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1、物理学在高新技术材料中的应用 物理系 沙 健 教 授,绪论，纳米科技,绪论 沙 健纳米材料 沙 健高温超导体及应用 方明虎材料的物理性质 鲍世宁磁性材料 李海洋,1、物理学的范畴，作用与意义,何谓“高新技术材料”?2、物理学与高新技术材料的关系3、物理学在未来高新技术材料发展中的地位和作用,绪 论,一、物理学的范畴,作用与意义,何谓“高新技术材料”?*物理学的范畴:物理学是研究物质结构和运动规律的科学。物理学研究的是自然界中最基本最普遍的规律。精确性(定量科学)普遍性(基础科学),绪 论,当今物理学研究的两个前沿领域：（1）高能物理最小的空间尺度探索基本粒子和物质结构。（2）天体物理最大的空间
2、尺度研究宇宙演化和起源。两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联 21世纪物理的突破点 宇宙起源:大爆炸理论(The Big Bang),绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,绪 论,物理学的发展规律：寻求最简单的基本原理，解释最普遍的客观事实。随着研究的深入而不断综合,建立大统一理论，寻找总开关 奥克姆准则：越接近真理，基本定律就越简单！,物理学的研究范围与分类：（1）经典物理学-力、热、光和电磁学 研究对象：宏观物体（大小 原子尺度）低速运动物体（速度 光速）（2）近代物理学-相对论和量子力学 研究对象：原子及小于原子尺度的粒子 高速运动的物体（速度接近光速）,绪 论,*
3、物理学的作用与意义:物理学既是自然科学的基础学科、又是带头学科（1）物理学与化学息息相关量子理论从本质上说明了元素性质周期性变化的规律。量子化学使人们认识了化学现象的微观本质。（2）物理学与生物学相互渗透物理学为生物学提供了理论概念和方法，如DNA双螺旋结构，基因，耗散结构理论。物理学为生物学提供了现代化实验手段，如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。,绪 论,(3)物理学是现代技术革命的先导 热力学的建立推动了蒸汽机实用技术的发展；电磁学的建立使电气时代到来 量子力学和相对论的建立，催生了核能技术、超导技术、激光技术、信息技术、纳米技术等高新技术,（）物理与数学的关系：互相促进、共同发展
4、 微积分、微分方程 力学、电磁学 非欧几何(明可夫斯基空间、黎曼空间)相对论 群论 对称性研究 现代微分几何 规范场,(5)物理学是哲学和方法论的基础 物理学每个新的概念和规律的确立，都是人类认识史上的一个飞跃.牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理、牛顿颗粒学说和惠更斯波动学说发展为德布罗意关于物质的波粒二象性学说、爱因斯坦的相对论时空观、普朗克的量子概念等,都成为当代哲学的认识论基础.,绪 论,*何谓“高新技术材料”?,高深和远离日常生活经验时代性，社会性核技术(曼哈吨计划)航天技术半导体微电子技术纳米科技能源技术 生物技术等,绪 论,库仑定律:(法国1785年),吉尔伯特(英国,1544年
5、),发现琥珀等物体经摩擦,会吸引纸片等细小物体,创造了名词:电 electricity 迪费（法国,1734年）,发现两类性质相反的“电”一类出现在玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛等物体上,另一类出现在琥珀、树脂、丝、线、纸等物体上,绪 论,二、物理学与”高新技术材料”的关系,以电磁现象的探索为例:,法拉第(英国,1831年),发现电磁感应现象,法拉第定律：,麦克斯韦(英国,1864年),集电磁现象研究之大成-电磁场理论 赫兹(德国,1887年),用实验证实了电磁波,绪 论,1832年,皮西克(法国),第一台手摇直流发电机1834年,雅可比(德国物理学家),第一台船用直流电动机,1943-1910
6、年,德波里(德国物理学家),第一条57公里远距输电线,1878年后,爱迪生(美国)发明了电灯,电影,电子管等几百项电子产品,1844年,亨利、莫尔斯(美国)发明了电报;1922年,贝尔(美国)发明了电话 1894年,马可尼(意大利)、波波夫(俄国)几乎同时发明了无线电发射机和接收机,1925年,贝尔德(英国),发明了第一台电视机,1945年,莫克来(美国),制成了第一台电子计算机,在物理学诸多成就问世之后,电气化时代到来催生了那个时代的高新技术,高新技术推动社会生产力极大发展,又为物理学的深入研究奠定了坚实的物质基础,绪 论,伦福德（1798年），从摩擦生热发现热质说的谬误巴本（法国1679年
