PDF《普通物理学》

普通物理学 南京大学物理学院 张建 2019/2 欢迎 物质世界与物理学 (绪论) §1 物理学与物质世界 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科 是自然科学的基础 一.

物质世界 研究的对象十分广泛 宇观 宏观 微观 为人们描绘出一副五彩缤纷的图画 ?空间尺度

1026 m(约150亿光年)(宇宙)-10-20 m(夸克) -10-35m(普朗克长度、空间基元?) ?时间尺度 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(高能?射线 周期)-10-43(普朗克时间、时间基元?) ?速率范围 0(静止) - 3x108 m/s(光速) 物质世界总图象 表1 一些典型物理现象的空间尺度(米) 已观测到的宇宙范围

1026 星系团半径

1023 星系间距离 2*1022 银河系半径 7.6*1022 太阳到最近恒星的距离 4*1016 光年 0.95*1016 太阳到冥王星的距离

1012 日地距离 1.5*1011 地球半径

106 无线电中波波长

103 小孩高度

1 尘埃 10-3 人类红细胞直径 10-6 病毒线度 10-8 原子线度 10-10 核的线度 10-15 普朗克长度 10-35 ? 最小空间 间隔? 表2 一些典型物理现象的时间尺度(秒) 宇宙年龄

1018 太阳系年龄

1016 最早文字记录 1.6*1011 人的平均寿命

109 地球公转(一年) 3.2*107 地球自转(一天) 8.6*104 太阳光到地球的传播时间 5*102 人的心脏跳动周期

1 中频声波周期 10-3 中频五线电波周期 10-6 Π+介子的平均寿命 10-9 分子转动周期 10-12 原子振动周期(光波周期) 10-15 光穿越原子的时间 10-18 核振动周期 10-21 光穿越核的时间 10-24 普朗克时间 10-43 ? 最小时间 间隔? 天文学、 天体物理 广义相对论 地球物理 原子、 分子物理 量子力学 大统一的宇宙理论?超弦、M理论? 粒子物理 核物理 (QCD,QED) 经典物理学 力、热、光、电磁学等 化学物理、生物物理 材料物理、纳米物理等 中尺度(10-6米-109米)的物理 ? 经典物理学 适用于尺寸不太大,也不太小,运动速度不太高 的物体. C 牛顿力学:飞行、建筑、水利、材料、衣食住行 C 热力学与统计物理:空调、发动机、温度计、保 温瓶、天气预报 C 光学:LED 、光盘、激光器、显示器、照相机、 眼镜、光缆、美容、隐身衣 C 电学、磁学、电磁学:计算机、电子电路、电动 机,发电机、光纤网络、通讯、仪表、广播、雷达、电机、输电 C 地球与大气物理:天气预报、地质勘探 ? 量子力学(波粒二象性,不确定性原理) C 什么是波粒二象性 ? 电子双缝实验 ? 几率波 C 什么是quantum uncertainty ? ?x ?p≥ ? /2, ?t??E≥ ? /2 ? 仅仅测量过程中的不确定性? ? 和德布罗意关系 ?= h / p 的相似性. ? 不测量时粒子是什么状态? ? Einstein, EPR, Bell experiments ? ?只有在观察时才有确定的位置或动量 ? ?什么是物理实在?概念的适用性. ? 应用? 晶体管、大规模集成电路、芯片 微观尺度(10-10米-10-6米)的物理 MOVIE (1.33) 微观尺度(10-10米-10-6米)的物理 ? 凝聚态物理 C 半导体物理学(电脑、大规模集成电路) C 材料物理学(超导、超强度、超细...) C 纳米物理学(纳米传感器、探测器、药物输送、隐形材料. ..) ? 化学、化学物理学 C 物理是化学的基础 C 所有化学现象都决定于背后的物理规律 C 原则上,可以从物理原理通过计算解释和预测所有化学现象 ?计算化学 ? 原子和分子的计算机表述 ? 利用计算机协助存储和搜索化学信息数据 ? 研究化学结构与性质之间的关系 ? 根据对作用力模拟对化学结构进行理论阐释 ? 计算机辅助化合物合成 ? 计算机辅助特性分子设计(例如计算机辅助药物设计) 微观尺度(10-10米-10-6米)的物理 ? 生物物理学 C DNA/RNA/Protein、生物大分子复合物、生物 膜、离子通道、马达蛋白、肌动蛋白、神经传 导与网络、生物分子结构预测与设计、制药. .. C 软物质物理 C 聚合物、界面、表面、液滴、毛细、生物膜 、胶体、电流变液、颗粒物质... MOVIE (2.1, 2.2) 四大基本相互作用 : 电磁(光子),强力(胶子),弱力(W±,Z0中间玻色子) 引力(引力子?) 超微观尺度(10-20 -10-15米)的物理 标准模型(除万有引力外的所有相互作用) 大尺度(>109米)与超大尺度的物理 远离 宇宙大爆炸理论的主要证据: ? 哈勃定律(1929) ? 宇宙微波背景辐射 ~40万岁,雪花(1965) ? 元素分布丰度(1948,?,?,e) ? 理论不允许静态宇宙(广义相对论) ? 暴涨10-35s,10-32s内,10100倍 (总图像) 宇宙构成: 暗能量 C 70% 暗物质 C 25% 普通物质 C 5% 未解之谜 暗物质(Dark Matter)与暗能量 (Dark Energy) 时空的基本结构层次― 超超微尺度(