物理學的基本概念范疇教學課件.ppt

2019/6/29,1,第一講 物理學的基本概念范疇,大學物理專題講座,2019/6/29,2,第一講 物理學的基本概念范疇,一、物理學的概念范疇,1、總范疇,物質存在的基本形態(tài)：實物與場（粒子與場）,物質的根本屬性：運動的絕對性、運動描述的相對性、 各種低級的運動形式,物質存在的基本形式：時間和空間光延性,2、具體學科的范疇,比如，力學：力、質量、慣性、碰撞、參照系,二、物理學的研究對象,物質的結構以及各種低級的運動形式,比如，電磁學：電場強度、電勢差、位移電流、渦旋電場,比如，熱學：溫度、內能、理想氣體、熵、,比如，光學：干涉、衍射、偏振、雙折射,基本概念導出概念,2019/6/29,3,1、實物與場,三、大學物理學基本概念范疇的簡單討論,物質的定義：客觀實在性無論實物還是場,實物的 （到目前） 十種形態(tài),日常條件 固、液、氣、非晶態(tài)、液晶態(tài),超高溫 等離子態(tài)：恒星內部,超高壓 超固態(tài)：恒星后期的“白矮星”，原子被壓碎 中子態(tài)：恒星后期的“中子星” ，原子核被壓碎 黑洞,超低溫 超導態(tài)：比如，水銀的溫度將到4.173K，即 269時,超流態(tài)：比如，液態(tài)氦的溫度將到2. 17K， 出現超流動態(tài),描述實物運動規(guī)律的理論：成熟的經典力學、熱力學、電動力學； 不完全成熟的量子力學、不成熟現代宇宙學, 關于實物,2019/6/29,4,量子力學的不足,主要側重于實物粒子的波粒二象性，甚至沒有把光當作粒子處理；,在粒子的基礎上談其波動性概率波波、粒二象性地位不平等；,實物粒子的波動性概率波不是真正物理波場；,不能描述粒子的產生與消失微觀粒子的轉化；,傳遞實物間相互作用的一種形態(tài)； 場是物質存在的基本形態(tài)； 場可以量子化 波粒二象性 場與實物并無定性區(qū)別： 質能守恒,目前對場 的認識,描述場運動規(guī)律的理論：成熟的電動力學、不完全成熟的量子場論, 關于場,2019/6/29,5,實物與場的統(tǒng)一：量子場論關于物質存在形式的基本觀點： 場是物質存在更基本的形態(tài): 場處于基態(tài)時無能量、信號釋放； 實物粒子是場量子的激發(fā)態(tài)； 兩種場: 實物粒子場 場量子是實物粒子：電子場、中子場 相互作用場 場量子是媒介粒子：引力場、電磁場 真空是各種量子場的基態(tài)零點振動和虛粒子 實物粒子之間的相互作用表現為場之間的相互作用；,實物粒子場 相互作用場,引力相互作用 電磁相互作用 弱相互作用 強相互作用,量子幾何動力學 (引力場、實物粒子場),量子電動力學 (電磁場、電子場),量子色動力學 (膠子場、夸克場),統(tǒng)一場論 （引力場與電磁場的統(tǒng)一）,大統(tǒng)一理論 四種相互作用,超統(tǒng)一理論，超對稱理論 實物粒子場與 相互作用場 兩種量子場的統(tǒng)一,量子味動力學 (電磁場、電子場),2019/6/29,6,狄拉克方程,引力場 電磁場 弱相互作用場 強相互作用場,引力場方程,麥克斯韋方程組,量子色動力學,相對論粒子方程,普羅卡方程,實物與場的統(tǒng)一：量子場論關于場的特性和實物粒子的特性 一切微觀粒子(實物粒子和媒介粒子 )都對應其量子場(實物 粒子場和媒介粒子場) 實物粒子場(電子場) 沒有經典場概念與其對應量; 相互作用場(電磁場、引力場)有經典場概念與其對 應量，是相互量子場的極限； 任何量子場都是真實的物理波場，可以用波動方程描述； 用算符進行描述其運動規(guī)律 