物理學(xué)與高新技術(shù)講座-2015

1、1物理學(xué)知識與高新技術(shù)講座劉昌龍?zhí)旖虼髮W(xué)理學(xué)院目 錄1、引言2、物理學(xué)開展簡史3、物理學(xué)與能源科學(xué)4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射光源5、物理學(xué)與航天技術(shù)6、納米技術(shù)簡介1、引 言-研究物質(zhì)的根本結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運動形式和相互作用的自然科學(xué)，涵蓋力、熱、光、電、磁等性質(zhì)。 物理學(xué)空間尺度：原子、原子核、根本粒子、DNA長度、最小的細(xì)胞、太陽山哈勃半徑、星系團(tuán)、銀河系、恒星的距離、太陽系、超星系團(tuán)等。時間尺度：根本粒子壽命 10-25 s；宇宙壽命 1018 s。 微觀粒子Microscopic：質(zhì)子 10-15 m；介觀物質(zhì)mesoscopic；宏觀物質(zhì)macroscopic；宇觀物質(zhì)cosmologic

2、al 類星體 1026m。1、引 言-是指那些對一個國家或一個地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事等各方面的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并能形成產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)技術(shù)群。 高新技術(shù)高新技術(shù)包括六大技術(shù)領(lǐng)域：(一)、信息技術(shù) 信息的獲取、傳遞、處理等技術(shù)。信息技術(shù)以電子技術(shù)為根底，包括通信技術(shù)、自動化技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、光導(dǎo)技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)等。 當(dāng)前信息技術(shù)主要表現(xiàn)在：(1) 集成電路；( 2) 電子計算機；(3)軟件技術(shù)；(4) 通信技術(shù)；(5) 激光技術(shù)。 (二)、生物技術(shù) 生物技術(shù)是以生命科學(xué)為根底，利用生物體和工程原理等生產(chǎn)制品的綜合性技術(shù)，包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、微生物工程四個領(lǐng)域。

3、生物技術(shù)是21世紀(jì)技術(shù)的核心。它有兩個標(biāo)志性技術(shù)：基因工程和蛋白質(zhì)工程。(三)、新材料技術(shù) 新材料技術(shù)是高新技術(shù)的物質(zhì)根底，包括對超導(dǎo)材料、高溫材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶態(tài)材料、單晶材料等的開發(fā)和利用。它有兩個標(biāo)志：一個是材料設(shè)計或分子設(shè)計，即根據(jù)需要來設(shè)計新材料；另一個是超導(dǎo)技術(shù)。 1、引 言四、新能源技術(shù)領(lǐng)域 現(xiàn)代的新能源技術(shù)可劃分為新能源技術(shù)和可再生能源技術(shù)，包括核能、太陽能、水能、地?zé)崮艿?。核能技術(shù)與太陽能技術(shù)是新能源技術(shù)的主要標(biāo)志。 五、空間技術(shù)領(lǐng)域 空間技術(shù)即新型高科技航天技術(shù)，是探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外的天體的綜合性工程技術(shù)，包括對大型運載火箭、巨型衛(wèi)星、宇宙飛船

4、等空間軍事技術(shù)的研究與開發(fā)。六、海洋技術(shù) 海洋技術(shù)是21世紀(jì)技術(shù)的內(nèi)向拓展，其標(biāo)志技術(shù)是深海挖掘和海水淡化。 1、引 言2、物理學(xué)開展簡史 古代文明中國-四大創(chuàng)造、戰(zhàn)國時?墨經(jīng)?涉及到時間、空間、運動和慣性等，如：“ 力，形之所以奮也： “端具有非半性質(zhì) -原子說 ?考工記?、沈括?夢溪筆談?、宋應(yīng)星?開工天物?：涉及力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)知識。遺憾： 僅是觀察分析，無系統(tǒng)化、定量化、未開展出分門別類的近代科學(xué)。2、物理學(xué)開展簡史古希臘文明 德謨克利特原子論：不可分割(atom) 歐幾里得-幾何學(xué) 亞里斯多德-?物理學(xué)?Physics一詞的最早來源 錯誤：“運動靠力來維持、“在地球上重物比

5、輕物落得快。 阿基米德-浮力定律、杠桿、簡單機械。古代阿拉伯阿拉伯?dāng)?shù)字、印度十進(jìn)制等歐洲中世紀(jì)科學(xué)被作為神學(xué)的奴婢而喪失了獨立性2、物理學(xué)開展簡史經(jīng)典物理學(xué)的產(chǎn)生和開展歐洲文藝復(fù)興+天文學(xué)的突破+經(jīng)典力學(xué)尼古拉-格列布斯(1401-1464)：宇宙一切處在運動中，沒有 固定的中心。尼古拉-哥白尼(1473-1543)： “日心說、?天體運行論?。萊昂納多-達(dá)芬奇(1452-1519)：實驗是認(rèn)識的來源、“科學(xué)是 統(tǒng)帥，實踐是士兵、彈道曲線、飛行器。布魯諾(1548-1600)：進(jìn)一步開展“日心說，宇宙中有無數(shù) 個世界。行星作橢圓軌道運動，太陽位于橢圓的一個焦點上太陽到行星的矢徑在相同的時間掃過

6、相同的面積行星繞日的周期的平方與它繞日的橢圓軌道的半長軸R的立方成正比：T2/R3=C開普勒(1571-1630)：星球之間的總聯(lián)系，開普勒行星運動 三定律。伽利略(1564-1642)：伽利略相對性原理、慣性系、伽利略 變換、自由落體運動、慣性定律。(比 薩斜塔實驗)Mere think (單純的思考) Intelligent question (聰明的提問 )2、物理學(xué)開展簡史2、物理學(xué)開展簡史培根(1561-1626)：知識就是力量，歸納、分析、比較、觀察 和實驗的理性方法-新的科學(xué)觀和思想 方法。牛頓(1642-1727)：完成創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)、?自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原 理? (45歲)-八個定

