大學(xué)物理2西農(nóng)

1、愛因斯坦愛因斯坦 (18791955) ： 在物理學(xué)在物理學(xué)6 6個領(lǐng)域作出了具有劃時代意義的個領(lǐng)域作出了具有劃時代意義的貢獻(xiàn)：創(chuàng)建了貢獻(xiàn)：創(chuàng)建了光量子理論光量子理論、狹義相對論狹義相對論、分子運(yùn)動論分子運(yùn)動論、廣義相對論廣義相對論、輻射量子理論輻射量子理論和和現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論。 1921年因光量子理論獲得諾貝年因光量子理論獲得諾貝爾物理學(xué)獎。爾物理學(xué)獎?！俺ＷR是人們在十八歲前敷常識是人們在十八歲前敷飾在思想上的一種偏見飾在思想上的一種偏見” 1.1 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)一、物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次一、物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次小到小到10-18 m 10-17 m 的的亞原子粒

2、子亞原子粒子到大至到大至1026 m 的的宇宙半宇宙半徑徑，跨越了大約，跨越了大約4243個數(shù)量級。個數(shù)量級。10-4灰塵線度灰塵線度10-10原子線度原子線度10-15原子核線度原子核線度103無線電波波長無線電波波長10-17基本粒子線度基本粒子線度6106地球半徑地球半徑1.51011日地距離日地距離7.61022銀河系半徑銀河系半徑1026（單位：（單位：m）已觀測到的宇宙范圍極限已觀測到的宇宙范圍極限E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小最小 的細(xì)胞的細(xì)胞原子原子原子核原子核基本粒子

3、基本粒子DNA長度長度星系團(tuán)星系團(tuán)銀河系銀河系最近恒最近恒星的距離星的距離太陽系太陽系太陽太陽山山哈勃半徑哈勃半徑超星系團(tuán)超星系團(tuán)人人蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次通過巴黎的子午線從北通過巴黎的子午線從北極到赤道距離的千萬分極到赤道距離的千萬分之一為之一為1米米（1m）空間中兩點(diǎn)間的距離為長度空間中兩點(diǎn)間的距離為長度選定某選定某一長度基準(zhǔn)一長度基準(zhǔn)任何長度的計量任何長度的計量空間的計量：空間的計量：空間反映物質(zhì)運(yùn)動的空間反映物質(zhì)運(yùn)動的廣延性廣延性在三維空間里的在三維空間里的位置可由三個相互獨(dú)立的坐標(biāo)來確定位置可由三個相互獨(dú)立的坐標(biāo)來確定國際上對

4、長國際上對長 度基準(zhǔn)度基準(zhǔn)“米米”的定義作過的定義作過 三次正式規(guī)定三次正式規(guī)定1960年第十一屆國際計量大會決年第十一屆國際計量大會決定，用定，用86Kr原子的橙黃色光波波原子的橙黃色光波波長的長的1 650 763.73倍來定義倍來定義“米米”，實(shí)現(xiàn)了長度的自然基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了長度的自然基準(zhǔn)比較比較由于該基準(zhǔn)由于該基準(zhǔn)和它所表達(dá)和它所表達(dá)的值之間存的值之間存在差異在差異1889年第一屆國際計量年第一屆國際計量大會通過，將保存在法大會通過，將保存在法國的國際計量局中鉑銥國的國際計量局中鉑銥合金棒在合金棒在0.00時兩刻時兩刻線間的距離定義為線間的距離定義為1米米（1m）實(shí)物基準(zhǔn)實(shí)物基準(zhǔn)很難保證很難

5、保證其穩(wěn)定性其穩(wěn)定性1983年第十七屆國際計量大年第十七屆國際計量大會通過，會通過，“米米”是光在真空是光在真空中中（1/299 792 458）s的時間的時間間隔內(nèi)運(yùn)行路程的長度間隔內(nèi)運(yùn)行路程的長度激光激光微觀系統(tǒng)微觀系統(tǒng)介觀系統(tǒng)介觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)宇觀系統(tǒng)宇觀系統(tǒng)依照物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律做了依照物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律做了系統(tǒng)性系統(tǒng)性劃分劃分 渺觀系統(tǒng)渺觀系統(tǒng)原子尺度數(shù)量級的客體，用原子尺度數(shù)量級的客體，用量子力學(xué)量子力學(xué)處理處理接近人體尺度附近幾個數(shù)量級的物體，用接近人體尺度附近幾個數(shù)量級的物體，用經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)處理處理把由十幾個到數(shù)百個原子組成的團(tuán)簇及同量級的物體把由十幾個到數(shù)百個原子組成的團(tuán)簇

