物理学在高新技术材料中的应用优秀PPT.ppt

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1、绪论，纳米科技 绪论绪论 沙沙 健健纳米材料纳米材料 沙沙 健健高温超导体及应用高温超导体及应用 方明虎方明虎材料的物理性质材料的物理性质 鲍世宁鲍世宁磁性材料磁性材料 李海洋李海洋1、物理学的范畴，作用与意义、物理学的范畴，作用与意义,何谓何谓“高新技术材料高新技术材料”?2、物理学与高新技术材料的关系、物理学与高新技术材料的关系3、物理学在将来高新技术材料发展中的地位和作用、物理学在将来高新技术材料发展中的地位和作用绪绪 论论一、物理学的范畴一、物理学的范畴一、物理学的范畴一、物理学的范畴,作用与意义作用与意义作用与意义作用与意义,何谓何谓何谓何谓“高新技术材料高新技术材料高新技术材料高新

2、技术材料”?”?”?”?*物理学的范畴物理学的范畴物理学的范畴物理学的范畴:物理学是探讨物质结构和运动规律的科学。物理学是探讨物质结构和运动规律的科学。物理学是探讨物质结构和运动规律的科学。物理学是探讨物质结构和运动规律的科学。物理学探讨的是自然界中最基本最普遍的规律。物理学探讨的是自然界中最基本最普遍的规律。物理学探讨的是自然界中最基本最普遍的规律。物理学探讨的是自然界中最基本最普遍的规律。精确性精确性精确性精确性(定量科学定量科学定量科学定量科学)普遍性普遍性普遍性普遍性(基础科学基础科学基础科学基础科学)绪绪 论论当今物理学探讨的两个前沿领域：当今物理学探讨的两个前沿领域：当今物理学探讨

3、的两个前沿领域：当今物理学探讨的两个前沿领域：（1 1 1 1）高能物理）高能物理）高能物理）高能物理最小的空间尺度探究基本粒子和物质结构。最小的空间尺度探究基本粒子和物质结构。最小的空间尺度探究基本粒子和物质结构。最小的空间尺度探究基本粒子和物质结构。（2 2 2 2）天体物理）天体物理）天体物理）天体物理最大的空间尺度探讨宇宙演化和起源。最大的空间尺度探讨宇宙演化和起源。最大的空间尺度探讨宇宙演化和起源。最大的空间尺度探讨宇宙演化和起源。两者之间表面上看天差地别，事实上相互关联两者之间表面上看天差地别，事实上相互关联两者之间表面上看天差地别，事实上相互关联两者之间表面上看天差地别，事实上相

4、互关联 21 21 21 21世纪物理的突破点世纪物理的突破点世纪物理的突破点世纪物理的突破点 宇宙起源宇宙起源宇宙起源宇宙起源:大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论(The Big Bang)(The Big Bang)(The Big Bang)(The Big Bang)绪绪 论论绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论绪 论绪绪 论论物理学的发展规律：物理学的发展规律：寻求最简洁的基本原理，说明最普遍的寻求最简洁的基本原理，说明最普遍的客观事实。客观事实。随着探讨的深化而不断综合随着探讨的深化而不断综合,建立大统建立大统一理论，一理论，找寻总开关找寻总开关 奥克姆准则：越接近真理，基本定奥克

5、姆准则：越接近真理，基本定律就越简洁！律就越简洁！物理学的探讨范围与分类：物理学的探讨范围与分类：物理学的探讨范围与分类：物理学的探讨范围与分类：（1 1 1 1）经典物理学）经典物理学）经典物理学）经典物理学-力、热、光和电磁学力、热、光和电磁学力、热、光和电磁学力、热、光和电磁学 探讨对象：宏观物体（大小探讨对象：宏观物体（大小探讨对象：宏观物体（大小探讨对象：宏观物体（大小 原子尺度）原子尺度）原子尺度）原子尺度）低速运动物体（速度低速运动物体（速度低速运动物体（速度低速运动物体（速度 光速）光速）光速）光速）（2 2 2 2）近代物理学）近代物理学）近代物理学）近代物理学-相对论和量子