7、義、萬有引力定 律、“天上人間的和諧統(tǒng)一、微積分。笛卡爾(1596-1650)：運動量守恒、明確提出慣性定律?；莞?1529-1695)：光的波動學(xué)說、活力(動能)守恒。航天技術(shù)的開展！2、物理學(xué)開展簡史如果說我比其他人看得遠(yuǎn)一點的話，那是因為我站在巨人的肩膀上。我不知道世人將如何看待我，但是在我看來，我不過是海濱玩耍的孩子，為時而發(fā)現(xiàn)一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼而感到快樂，但那浩瀚的真理之海洋，卻還在我的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢。2、物理學(xué)開展簡史 電磁學(xué)和熱(力)學(xué)的開展十九世紀(jì)吉伯(1544-1603)：摩擦生電富蘭克林(1706-1790)：運用風(fēng)箏將“天電引入實驗室卡文迪許(1731-1

8、810)：實驗上證明靜電力與距離的平方成反比庫侖(1736-1806)：建立的靜電的庫侖定律伏打(1745-1827)：創(chuàng)造電池、電學(xué)研究進(jìn)入動電階段歐姆(1784-1854)：電路的歐姆定律奧斯特(1777-1851)：電流的磁效應(yīng)，電與磁的結(jié)合安培(1775-1836)：電流之間相互作用的安培定律法拉第(1791-1867)：確立了電磁感應(yīng)定律麥克斯韋(1831-1879)：將法拉第思想開展成完整的電磁場 理論，建立了微分形式的“麥克斯 韋方程組，預(yù)言了電磁波存在- -導(dǎo)致無線電通信創(chuàng)造該領(lǐng)域?qū)嶒灪屠碚撻_展-能源、通信等 的根底！2、物理學(xué)開展簡史 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的建立和開展2、物理學(xué)開

9、展簡史 十八至十九世紀(jì)隨著熱能的開發(fā)利用，使得熱學(xué)得到了充分的開展：1850年左右-根本確立了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律；1851年-建立了熱力學(xué)第二定律；1901年-確立了熱力學(xué)第三定律-絕對零度不可能到達(dá)十九世紀(jì)末-經(jīng)麥克斯韋、玻爾茲曼到吉布斯等努力 由分子運動論逐步開展到統(tǒng)計物理學(xué) -熱學(xué)與熱力學(xué)的微觀理論的完善該領(lǐng)域?qū)嶒灪屠碚撻_展-能源、工農(nóng)業(yè)的開展！蒸汽機-實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機械能(動力利用)歷史上第一臺蒸汽機是在1711年紐科曼(T. Newcomen)創(chuàng)造的，但熱能轉(zhuǎn)化為機械能的效率很低。1765年英國的瓦特(J. Watt)創(chuàng)造了別離冷凝器，大大地提高了熱機效率?？ㄖZ：熱機效率提高2、物理

10、學(xué)開展簡史2、物理學(xué)開展簡史瓦特創(chuàng)造的蒸汽機示意圖瓦特創(chuàng)造的蒸汽機實物到了19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)(力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)與熱力學(xué)和光學(xué))看起來似乎很完善了。1900年開爾文元旦祝詞中說道： “在已經(jīng)根本建成的科學(xué)大廈中，后代物理學(xué)家們這要做一些零碎的修補工作就行了；但又說道： “在物理學(xué)晴朗的天空遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云； -熱輻射實驗，及紫外災(zāi)難 -邁克爾孫-莫雷實驗導(dǎo)致了量子理論、相對論!-近代物理2、物理學(xué)開展簡史 20世紀(jì)與物理學(xué)有關(guān)的科技上重大創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)1895：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線1905：愛因斯坦相對論和光 的量子論1896：貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性1911：盧瑟福-原子核，昂內(nèi)

11、 斯-超導(dǎo)1897：J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子1913：玻爾建立原子模型1898：居里夫人提煉出釙 和鐳1915：愛因斯坦建立廣義相 對論1900：普朗克，量子力學(xué) 誕生1925-26：海森堡，薛定諤- 量子力學(xué)1901：馬可尼發(fā)明無線電1932：查特威克發(fā)現(xiàn)中子2、物理學(xué)開展簡史續(xù)表-1939：哈恩、斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)裂變1961：加加林，載人飛船上上天1942：費米建立第一個核反應(yīng)堆1969：阿姆斯特朗等登上月球1945：奧本海默等，原子彈爆炸1970：光纖通訊逐漸實用化1947：肖克萊等，發(fā)明晶體管1972-78：研制出大規(guī)模集成電 路計算機1947-55：從電子管計算機到晶體 管計算機1978

12、以后：計算機大量普及1957：前蘇聯(lián)，人造衛(wèi)星上天1986：貝特諾茲，繆勒等發(fā)現(xiàn) 高溫超導(dǎo)現(xiàn)象1958-60：湯斯、肖諾、梅曼發(fā)現(xiàn) 激光2、物理學(xué)開展簡史2、物理學(xué)開展簡史1900年：提出能量子，標(biāo)志量子力學(xué)誕生普朗克1905年：愛因斯坦建立狹義相對論；1911年：盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核；1913年：玻爾建立量子論；1925-26：海森堡、薛定諤建立量子力學(xué)；1950年后：粒子物理的研究20世紀(jì)上半期：物理學(xué)研究天然存在的“物之“理；20世紀(jì)下半期：人工材料制備，如納米科學(xué)二十一世紀(jì)物理學(xué)的開展主要在： 真空理論、類星體能量之謎、暗物質(zhì)之謎、超對稱、粒子物理學(xué)、暗能量之謎、宇宙起源、物理學(xué)的統(tǒng)一、計

13、算物理學(xué)、高溫超導(dǎo)體、生物學(xué)、基因組學(xué)、廣義相對論、量子力學(xué)、恒星和行星的形成等。2、物理學(xué)開展簡史十九世紀(jì)：化學(xué)家在實驗室制成了一系列的化合物，促進(jìn) 了化學(xué)工業(yè)的開展，可以說19世紀(jì)是化學(xué)世紀(jì)。二十世紀(jì)：相對論和量子力學(xué)的建立標(biāo)志現(xiàn)代物理的誕 生，物理學(xué)不僅深入探討物質(zhì)本質(zhì)，而且促進(jìn) 了技術(shù)的飛速開展，電視、激光、電腦、原子 能、航天技術(shù)、信息產(chǎn)業(yè)均建立在物理學(xué)研究 成果之上，可以說二十世紀(jì)是物理學(xué)世紀(jì)。二十一世紀(jì)：生物學(xué)世紀(jì)？信息世紀(jì)？2、物理學(xué)開展簡史 能源的重要性人類生活和經(jīng)濟(jì)開展的根底，社會開展和進(jìn)步的動力。 能源科學(xué)的開展過程 向大自然索取能源 先進(jìn)能源技術(shù)的使用 新能源的不斷開發(fā)

