物理學(xué)在高新技術(shù)材料中的應(yīng)用課件

1、 物理學(xué)在高新技術(shù)材料中的應(yīng)用 物理系 沙 健 教 授緒論，納米科技 緒論 沙 健納米材料 沙 健高溫超導(dǎo)體及應(yīng)用 方明虎材料的物理性質(zhì) 鮑世寧磁性材料 李海洋1、物理學(xué)的范疇，作用與意義, 何謂“高新技術(shù)材料”?2、物理學(xué)與高新技術(shù)材料的關(guān)系3、物理學(xué)在未來(lái)高新技術(shù)材料發(fā)展中的地位和作用緒 論一、物理學(xué)的范疇, 作用與意義, 何謂“高新技術(shù)材料”? * 物理學(xué)的范疇:物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)研究的是自然界中最基本最普遍的規(guī)律。精確性 (定量科學(xué)) 普遍性 (基礎(chǔ)科學(xué)) 緒 論當(dāng)今物理學(xué)研究的兩個(gè)前沿領(lǐng)域：（1）高能物理最小的空間尺度探索基本粒子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。（2）天體物理最

2、大的空間尺度研究宇宙演化和起源。 兩者之間表面上看天差地別，實(shí)際上互相關(guān)聯(lián) 21世紀(jì)物理的突破點(diǎn) 宇宙起源: 大爆炸理論 ( The Big Bang )緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論緒 論物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律：尋求最簡(jiǎn)單的基本原理，解釋最普遍的客觀事實(shí)。隨著研究的深入而不斷綜合, 建立大統(tǒng)一理論， 尋找總開關(guān) 奧克姆準(zhǔn)則：越接近真理，基本定律就越簡(jiǎn)單！物理學(xué)的研究范圍與分類：（1）經(jīng)典物理學(xué)-力、熱、光和電磁學(xué) 研究對(duì)象：宏觀物體（大小 原子尺度） 低速運(yùn)動(dòng)物體（速度 光速）（2）近代物理學(xué)-相對(duì)論和量子力學(xué) 研究對(duì)象：原子及小于原子尺度的粒子 高速運(yùn)動(dòng)的物體（速度接近光速）緒 論*

3、 物理學(xué)的作用與意義: 物理學(xué)既是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科、又是帶頭學(xué)科（1）物理學(xué)與化學(xué)息息相關(guān)量子理論從本質(zhì)上說(shuō)明了元素性質(zhì)周期性變化的規(guī)律。量子化學(xué)使人們認(rèn)識(shí)了化學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。（2）物理學(xué)與生物學(xué)相互滲透物理學(xué)為生物學(xué)提供了理論概念和方法，如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，基因，耗散結(jié)構(gòu)理論。物理學(xué)為生物學(xué)提供了現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，如電子顯微鏡、核磁共振儀、原子力顯微鏡等。緒 論 ( 3) 物理學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)革命的先導(dǎo) 熱力學(xué)的建立推動(dòng)了蒸汽機(jī)實(shí)用技術(shù)的發(fā)展； 電磁學(xué)的建立使電氣時(shí)代到來(lái) 量子力學(xué)和相對(duì)論的建立，催生了核能技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、 激光技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)（）物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系：互相促進(jìn)、

4、共同發(fā)展 微積分、微分方程 力學(xué)、電磁學(xué) 非歐幾何(明可夫斯基空間、黎曼空間) 相對(duì)論 群論 對(duì)稱性研究 現(xiàn)代微分幾何 規(guī)范場(chǎng) ( 5 ) 物理學(xué)是哲學(xué)和方法論的基礎(chǔ) 物理學(xué)每個(gè)新的概念和規(guī)律的確立，都是人類認(rèn)識(shí)史上的一個(gè)飛躍. 牛頓劃時(shí)代的名著叫自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 、牛頓顆粒學(xué)說(shuō)和惠更斯波動(dòng)學(xué)說(shuō)發(fā)展為德布羅意關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性學(xué)說(shuō)、愛因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀、普朗克的量子概念等, 都成為當(dāng)代哲學(xué)的認(rèn)識(shí)論基礎(chǔ).緒 論* 何謂“高新技術(shù)材料”?高深和遠(yuǎn)離日常生活經(jīng)驗(yàn)時(shí)代性，社會(huì)性核技術(shù)(曼哈噸計(jì)劃)航天技術(shù)半導(dǎo)體微電子技術(shù)納米科技能源技術(shù) 生物技術(shù)等緒 論庫(kù)侖定律:(法國(guó)1785年)吉爾伯特 (英

