物理学在高新技术材料中的应用.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、物理学在未来高新技术材料发展中的地位和作用、物理学在未来高新技术材料发展中的地位和作用绪绪 论论一一一一、物理学的范畴物理学的范畴物理学的范畴物理学的范畴,作用与意义作用与意义,何谓何谓“高新技术材料高新技术材料”?*物理学的范畴物理学的范畴物理学的范畴物理学的

2、范畴:物理学是物理学是研究物质结构和运动规律的科学。研究物质结构和运动规律的科学。物理学研究的是自然界中最基本最普遍的规律。物理学研究的是自然界中最基本最普遍的规律。精确性精确性(定量科学定量科学)普遍性普遍性(基础科学基础科学)绪绪 论论当今物理学研究的两个前沿领域：当今物理学研究的两个前沿领域：当今物理学研究的两个前沿领域：当今物理学研究的两个前沿领域：（1 1）高能物理）高能物理最小的空间尺度探索基本粒子最小的空间尺度探索基本粒子和和物质结物质结构。构。（2 2）天体物理）天体物理最大的空间尺度研究宇宙演化和起源。最大的空间尺度研究宇宙演化和起源。两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联

3、两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联 2121世纪物理的突破点世纪物理的突破点 宇宙起源宇宙起源:大爆炸理论大爆炸理论(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：寻求最简单的基本原理，解释最普遍的客观事实。寻求最简单的基本原理，解释最普遍的客观事实。随着研究的深入而不断综合随着研究的深入而不断综合,建立大统一理论，建立大统一理论，寻找总开关寻找总开关 奥克姆准则：越接近真理，基本定律就越简单！奥克姆准则：越接近真理，基本定律就越简单！物理学的研究范围与分类：物理学的研究范围与分类：物理学的研究范围与分类：物理学的研

4、究范围与分类：（1 1）经典物理学）经典物理学-力、热、光和电磁学力、热、光和电磁学 研究对象研究对象：宏观物体（大小：宏观物体（大小 原子尺度原子尺度）低低速速运动物体（速度运动物体（速度 光速光速）（2 2）近代物理学近代物理学-相对论和量子力学相对论和量子力学 研究对象研究对象：原子原子及小于及小于原子尺度的粒子原子尺度的粒子 高速高速运动的物体（速度接近运动的物体（速度接近光速光速）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物理学既是自然科学的基础学科、又是基础学科、又是带头学科带头学科（1 1）物理学与化学息息相关物理学与化学息息相关量子理论从本质上说明了

5、元素性质周期性变化的规律。量子理论从本质上说明了元素性质周期性变化的规律。量子化学使人们认识了化学现象的微观本质。量子化学使人们认识了化学现象的微观本质。（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提供了理论概念和方法，如物理学为生物学提供了理论概念和方法，如DNA双螺旋结构，双螺旋结构，基因，耗散结构理论。物理学为生物学提供了现代化实验手段，基因，耗散结构理论。物理学为生物学提供了现代化实验手段，如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。如电子显微镜、核磁共振仪、原子力显微镜等。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

6、机实用技术的发展；热力学的建立推动了蒸汽机实用技术的发展；电磁学的建立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：互相促进、共同发展（）物理与数学的关系：互相促进、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 对称性研究对称性研究 现代微分几何现代微分几何 规范场规范场 (5)物理学是哲

7、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确立，都是人类认识史上的一个物理学每个新的概念和规律的确立，都是人类认识史上的一个飞跃飞跃.牛顿划时代的名著叫牛顿划时代的名著叫自然哲学的数学原理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认识论基础成为当代哲学的认识论基础.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经验高深和远离日常

8、生活经验时代性，社会性时代性，社会性核技术核技术(曼哈吨计划曼哈吨计划)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),发现琥珀等物体经摩擦发现琥珀等物体经摩擦,会吸引纸片等细会吸引纸片等细小物体小物体,创造了名词创造了名词:电电 electricity 迪费（迪费（法国法国,1734年年）,发现两类性质相反的发现两类性质相反的“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

9、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 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索为例以电磁现象的探索为例:法拉第法拉第(英国英国,1831年年),发现电磁感应现象发现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),集电磁现象研究之大成集电磁现象研究之大成 -电磁场理论电磁场理论 赫兹赫兹(德国德国,1887年年),用实验证实了电磁波用实验证实了电磁波绪绪 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

10、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,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)发明了电灯发明了电灯,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)发明了电报发明了电报;1922年年,贝尔贝尔(美国美国)发明了电话发明了电话 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)几乎同时发明了无线电发射机和接收机几乎同时发明了无线电发射机和接收机1925年年,贝尔德贝尔德(英国英国),发明了第一台电视机

11、发明了第一台电视机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,又为物理学的深入研究奠定了坚实的物质基础又为物理学的深入研究奠定了坚实的物质基础绪绪 论论伦福德（伦福德（17981798年），从摩擦生热发现热质说的谬误年），从摩擦生热发现热质说的谬误巴本（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

12、国国17651765年）发明带冷凝器的蒸汽机年）发明带冷凝器的蒸汽机 卡若（法国卡若（法国18241824年）理想热机，卡若定理年）理想热机，卡若定理推动蒸汽机向高效和实用化方向发展推动蒸汽机向高效和实用化方向发展对热现象的研究始于温度的测量对热现象的研究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

13、化学家），发现潜热年，苏格兰化学家），发现潜热随后，热质说兴起随后，热质说兴起以热现象的探索为例以热现象的探索为例:绪绪 论论迈尔（德国年），焦耳（英国年）迈尔（德国年），焦耳（英国年）热力学第一定律热力学第一定律电源电源R第一定律包含第一定律包含:（）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可能第一类永动机不可能意义：认识了热能这种新的能量形式意义：认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

14、第二定律热力学第二定律 开尔文表述开尔文表述 循环热机不可能只从单一热源吸热使之完全循环热机不可能只从单一热源吸热使之完全变成功而不引起其它变化变成功而不引起其它变化 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化不引起其它变化第二类永动机不可能第二类永动机不可能意义意义:指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性指出了自然界的演化性，演化的方向性和不可逆性绪绪 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

15、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化使交通运输出现了翻天地复的变化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开始发展钻井探油炼油等石油工业开始发展1880年年,本茨本茨(德国德国),第一台气油点火内燃机汽车汽车工业开始发展汽车工业开始发展,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实验热辐射实验 迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实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

16、年年,物理学物理学“灿烂天空中灿烂天空中”出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:热辐射实验热辐射实验绪绪 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的光量子理论解释了光电效应的光量子理论解释了光电效应A.H.Comp

17、ton的的X射线射射线射光量子效应光量子效应绪绪 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实验迈克耳逊莫雷实验 (MichelsonMorly)所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价?1862年 麦克斯韦麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论建立统一电磁场理论 光是电磁波光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理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电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系相对于什么参考系?以太假说以太

18、假说:以太参考系以太参考系(绝对参考系绝对参考系)(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介质,充满整个空间充满整个空间)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实验结果实验结果 不存在条纹移动不存在条纹移动 (宣布实验宣布实验“失败失败”)绪绪 论论1905年 爱因斯坦爱因斯坦(A.Einstein)提出二条狭义相对论狭义相对论的基本假设:(1)光速不变原理光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2)相对性原理相对性原理:在所有惯性系中,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

19、缓时间延缓时间延缓)人类探索遥远太空的可能性人类探索遥远太空的可能性 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，可将西湖中的所有水加热到沸腾。克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。*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,布拉坦根据半导体理论布拉坦根据半导体理论,发明了锗晶体管发明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(曼哈吨计划曼哈吨计划)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