14、圍繞能源的開發(fā)和利用，形成了一門綜合交叉特色學(xué)科能源科學(xué)。涉及物理、化學(xué)、材料、自動化、環(huán)境等3、物理學(xué)與能源科學(xué)火的使用18世紀(jì)初蒸汽機的創(chuàng)造和使用19世紀(jì)初電能的使用20世紀(jì)下半葉原子能的使用-核電站與物理學(xué)開展密切相關(guān)。物理學(xué)的開展為能源科學(xué)的開展和能源的利用提供了理論和實驗根底3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源重點研究化石能源高效潔凈利用與轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)根底，高性能熱功轉(zhuǎn)換及高效節(jié)能儲能中的關(guān)鍵科學(xué)問題，可再生能源規(guī)?；迷砗托峦緩?，電網(wǎng)平安穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行理論，大規(guī)模核能根本技術(shù)和氫能技術(shù)的科學(xué)根底等。 國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要能源可持續(xù)開展中的關(guān)鍵科學(xué)問題3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3

15、、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 能源的分類 來自地球外天 體的能量-海洋中的氘(D)、氚(T)等 聚變能資源 -風(fēng)能、水能、海洋能-太陽輻射能-化石能源(煤、石油、天然氣) 地球本身蘊藏 的能量-地?zé)崮?地殼中儲存的裂變?nèi)剂?鈾) 地球、月亮和太陽等天體相互作用而產(chǎn)生的能 量，如潮汐能等。 能源與環(huán)境氮氧化物(NO、NO2)； SO2 ； 懸浮顆粒物； CO； 碳?xì)浠衔?CH4、C2H6等) 污染來源于： 煤、石油等燃料的燃燒(70%以上)； 汽車等排出的廢氣； 工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣 能源的利用帶來地球環(huán)境的污染(大氣 和水資源) 在大氣中的主要污染物：舉例：-1噸普通煤：10kgSO2，8kg氮氧

16、化物， 11kg粉塵-1噸高硫石油： 50kgSO2，10kg氮氧化物3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 大氣污染對全球的危害： 臭氧層破壞；對人體、動植物會產(chǎn)生致命的傷害 酸雨問題； 溫室效應(yīng)；- SO2- 氮氧化合物與大氣中的水蒸氣作用- CO2的作用- 臭氧與NO、H、Cl等的反響3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源人口的極度膨脹(60億)；工業(yè)的飛速開展，導(dǎo)致能源消耗的快速增長；不可再生能源(化石能源、裂變能鈾)的有限性；目前世界能源消耗模式仍以化石能源為主； -專家預(yù)測：化石能源中石油、天然氣大概能維持三、四十年，煤炭維持一、二百年。能源危機日趨嚴(yán)重。 能源危機結(jié)論：必須開發(fā)和利用新的能源-氫能、太陽能、

17、核能等！3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源新能源例子干凈的氫能優(yōu)點： -熱值高汽油的3倍-易燃燒高功率-來源廣海水-燃燒污染少(水、少量氮的氫化物)難題： 氫的制備-電解水-電化學(xué)方法-如何利用太陽能制氫光化學(xué)分解法氫的儲存3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源太陽能 太陽是一個巨大的能源-太陽內(nèi)部不斷進(jìn)行的核聚變反響，外表溫度：6000K；中心溫度：107K。太陽能以輻射的形式傳播。其利用途徑主要有：光電轉(zhuǎn)換形式 利用太陽能電池可將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能電池目前一般采用半導(dǎo)體材料來制成。其物理根底：愛因斯坦提出光電效應(yīng)(諾貝爾物理獎)3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源光熱轉(zhuǎn)換形式 - 利用光與物

18、質(zhì)相互作用引起化學(xué)反響；光化學(xué)電池。- 仿生技術(shù)研究植物的光合作用。 如太陽能熱水器太陽能利用，還有： 人類已有建設(shè)空間太陽能電站的設(shè)想，即在地球靜止軌道建立太陽能電站，將能量轉(zhuǎn)換成微波定向發(fā)送到地球上加以利用-人造太陽。3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源原子能(核能的和平利用 十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，近代物理的出現(xiàn)和開展的必然-揭開近代物理的序幕的三大發(fā)現(xiàn)：X射線(倫琴，1895)、放射性(貝克勒爾，1896)和電子(湯姆遜，1897)的三大發(fā)現(xiàn)；-1905年，愛因斯坦提出狹義相對論及其著名的質(zhì)能關(guān)系表達(dá)公式：-1911-13年：盧瑟福背散射實驗研究揭示了原子的 有核模型；-1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中

19、子(原子核由中子和質(zhì)子構(gòu)成)3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源-中子與其它原子核碰撞實驗開始，如： 1934年，E. Fermi開始采用n轟擊各種元素靶； 1938年，約里奧居里夫人采用慢中子轟擊鈾鹽靶，別離出 了類“鑭(La)的放射性核素； 1939年，O. Hahn, F. Strassmann重復(fù)居里夫人的實驗，標(biāo) 志著核裂變現(xiàn)象的真正發(fā)現(xiàn)-慢中子轟擊鈾靶產(chǎn) 生兩塊質(zhì)量差不多的碎片； 1947年，錢三強和何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)了三裂變和 四裂變現(xiàn)象， 愛因斯坦的相對論及核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了原子核物理和核能應(yīng)用的新時代，這亦是人類未來新能源科學(xué)研究的開端 隨后，N. Bohr提出了采用液滴模型來解釋裂變。

20、3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 裂變鏈和裂變能釋放及分配-輕重碎片的動能 170 MeV-裂變中子的動能 5 MeV- 和的能量 15 MeV- 中微子的能量 10 MeV一次裂變平均放出個中子，釋放約200 MeV的能量，1kg235U裂變釋放能量2500噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒放出的熱能。問題是如何維持裂變反響的自持進(jìn)行？如何控制裂變反響的速率？自持-不必靠外界不斷地用中子轟擊鈾靶 而啟動一個“反響堆 鏈?zhǔn)椒错懙目赡苄约翱煽匦砸淮蜺裂變中產(chǎn)生平均個中子中(第一代中子)， - 后續(xù)U裂變的中子來源 中子增殖3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源瞬發(fā)中子-高溫碎片中在很短時間內(nèi)蒸發(fā)出來。 鏈?zhǔn)椒错懼兄?/p>

