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1、?本篇共本篇共1讲讲观察、思考、交流观察、思考、交流*明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？第一章第一章 课程介绍课程介绍*了解物质世界的整体图象。了解物质世界的整体图象。第二章第二章 物质世界物质世界第一篇第一篇 绪绪 论论目的：目的：获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意识和较高的起点。的自觉意识和较高的起点。学时：学时：2 2 请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最不是让你们掌握这些知识
2、，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。的探索中来。理查德理查德.费曼费曼R.P.Feynman R.P.Feynman（19181
3、91819881988）美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者第一章第一章 课程介绍课程介绍一一 .为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？物理学物理学:研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。是一切自然科学和工程技术的基础。是一切自然科学和工程技术的基础。物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。而非公式，才是每一物理理论的开端。爱因斯坦爱因斯坦 物理学的进化物理学的进化学习目的：学习目的：1.1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。获
4、得生活、学习、工作所需的知识和技能。2.2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度 和科学方法的熏陶和培养。和科学方法的熏陶和培养。载体载体定位：定位：不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？根本原因：物理学与工程技术的关系根本原因：物理学与工程技术的关系*第一次工业革命（第一次工业革命（17171818世纪）：世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的
5、基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。生和应用。*第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪）：世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。*第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪）：世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。新材料、
6、新能源、新技术的兴起和发展。物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式*技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学）*物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学）在现代社会中主要以第二种方式进行。在现代社会中主要以第二种方式进行。例例 计算机技术、激光技术、核技术、空间技术计算机技术、激光技术、核技术、空间技术其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。究成果。电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Dirac
7、 Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释能带理论提出并得到证实，从理论上解释 了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；FermiFermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获（肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC）19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每
8、18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLICVLIC）核技术的物理基础核技术的物理基础18961896年年 Becquerel Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性19051905年年 Einstein Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得19111911年年 Rutherford Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型19251925年年 量子力学建立量子力学建立19321932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型19331933年年 发现
9、人工放射性发现人工放射性19451945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹19521952年年 实现核聚变实现核聚变氢弹氢弹19541954年年 建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）比较比较原理发现（年）原理发现（年）工业产品（年）工业产品（年）经历时间（年）经历时间（年）电动机电动机18211821188618866565真空管真空管18821882191519153333无线电无线电18871887192219223535X X光光18951895191319131818雷达雷达19351935190019005 5原子反应堆原子反应堆1