量子場的基態(tài)：“真空態(tài)”，徹底否定了脫離物質的絕對時空觀；,實物粒子場,2019/6/29,7, 大學物理學概念體系的嘗試1“實物與場”的角度,第一篇 宏觀力學 第1章 低速范圍的宏觀力學牛頓力學 第2章 高速范圍的宏觀力學狹義相對論 第3章 萬有引力場與天體力學 第4章 廣義相對論與宇宙學基礎,第二篇 電磁場 第5章 電荷與電場 第6章 電流與磁場 第7章 電磁感應 第8章 麥克斯韋方程組與電磁輻射 附錄 高速運動的電荷與電場的磁場統(tǒng)一性,2019/6/29,8,兩類粒子, 兩類波,微觀粒子 （正、反粒子）,實物粒子,媒介粒子,質子、中子、 輕子（電子、中微子） 夸克,引力子？ 光子 中間玻色子,介質波 概率波,機械波：聲波、水波,波粒二象性 ：光波、物質波（德布羅意波）,介質波：需要介質（媒質），介質粒子的振動能量的傳播，介質粒子沒有遷移是一種經典的機械波；,概率波：無需介質（媒質），波動場粒子可以脫離波源獨立的傳播能量的傳播；波強弱并非是波動場粒子的真實行為，只是波動場粒子的可能出現的時空幾率是一種不完備的量子觀點、波粒二象性的描述；,2、粒子與波,2019/6/29,9,介質波（機械波）波動方程,平面簡諧波的波函數,對波函數求時間t 的偏導數，得,對波函數求傳播空間x 的偏導數，得,綜合，得 波動方程,物理學的典型方程之一；麥克斯韋據此推斷出光的電磁說,設原點的擾動函數簡諧運動,2019/6/29,10,概率波（波粒二象性）的薛定諤方程,將該波函數對時間求導，得,將波函數求空間x的偏導數，得,自由粒子的波函數平面波,同理可得,自由粒子的能量和動量的關系,三式相加得,2019/6/29,11,算符,設力場的勢能函數為， 則,薛定諤方程,改寫（1）（2）式,近代物理學的典型 方程之一；波恩解釋概率波,2019/6/29,12,目前大學物理（普通物理學）的概念體系,力學；熱學；電磁學；波動與光學概念體系的錯誤； 量子物理伯克利物理教程張三惠分科的, 高中物理新課程標準體系3-4,（一）機械振動與機械波；（二）電磁振蕩與電磁波；（三）光干涉、衍射和偏振；（四）相對論, 關于兩類波(介質波與概率波)科學思維,關于兩類波(介質波與概率波) 研究方法,雖然宏觀電磁波與機械波所遵從的數學規(guī)律是相同的，但是其本質完全不同；, 表面上降低了高中甚至大學生的學習難度，實際上可能殆誤了這些人才的終身創(chuàng)造力。,2019/6/29,13,大學物理學概念體系的嘗試2“粒子與波”的角度,第三篇 振動與波 第9章 振動機械振動與電磁振蕩 第10章 波動機械波與電磁波 第11章 光的波動性,第四篇 物質的波粒二象性 第12章 光的二象性 第13章 物質波量子力學基礎 第14章 原子物理學,第五篇 大量粒子運動的宏觀規(guī)律 第15章 熱力學 第16章 統(tǒng)計物理學基礎,2019/6/29,14, 單位,秒：一個“平太陽日”的1/86400為1秒；1967年，銫-133 原子基態(tài)，在零磁場躍遷周期：1秒=9192631770T。 米： 經過巴黎子午線1/4千萬為1米；1米=光在真空中經歷 1/299792458秒所經過的距離。 （在真空中的光速為普適 常數）, 物理學的舊時空觀,蓋天說地心說：, 唯物地解釋自然、生產實踐、時間的無限性；, 絕對靜止的存在、被宗教神學利用（托馬斯阿奎那TAguinas）,代表人物：托勒密 應當指出,舊時空模型,主要觀點, 承認時間、空間是客觀存在的, 空間的“上”、“下”觀念是相對的；宇宙空間有限有中心，, 承認時間的無限性；,意義, 沒有說明時間與空間、時空與物質、時空與物質運動之關系。