物理学与现代技术.ppt

哈尔滨理工大学荣成学院 物理学与现代技术Physicsandmoderntechnology 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78 139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 1562 1633 是我国明末著名的科学家 编译成了 崇祯历书 李善兰 1811 1882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 并在此基础上讨论了宇宙学解 出乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是定态的宇宙而是膨胀宇宙 这在当时造成了很大的困惑 爱因斯坦相对论理论 标清 flv 20世纪20年代 天文学家哈勃通过对星云光谱的观测作出了两个重要的发现 他发现 原来这些星云并非都是银河系中的天体 许多是远在银河系以外和银河系类似的由无数恒星组成的星系 我们所在的银河系仅仅是众多星系中的一员 同时他还发现 这些星系的谱线都较之实验室中测定的相同元素的对应谱线有不同程度的红移 这表明这些星系都在离开我们退行 并且距离愈远的星系红移愈大 或说退行速度愈快 这正是膨胀宇宙的图像 哈勃的观测提供的证据表明 宇宙整体在膨胀 在此之后 尽管经历了各种曲折 在20世纪后半叶 建立在膨胀宇宙基础上的热大爆炸宇宙学模型逐渐形成并完善起来 它关于宇宙微波背景和轻元素丰度的预言也被天文观测所证实 标准热大爆炸宇宙模型的建立 是天体物理学在20世纪所取得的又一重大成就 上述的事实充分说明了物理学的发展为天文学提供了用于理解天文现象和规律的基础 物理学上的突破也势必导致天文学的重要进展 同时 我们也看到 天文学为物理学的重要发现提供了独特的实验室 在许多情况下是惟一的实验室 伴随物理基础理论在天文学研究中取得的成就 人们已经坚信宇宙是由统一的自然规律所支配的 而物理学所提供的正是其中最基本的规律 天体物理学正是在这种认识的基础上蓬勃发展起来的 当人们用物理学的规律去理解天文现象和天体的本质时 就为物理学的应用和发展提供了又一个广阔的天地 三 新世纪的物理学与天文学 20世纪物理学与天文学均取得了重大进展 在新的世纪开始之际 它们也面临着一些重大的共同的前沿问题 这些问题的解决将标志着物理学与天文学的新的突破 下面我们将简单地介绍一些今天物理学与天文学面临的共同的前沿 暗物质问题大宇宙黑洞与暗物质 标清 flv宇宙学的研究中一个基本问题是宇宙中物质的组分和密度 以及它们的演化 天文学家从旋涡星系旋转曲线的观测发现 仅从星系中的恒星质量和气体质量不可能解释其旋转曲线 而且 许多星系的旋转曲线在距中心较远处趋向平坦 这是出乎意料的结果 它表明 星系中可能存在着大量的不发光的暗物质 经过近20年的研究发现 无论是小质量恒星 气体 简并星和小黑洞等均不可能是这种占星系质量大部分的不发光的物质 而且 从宇宙原初元素丰度的研究对宇宙中重子物质含量给出的限制表明 这种暗物质只可能是非重子物质 太阳中微子问题这可以说是一个由天体物理研究引出的具有重要意义的物理学基本问题的典型例子 自20世纪60年代后期 科学家开始建造大型设备探测宇宙中的中微子 距离我们最近的中微子源是太阳 它在进行核反应时会释放出大量中微子 在对太阳中微子进行观测后发现 接收到的太阳中微子数明显地少于由恒星模型计算出的太阳中微子流量 尽管中微子的接收设备有了很大的改进 太阳中微子流量缺少这一情况并未改变 为什么探测到的太阳中微子流量会低于理论模型计算的结果呢 这就是所谓太阳中微子问题 当然有两种可能 一是太阳 或说恒星的模型有问题 另一种可能是关于中微子的粒子物理理论有欠缺 为解决太阳中微子问题 一时间各种不同的理论模型被提出 包括非标准的太阳模型 中微子振荡理论 等等 最近的实验表明 很可能是由中微子振荡造成的 也就是说 由于三种中微子间会发生相互的转变 观测到的某一种中微子的流量就可能随距离变化 存在中微子振荡无疑是我们在了解基本物理中的一个重要进步 除上述之外 在进入新世纪之际物理学与天文学的共同前沿问题还有很多 它们大都涉及基本的物理和天体物理问题 如黑洞的形成和与黑洞有关的强引力场中的物理 引力波的产生和探测也是对广义相对论的一个重要检验 等等 所有这些前沿问题既是量子物理与相对论这20世纪基础科学的两大发现的继续 又是对它们的某种挑战 这些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展 由上述的物理学与天文学的相互影响和推动的关系 我们看到 物理学提供了了解天文现象的基本规律 物理学的每次重大进展都推动着天文学的重大发展 天文学的研究又为物理学提供了一个惟一的又是丰富多彩的实验室 二者就是这样相互依存又相互促进 四 物理学和天文学研究与高技术 和物理学研究中的其他实验室一样 