21、子增殖快，無法控制！緩發(fā)中子-處在激發(fā)態(tài)的裂變產(chǎn)物所放出的。 壽命長，鏈?zhǔn)椒错懹锌赡芸煽兀?鏈?zhǔn)椒错懙目煽? 緩發(fā)中子一次U裂變中產(chǎn)生平均個中子中，包含：緩發(fā)中子-幾率小，100次裂變約個3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源可控鏈?zhǔn)椒错懙膶崿F(xiàn)維持鏈?zhǔn)椒错懙某浞直匾獥l件中子產(chǎn)生數(shù)-中子消耗數(shù)1(n, f)反響產(chǎn)生第二代中子(n, )反響消耗第一代中子第二代中子的產(chǎn)生數(shù): 鏈?zhǔn)椒错懼凶釉慈?、物理學(xué)與能源科學(xué)能源中子必須慢化個裂變中子的總動能5 MeV，即 一個中子的平均動能約為2.0 MeV，屬于快中子。它與鈾-235裂變的幾率很小，僅是熱中子的1/500。如何慢化？輕元素作為慢化劑，如水(H2O)、重水(

22、D2O)、石墨等。性能差些但易處理性能好但難處理3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源使用3%的低濃縮鈾-235：鈾同位素的濃縮技術(shù)是核心技術(shù)3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源用控制棒控制反響速率緩發(fā)中子的數(shù)量會影響反響堆的反響速率，實際操作采用鎘棒來吸收熱中子。石墨慢化劑鎘棒吸收熱中子鈾棒核燃料有利于增加第二代中子產(chǎn)生數(shù)，從而實現(xiàn)鏈?zhǔn)椒错?裂變能的和平利用核電站采用壓水堆高壓含B水作為慢 化劑和冷卻劑低濃UO2作為核 燃料兩個回路系統(tǒng) 設(shè)有三道屏障 燃料包殼 壓力殼 平安殼3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源田灣核電站壓水堆工作原理示意圖3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源核電站的核心裝置-反響堆石墨慢化劑鎘棒吸收

23、熱中子鈾棒核燃料裂變反響自持發(fā)生-不必靠外界不斷地用中子轟 擊鈾靶而啟動一個“反響堆(2) 控制裂變反響的速率目的：使用3%的低濃縮鈾-235：鈾同位素的濃縮技術(shù)是核心技術(shù)3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源鏈?zhǔn)搅炎兎错?根本原理裂變能量冷卻劑水加熱驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電我國自行設(shè)計建造的第一座核電站，1991年并網(wǎng)發(fā)電成功。3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 核電站的現(xiàn)狀- 1954年，前蘇聯(lián)建成了第一個核電站；- 目前全世界已有30多個國家和地區(qū)核電站(600座)；- 歐洲某些國家如法國、瑞典、比利時等，原子能發(fā)電 已占總電量的40-50%。- 我國大陸目前已有6座核電站13臺機組投入商業(yè)

24、運行， 如秦山、大亞灣、田灣和嶺澳等 )，裝機容量為 萬千瓦，還有多座核電站在建；此外臺灣地區(qū)還有6座 核電站-正在研究的可控?zé)岷司圩儗⑹俏磥硇滦湍茉撮_發(fā)的重點。3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 裂變能的非可控利用-原子彈不加控制的鏈?zhǔn)椒错懜叨葷饪s的鈾235 (90%)或钚239胖子， ，長崎，內(nèi)爆式钚彈小男孩，廣島，槍式鈾彈長崎核爆3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 核電站的優(yōu)勢和開展 優(yōu)勢：- 核電本錢低，一座百萬千瓦級壓水核電站，僅需要30噸核燃 料，僅消耗1噸U-235；熱電站。需要原煤250萬噸。- 環(huán)境污染小，核電站周圍居民每年所受的劑量只有天然本底 的1%左右。- 運行平安

25、可靠。 開展核燃料U-235只占天然鈾的0.72%，92.8%是U-238沒有利用?？熘凶覲u-239中子增殖和裂變能釋放驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電實現(xiàn)核燃料Pu-239的增殖3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 核廢料的處理 核廢料： 燃燒后的元件-U-235，Pu-239，裂變碎片(高放射性廢物) 處理方法 - 深埋 -別離-嬗變技術(shù)-化學(xué)別離再放入反響堆，通過核反響生成短壽命的核素3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源-1989年4月26日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故；-2007年7月16日日本東京以西某核電站發(fā)生核泄漏事故；-2021年4月12日日本大地震引發(fā)的福島核電站的核泄漏事件。核電站引發(fā)

26、的核平安問題輻射生物效應(yīng)！輻射防護(hù)！3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 可控?zé)岷司圩兎错慤資源的有限性：必須尋找更為理想的能源-聚變能的利用 常見的聚變反響每個核子放出能量，是核裂變的4倍- D可以從海水中提取(D2O，1/6700)- T通過以下增殖反響得到：3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 關(guān)鍵問題 如果使兩個D核接近10-14米，才能發(fā)生核反響，那么必須克服勢壘高度(排斥能)：每個D核72 keV在溫度T時，D核的動能：3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源在108K以上的高溫，原子都已經(jīng)完全電離，形成了物質(zhì)的 第四態(tài)-等離子體。-如何約束這些等離子體？(2) 離子間相互庫侖碰撞引起的韌致輻射損

27、失會導(dǎo)致能量損 失，因此 要得到能量增益，除了有足夠高的溫度以外， 還必須對等離子體的密度n及約束時間的乘積n有要求。對于D-T反響，Lawson判據(jù)-點火條件：3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 如何對等離子體實行約束？引力約束 磁場約束慣性約束 引力約束 太陽等發(fā)光恒星其發(fā)光來源于內(nèi)部輕核聚變導(dǎo)致的熱能輻射； 太陽的巨大質(zhì)量所產(chǎn)生的引力，把太陽上的高溫等離子體約束在一起維持熱核反響的進(jìn)行。3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 慣性約束核聚變激光核聚變氫彈本質(zhì)上是靠慣性約束來實現(xiàn)聚變反響的-靠裂變方式點火，即利用原子彈爆炸的慣性力將高溫等離子體約束一定的時間，且在原子彈爆炸的高溫高壓的條件下，使D、T發(fā)生核聚變。

