根开始测量电流的电荷。,4.罗伯特密立根的油滴实验,实验之美,【实验装置及原理】密立根用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。用一个电池分别与小盒子的顶部和底部连接，使之一边成为正电板，另一边成为负电板。当小油滴通过空气时，就会吸一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来控制。密立根不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动，当电场力与空气浮力的和等于重力时，即可测量出油滴所带电荷的值。
17、,4.罗伯特密立根的油滴实验,实验之美,【重大发现】经过反复实验，密立根得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。,4.罗伯特密立根的油滴实验,密立根在诺贝尔奖颁奖典礼上，表示他的计算值等于1.5924(17)x 1019库仑。到2006年为止，已知基本电荷值为1.60217653(14)x 1019库仑。,实验之美,【深远意义】不仅精确测量了电子所带电荷的大小，而且揭示了电荷的分立性。尤其是首次通过实验证实了物质世界的不连续性。,4.罗伯特密立根的油滴实验,实验之美,密立根当年用的实验装置，经过不断改进，现在的实验装置已经变得非常的小巧、易于操作了，但基本都是依照下面
18、的原理图制成的。,4.罗伯特密立根的油滴实验,实验之美,卢瑟福Rutherford（1871-1937）被公认为是二十世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献。他被称为近代原子核物理之父。,5.卢瑟福发现核子实验（排名第九）,实验之美,道尔顿：一切物质都是由不可再分的原子组成的，即原子的实心球模型。（1803年）1911年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”，即大量正电荷以糊状物质的状态聚集在原子内部，中间包含着电子微粒。（汤姆生，1897年）,5.卢瑟福发现核子实验,葡萄干布丁模型,实心球模型,实验之美,【实验装置及原理
19、】当向金箔发射带正电的(阿尔法)微粒时，将有少量被弹回。卢瑟福和他的助手对这一现象非常吃惊，因为用原子的“葡萄干布丁”结构模型无法解释该现象。,5.卢瑟福发现核子实验,卢瑟福说：这是我一生中碰到的最不可思议的事情。就好像你用一颗15英寸大炮去轰击一张纸而你竟被反弹回的炮弹击中一样。”,实验之美,【重大发现】证明了原子的“葡萄干布丁”结构模型是错误的，原子并不是团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做原子核，电子在它周围环绕。据此，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。【深远意义】揭示了原子的内部结构，以及物质的层次性。为原子物理学以及核物理学的发展奠定了坚实的实验基础。,原子的核式结构模
20、型,5.卢瑟福发现核子实验,实验之美,1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；1948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；1951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物理奖；1978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。,卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园,实验之美,货币上的科学家,你认识他们吗？,德谟克利特（约公元前460年-公元前370年），出现于希腊的100德拉克马的旧纸币