6、力学相对论和量子力学相对论和量子力学相对论和量子力学 探讨对象：原子及小于原子尺度的粒子探讨对象：原子及小于原子尺度的粒子探讨对象：原子及小于原子尺度的粒子探讨对象：原子及小于原子尺度的粒子 高速运动的物体（速度接近光速）高速运动的物体（速度接近光速）高速运动的物体（速度接近光速）高速运动的物体（速度接近光速）绪绪 论论*物理学的作用与意义物理学的作用与意义:物理学既是自然科学的基础学科、又是带头学科物理学既是自然科学的基础学科、又是带头学科（1 1）物理学与化学休戚相关）物理学与化学休戚相关量子理论从本质上说明白元素性质周期性变更的规量子理论从本质上说明白元素性质周期性变更的规律。律。量子化

7、学使人们相识了化学现象的微观本质。量子化学使人们相识了化学现象的微观本质。（2 2）物理学与生物学相互渗透）物理学与生物学相互渗透物理学为生物学供应了理论概念和方法，如物理学为生物学供应了理论概念和方法，如DNADNA双螺双螺旋结构，基因，耗散结构理论。物理学为生物学供应旋结构，基因，耗散结构理论。物理学为生物学供应了现代化试验手段，如电子显微镜、核磁共振仪、原了现代化试验手段，如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。子力显微镜等。绪绪 论论(3)物理学是现代技术革命的先导物理学是现代技术革命的先导 热力学的建立推动了蒸汽机好用技术的发展；热力学的建立推动了蒸汽机好用技术的发展；电磁学的建立

8、使电气时代到来电磁学的建立使电气时代到来 量子力学和相对论的建立，催生了核能技术、超导技术、量子力学和相对论的建立，催生了核能技术、超导技术、激光技术、信息技术、纳米技术等高新技术激光技术、信息技术、纳米技术等高新技术（）物理与数学的关系：相互促进、共同发展（）物理与数学的关系：相互促进、共同发展 微积分、微分方程微积分、微分方程 力学、电磁学力学、电磁学 非欧几何非欧几何(明可夫斯基空间、黎曼空间明可夫斯基空间、黎曼空间)相对论相对论 群论群论 对称性探讨对称性探讨 现代微分几何现代微分几何 规范场规范场 (5)物理学是哲学和方法论的基础物理学是哲学和方法论的基础 物理学每个新的概念和规律的

9、确立，都是人类相识史上的一个物理学每个新的概念和规律的确立，都是人类相识史上的一个飞跃飞跃.牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理、牛顿颗、牛顿颗粒学说和惠更斯波动学说发展为德布罗意关于物质的波粒二象粒学说和惠更斯波动学说发展为德布罗意关于物质的波粒二象性学说、爱因斯坦的相对论时空观、普朗克的量子概念等性学说、爱因斯坦的相对论时空观、普朗克的量子概念等,都都成为当代哲学的相识论基础成为当代哲学的相识论基础.绪绪 论论*何谓何谓“高新技术材料高新技术材料”?高深和远离日常生活阅历高深和远离日常生活阅历时代性，社会性时代性，社会性核技术核技术(曼哈吨支配曼哈吨支配

10、)航天技术半导体微电子技术航天技术半导体微电子技术纳米科技能源技术纳米科技能源技术 生物技术等生物技术等绪绪 论论库仑定律库仑定律:(法国法国1785年年)吉尔伯特吉尔伯特(英国英国,1544年年),发觉琥珀等物体经摩擦发觉琥珀等物体经摩擦,会吸引纸片等会吸引纸片等细小物体细小物体,创建了名词创建了名词:电电 electricity 迪费（法国迪费（法国,1734年）年）,发觉两类性质相反的发觉两类性质相反的“电电”一类出现在玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛等物体上一类出现在玻璃、岩晶、宝石、兽毛、绒毛等物体上,另一类出现另一类出现在琥珀、树脂、丝、线、纸等物体上在琥珀、树脂、丝、线、纸等物体上