物理学和天文学在基于宇宙这一巨大实验室中的研究对技术有着特别高的需求 正是这种需求有力地推动着高技术的发展 在所有上述的物理学与天文学的共同前沿问题的研究上 需要有大型地面和空间望远镜以观测尽可能遥远的宇宙天体 要有最高灵敏度的探测器以探测到最微弱的从远处传递来的信号 需要有尽量高的分辨率 以区分相邻的天体和观测尽可能遥远的天体的形态和结构 需要有光学以外的其他波段的探测器和探测技术 以使得从全波段对天体和天文现象的了解成为可能 它还需要高速度大容量的计算机 以采集 处理大量的观测数据和进行理论上的模拟计算 所有这一切需求 无一不是对现今的高技术提出的更高的要求 为此 在20世纪中 特别是20世纪后期发展出了一系列新设备和新技术 例如 CCD接收器 它把探测的灵敏度提高到了单光子的探测 光干涉技术将探测器的分辨率提高到毫角秒 并进一步将提高到微角秒量级 一个接一个的工作在各波段上的空间天文卫星的发射 将空间技术一步步地提到更高的高度 物理学和天文学研究除了对高技术提出愈来愈高的要求外 它们在高技术发展中还提供高技术设备可用性的检验 而且 这种检验是最严格的检验 也许 这就是发达国家不惜投入巨额资金发展基础研究的原因吧 趣味视频黑洞通往未来 标清 flv 3 3物理学与化学的关系 物理 从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问 在物理学的领域中 研究的是宇宙的基本组成要素 物质 能量 空间 时间及它们的相互作用 借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统 化学是研究物质的组成 结构 性质 以及变化规律的科学 世界是由物质组成的 化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一 物理是一个物质的在外特性 是一个比较直观的概念 而化学则是一个物质内在的性质 从有没有新物质生成讲 没有新物质生成的是物理变化 有新物质生成的是化学变化 研究一种物质必须要从物理和化学两个方面相结合去研究 缺少一个都不是严谨的 因此 无论是在日常生活中还是学科研究领域 物理和化学是联系相当紧密的两个物质代名词 物理学与化学 作为自然科学的两个分支 关系十分密切 任何一种化学变化总是伴随着物理变化 物理因素的作用也都会引起化学变化 自然科学中化学和物理历来是亲如兄弟 相辅相成的两个基本学科 它们虽曾有过约定俗成的分工 各司其职 但非各自为战 化学和物理合在一起 在自然科学中形成了一个轴心 历史上化学家和物理学家的研究是在相互合作 相互促进中进行的 许多科学家的研究兼及物理学和化学 每当化学家们对取得的实验经验试图作出解释 并提高为理论时 每当他们在研究中遇到难以逾越的障碍时 总是求助于当时的物理学成就 而且受益良多 物理包含着所有物质系统的化学行为的原理 规律和方法 化学也同样涵盖从宏观到微观与性质的关系 规律 化学过程机理及其控制的研究 由此便产生了物理化学这一学科 也是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础 在学科研究中 物理与化学在最本质的方面是相通的 通常 科学家们习惯于直接在特殊领域提出用于描述观察结果的理论 而不从一个更基本领域中的理论出发去推出相应的理论 虽然在提供特殊附加信息的情况下 从基本理论出发的推导在理论上是可行的 但是在实际中 在大多数情况下都十分困难或者不可能 所以尽管各门科学占据着不同的层次 但它们都是一个联合整体的一部分 整体结构的统一性通过各部分之间的联系而得以巩固 位于某一层次上的科学涵盖了位于较上层的不那么基本的科学的定律 但是更上层的定律由于更特殊 因而除了前者的定律之外 还需要更多的信息 因此 无论是进行物理方面的研究还是化学的探索 都应当把它们进行融会贯通 使其相辅相成 共同揭示事物的本质 在生活方面 物理和化学更是紧密联系 所有的物质都包含了物理和化学两方面的性质并且互相影响 如生活用火既包含了物质燃烧的化学变化 同时还包含了能量转移 温度 辐射等多方面的物理变化 再比如我们日常所使用的防晒霜 物理防晒的原理是隔离紫外线 只要之前的润肤和隔离到位 是不会造成肌肤伤害的 但是防晒效果有限 容易因为出汗等因素丧失防晒作用 化学防晒的原理则是防晒霜中的有效物质吸收了紫外线 比较好的产品采用物理 和化学的双重隔离防晒 物理防晒在肌肤的表层形成保护 将阳光视屏光线阻挡在外 同时使用化学防晒吸收紫外线 双重防晒的共同使用 弥补了单独使用的不足 同时大大的提高了产品的防晒等级和防晒效果 在生活中的小方面到工业生产 物理化学融合的例子不胜枚举 共同影响着人类文明 综上所述 正确认识和利用物理与化学的相关性有着显著的意义 自然现象 原子核及原子结构 气态物质的物理及化学变化 环境保护和人类生存条件 工农业生产和生活实际 新能源 新材料 现代科技及现代生活等交叉和渗透及综合知识的研究对社会的进步大有裨益 结束语谢谢大家