6、及同量級的物體物理學(xué)以及物理學(xué)與其他學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科在物質(zhì)世物理學(xué)以及物理學(xué)與其他學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科在物質(zhì)世界中許多層次都有研究。界中許多層次都有研究。固體物理學(xué)固體物理學(xué)固體固體等離子體物理學(xué)等離子體物理學(xué)等離子體等離子體高分子化學(xué)高分子化學(xué)10-9分子分子分子物理學(xué)分子物理學(xué)10-10原子原子化學(xué)物理、化學(xué)化學(xué)物理、化學(xué)10-14原子核原子核相關(guān)專業(yè)學(xué)科相關(guān)專業(yè)學(xué)科空間尺度數(shù)量級空間尺度數(shù)量級(單位：單位：m)層次名稱層次名稱原子、原子核、粒子物理學(xué)原子、原子核、粒子物理學(xué)液體動力學(xué)液體動力學(xué)氣體動力學(xué)氣體動力學(xué)介觀物理學(xué)介觀物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)地球、生物物理學(xué)地球、生物物理學(xué)

7、天體物理學(xué)天體物理學(xué)天文學(xué)天文學(xué)宇宙學(xué)宇宙學(xué)10-610-8介觀物質(zhì)介觀物質(zhì)氣體氣體液體液體10610-3凝聚態(tài)物質(zhì)凝聚態(tài)物質(zhì)10-15以下以下基本粒子基本粒子107105地上物體地上物體1012107星球星球1020星系星系1026(已知部分已知部分)宇宙半徑宇宙半徑時間時間尺度：尺度：基本粒子壽命基本粒子壽命 10-25 s宇宙年齡宇宙年齡 1018 s一次大爆炸一次大爆炸瞬間溫度瞬間溫度約為約為10102828K各處的溫度各處的溫度約為約為10101010K宇宙溫度宇宙溫度從從10109 9K降降到到10106 6K溫度降到溫度降到幾千開幾千開宇宙大約是宇宙大約是在（在（1.02.0）1

8、010年前年前輕元素的輕元素的早期合成早期合成階段階段物質(zhì)密度極大物質(zhì)密度極大,宇宇宙的結(jié)構(gòu)簡單，宙的結(jié)構(gòu)簡單，只有質(zhì)子、中子、只有質(zhì)子、中子、電子、光子和中電子、光子和中微子等。微子等。1s1s后后3min3min現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型約約4040萬萬年后年后原子核和電原子核和電子復(fù)合成電子復(fù)合成電中性的原子中性的原子和分子和分子,直至直至成為今天的成為今天的宇宙宇宙二、物質(zhì)存在的時間尺度二、物質(zhì)存在的時間尺度現(xiàn)代科學(xué)研究涉及的時間標(biāo)度從現(xiàn)代科學(xué)研究涉及的時間標(biāo)度從10-25 s 的的 z0 粒子粒子壽命到壽命到137億年億年的的宇宙年齡宇宙年齡（約（約1018 s ），跨越了

9、大約），跨越了大約43個數(shù)量級。個數(shù)量級。10-2市電周期市電周期10-4高速攝影曝光時間高速攝影曝光時間10-14光波周期光波周期103中子壽命中子壽命10-25Z0粒子粒子105地球自轉(zhuǎn)周期地球自轉(zhuǎn)周期107地球公轉(zhuǎn)周期地球公轉(zhuǎn)周期1017地球年齡地球年齡1018（單位：（單位：s）宇宙年齡宇宙年齡將一個平均將一個平均太陽日太陽日的的1/86400作為一秒，稱作世界時秒作為一秒，稱作世界時秒判別和排列各個事件發(fā)生的先后順序及運(yùn)動的快慢程度判別和排列各個事件發(fā)生的先后順序及運(yùn)動的快慢程度選定某種選定某種周期性重復(fù)的運(yùn)動周期性重復(fù)的運(yùn)動過程作為參考標(biāo)準(zhǔn)過程作為參考標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的運(yùn)動過程物質(zhì)的運(yùn)動過