5、國(guó),1544年), 發(fā)現(xiàn)琥珀等物體經(jīng)摩擦,會(huì)吸引紙片等細(xì)小物體, 創(chuàng)造了名詞: 電 electricity 迪費(fèi)（法國(guó),1734年）, 發(fā)現(xiàn)兩類性質(zhì)相反的“電”一類出現(xiàn)在玻璃、巖晶、寶石、獸毛、絨毛等物體上,另一類出現(xiàn)在琥珀、樹脂、絲、線、紙等物體上 緒 論二、 物理學(xué)與”高新技術(shù)材料”的關(guān)系以電磁現(xiàn)象的探索為例:法拉第(英國(guó),1831年), 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第定律：麥克斯韋(英國(guó),1864年), 集電磁現(xiàn)象研究之大成 - 電磁場(chǎng)理論 赫茲(德國(guó),1887年),用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波緒 論1832年,皮西克(法國(guó)), 第一臺(tái)手搖直流發(fā)電機(jī)1834年,雅可比(德國(guó)物理學(xué)家), 第一臺(tái)船用直流電動(dòng)

6、機(jī)1943-1910年,德波里(德國(guó)物理學(xué)家), 第一條57公里遠(yuǎn)距輸電線1878年后,愛迪生(美國(guó))發(fā)明了電燈,電影,電子管等幾百項(xiàng)電子產(chǎn)品 1844年,亨利、莫爾斯(美國(guó))發(fā)明了電報(bào); 1922年,貝爾(美國(guó))發(fā)明了電話 1894年,馬可尼(意大利)、波波夫(俄國(guó))幾乎同時(shí)發(fā)明了無(wú)線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)1925年,貝爾德(英國(guó)), 發(fā)明了第一臺(tái)電視機(jī)1945年,莫克來(lái)(美國(guó)), 制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)在物理學(xué)諸多成就問(wèn)世之后,電氣化時(shí)代到來(lái)催生了那個(gè)時(shí)代的高新技術(shù)高新技術(shù)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力極大發(fā)展,又為物理學(xué)的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)緒 論倫福德（1798年），從摩擦生熱發(fā)現(xiàn)熱質(zhì)說(shuō)的謬誤巴本（

7、法國(guó)1679年,蒸煮器）紐可門（英國(guó)1705年）,瓦特（英國(guó)1765年）發(fā)明帶冷凝器的蒸汽機(jī) 卡若（法國(guó)1824年）理想熱機(jī)，卡若定理推動(dòng)蒸汽機(jī)向高效和實(shí)用化方向發(fā)展對(duì)熱現(xiàn)象的研究始于溫度的測(cè)量伽利略第一支溫度計(jì)（空氣熱脹冷縮，且無(wú)刻度），華倫海（1714年，德國(guó)）水銀溫度計(jì)，鹽水冰點(diǎn)人體溫?cái)z爾修斯（1742年，瑞典物理學(xué)家），冰點(diǎn)沸點(diǎn)布克萊（1760年，蘇格蘭化學(xué)家），發(fā)現(xiàn)潛熱隨后，熱質(zhì)說(shuō)興起以熱現(xiàn)象的探索為例:緒 論邁爾（德國(guó)年），焦耳（英國(guó)年）熱力學(xué)第一定律電源R第一定律包含: （）內(nèi)能定義（） 熱量定義（）能量守恒第一類永動(dòng)機(jī)不可能意義：認(rèn)識(shí)了熱能這種新的能量形式 以及它與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)