7、,蒸煮器）纽可门（英国1705年）,瓦特（英国1765年）发明带冷凝器的蒸汽机 卡若（法国1824年）理想热机，卡若定理推动蒸汽机向高效和实用化方向发展,对热现象的研究始于温度的测量伽利略第一支温度计（空气热胀冷缩，且无刻度），华伦海（1714年，德国）水银温度计，盐水冰点人体温摄尔修斯（1742年，瑞典物理学家），冰点沸点布克莱（1760年，苏格兰化学家），发现潜热随后，热质说兴起,以热现象的探索为例:,绪 论,迈尔（德国年），焦耳（英国年）热力学第一定律,第一定律包含:（）内能定义（）热量定义（）能量守恒第一类永动机不可能,意义：认识了热能这种新的能量形式 以及它与机械能相互转换的规律,绪
8、 论,开尔文（德国1849年），克劳修斯（德国1850年）热力学第二定律 开尔文表述 循环热机不可能只从单一热源吸热使之完全变成功而不引起其它变化 克劳修斯表述 热量不会从低温物体自动传向高温物体而不引起其它变化第二类永动机不可能意义:指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性,绪 论,在物理学诸多成就问世之后,机械化时代到来催生了那个时代的高新技术,1769年,居纽(法国),第一辆蒸汽机汽车,1796年,特里维西(英国),第一辆蒸汽机火车,随后,英美法等国大兴铁路,使交通运输出现了翻天地复的变化,1860年,勒努瓦(法国),第一台煤气内燃机,钻井探油炼油等石油工业开始发展1880年,本茨(
9、德国),第一台气油点火内燃机汽车汽车工业开始发展,随后是现代造船业,飞机制造业的兴起,绪 论,热辐射实验,迈克尔逊-莫雷实验,以近代物理学的出现为线索:,1900年,物理学“灿烂天空中”出现了两朵小小的乌云,绪 论,频率为 的谐振子只能取下列不连续能量：,一个能量子的能量:,热辐射实验,绪 论,实物粒子的波动性德布罗意(De.Broglie)假设：（1924年）,一个能量为E、动量为P的粒子，从波动观点看相当于具有波长为、频率为的波，这种波称为物质波。,A.Einstein的光量子理论解释了光电效应,的X射线射光量子效应,绪 论,随后,波尔,德布罗意,海森伯等,建立了量子力学.半导体物理,激光
10、物理,核物理,迈克耳逊莫雷实验(MichelsonMorly)所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价?,1862年 麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论 光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系?,以太假说:以太参考系(绝对参考系)(以太 假想传播电磁波的弹性介质,充满整个空间),若存在光速差 干涉条纹将移动实验结果 不存在条纹移动(宣布实验“失败”),绪 论,1905年 爱因斯坦(A.Einstein)提出二条狭义相对论的基本假设:(1)光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2)相对性原理
11、:在所有惯性系中,一切物理定律的形式都相同,绪 论,*同时的相对性,时间间隔的相对性(时间延缓)人类探索遥远太空的可能性,长度的相对性(长度缩短),质能关系,*化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿 分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。50克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。,*引力大的地方时钟走得慢 引力导致空间弯曲,绪 论,介子的寿命,子在静止参照系中的平均寿命为在大气层上层产生的子,速度0.998c。没有相对论效应，能运动的距离实际上介子可穿越上万米的大气层到达地面。,由狭义相对论，地球上看GPS卫星，它们携带的时钟每天慢大约7微秒。,GPS卫星距离地面约2万千米。根据广义相对论，地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲，从地球上看，GPS卫星上时钟每天快大约45微秒。,集成化电子线路 微型计算机超大规模集成化电子线路,1947年,肖克莱,巴丁,布拉坦根据半导体理论,发明了锗晶体管,在物理学诸多成就问世之后,高科技时代到来催生了当代的高新技术,核技术(曼哈吨计划)航天技术半导体微电子技术纳米科技能源技术 生物技术等,绪 论,