28、王淦昌提出：利用強激光從許多方向上同時照射D和T的混合燃料丸，在激光的高能量照射下很快使D-T的微球外表形成等離子體。這種高溫等離子體在向外飛濺的同時，可產(chǎn)生很強的向內(nèi)的慣性約束，使內(nèi)層D和T混合物的密度迅速增加， 溫度增加，從而誘發(fā)核聚變。 磁約束裝置可控?zé)岷司圩冏钣邢Ｍ耐緩绞抢么偶s束，即利用磁場將高溫高密度等離子體約束在一定的容積中，且能維持足夠長的時間，到達(dá)點火條件。尚差一個量級！3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源美國的TFTR(tokomak fusion test reactor)日本的JT-60歐洲JET(joint european torus)前蘇聯(lián)的T-15中國合肥等離子所等多家單

29、位3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置主機中國3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 最新進(jìn)展3、物理學(xué)與能源科學(xué)能源 ITER方案 -“國際熱核聚變實驗堆ITER方案 International Thermonuclear Experimental Reactor 2005年6月28日，在莫斯科召開了有中國、歐盟、美國、日本、韓國和俄羅斯參加的六方會議上，決定由六方共同出資在法國南部的卡達(dá)拉舍建造一座國際熱核聚變實驗反響堆(ITER)，為當(dāng)前等離子體物理研究和以后的聚變電廠的建設(shè)搭起橋梁。ITER裝置俗稱“人造太陽 投資100億歐元中國10億歐元，2006年建設(shè)，預(yù)計2021年投入運行，中國

30、可享受全部知識產(chǎn)權(quán)。 激光器的創(chuàng)造與原子能、半導(dǎo)體、計算機是20世紀(jì)齊名的重大科技成就，在許多方面有著重要的應(yīng)用。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、通訊、軍事、文化藝術(shù)、能源等等。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 光源分為：照明光源和非照明光源。四代照明光源：白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈、LED (即半導(dǎo)體照明)。 照明光源 引言光發(fā)射二極管(Light Emitting Diode) 一種可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體發(fā)光器件(固態(tài)光源)。-目前，紅色LED光效到100lm/W，綠色LED到50lm/W，單個LED的光通量可到達(dá)幾十流明。高光效、高亮度的白光LED的也已開發(fā)成功，已用于照明領(lǐng)域。 如： L

31、ED-效率高、壽命長、平安和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射LED結(jié)構(gòu)LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。材料 化合物半導(dǎo)體，有機材料等單晶Si？4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射-1895年11月8日倫琴發(fā)現(xiàn)X射線-一種特殊照明光源，應(yīng)用于材料、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域； 應(yīng)用最快-3個月后在維也納的醫(yī)院應(yīng)用 1901年12月第一個諾貝爾物理學(xué)獎 非照明光源-X射線、激光、同步輻射光源等 X射線恩格斯：“當(dāng)真理碰到鼻子尖上時候，還是沒有得到真理的人！4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射激光被稱為是創(chuàng)造奇跡的光，是照

32、亮21世紀(jì)的光。 激光激光光源出現(xiàn)在1960年后，是人類人工制造光源歷史上的一次革命性變化。Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -輻射的受激發(fā)射光放大1964年10月錢學(xué)森建議稱為激光4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射普通光源的發(fā)光(電燈、太陽)E2E1光能電能熱能激發(fā)退激10-8-10-9s發(fā)光過程：受激吸收+自發(fā)輻射包括多種波長成分射向四面八方(光強弱)特點：4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 激光產(chǎn)生的條件及其原理(1) 材料要求存在亞穩(wěn)態(tài)能級亞穩(wěn)態(tài)能級-受激輻射后，由于不滿足躍遷定那么，電子 在該能級上的壽命特別

33、長(ms-s)，不容易 發(fā)退激到低的能級。條件：(2) 亞穩(wěn)態(tài)能級上原子的數(shù)目必須多 于低能級4、現(xiàn)代光源激光困難E2E1光能電能熱能激發(fā)退激10-8-10-9s能級上原子數(shù)密度滿足：也就是說：原子幾乎分布在低能級，即基態(tài)上！4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 實現(xiàn)方法-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)Pump - “泵浦以維持處于上能級的粒子束比下能級多。鼓勵源是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。鼓勵源：電鼓勵 (氣體放電-電子 激發(fā)介質(zhì)原子)光鼓勵(脈沖光源照 射介質(zhì)物質(zhì))熱鼓勵化學(xué)鼓勵4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 激光的產(chǎn)生-受激輻射受激輻射-處在亞穩(wěn)態(tài)的電子可以在外加光的誘發(fā)和刺激下 迅速地躍遷到低能級，放出光子-光子是被“激出

34、來。E2為亞穩(wěn)態(tài)能級總的效果為：一個入射光子作用下，出射了兩個全同的光子原來的光信號被放大了。激光-受激過程中產(chǎn)生并被放大的光。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射1917年愛因斯坦提出了受激輻射，他在理論上預(yù)言了原子發(fā) 生受激輻射的可能性。1958年美國微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯(C. H. Towns)和肖洛(A. I. Schawlaw)在?紅外與光學(xué)激射器?中提出了受激輻射的可 能性-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。1958年前蘇聯(lián)巴索夫和普羅霍洛夫發(fā)表了?實現(xiàn)三能級粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器的建議?。1960年美國加州休斯實驗室的梅曼(T. H. Mainman)制成了 世界上第一臺紅寶石激光器。1964年湯斯、巴索夫

35、和普羅霍洛夫分享諾貝爾物理獎。激光研究簡史4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射中國：1961年8月中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所自主建成了我國第一臺紅寶石激光器。1987年6月中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所成功研制了1012瓦大功率脈沖激光系統(tǒng)-神光裝置4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射神光I 上海1960年梅曼研制成功世界上第一臺可實際應(yīng)用的紅寶石脈沖激光器 中國第一臺紅寶石激光器 4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理(一)、激光的工作介質(zhì)(二)、鼓勵源(三)、諧振腔結(jié)構(gòu)梅曼的紅寶石脈沖激光器 4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射紅寶石激光器：有意思的現(xiàn)象：純潔的寶石是無色透明的，那么寶石的顏色是怎么