11、绪绪 论论二二、物理学与物理学与”高新技术材料高新技术材料”的关系的关系以电磁现象的探究为例以电磁现象的探究为例:法拉第法拉第(英国英国,1831年年),发觉电磁感应现象发觉电磁感应现象法拉第定律：法拉第定律：麦克斯韦麦克斯韦(英国英国,1864年年),集电磁现象探讨之大成集电磁现象探讨之大成 -电磁场理电磁场理论论 赫兹赫兹(德国德国,1887年年),用试验证明白电磁波用试验证明白电磁波绪绪 论论1832年年,皮西克皮西克(法国法国),第一台手摇直流发电机第一台手摇直流发电机1834年年,雅可比雅可比(德国物理学家德国物理学家),第一台船用直流电动机第一台船用直流电动机1943-1910年年

12、,德波里德波里(德国物理学家德国物理学家),第一条第一条57公里远距输电线公里远距输电线1878年后年后,爱迪生爱迪生(美国美国)独创了电灯独创了电灯,电影电影,电子管等几百项电子产品电子管等几百项电子产品 1844年年,亨利、莫尔斯亨利、莫尔斯(美国美国)独创了电报独创了电报;1922年年,贝尔贝尔(美国美国)独创了电话独创了电话 1894年年,马可尼马可尼(意大利意大利)、波波夫、波波夫(俄国俄国)几乎同时独创了无线电放射机和接收机几乎同时独创了无线电放射机和接收机1925年年,贝尔德贝尔德(英国英国),独创了第一台电视机独创了第一台电视机1945年年,莫克来莫克来(美国美国),制成了第一

13、台电子计算机制成了第一台电子计算机在物理学诸多成就问世之后在物理学诸多成就问世之后,电气化时代到来电气化时代到来催生了那个时代的高新技术催生了那个时代的高新技术高新技术推动社会生产力极大发展高新技术推动社会生产力极大发展,又为物理学的深化探讨奠定了坚实的物质基础又为物理学的深化探讨奠定了坚实的物质基础绪绪 论论伦福德（伦福德（17981798年），从摩擦生热发觉热质说的谬误年），从摩擦生热发觉热质说的谬误巴本（法国巴本（法国16791679年年,蒸煮器）纽可门（英国蒸煮器）纽可门（英国17051705年）年）,瓦特（英瓦特（英国国17651765年）独创带冷凝器的蒸汽机年）独创带冷凝器的蒸汽机

14、 卡若（法国卡若（法国18241824年）志向热机，卡若定理年）志向热机，卡若定理推动蒸汽机向高效和好用化方向发展推动蒸汽机向高效和好用化方向发展对热现象的探讨始于温度的测量对热现象的探讨始于温度的测量伽利略第一支温度计（空气热胀冷缩，且无刻度），伽利略第一支温度计（空气热胀冷缩，且无刻度），华伦海（华伦海（17141714年，德国）水银温度计，盐水冰点人体温年，德国）水银温度计，盐水冰点人体温摄尔修斯（摄尔修斯（17421742年，瑞典物理学家），冰点沸点年，瑞典物理学家），冰点沸点布克莱（布克莱（17601760年，苏格兰化学家），发觉潜热年，苏格兰化学家），发觉潜热随后，热质说兴起随后，

15、热质说兴起以热现象的探究为例以热现象的探究为例:绪绪 论论迈尔（德国年），焦耳（英国年）迈尔（德国年），焦耳（英国年）热力学第确定律热力学第确定律电源电源R第确定律包含第确定律包含:（）内能定义（）内能定义（）（）热量定义热量定义（）能量守恒（）能量守恒第一类永动机不行能第一类永动机不行能意义：相识了热能这种新的能量形式意义：相识了热能这种新的能量形式 以及它与机械能相互转换的规律以及它与机械能相互转换的规律绪绪 论论开尔文（德国开尔文（德国18491849年），克劳修斯（德国年），克劳修斯（德国18501850年）年）热力学其次定律热力学其次定律 开尔文表述开尔文表述 循环热机不行能只从单一

16、热源吸热使之完全循环热机不行能只从单一热源吸热使之完全变成功而不引起其它变更变成功而不引起其它变更 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量不会从低温物体自动传向高温物体而热量不会从低温物体自动传向高温物体而不引起其它变更不引起其它变更其次类永动机不行能其次类永动机不行能意义意义:指出了自然界的演化性，演化的方向性和不行逆性指出了自然界的演化性，演化的方向性和不行逆性绪绪 论论在物理学诸多成就问世之后在物理学诸多成就问世之后,机械化时代到来机械化时代到来催生了那个时代的高新技术催生了那个时代的高新技术1769年,居纽(法国),第一辆蒸汽机汽车1796年,特里维西(英国),第一辆蒸汽机火车随后随后,英美法