10、程時間的計量：時間的計量：時間表征物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)性，凡已知其運(yùn)動規(guī)時間表征物質(zhì)運(yùn)動的持續(xù)性，凡已知其運(yùn)動規(guī)律的物理過程，都可以用作時間的計量律的物理過程，都可以用作時間的計量。地球的自地球的自 轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)月球繞地月球繞地 球的公轉(zhuǎn)球的公轉(zhuǎn)1967年第十三屆國際計量大會決定采用年第十三屆國際計量大會決定采用銫原子鐘銫原子鐘作為新的時作為新的時間計量標(biāo)準(zhǔn)，并定義間計量標(biāo)準(zhǔn)，并定義1s的長度等于的長度等于133Cs原子基態(tài)兩個超精細(xì)原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射周期的能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射周期的9 192 631 770倍這個躍倍這個躍遷頻率測量的準(zhǔn)確度達(dá)到遷頻率測量的準(zhǔn)確度達(dá)到

11、10-12至至10-13比較比較存在著不存在著不規(guī)則變化規(guī)則變化微觀研究有微觀研究有了新的發(fā)現(xiàn)了新的發(fā)現(xiàn)利用分子和原子的固有振動利用分子和原子的固有振動頻率作為時間的計量標(biāo)準(zhǔn)，頻率作為時間的計量標(biāo)準(zhǔn)，制成了大量的制成了大量的原子鐘原子鐘三、物質(zhì)存在的基本形式三、物質(zhì)存在的基本形式 實(shí)物實(shí)物是指由大量原子、分子所組成的是指由大量原子、分子所組成的宏觀實(shí)體宏觀實(shí)體，也包括原子、，也包括原子、分子、離子和靜止質(zhì)量不為零的分子、離子和靜止質(zhì)量不為零的基本粒子基本粒子，如電子、質(zhì)子、中子，如電子、質(zhì)子、中子等。等。它們之間的相互作用和相互轉(zhuǎn)化形式多樣，但都可以以它們之間的相互作用和相互轉(zhuǎn)化形式多樣，但都

12、可以以能量能量作為量度。作為量度。物質(zhì)的基本存在形式是物質(zhì)的基本存在形式是實(shí)物實(shí)物和和場場。 場場是傳遞物體間相互作用的媒質(zhì)。如電場、磁場、引力場。是傳遞物體間相互作用的媒質(zhì)。如電場、磁場、引力場。運(yùn)動是物質(zhì)的固有屬性運(yùn)動是物質(zhì)的固有屬性分子間的相互作用主要是分子間的相互作用主要是電磁力電磁力（比（比萬有引力萬有引力大大 1029 倍），倍），有時能使分子的有時能使分子的瞬時加速度瞬時加速度達(dá)到達(dá)到 1015 m s-2 ，但是由于一個加，但是由于一個加速到這樣的分子將迅速跑出另一分子的作用范圍，作用時間極速到這樣的分子將迅速跑出另一分子的作用范圍，作用時間極為短暫，瞬時速度一般不會很大。為短

13、暫，瞬時速度一般不會很大。1.2 實(shí)物的實(shí)物的基基本性質(zhì)本性質(zhì)一、分子間的作用力一、分子間的作用力分子的經(jīng)典模型是分子的經(jīng)典模型是電中性的小球電中性的小球，但其中運(yùn)動著的電荷的，但其中運(yùn)動著的電荷的活動性使分子能產(chǎn)生活動性使分子能產(chǎn)生電磁相互作用力電磁相互作用力。有。有分子間斥力分子間斥力和和分子間分子間引力引力之分。之分。 分子間斥力分子間斥力和和分子間引力分子間引力都隨都隨著分子間距離的增大而迅速減小。著分子間距離的增大而迅速減小。 當(dāng)分子間距離當(dāng)分子間距離 r 10-9 m（稱為（稱為分子作用距離分子作用距離）時，分子間）時，分子間作用力可忽略不計。作用力可忽略不計。二、固體二、固體晶體

14、中的粒子排列非常規(guī)則；結(jié)晶固體包括原子態(tài)的、分子態(tài)晶體中的粒子排列非常規(guī)則；結(jié)晶固體包括原子態(tài)的、分子態(tài)的、離子態(tài)的、或宏觀分子態(tài)的晶體。象水晶、金剛石、方解的、離子態(tài)的、或宏觀分子態(tài)的晶體。象水晶、金剛石、方解石等。石等。 晶體：晶體：非晶體：非晶體：非晶體中粒子的排列完全沒有規(guī)則；象玻璃、瀝青、橡膠等。非晶體中粒子的排列完全沒有規(guī)則；象玻璃、瀝青、橡膠等。準(zhǔn)晶體：準(zhǔn)晶體：固體有一定的形狀和體積，分為固體有一定的形狀和體積，分為晶體晶體、非晶體非晶體和和準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體。 具有粒子長程準(zhǔn)周期排列；如急驟冷卻形成的微米量級鋁猛合金具有粒子長程準(zhǔn)周期排列；如急驟冷卻形成的微米量級鋁猛合金 。三、液體