,3、時間與空間,2019/6/29,15, 物理學的經典時空觀,哥白尼日心說：,伽利略的主要貢獻,伽利略變換,牛頓的主要貢獻, 承認時間、空間的客觀實在性,將實驗方法、數學方法引入物理學的研究,慣性定律,低速宏觀,伽利略相對性原理,經典時空模型,代表人物：哥白尼、 伽利略、牛頓,哥白尼的主要貢獻,“太陽中心說” 取代“ 地球中心說”,數學表達越簡單越接近自然；, 建立了絕對的時空觀,() 時間、空間彼此無關，各自獨立；() 時間一維單向有始無終， () 空間三維的均勻性、各向同性和無限性; 超距、質點, 發(fā)明了微積分；發(fā)現了萬有引力定律；建立了動力學三定律；,2019/6/29,16,絕對時空觀的功過是非,功,時間的均勻性能量守恒定律 空間的均勻性動量守恒定律 空間的各向同性角動量守恒定律,過,時間與空間彼此無關 時間與空間與物質的運動狀態(tài)無關 同時性的絕對性超距作用,拋棄了舊的時空觀； 慣性系是等價的,絕對靜止的空間； 特殊的慣性系 以太, 狹義相對論的時空觀（高速、宏觀、慣性系等價）, 繼承絕對時空觀： 時間的一維、均勻、無限； 空間的三維、均勻、無限；, 發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點時空對稱原理, 建立四維時空坐標,2019/6/29,17, 拋棄了絕對時時空觀相對時空觀,洛侖茲變換,時間與空間皆與物質的運動狀態(tài)有關,空間間隔是相對的,時間間隔是相對的,同時性是相對的,光速不變原理,愛因斯坦火車理想實驗,運動的時間變慢,運動尺子收縮,2019/6/29,18,由 得,當 時，有, 同時性不同時的簡單理論證明, 同時性不同時的理想實驗證明：愛因斯坦火車理想實驗,2019/6/29,19, 四維時空間隔不變性,時空相對、 贗歐幾何、 慣性系等價,注1： 狹義相對論的兩條基本假定,光速不變原理,相對性原理,注2： 狹義相對論的實驗基礎,邁克爾遜莫雷實驗,實驗第一步,實驗第二步,時間差,附加光程差,兩步實驗的條紋應當移動N=0.37個條紋，但是實驗結果N=0,2019/6/29,20,第一束光在以太參照系的時間t1（光程 ）,光束由分光板P射向M2需時間1,光束由M2返回分光板P需時間2, 邁克爾遜莫雷實驗的原理及其結果證明,邁克爾遜干涉儀,2019/6/29,21,第二束光在以太參照系的的時間t2（光程 ）,所以,2019/6/29,22,所以得實驗第一步,同理得實驗第二步,時間差,對應附加光程差,兩步實驗的條紋位置，應當移動N=0.37個條紋， 相當于明暗條紋互換位置，但是實驗結果N=0,此時，會有一個穩(wěn)定的條紋分布,此時，亦會有一個穩(wěn)定的條紋分布,2019/6/29,23, 廣義相對論的時空觀（非慣性系與引力場等價）, 進一步發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點等效原理, 補充了時空觀念依賴于物質分布的相對性引力場方程,廣義相對性原理：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價。 運動的絕對性, 補充了時空結構與物質分布的關系 空間彎曲,物質密度越大的地方統(tǒng)一時空彎曲的曲率越大,空間越彎曲,時間流逝越慢,引力張量； 黎蔓曲率張量； 時空度規(guī)張量 ； 宇宙半徑,關于非 慣性系,等效原理：加速場與引力場等效；無法區(qū)分,2019/6/29,24, 廣義相對論的近代引力理論, 宇宙空間是有限的還是無限的有限無邊,小 尺度宇宙：渺觀輕子、光子、夸克以下的層次 微觀光子、質子、中子、原子核、原子、分子、有機物, 時間有始有終，還是無始無終？