21、上。他是最早描述物质是由真空中不可分割的、运动的细小粒子（原子）而组成的古代哲学家之一。,货币上的科学家,哥白尼（1473-1543），出现于波兰1000兹罗提纸币上。他是第一位提出太阳系模型的富有思想的科学家，他认为太阳处于中心，行星在一定轨道围绕它运转，而不是由任何一种无形的晶状球体支撑。,货币上的科学家,伽利略（1564-1642），出现于意大利2000里拉纸币上。在某种意义上，他是第一位科学家。他在如何研究运动体方面做出了重大的发现。,货币上的科学家,里斯蒂安惠更斯（1629-1695），出现于已经不再流通的荷兰25盾纸币上。惠更斯与做出很多重要发现和发明的牛顿属同一时代。由于他自制的
22、望远镜得到了很大改进的缘故，他是第一个发现土星有土星环的人（高斯认为它是一个“三重行星”）。他做出了第一个可以极大提高时间测定的准确性的钟摆。他有关波的传播的描述是现代波动说的基础。,货币上的科学家,艾萨克牛顿（1643-1727），出现于英国1英镑纸币上。牛顿，可以说是历史上最伟大的物理学家。他的工作确立了探究这一科学风格的基本要素。他在运动学、光的本性、重力和物质的性质等方面做出了很多重要发现。（以下摘自历史：钞票上的英国）桌子上的是他手制的第一架反射式望远镜，现代大型光学天文望远镜的基础。背面左半部分的主要图案，是各种各样的椭圆万有引力支配下天体的运行轨道。,“假如我有一点微小成就的话，
23、没有其它秘诀，唯有勤奋而已。”,货币上的科学家,本杰名富兰克林（1706-1790），出现于美国100美圆纸币上。他是电学领域的先驱，率先提出了电荷守恒。,货币上的科学家,亚历桑德罗伏特（1745-1827），出现于意大利10，000里拉纸币上。他制造了第一个化学电池。,货币上的科学家,高斯（1777-1855），出现于德国10马克纸币上。除了在数学上的诸多贡献外，高斯在电磁学理论上还做出了重要的发现。,货币上的科学家,迈克尔法拉第（1791-1867），出现于英国20英镑纸币上。法拉第是电流和磁场性质以及两者之间关系的主要发现人之一。这个发现为电动机和发电机的使用奠定了基础。,货币上的科学家
24、,图为南斯拉夫解体前巨大的通货膨胀时期的面值100亿第纳尔的纸币,尼古拉特斯拉（1856-1943），出现于南斯拉夫的纸币上。特斯拉出生于克罗地亚，后移民到美国。他在电子科技的发展上做出了重要贡献。,货币上的科学家,皮埃尔居里与玛丽居里（玛丽：18671934；皮埃尔：18591906），出现于法国500法郎纸币上。（45K）他们引领了放射性元素的发现和分类，并因此共同获得1903年的诺贝尔奖。1911年，玛丽居里又因其在镭元素上的卓越贡献而荣获第二枚诺贝尔奖章。他们的女儿，艾琳约里奥居里也获得了一次诺贝尔奖。,货币上的科学家,欧内斯特卢瑟福（18711937），出现于新西兰100元纸币上。卢
25、瑟福和他的学生演示并解释了有助于人们了解原子结构的实验原子的质量大部分包含在一个很小的中心里（原子核），原子的大小取决于一些极轻的微粒电子。,货币上的科学家,阿尔伯特爱因斯坦（18791905），出现于以色列5磅的纸币上。作为21世纪最伟大的科学家，爱因斯坦不仅发现了狭义相对论（高速运动物质的性质）和广义相对论（引力作用论），还为量子论的初期做出了基础性的贡献。,A=X+Y+Z!A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！,货币上的科学家,尼克斯玻尔（18851962），出现于丹麦500克郎的纸币上。玻尔是我们了解物质属性基础的量子论的主要建立者之一。他创造了第一个原子的量子化模型
26、（玻尔模型），他在量子论的近代阐释中扮演着重要的角色。,货币上的科学家,埃尔温薛定谔（18871961），出现于奥地利1000先令纸币上。薛定谔是量子论的主要开创者之一，它解释了物质的性质由其组成成分电子和原子核决定。这个理论的提出使得现代电子学，包括晶体管和激光的发展成为可能。,货币上的科学家,马克尼（18741937），出现于2000意大利币上。他成功研制出第一部收音机。,货币上的科学家,杠杆轻撬，一个世界从此转动；王冠潜底，一条定理浮出水面。苹果落地，人类飞向太空；蝴蝶振羽，风云为之色变。三棱镜中折射出七色彩虹；大荒原上升腾起蘑菇烟尘。是什么揭示了世界的奥秘？是什么改变着我们的生活？是什么推动着人类文明的进步？是漆黑长夜的霓虹再现？还是几万里光纤电缆双手相牵？是排云而上的飞机？是响彻太空的东方红？还是铁轨上磁悬浮列车的呼啸？是物理学！正是物理学奠定了自然科学的基础，解释了我们的世界！,物理学照亮世界,