17、等国大兴铁路英美法等国大兴铁路,使交通运输出现了翻天地复的变更使交通运输出现了翻天地复的变更1860年,勒努瓦(法国),第一台煤气内燃机钻井探油炼油等石油工业起先发展钻井探油炼油等石油工业起先发展1880年年,本茨本茨(德国德国),第一台气油点火内燃机汽车第一台气油点火内燃机汽车汽车工业起先发展汽车工业起先发展,随后是现代造船业随后是现代造船业,飞机制造业的兴起飞机制造业的兴起绪绪 论论量子理论的诞生量子理论的诞生相对论的诞生相对论的诞生热辐射试验热辐射试验 迈克尔逊迈克尔逊-莫雷试验莫雷试验以近代物理学的出现为线索以近代物理学的出现为线索:1900年年,物理学物理学“绚丽天空中绚丽天空中”出

18、现了两朵小小的乌云出现了两朵小小的乌云绪绪 论论频率为频率为 的谐振子只能的谐振子只能取下列不连续能量：取下列不连续能量：一个能量子的能量一个能量子的能量:热辐射试验热辐射试验绪绪 论论实物粒子实物粒子的波动性的波动性德布罗意德布罗意(De.Broglie)假设：（假设：（1924年）年）一个能量为一个能量为E、动量为、动量为P的粒子，从波动观点看相当于具有的粒子，从波动观点看相当于具有波长为波长为、频率为、频率为 的波，这种波称为物质波。的波，这种波称为物质波。A.Einstein的光量子理论说明白光电效应的光量子理论说明白光电效应A.H.Compton的的X射线射射线射光量子效应光量子效应

19、绪绪 论论随后随后,波尔波尔,德布罗意德布罗意,海森伯等海森伯等,建立了量子力学建立了量子力学.半导体物理半导体物理,激光物理激光物理,核物理核物理迈克耳逊莫雷试验迈克耳逊莫雷试验 (MichelsonMorly)全部惯性系在全部惯性系在 力学力学 上等价上等价 全部惯性系在全部惯性系在 电磁学电磁学 上是否等价上是否等价?1862年 麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论 光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系?以太假说以太假说:以太参考系以太参考系(确定参考系确定参考系)(以太以太 假想传播电磁波的弹性介质假想传播电磁波的弹性

20、介质,充溢整个空间充溢整个空间)若存在光速差若存在光速差 干涉条纹将移动干涉条纹将移动试验结果试验结果 不存在条纹移动不存在条纹移动 (宣布试验宣布试验“失败失败”)绪绪 论论1905年 爱因斯坦(A.Einstein)提出二条狭义相对论的基本假设:(1)光速不变原理:在全部惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2)相对性原理:在全部惯性系中,一切物理定律的形式都相同绪绪 论论*同时的相对性同时的相对性,时间间隔的相对性时间间隔的相对性(时间延缓时间延缓)人类探究遥远太空的可能性人类探究遥远太空的可能性 长度的相对性长度的相对性(长度缩短长度缩短)质能关系质能关系*化学反应的质量亏损比例约为十亿

21、分之一到一千亿化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿 分之一。分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。50克物质全部转化为能量，可将西湖中的全部水加热到沸腾。克物质全部转化为能量，可将西湖中的全部水加热到沸腾。*引力大的地方时钟走得慢引力大的地方时钟走得慢 引力导致空间弯曲引力导致空间弯曲绪绪 论论集成化电子线路集成化电子线路 微型计算机微型计算机超大规模集成化电子线路超大规模集成化电子线路1947年年,肖克莱肖克莱,巴丁巴丁,布拉坦依据半导体理论布拉坦依据半导体理论,独创了锗晶体管独创了锗晶体管在物理学诸多成就问世之后在物理学诸多成就问世之后,高科技时代到来高科技时代到来催生了当代的高新技术催生了当代的高新技术核技术核技术(曼哈吨支配曼哈吨支配)航天技术半导体微电子技术航天技术半导体微电子技术纳米科技能源技术纳米科技能源技术 生物技术等生物技术等绪绪 论论