36、來的呢？缺陷工程-Defect Engineering 4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 激光的特性及其應(yīng)用(一)、方向性好(二)、亮度高激光是現(xiàn)代亮度最高的光源！ 激光的主要特性(三)、單色性好激光的譜線寬度一般在10-8 nm以下，其他最好的光源，如Kr燈，其譜線寬度也僅為 10-2 nm。(四)、相干性好4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 激光的應(yīng)用 應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、通訊、軍事、文化藝術(shù)、能源等等。(1) 激光“誘發(fā)突變培育良種 - 周期短，見效快。如：利用了激光的高功率的特點！(2) 激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射激光的亮度要比太陽高100億倍，不用聚焦就可以點燃木塊，

37、燒熔金屬。利用激光的高功率以及好的方向性，可以進(jìn)行：微加工-如微米孔精細(xì)切割用一臺2500W的CO2激光器來切割5 mm 厚的鋼板，1分鐘可以前進(jìn)2米，且切面光滑。激光在頭發(fā)上打出的方孔能焊常法不能焊的難熔金屬，可以切割出不同的形狀。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射紫外激光在頭發(fā)上打的圓孔4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射(3) 激光通信普通光源-單色性差，不能用于通信載波，相當(dāng)于多套播送 或電視節(jié)目。激光-單色性、方向性好，用于光通信系統(tǒng)中一個關(guān)鍵性的 器件光纖(光導(dǎo)纖維)。高錕， 196633歲,首次從理論上論證了光導(dǎo)纖維作為光波傳輸手段的可能性光纖-1970年美國康寧玻璃公司拉出了第一根可實用的光纖，

38、以超純石英為根本材料，由兩層5-10m的纖芯和折射率較低的石英包層(100 m，外面包有塑料護(hù)套。光纜千百根光纖 電信息光信息電信息 4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射(4) 激光在物理根底研究方面的應(yīng)用1997年美國斯坦福大學(xué)華裔科學(xué)家朱棣文與法國和美國的其他兩位科學(xué)家分享當(dāng)年的諾貝爾物理獎。獲獎原因-激光冷卻囚禁氣體原子實驗方面杰出奉獻(xiàn)。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射如鈉原子的溫度被冷卻到240微K。新一代原子鐘，制造原子顯微鏡等。 頻率稍低于原子內(nèi)部某一躍遷頻率的激光從三維方向同時射向原子，由于多普勒效應(yīng)，原子接受到的光頻率高于激光源頻率，剛好到達(dá)躍遷頻率，發(fā)生共振吸收，原子每吸收一個光子會獲得在光

39、傳播方向上的一個動量，使原子的動量減少，速度減慢。根本原理應(yīng)用4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射同步輻射光源的發(fā)現(xiàn)和特性 同步輻射光源的發(fā)現(xiàn)韌致輻射：一個帶電粒子打到金屬靶上突然減速 時，會 伴隨連續(xù)的X射線譜發(fā)射，其物 理根源在于 具有加速度的粒子會發(fā)射電磁輻射。 加速器：30年代創(chuàng)造了加速器，直線加速器、盤旋 加速 器 ，可以將粒子的能量加速到GeV。直線加速器：加速的能量越高，加速器的長度越長。如：美 國斯坦福大學(xué)的直線加速器的長 度 3公里，電 子可以加速到5GeV。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射盤旋加速器：D型盒，交變的電場，粒子加速到相應(yīng) 的能量需要的尺寸較小。電磁輻射：粒子加速一方面不斷得到

40、能量，另一方面 由于電磁輻射而損失能量-粒子加速得 到的能量有所限制。電磁輻射導(dǎo)致的能量損失率：結(jié)論：輕粒子的電磁輻射能量損失占主導(dǎo)地位。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 同步輻射的發(fā)現(xiàn)偶然的發(fā)現(xiàn)，光源歷史的變革！1947年4月16日，美國紐約州通用電氣公司的實驗室，調(diào)試一臺新設(shè)計的70MeV的電子同步加速器，該加速器的顯著特點，真空室是透明的，目的為了觀測加速器運行過程中裝置的運行狀況。這個小小的變化導(dǎo)致了一個偉大的發(fā)現(xiàn)。技工 “藍(lán)白色的弧光 排除氣體放電 同步輻射4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射同步輻射：在加速器中，電子在加速過程中所產(chǎn)生的 輻射，因此同步輻射的波長依賴于加速電 子的能量。電子40 M

41、eV：黃色30 MeV：紅色20 MeV：看不到發(fā)光光強逐漸減弱同步輻射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)盡管轟動了科學(xué)界，然而當(dāng)時并沒有意識到它的重要應(yīng)用前景，相反，由于它的存在，導(dǎo)致了人們一個極為頭疼的問題，電子的能量加速有所限制。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 同步輻射的裝置以北京正負(fù)電子對撞機為例：一機二用，同步輻射和正負(fù)電子對撞。加速器長204米，電子加速能量2.2 GeV。第一代同步輻射裝置組成：電子直線加速器和儲存環(huán)(240.4m)。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射同步輻射的特性 輻射光的波長覆蓋面大，且連續(xù)可調(diào)亮度：每秒鐘從單位面積向單位立體角發(fā)出的能量范圍在光子能量的千分之范圍內(nèi)的光子數(shù)。波長：4103 6

42、10-2 nm，從中紅外到硬X射線。3.5 keV4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 有強的輻射功率目前大功率的X光管所輸出的射線的最大功率約為W，同步輻射的功率可以到達(dá)幾萬，甚至幾十萬W，如北京同步輻射裝置的輻射功率為萬W。 有很好的準(zhǔn)直性同步輻射光是沿電子運動軌道的切線方向發(fā)射出來的，在與軌道平面的垂直方向上所張的角度小，有很好的準(zhǔn)直性。而X光管產(chǎn)生的X射線是各相同性的，向四面八方發(fā)射。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 具有很高的亮度由于是在很小的角度內(nèi)發(fā)射出來的，所以同步輻射具有很高的亮度。如第一代同步輻射裝置北京同步輻射裝置，其發(fā)光亮度，現(xiàn)代第三代同步輻射裝置的亮度可以到達(dá)：。亮度：每秒鐘從單位面積