15、和氣體三、液體和氣體液體和氣體都稱為液體和氣體都稱為流體流體。氣體分子間的平均距離要比分子力作用范圍大的得多，因氣體分子間的平均距離要比分子力作用范圍大的得多，因此除碰撞外，氣體分子間沒有相互作用。在接連兩次碰撞之間，此除碰撞外，氣體分子間沒有相互作用。在接連兩次碰撞之間，分子是沿著直線運(yùn)動的分子是沿著直線運(yùn)動的。 宏觀上看，液體有一定的體積，不易壓縮，但沒有固定的宏觀上看，液體有一定的體積，不易壓縮，但沒有固定的形狀。形狀。兩次碰撞之間走過的平均路程：兩次碰撞之間走過的平均路程：m1010. 27-其他氣體分子的平均速度更小，而其他氣體分子的平均速度更小，而液體分子、固體分子液體分子、固體分

16、子比氣體分子的平均速度要小得多比氣體分子的平均速度要小得多。13sm1070. 1-v盡管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣中的盡管在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣中的 H2 分子的瞬時加速度有時會分子的瞬時加速度有時會相當(dāng)大，但平均速度相當(dāng)大，但平均速度四、等離子體四、等離子體宇宙中的宇宙中的恒星恒星、星云星云等內(nèi)部溫度極高，等內(nèi)部溫度極高，組成這些它們的原子處于電離狀態(tài)，這些組成這些它們的原子處于電離狀態(tài)，這些電離的電離的“氣體氣體”與普通的氣體有很大的不與普通的氣體有很大的不同，稱為同，稱為等離子體等離子體。等離子體由等離子體由電子電子、離子離子和和中性粒子中性粒子組組成，是電和熱的良導(dǎo)體，比熱非常大。并成，是電和熱

17、的良導(dǎo)體，比熱非常大。并具有以下兩個特點(diǎn)：具有以下兩個特點(diǎn)： 集體效應(yīng)起主要作用。集體效應(yīng)起主要作用。 整體呈現(xiàn)準(zhǔn)電中性；整體呈現(xiàn)準(zhǔn)電中性；ennnn 32132五、暗物質(zhì)五、暗物質(zhì) 根據(jù)星體發(fā)光的光度學(xué)理論得到的宇宙的總質(zhì)量比動力學(xué)根據(jù)星體發(fā)光的光度學(xué)理論得到的宇宙的總質(zhì)量比動力學(xué)理論的結(jié)果要小理論的結(jié)果要小12個數(shù)量級，由此人們推測宇宙中還存在所謂個數(shù)量級，由此人們推測宇宙中還存在所謂的的“暗物質(zhì)暗物質(zhì)”。 但其存在及其形態(tài)目前還不清楚。但其存在及其形態(tài)目前還不清楚。 六、生物大分子六、生物大分子生物大分子歸屬于軟凝聚態(tài)物質(zhì)。生物大分子歸屬于軟凝聚態(tài)物質(zhì)。 1953年，物理學(xué)家威爾金斯與生

18、物學(xué)專家合作，得到了年，物理學(xué)家威爾金斯與生物學(xué)專家合作，得到了DNA結(jié)晶的結(jié)晶的X射線衍射圖射線衍射圖。 同年，物理學(xué)家克里克和遺傳學(xué)家沃森提出了同年，物理學(xué)家克里克和遺傳學(xué)家沃森提出了DNA雙螺旋雙螺旋結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型。 1.3 場與物場與物質(zhì)的質(zhì)的相互作用相互作用一、場的基本性質(zhì)一、場的基本性質(zhì)場與物質(zhì)的相互作用一般表現(xiàn)為不同形式的相互作用力，場與物質(zhì)的相互作用一般表現(xiàn)為不同形式的相互作用力， 如：如：引力場引力場中的引力、中的引力、電磁場電磁場中的電磁力。中的電磁力。 1、場是傳遞物質(zhì)間相互作用的媒質(zhì)、場是傳遞物質(zhì)間相互作用的媒質(zhì) 可疊加性可疊加性：相同性質(zhì)的場在空間某一點(diǎn)可相互疊加。