10、9391939194219423 3半导体半导体19481948195119513 3激光激光19581958196019602 2从基本原理转变为技术的速度加快从基本原理转变为技术的速度加快直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（）技术）技术皮秒（皮秒（）技术）技术超导技术超导技术.IBMIBM公司构成的铂片表公司构成的铂片表面的面的“一氧化碳人一氧化碳人”身高身高5 5纳米。纳米。物物理理学学提供科学原理提供科学原理指导技术路线的选择和技术方案的改进指导技术路线的选择和技术方案的改进培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远，层次高
11、，后劲足培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远，层次高，后劲足全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课二二.学什么？学什么？知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍普遍规律规律1.学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。整体性注意掌握知识的结构和联系注意掌握知识的结构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象避免：只见树木，不见森林。避免：只见树木，不见森林。只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。经经典典物物理理 力学（实物粒子）力学
12、（实物粒子）电磁学（场）电磁学（场）热力学热力学 统计物理（多粒子统计物理（多粒子体系）体系）相对论力相对论力学学量子力量子力学学量子统计物理量子统计物理相对论相对论 量子力学量子力学相对论相对论量子场论量子场论？物理学的基本框架物理学的基本框架分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理物理学的基本框架物理学的基本框架速率速率大小或距离大小或距离1020m105m0.01cc狭义狭义相对论相对论广义广义相对论相对论量子理论量子理论狭义相对论狭义相
13、对论量量子子理理论论牛顿物理学牛顿物理学禁区禁区禁区禁区来自来自物理学：基本概念及其与方方面面的联系物理学：基本概念及其与方方面面的联系教材结构和主线教材结构和主线上册上册下册下册多粒子体系的热多粒子体系的热运动运动基本粒基本粒子子实物的实物的 运运动规律动规律相互作用和相互作用和场场振动振动和和波动波动量子现象和量子量子现象和量子规律规律发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。互关系的变化。例例 质量质量初中：初中：循环定义？循环定义？前沿：前沿：质量究竟是什么？是如
14、何产生的？质量究竟是什么？是如何产生的？大学：大学：高中：高中：惯性质量惯性质量引力质量引力质量？例例 力力中学：以中学：以“力力”为中心。为中心。对时间积累对时间积累动量定理动量定理动量守恒动量守恒对空间积累对空间积累动能定理动能定理机械能守恒机械能守恒力矩力矩定轴转动物体的平衡定轴转动物体的平衡近代物理：以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。近代物理：以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量守恒定律动量守恒定律守恒定律动量守恒定律 角动量守恒定律角动量守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律守恒定律与自然界对守恒定律与自然界对称性的联系称性的联系
15、 物理学在物理学在2020世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去了它原来的中心地新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。位，取而代之的是自然界的对称性。（美）斯蒂芬（美）斯蒂芬 .温伯格温伯格温伯格温伯格(美）美）(1933-)(1933-)注意提高应用物理
16、知识理解、解决实际问题的能力。注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。迁移性迁移性 发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。他一定会更好地适应进步与变化
17、。阿尔伯特阿尔伯特 .爱因斯坦爱因斯坦 德裔（美）爱因斯坦德裔（美）爱因斯坦(1879-1955)(1879-1955)2.学习物理方法学习物理方法观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说类比、理想化、假说形成指导性原理形成指导性原理:*简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。*对应原理对应原理 ：新理论应包容在一定条件下被证实：新理论应包容在一定条件下被证实 是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟
18、的标志之一。是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志之一。理想化方法理想化方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体)理想实验（伽利略、牛顿理想实验（伽利略、牛顿.）理想过程理想过程 (准静态、绝热准静态、绝热)例例方法实质方法实质:简化、纯化，抓住主要矛盾，简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。摒弃次要因素。重要意义：重要意义：人类认识世界的基本策略人类认识世界的基本策略牛顿的理想实验牛顿的理想实验物理学的基本思想方法：物理学的基本思想方法：用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型。用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型。（1
19、858-1947）感觉世界感觉世界物理科学世界物理科学世界真实世界真实世界大量大量唯象定律唯象定律较高层次定较高层次定律律自然界的基自然界的基本法则本法则(中介中介)逼近逼近目标目标归纳归纳总结总结气体定律胡气体定律胡克定律克定律牛顿定律麦氏牛顿定律麦氏方程方程物理学描述的是关于实在世界的模型物理学描述的是关于实在世界的模型 我们可以把组成这个我们可以把组成这个“世界世界”的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们做的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们