43、向單位立體角發(fā)出的能量范圍在光子能量的千分之范圍內(nèi)的光子數(shù)。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射脈沖光源，有特定的時間結(jié)構(gòu)在加速器中，電子是以束團(tuán)的形式運動，電子運動的速度接近光速。脈沖寬度-脈沖持續(xù)的時間：如北京同步輻射裝置，l=3cm，脈沖周期微秒4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射可以利用這個特定的時間結(jié)構(gòu)，來研究物質(zhì)的動態(tài)和瞬變過程，如在生命科學(xué)中對細(xì)胞進(jìn)行活體動態(tài)研究，可以利用脈沖光把活體動態(tài)變化的照片一幅幅拍下來。很小，亮度大，短時間曝光照片清楚如s，那么在8 s時間內(nèi)可以拍10幅照片。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射偏振光在電子軌道面中的同步輻射光是100%的偏振光，這是普通X光所沒有的特性，利用同步輻射

44、光的偏振性，可以研究生物分子和磁性材料的旋光性。高度穩(wěn)定性由于同步輻射光是在電子加速過程中發(fā)射出來的，因此只要保持電子能量和束流強度的穩(wěn)定性，就可以保證同步輻射光的穩(wěn)定性，這有利于用來進(jìn)行高精度、高分辨率和重復(fù)性的實驗。目前，利用高性能加速器，可以使得電子束流在加速器中穩(wěn)定循環(huán)運行幾十小時。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射“光譜純的光同步輻射光是非常“純的光，這是由于它是在高真空條件下產(chǎn)生的，其他發(fā)光，如氣體放電等被排除了。利用這種干凈的光，可以作微量元素分析、外表物理研究、超大規(guī)模集成電路的光刻等。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 同步輻射裝置的開展參量第一代第二代第三代儲存環(huán)工作方式兼用專用專用電子束

45、發(fā)射度(納米.弧度)幾百40-1505-10同步輻射光亮度 (光子/秒.毫米2.毫弧度2)(0.1%帶寬)101310141015101610171018插入件無波蕩器、扭擺器波蕩器、扭擺器技術(shù)開發(fā)年代70年代初70年代中80年代中規(guī)模應(yīng)用年代70年代中80年代中90年代中至今，同步輻射裝置開展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射中國：北京同步輻射裝置屬于第一代裝置。目前，上海正在建造的同步輻射裝置屬于第三代裝置。1991年建成的合肥國家同步輻射裝置屬于第二代裝置。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射同步輻射的應(yīng)用生命科學(xué)利用同步輻射裝置開展應(yīng)用研究的50%的課題跟生命科學(xué)有關(guān)。- 生物大分子(蛋

46、白質(zhì)、病毒等)的結(jié)構(gòu)；- 研究生化反映過程中結(jié)構(gòu)隨時間變化的動態(tài)過程；- 輻射對細(xì)胞的作用。X射線顯微束-含水量多的活體生物樣品(如細(xì)胞)的動態(tài)過程進(jìn)行顯微觀測。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射 醫(yī)學(xué)同步輻射用于醫(yī)學(xué)診斷成像。 材料科學(xué)不僅可以進(jìn)行常規(guī)的晶格結(jié)構(gòu)的測試，即所謂的布拉格衍射，而且用于復(fù)雜大分子以及非晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究。 微加工利用短波長、高亮度的X光對硅芯片進(jìn)行更細(xì)微的光刻，如激光，光刻極限：微米。4、現(xiàn)代光源激光、同步輻射同步輻射的應(yīng)用機器廣泛，詳細(xì)情況可以參見參考資料：洗鼎昌，神奇的光-同步輻射，長沙：湖南教育出版社，19944、現(xiàn)代光源激光、同步輻射5、物理學(xué)與航天技術(shù) 自古以來

47、，深幻莫測的宇宙一直深深地吸引著人類的視線，人類也一直渴望著能夠有朝一日離開地球，飛向星球。“嫦娥奔月、古希臘“伊卡爾飛向太陽我國明代萬虎用“飛龍嘗試飛天(14世紀(jì)末)月球上的一座環(huán)形山-萬虎山關(guān)鍵的問題？-萬有引力5、物理學(xué)與航天技術(shù) 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)牛頓與蘋果樹的故事？天大的牛頓蘋果樹問題：月亮為什么不掉下來？(1) 伽利略平拋原理 引力存在(2)開普勒第三定律(3)牛頓第二、第三定律 牛頓的萬有引力定律，揭示了宇宙萬物間必須遵循的引力規(guī)律，將天上和人間和諧地統(tǒng)一了起來。 準(zhǔn)確預(yù)言彗星的出現(xiàn)，以及后來的天王星、海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)-該定律在天體觀測中的不可動搖的地位。5、物理學(xué)與航天技術(shù)

48、 月亮的運動可以比作一個拋體, 地球的引力使得它的運動偏離直線, 其曲線的彎曲程度正好與地球的彎曲程度相同-所以月亮永遠(yuǎn)不會掉到地球上來。5、物理學(xué)與航天技術(shù)5、物理學(xué)與航天技術(shù)1781年， (英)赫歇爾(F.W.Herchel) -天王星運動軌道的攝動新的行星？1845年， (英)亞當(dāng)斯(J. Adams) 和(法)勒維烈(J. Le Verrier)通過計算，提出了存在新的行星。海王星“筆尖上的發(fā)現(xiàn)美天文學(xué)家P. Lowell and W. Pickering 類似計算：冥王星5、物理學(xué)與航天技術(shù)火箭推進(jìn)原理 人類飛天-必須克服地球?qū)︼w行器的萬有引力；也就是說必須能夠不斷地提供一個作用力來

49、克服地球的引力。 1903年，俄國科學(xué)家齊奧爾科夫斯基?利用噴氣工具研究宇宙空間?提出了利用火箭向后噴氣產(chǎn)生的反作用力而運動并飛向宇宙的思想，并建立了著名的齊奧爾科夫斯基公式，為現(xiàn)代航天技術(shù)奠定了理論根底。5、物理學(xué)與航天技術(shù)5、物理學(xué)與航天技術(shù)齊奧爾科夫斯基公式借助于動量守恒定律：多級火箭：一級火箭：火箭推力5、物理學(xué)與航天技術(shù)5、物理學(xué)與航天技術(shù)三個宇宙速度第一宇宙速度-在地面發(fā)射一航空器，使之繞沿地球的圓軌道運行所需的最小發(fā)射速度。第二宇宙速度-在地面發(fā)射一航空器，使之脫離地球的引力所需的最小發(fā)射速度。登上月球或飛向其他行星第三宇宙速度-在地面發(fā)射一航空器，使之不但要脫離地球的引力場，還

