物理学与现代技术.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,哈尔滨理工大学荣成学院,物理学与现代技术,Physics and moderntechnology,教 师：赵 丽,2014,年,2,月,第一章 物理学对人类的影响,第二章 物理学对当代科技的影响,第三章 物理学与其他学科的关系,第四章 物理学在各领域中的技术应用,目 录,3-2,物理学与天文学的关系,3-2-1,天文学的发展,古代天文学,中世纪的天文学,现代天文学和宇宙论,一、古代天文学,天文学与人类文明社会的兴起,可以确信，人类在有文字记载，由于农牧业和实际生活的需要，人们就注意观察某些天象了，而文字产生之后，天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。,1,、古埃及的天文学,大体从公元前,27,前,22,世纪，埃及人不仅认识了北极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星，还熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座，并根据星座的出没来确定历法，最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天狼星的出没。,2,、古印度人的时空观,古印度人不停顿地观察太阳的运动，以太阳的视运动（,太阳视运动，是由于地球的自转，使位于地球上的人觉得太阳每天都是从东方升起，又在西方落下，从而认为是太阳绕地球的运动,）为依据，把一年定为,360,天，又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为,30,天，以此编制历法。实际上，月亮运行一周不足,30,天，所以有的月份不足,30,天，印度人称为消失一个星期，大约一年要消失,5,个日期，但习惯上仍然称一年为,360,天。将一年中分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节，还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。对于空间，古印度人有奇异的看法，他们认为在人类居住的世界之上，还有其它空间，这种时空观是壮大的，但却不现实。,3,、发明星座的迦勒底人,世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格拉斯河流域。远在公元前,3000,年前，迦勒底人就从东部山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。,长期的星象观察，使迦勒底人对天体运动有丰富多彩的发现，知道“日食每,18,年重复出现一次”，对于月亮和行星，迦勒底人也有很多正确的发现，但是对人类最重要的贡献还是创造了星座的划分。,4,、古希腊的天文学,欧洲人称古代希腊文化为“古典文化”。泰勒斯（前,640,年,前,560,年）是第一个希腊著名自然哲学家，到美索不达米亚学到了天文学。,地心天动说,_,标清,.flv,数学家毕达哥拉斯（前,560,年,前,490,年）是人类科技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行”的人。,另一位伟大的学者德谟克利特（公元前,460,前,370,前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切天体，都是由于原子涡动而产生的。,这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比地球庞大，月亮本身并不发光，靠反射的太阳才显得明亮，银河是众多恒星集合而成的。,德谟克利特和毕达哥拉斯,中国古代天文学的辉煌成就,公元前,24,世纪的帝尧时代,“,观象授时”。,公元,16,世纪前,天象观察、仪器制作和编订历法。,在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前,14,世纪时，我们祖先的天文学已很发达了。,我国古代在创制天文仪器方面，也作出了杰出的贡献。世界天文史学界公认，我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽，无哪个国家可比。,我国古代观测天象的台址名称很多，如灵台、瞻星台、司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河南登封观星台和北京古观象台。,甲骨文图片、长沙彗星图,圭,(gui),表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、,中国古代的天文人物,落下闳（公元前,140,前,87,年）中国西汉时期天文学家，以历算和天文学的杰出成就著称于世，为我国最早的历算学家。,张衡,(,公元,78139,年,),，我国东汉时期伟大的科学家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树起了一座巍巍丰碑。（浑天仪的发明人，公元,117,年）,郭守敬（,1231,1316,），中国古代杰出的八大科学家一。（,授时历,。公元,1280,年,3,月）,祖冲之,商朝天文学家。,33,岁时创制了,大明历,沈括是北宋时期一位多才多艺的科学家。解释月亮是因为受太阳光照射发光而产生圆缺变化。,徐光启（,15621633,）是我国明末著名的科学家，编译成了,崇祯历书,。,李善兰（,18111882,年），清代天文学家、数学家，著作汇编成,则古昔斋算学,一书。,二、中世纪的天文学,哥白尼的日心学说,日心学说的发展到,17,世纪达到了高峰。,近代天文学奠基人,哥白尼与,天体运行论,。,近代力学宇宙体系的确立,哥白尼,天体运行论,发表近,150,年之后，于,1687,年出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著,自然哲学的数学原理,。,150,年,中奇迹的相继发生,首先是丹麦天文学家第谷,布拉赫所做的非常精密的天文观测。,第二个奇迹是德国天文学家开普勒，于,1609,年提出了行星运动的第一、第二定律，,10,年后又提出了行星运动的第三定律。,第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于,1609,年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。,“哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。,开普勒,指出，行星与太阳之间存在着相互的作用力，其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。