20、做的就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕棋规则就是我们所说的基础物理学。奕棋规则就是我们所说的基础物理学。如果你会下棋就一定知道，学会所有的如果你会下棋就一定知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是程度更厉害然界中也是如此，只是程度更厉害除了我们还不知道全部规则之外，用已知的除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规则我们确实能解释的事物也是非常有限
21、的，因为所有的情况都极其复杂，我们不规则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言下一步将发生什么情况了。因此，能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题。我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题。费曼费曼R.P.Feynman R.P.Feynman（1918191819881988）物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。逐渐认识自然的
22、。避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，寻求发展和创新！避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，寻求发展和创新！又如：科学假说方法又如：科学假说方法牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理：现代物理：问题问题假说假说(实践实践)科学科学 （证伪）（证伪）新问题新问题新假说新假说.不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么。不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么。爱因斯坦爱因斯坦3.学习先进的科学观念，树立科学学习先进的科学观念，树立科学世界观世界观物理学中的唯物论：物理学中的唯物论：实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准实践（实验
23、）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准.物理学中的辨证法物理学中的辨证法:相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理物理学物理学“美美”的标准：简单、和谐、统一、对称。的标准：简单、和谐、统一、对称。应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物理学家去选择可帮助我们了解大应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。自然的理念。温伯格温伯格自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简单规则演变而来。自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简单规则演变而来。物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。物理上真实的东西，一定是逻辑
24、上简单的东西。爱因斯坦爱因斯坦符合物理学审美原则：符合物理学审美原则：学科的分化、交叉、整合。学科的分化、交叉、整合。人与自然的和谐发展人与自然的和谐发展新的自然观新的自然观 一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境效益，树立一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境效益，树立“整体优化整体优化”和和“可持续发展可持续发展”的价值观念。的价值观念。三三.怎样学怎样学?业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。韩愈韩愈第二章第二章 物质世界物质世界教育的实质就是克服狭隘性，教育的实质就是克服狭隘性，也就是要开阔人的眼界。也就是要开阔人的眼界。曼格曼格一一.物质世界的空间尺
25、度物质世界的空间尺度宇宙的宇宙的4242个台阶个台阶宇宙学、粒子物理的奇妙衔接宇宙学、粒子物理的奇妙衔接哈勃半径：哈勃半径：星系团：星系团：银河系：银河系：地球轨道半径：地球轨道半径：太阳半径：太阳半径：地球半径：地球半径：月球半径：月球半径：大分子：大分子：小分子：小分子：原子：原子：原子核：原子核：基本粒子：基本粒子：二二.物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度共计跨越了共计跨越了4242个数量级个数量级宇宙年龄：宇宙年龄：150 150 亿年亿年 生命的诞生：约生命的诞生：约4040亿年亿年人类：人类：300300万年（万年（10101414s s）中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：1010
26、2424s s地球年龄地球年龄:大爆炸大爆炸宇宙年龄：宇宙年龄：星系年龄：星系年龄：地球年龄：地球年龄：出现生命：出现生命：富氧大气：富氧大气：人类：人类：地球公转：地球公转：月球公转：月球公转：地球自转：地球自转：中子寿命：中子寿命：中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：50亿年亿年150亿年亿年46亿年亿年40亿年亿年3百万年百万年8亿年亿年三三.物质世界的质量尺度物质世界的质量尺度目前所测宇宙：目前所测宇宙：银河系：银河系：太阳：太阳：地球：地球：月球：月球：细菌：细菌：红血球：红血球：流感病毒：流感病毒：氧分子：氧分子：中子、质子：中子、质子：电子：电子：宇宙中物体的质量量级宇宙中物体的质量
27、量级跨跃了约跨跃了约8080个数量级个数量级四四.基本粒子家族基本粒子家族基本粒子：基本粒子：指人类迄今为止尚未发现其内部结构的指人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点点”粒子，粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。是一个不断向更深层次转移的动态概念。基本粒子基本粒子特征：特征：质量、电荷、自旋、寿命质量、电荷、自旋、寿命 要点：要点：三大家族三大家族 四种相互作用四种相互作用标准模型：标准模型：1964年年 美国盖尔曼提出，美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线年斯坦福直线 加速器中心电子加速器中心电子核子撞击实验首次验证，核子撞击实验首次验证，获当年诺贝尔物理奖。获当年诺贝尔物理奖。（19