19、：相同性質(zhì)的場在空間某一點(diǎn)可相互疊加。2、場具有獨(dú)立性和可疊加性、場具有獨(dú)立性和可疊加性獨(dú)立性獨(dú)立性：空間某一點(diǎn)可以有各種不同的場同時存在，：空間某一點(diǎn)可以有各種不同的場同時存在， 它們保持各自獨(dú)立存在的特征；它們保持各自獨(dú)立存在的特征；3、描述場存在及其大小有不同的特征指標(biāo)、描述場存在及其大小有不同的特征指標(biāo)速度梯度速度梯度速度場速度場場強(qiáng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度場強(qiáng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度電場、磁場電場、磁場萬有引力萬有引力引力場引力場4、勢勢是描述場與物質(zhì)相互作用的重要物理量是描述場與物質(zhì)相互作用的重要物理量與場發(fā)生相互作用的宏觀實(shí)物或微觀粒子，與場相互作用力與場發(fā)生相互作用的宏觀實(shí)物或微觀粒子，與場相互作用力

20、是是保守力保守力（這種力做功只與路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，（這種力做功只與路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而與路徑無關(guān)）。如而與路徑無關(guān)）。如靜電場靜電場、重力場重力場等都是保守場。等都是保守場。保守場：保守場：非保守場：非保守場：不具備上述特征的場即為不具備上述特征的場即為非保守場非保守場，如，如穩(wěn)恒磁場穩(wěn)恒磁場。二、物質(zhì)相互作用的形式二、物質(zhì)相互作用的形式（1）電磁相互作用電磁相互作用；（；（2）萬有引力相互作用萬有引力相互作用；（3）強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用； （4）弱相互作用弱相互作用。將自然界物質(zhì)間的相互作用歸結(jié)為以下四種：將自然界物質(zhì)間的相互作用歸結(jié)為以下四種：強(qiáng)子，輕子強(qiáng)子，輕子光，膠

21、子，光，膠子，重子重子一切物體一切物體強(qiáng)子，強(qiáng)子，e，r作用對象作用對象約約90GeV假定為假定為0未知未知0媒介粒子質(zhì)量媒介粒子質(zhì)量中間玻色子中間玻色子W，Z0膠子膠子g1g8引子引子光子光子r媒介粒子媒介粒子10-10 s10-23 s10-1610-20 s典型衰變時間典型衰變時間10-13110-3810-2相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度10-16m10-15m長程長程長程長程作用距離作用距離弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用引力相互作用引力相互作用電磁相互作用電磁相互作用相互作用類型相互作用類型1.4 物質(zhì)的能量物質(zhì)的能量一、能量守恒定律一、能量守恒定律它是物質(zhì)在運(yùn)動和相互作用的過程中遵循的

22、普遍原理，即：它是物質(zhì)在運(yùn)動和相互作用的過程中遵循的普遍原理，即：能量可在不同的系統(tǒng)之間交換，不同形式的能量是能量可在不同的系統(tǒng)之間交換，不同形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，但能量的總量保持不變。可以相互轉(zhuǎn)化的，但能量的總量保持不變。二、實(shí)物的質(zhì)量與能量二、實(shí)物的質(zhì)量與能量由由愛因斯坦的相對論愛因斯坦的相對論可知，運(yùn)動中實(shí)物（質(zhì)點(diǎn)）的質(zhì)量為可知，運(yùn)動中實(shí)物（質(zhì)點(diǎn)）的質(zhì)量為 1220cvmmm0 是靜止質(zhì)量是靜止質(zhì)量令令cv201mmrFEkd如果實(shí)物在合外力如果實(shí)物在合外力 的作用下從靜止開始作加速運(yùn)動，根據(jù)的作用下從靜止開始作加速運(yùn)動，根據(jù)動能定理動能定理（能量守恒定律能量守恒定律），經(jīng)過時間），經(jīng)過時間 t 后，動能后，動能 Ek 等于等于 所所 做的功：做的功：FF由牛頓運(yùn)動定律：由牛頓運(yùn)動定律：tvmFd)d(20)(cmmEk-2mc由以上兩式聯(lián)立可得：由以上兩式聯(lián)立可得：經(jīng)典力學(xué)中的表達(dá)式：經(jīng)典力學(xué)中的表達(dá)式： 2021