8、換的規(guī)律緒 論開爾文（德國(guó)1849年），克勞修斯（德國(guó)1850年）熱力學(xué)第二定律 開爾文表述 循環(huán)熱機(jī)不可能只從單一熱源吸熱使之完全變成功而不引起其它變化 克勞修斯表述 熱量不會(huì)從低溫物體自動(dòng)傳向高溫物體而不引起其它變化第二類永動(dòng)機(jī)不可能意義: 指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性緒 論在物理學(xué)諸多成就問(wèn)世之后,機(jī)械化時(shí)代到來(lái)催生了那個(gè)時(shí)代的高新技術(shù)1769年,居紐(法國(guó)),第一輛蒸汽機(jī)汽車1796年,特里維西(英國(guó)),第一輛蒸汽機(jī)火車隨后, 英美法等國(guó)大興鐵路,使交通運(yùn)輸出現(xiàn)了翻天地復(fù)的變化1860年,勒努瓦(法國(guó)),第一臺(tái)煤氣內(nèi)燃機(jī)鉆井探油煉油等石油工業(yè)開始發(fā)展1880年,本茨(德

9、國(guó)),第一臺(tái)氣油點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)汽車汽車工業(yè)開始發(fā)展,隨后是現(xiàn)代造船業(yè),飛機(jī)制造業(yè)的興起緒 論量子理論的誕生相對(duì)論的誕生熱輻射實(shí)驗(yàn) 邁克爾遜 - 莫雷實(shí)驗(yàn)以近代物理學(xué)的出現(xiàn)為線索:1900年,物理學(xué) “燦爛天空中” 出現(xiàn)了兩朵小小的烏云緒 論頻率為 的諧振子只能取下列不連續(xù)能量：一個(gè)能量子的能量:熱輻射實(shí)驗(yàn)緒 論實(shí)物粒子的波動(dòng)性德布羅意(De.Broglie)假設(shè)：（1924年）一個(gè)能量為E、動(dòng)量為P的粒子，從波動(dòng)觀點(diǎn)看相當(dāng)于具有波長(zhǎng)為、頻率為的波，這種波稱為物質(zhì)波。A.Einstein的光量子理論解釋了光電效應(yīng)A.H.Compton的X射線射光量子效應(yīng)緒 論隨后,波爾,德布羅意,海森伯等, 建立了

10、量子力學(xué). 半導(dǎo)體物理, 激光物理, 核物理邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn) ( MichelsonMorly ) 所有慣性系在 力學(xué) 上等價(jià) 所有慣性系在 電磁學(xué) 上是否等價(jià) ?1862年 麥克斯韋( Maxwell )建立統(tǒng)一電磁場(chǎng)理論 光是電磁波 麥克斯韋方程組不滿足伽利略相對(duì)性原理。 電磁波在真空中的傳播速度 c ，相對(duì)于什么參考系?以太假說(shuō): 以太參考系 ( 絕對(duì)參考系 ) ( 以太 假想傳播電磁波的彈性介質(zhì),充滿整個(gè)空間)若存在光速差 干涉條紋將移動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 不存在條紋移動(dòng) ( 宣布實(shí)驗(yàn) “失敗”)緒 論1905年 愛因斯坦( A.Einstein ) 提出二條狹義相對(duì)論的基本假設(shè):(1) 光速不

11、變?cè)? 在所有慣性系中,真空中的光速都相同(c)(2) 相對(duì)性原理: 在所有慣性系中,一切物理定律的形式都相同緒 論* 同時(shí)的相對(duì)性, 時(shí)間間隔的相對(duì)性 (時(shí)間延緩) 人類探索遙遠(yuǎn)太空的可能性 長(zhǎng)度的相對(duì)性(長(zhǎng)度縮短) 質(zhì)能關(guān)系* 化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量虧損比例約為十億分之一到一千億 分之一。 核反應(yīng)的比例約為一千到一萬(wàn)分之一。 50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。* 引力大的地方時(shí)鐘走得慢 引力導(dǎo)致空間彎曲緒 論介子的壽命子在靜止參照系中的平均壽命為在大氣層上層產(chǎn)生的子, 速度0.998c。沒(méi)有相對(duì)論效應(yīng)，能運(yùn)動(dòng)的距離實(shí)際上介子可穿越上萬(wàn)米的大氣層到達(dá)地面。由狹義相對(duì)論，地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘每天慢大約7微秒。 GPS衛(wèi)星距離地面約2萬(wàn)千米。根據(jù)廣義相對(duì)