,伽利略,在力学上的一项发现叫做惯性定律。行星系一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒运动不息了。,伽利略,又从另外两方面大大推进了哥白尼学说的发展，其中之一就是创立了望远镜天文学。,苹果,落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到月球，使月球在轨道上运行。,牛顿宇宙观,宇宙是永恒的、稳定的,问题：物质引力宇宙坍缩,可能的解决途径：,(1),宇宙在空间和质量上是无限大的；,(2),宇宙在膨胀；,(3),宇宙有起点和终点。,(2),、,(3),点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的。,绝对空间，就其本性而论与任何外界情况无关，始终保持相似和不变。,18,、,19,世纪的天文学,1,、,18,世纪经典天文学的蓬勃发展,所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学。,国立天文台的设立,。法国于,1671,年设立了巴黎天文台，英国于,1675,年设立了格林威治皇家天文台。后来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军天文台也相继建成。,在航海天文学上发挥最大作用的是英国格林威治天文台。,2,、天体力学的发展与代表人物的贡献,欧拉（,1707-1783,）他第一个完整地创立了月球运动的理论。,克勒罗（,1713-1765,）经典著作,地球外形的理论,。,达郎贝尔（,1717-1783,）法国数学家。发表关于月球运行理论和行星运行理论的论文。,拉格郎日（,1736-1813,）意大利数学家，创立了大行星运动的理论。,拉普拉斯（,1749-1827,）是法国著名数学家和天文学家。其著名杰作,天体力学,集各家之大成。还独立提出了太阳系的星云起源理论。,3,、,19,世纪对太阳系的认识,19,世纪中叶，形成了一个完整的科学体系，人们称之为“新天文学”的天体物理学正式诞生。,太阳物理学,天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，首先是它的化学成分。,恒星物理学,19,世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以很精确地测定出恒星的方位。,星云物理学,星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星云可分为河内星云和河外星云两大类。,三、现代天文学和宇宙论,1.,广义相对论,2.Friedman,膨胀宇宙模型,3.,大爆炸宇宙学,4.,宇宙的年龄,3-2-2,物理学与天文学的关系,在科学发展的历史中，也许物理学和天文学是两门关系特别紧密的学科。这可能也是至今在许多国家的大学里物理与天文仍然同属一个系,(,物理天文或天文物理系,),的原因。这种紧密的关系不仅存在于它们发展的历史中，在今天，它们在一些重大的科学前沿问题的研究上仍然是相互密切联系的。虽然其他学科也许并不像天文学那样与物理学有如此密切的联系，但是，科学的目的是对自然界和自然规律的认识,科学可以按照其研究现象的范围被划分为不同的领域，可是，无论人类怎么将其划分，自然界却是一个整体。因此，学科之间的交叉和相互推动是必然的，而对此给予应有的重视就十分必要。,一、历史的简短回顾,众所周知,现代科学的起源与物理学和天文学的发展是分不开的。行星运动的观测、牛顿万有引力定律的发现和牛顿运动定律的确立导致了经典力学的发展和完善,也第一次对行星运动给予了科学的解释。当然,我们也不能不看到,正是行星的运动在当时提供了检验经典力学理论的最好的实验室,而天文学家长期的观测和积累的资料是证实理论正确的基本实验数据。在这期间,科学的发展造就了一批科学巨匠,如伽利略和牛顿等。他们究竟是物理学家还是天文学家呢,?,也许最好的回答是他们既是物理学家又是天文学家。,他们的研究在当时看来是并无直接“经济效益”的,可是如果长远地去看,从这些并无经济效益的研究中开创和形成的经典力学,不正是人类开始大规模用机器代替手工劳动的工业革命的先声吗,?,这些研究的“经济效益”从今天看来应是怎么估计都不过分的。我们也知道,这些基础研究的结果在改变人们对世界的认识上也起到极大的作用。人们第一次看到了事物的运动在我们周围和“天上”服从着同样的规律。是完全不同的世界了。,也许,常常被忽略的是这些科学成果是出现在文艺复兴之后,那时,神的至高无上的权威已经大大衰落。而这种环境却是如哥白尼、布鲁诺那样的天文学家经过长期的努力甚至付出生命才换来的。没有他们的努力和牺牲所换来的这种环境,后来者怎么有可能去研究星球的运动呢。,也是牛顿最早发现棱镜可以将白光分解为光谱。夫琅和费首先对太阳和恒星的光谱进行了仔细的研究，他发现太阳和恒星的光谱中存在着分离的谱线,并发现这些谱线对应着我们周围的各种化学元素。这使得大多数人都相信了太阳和恒星等天体都是由地球实验室中同样的化学元素构成。,从那以后,天体的光谱观测就成为天文研究的重要手段之一。这是物理学给天文学提供观测手段和基本观念的很好的例子。物理学和天文学的结合在这里改变着人类的宇宙观。,二、,20,世纪中的物理学与天文学,20,世纪上半叶,物理学发生了以量子论和相对论的确立为标志的前所未有的革命。这些重要发展同样导致了天文学的巨大进步。在量子论基础上发展起来的核物理和粒子物理基础上,天文学家和天体物理学家正确地解释了长时间未能解释的恒星的能源问题,在此基础上建立起了恒星结构和演化的标准模型并取得了极大的成功。恒星标准模型的建立和成功是天文学在,20,世纪所取得的重大成就之一。不止于此,20,世纪,30,年代,在将量子论和相对论应用于恒星演化时发现,在恒星核反应结束后会形成所谓简并星。,它们不是由核反应提供的能量产生的热压与引力平衡达到稳定,而是由量子效应所产生的简并压维持平衡。按恒星最后残存的核的质量,简并星可能是白矮星或中子星,.,它们分别是由电子简并压和中子简并压支撑的。,钱德拉塞卡从相对论的考虑得出这种由简并压支撑的星具有质量上限,他得出白矮星的质量上限是,1.4,倍太阳质量。任何恒星在用完可用的核燃料后如果残存核的质量超过这一质量,将会继续坍缩。,朗道、巴德和兹威基分别提出了中子星存在的可能性。中子星的质量也有上限,当恒星残存的核的质量超过这一质量时,将没有任何力量能够支撑其平衡。它们将在引力作用下一直坍缩最终形成黑洞。,这些在当时无论天文学家还是物理学家看来都是十分奇异的结论,是不可能在实验室里被检验的。,它们只可能存在于宇宙中,.,然而,这些乍看十分怪异的天体后来的确相继被天文学家发现,进一步证实了量子论和相对论在宇宙中的普适性,也说明了物理规律在与其他学科结合时的作用。,20,世纪物理学的另一项重要成就是相对论的建立。爱因斯坦建立了狭义相对论后,接着又建立了引力的相对论性理论,即广义相对论,并在此