,物理學“宇宙”的“生死”交替，構成了哲學“宇宙”的時間的無限性,大尺度宇宙： 宏觀行星、恒星、恒星系統(tǒng)（太陽系） 宇觀銀河系、星系群、星系團之間的暗物質 脹觀超星系團、總星系,無限宇宙, 大爆炸宇宙模型,無限膨脹，直至消亡；,無限膨脹；,膨脹一定階段，轉化為收縮。,宇宙輻射背景； 氦豐度 天體年齡,物理學的，？哲學的，？,現代宇宙學 的理論基礎,2019/6/29,25, 時間和空間可能存在著一個最小限度時間、空間量子化,普朗克時間,普朗克長度,美國物理學家古斯（guth） 的暴脹宇宙模型：,宇宙起源于物理點，而非數學點超過以上范圍，現今物理學理論已不適用,假真空態(tài)黑格斯場， 其能量密度是原子核密度的 倍。, 宇宙并非起源于時間、空間和沒有物質的“虛無”假真空態(tài), 真空也有復雜的結構,真空各種基態(tài)量子場。, 量子理論的時空觀及其現代宇宙學的時空觀,秒, 量子理論的時空觀在處理渺觀和脹觀物質領域遇到了困難，,米,2019/6/29,26, 運動是絕對的, 哲學上的意義：物質與運動是不可分割的, 相對性原理：一切動力學規(guī)律的形式都 不因參照系的選擇而改變。, 運動描述的相對性,運動學規(guī)律的形式會因不同參照系的選擇而不同。, 物理學只研究物質低級運動的形式, 低級運動形式的含義：機械運動和物理運動最基本的, 低級運動形式的具體學科： 力學、熱學、電磁學、光學 原子物理學、原子核物理學 粒子物理學量子物理學,大學物理學（普通物理學）, 質能守恒,廣義的運動,狹義的運動,參照系的本質特征是什么？,4、運動與靜止,2019/6/29,27,2004年諾貝爾物理學獎三科學家分享共約136萬美元 美國人：戴維格羅斯 ，戴維波利澤和弗蘭克維爾澤克 表彰他們“對夸克的研究使科學更接近于實現它為“所有的事情構建理論”的夢想 ”。 瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。 諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學領域中 取得過最重要的發(fā)現或發(fā)明。,維爾澤克,格羅斯,格羅斯,2019/6/29,28,2002年諾貝爾物理學獎三科學家分享共約100萬美元 1、美國2人：雷蒙德-戴維斯 ，里卡多-賈科尼 2、日本1人：小柴昌俊(Masatoshi Koshiba) 小雷蒙德戴維斯來自于美國賓夕法尼亞大學物理天文學系， 小柴是日本東京大學初級粒子物理國際研究中心已經東京大學的科學家，瑞典皇家科學院認為他們“在天體物理學 領域做出卓越貢獻，尤其是他們發(fā)現了宇宙中的微中子”。 里卡多-賈科尼是另一位獲獎的美國華盛頓特區(qū)聯合大學的科學家，表彰他“在天體物理學領域取得的卓越成就，尤其是他的研究引導發(fā)現了宇宙X射線源”。 3、瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。 4、諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學領域中 取得過最重要的發(fā)現或發(fā)明。,2019/6/29,29,2005年諾貝爾物理學獎 由美、德三個科學家共同獲得， 分享共約130萬美元 1、美國人：約翰霍爾，羅伊格勞伯 2、德國人：特奧多爾亨施 羅伊格勞伯得一半，成就是對“光粒子的特性進行了理論描 述光學相干的量子理論” 約翰霍爾，特奧多爾亨施得另外一半，成就是對“開發(fā)了基 于激光的高精度光譜技