50、要脫離太陽的引力場所需的最小射速度。5、物理學(xué)與航天技術(shù)火箭的根本結(jié)構(gòu)多極運載火箭工作過程示意圖火箭燃料5、物理學(xué)與航天技術(shù)依賴因素： 燃料噴氣速度u 質(zhì)量比Mi/Mf(即燃料的量)實際情況： 常規(guī)燃料-偏二甲肼加N2O4，噴氣速度 u2km/s； 非常規(guī)燃料-液氫+液氧，u4km/s； 由于火箭上必須裝備試驗儀器，容器必須足夠鞏固，質(zhì)量比：Mi/Mf10-20美國發(fā)射“阿波羅登月飛船的三級運載火箭-“土星5號為例：5、物理學(xué)與航天技術(shù)航天開展簡史5、物理學(xué)與航天技術(shù)前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造地球衛(wèi)星-“人 造衛(wèi)星1號(86.3kg)。美國發(fā)射自己的第一顆人造衛(wèi)星-“探險者1 號(8.22kg

51、)發(fā)現(xiàn)地球輻射帶。中國發(fā)射了自己的第一顆人造衛(wèi)星-“東方紅 一號(173kg)。-隨后各種衛(wèi)星，地球同步衛(wèi)星，太陽同步衛(wèi)星等相繼升空。-一箭多星技術(shù)-全球4000顆以上的衛(wèi)星，在通訊播送、對地觀察、導(dǎo)航定 位、科學(xué)研究、氣象等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的應(yīng)用。5、物理學(xué)與航天技術(shù)中國航天技術(shù)的開展三個階段：1956-1970年：中遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈、“長征一號、二號運載 火箭；1970-2005年：各種人造衛(wèi)星升空、神州五號(2003年)和神 州六號(2005)載人飛船送上太空；2005年- 繞月探測工程“嫦娥一號、載人航天工 程、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高分辨率對地觀 測系統(tǒng)。東方紅通訊實踐科學(xué)實驗風(fēng)云氣象返回式衛(wèi)

52、星中國已經(jīng)發(fā)射的各類衛(wèi)星一5、物理學(xué)與航天技術(shù)北斗導(dǎo)航高分一號對地觀測嫦娥對月觀測中國已經(jīng)發(fā)射的各類衛(wèi)星二5、物理學(xué)與航天技術(shù)人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用 通信衛(wèi)星通信-無線電波的傳遞遠(yuǎn)距離通信-短波無線電和微波無線電天波電磁波通過電離層空間波直線傳播(距離短)中繼通信本錢大通信衛(wèi)星-中繼站微波穿過電離層，衛(wèi)星放大后在發(fā)射會地球5、物理學(xué)與航天技術(shù)通信衛(wèi)星-運動通信衛(wèi)星-靜止通信衛(wèi)星 (地球同步衛(wèi)星)5、物理學(xué)與航天技術(shù) 氣象衛(wèi)星氣象觀測人眼氣象雷達(dá)氣象火箭氣象衛(wèi)星-地球同步氣 象衛(wèi)星-太陽同步氣 象衛(wèi)星5、物理學(xué)與航天技術(shù)地球資源衛(wèi)星人員地球資源的監(jiān)測、勘察和利用直接關(guān)系到了人類的生存和開展。飛機拍照

53、衛(wèi)星拍照高度優(yōu)勢，拍照面積大能開展的工作：- 監(jiān)測地面農(nóng)作物、地面環(huán)境、預(yù)測地震等- 繪制地面地貌、地質(zhì)等地圖- 資源勘測。5、物理學(xué)與航天技術(shù) 科學(xué)探測衛(wèi)星能開展的工作：- 探測地球的大氣層、電離層、磁層、極光、重力場等。 太空實驗-空間站和平號空間站自由號國際空間站5、物理學(xué)與航天技術(shù)5、物理學(xué)與航天技術(shù)1961年4月12日，身著90公斤重的太空服，原蘇聯(lián)首位宇航員加加林乘坐重達(dá)4.75噸的“東方”號宇宙飛船進(jìn)入太空，成為世界上第一個進(jìn)入宇宙空間和從宇宙中看到地球全貌的人。人類第一位宇航員： 加加林 5、物理學(xué)與航天技術(shù)阿姆斯特朗1969年7月16日，阿姆斯特朗同小奧爾德林、M.科林斯一起

54、乘“阿波羅11號”飛船飛向月球。4天后于美國東部夏令時(EDT)下午4時18分，由他手控操縱“鷹”號登月艙在寧靜海西南緣附近的平坦地帶著陸。7月20日美國東部夏令時下午10時56分，阿姆斯特朗從“鷹”號登月艙走下來，踏上積滿塵土的月球表面，并說“對一個人來說，這只是小小的一步，但對全人類來說，這卻是巨大的飛躍”。5、物理學(xué)與航天技術(shù)中國航天第一人 楊利偉神舟5號飛船發(fā)射：2003年10月15日9時00分返回：2003年10月16日6時23分永遠(yuǎn)令人銘記的日子和自豪的話語“我為祖國感到驕傲！楊利偉費俊龍聶海勝5、物理學(xué)與航天技術(shù)神舟6號飛船6、納米技術(shù)簡介納米技術(shù)nanotechnology是用

55、單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為根底的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)計算機技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計量學(xué)等 納米技術(shù)定義 納米技術(shù)分類 6、納米技術(shù)簡介1993年，第一屆國際納米技術(shù)大會(INTC)在美國召開，將納米技術(shù)劃分為6大分支：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計量學(xué)，促進(jìn)了納米技術(shù)的開展。由于該技術(shù)的特殊性，神奇性和廣泛性，吸引了世界各國的許多優(yōu)秀科學(xué)家紛紛為之努力研究。 納米技術(shù)一般指納米級100nm)的材料、設(shè)計、制造，測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。納米技術(shù)主要包括：納米級測量技術(shù)：納米級表層物理力學(xué)性能的檢測技術(shù)：納米級加工技術(shù)；納米粒子的制備技術(shù)；納米材料；納米生物學(xué)技術(shù)；納米組裝技術(shù)等。 6、納米技術(shù)簡介 靈感的來源 納米技術(shù)的靈感，來自于已故物理學(xué)家理查德費曼1959年所作的一次題為?在底部還有很大空間?的演講。這位當(dāng)時在加州理工大學(xué)任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù)，都與一次性地削去