28、29）1.1.规范粒子（场粒子，传递相互作用，共规范粒子（场粒子，传递相互作用，共1313种）种）三大家三大家族族名称名称符号符号静质量静质量（MeVMeV）电荷电荷（e e）自旋自旋寿寿 命（命（s s）传递的传递的相互作用相互作用光子光子0 00 01 1电磁电磁中间中间玻色子玻色子1 11 1弱弱胶子胶子（8 8种）种）0 00 01 1强强引力子引力子?0 00 02 2引力引力玻色子玻色子根据范德米尔与鲁比亚根据范德米尔与鲁比亚“随机冷却随机冷却”设设想制造的高能加速器于想制造的高能加速器于19841984年年 1 1月发现了月发现了规范场粒子规范场粒子WW和和ZZ粒子。其性质最终粒
29、子。其性质最终确定了弱电统一理论的正确性。二人于确定了弱电统一理论的正确性。二人于19841984年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。范德米尔范德米尔(1925(1925)荷兰物理学家荷兰物理学家鲁比亚鲁比亚(1934(1934)(意意)物理学家物理学家 格拉肖格拉肖(美美19321932)萨拉姆萨拉姆(巴基斯坦巴基斯坦192619261996)1996)温伯格温伯格(美美19331933)因为弱电相互作用理论和预言弱因为弱电相互作用理论和预言弱中性流获中性流获19791979年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。历史之旅历史之旅2.2.轻子：共轻子：共3 3代代1212种种 三大家三大家族族名称名
30、称符号符号静质量静质量（MeVMeV）电荷电荷（e e）自旋自旋寿寿 命（命（s s）代代电子电子电子中微子电子中微子一一0.510.510 0-1-1 子子 子中微子子中微子二二1061060 0-1-1 子子 子中微子子中微子三三*1776.9*1776.90 0-1-1费米子费米子*：北京正负电子对撞机测量结果：北京正负电子对撞机测量结果北京正负电子对撞机（北京正负电子对撞机（BEPCBEPC）的正电子源）的正电子源19881988年建成，年建成，19921992年成果：将年成果：将 子质量测量精度提高子质量测量精度提高1010倍倍20032003年：发现新粒子年：发现新粒子200420
31、04年：国家投入年：国家投入6.46.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台反粒子的发现反粒子的发现19301930年狄拉克预言其存在；年狄拉克预言其存在；19321932年安德森在宇宙射线实验中发现正电子。年安德森在宇宙射线实验中发现正电子。（19051991）（19021984）19311931年安德森用过的云室和磁铁年安德森用过的云室和磁铁历史之旅历史之旅粒子从何方穿入？粒子从何方穿入？粒子带何种电荷？粒子带何种电荷？由径迹算出荷质比与电子相同。由径迹算出荷质比与电子相同。铅板铅板19991999年年6 6月月3 3日，美国肯尼迪航天中心日，美国肯尼迪航天中心“发
32、现者发现者”号航天飞机搭载中国科学家参加研制号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪（的阿尔法磁谱仪（AMSAMS）升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质）升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质 （反碳核和反氦核）（反碳核和反氦核）中微子之谜中微子之谜19301930年泡利为解释年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设：衰变中能量不守恒，提出假设：19331933年费米建立弱作用理论。年费米建立弱作用理论。19421942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。19561956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995
33、1995年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。19991999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。20022002年美国雷蒙德年美国雷蒙德.戴维斯，日本小柴昌俊获诺贝尔物理奖，表彰他们在探测宇宙中微子，戴维斯，日本小柴昌俊获诺贝尔物理奖，表彰他们在探测宇宙中微子，开创中微子天文学方面取得的成就。开创中微子天文学方面取得的成就。尚存许多未解之谜，应用前景广阔尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，中微子通讯，探测星球内部信息（地球断层扫描，中微子通讯，探测星球内部信息 ）历史之旅历史之旅3.3.夸克夸克:3:3代、代、6 6味、每味味、每味3 3色，
34、共色，共3636种种三大家三大家族族名名 称称符号符号静质量静质量（MeVMeV）电荷电荷（e e）自旋自旋代代一一上夸克上夸克下夸克下夸克u ud d-300-300-300-300二二粲夸克粲夸克奇异夸克奇异夸克c cs s-500-500-1500-1500三三顶夸克顶夸克底夸克底夸克t tb b-180000-180000-5000-5000费米子费米子19641964年年 盖尔曼：盖尔曼：19741974年年 丁肇中：丁肇中：19771977年年 莱德曼：莱德曼：19951995年年 费米实验室：费米实验室：（粲夸克）（粲夸克）（底夸克）（底夸克）（顶夸克）（顶夸克）（上、下、奇异夸
35、克）（上、下、奇异夸克）历史之旅历史之旅强子（核子、介子）的夸克模型强子（核子、介子）的夸克模型名称名称符号符号符号符号组成组成组成组成名称名称质子质子中子中子反质子反质子正正 介子介子正正K K介子介子J/J/介子介子p pn nJ/J/特点：分数电荷特点：分数电荷 1977年超导铌球实验年超导铌球实验 渐近自由渐近自由 红外奴役红外奴役 色禁闭色禁闭（找不到自由（找不到自由夸克夸克）duuduuduuuduuu基本粒基本粒子子规范粒子规范粒子1313种种轻子轻子1212种种夸克夸克3636种种玻色子（引力子？）玻色子（引力子？）费米子费米子希格斯粒子（？）希格斯粒子（？）6262种种 小结
36、：基本粒子的三大家族小结：基本粒子的三大家族五五.物质存在的基本形式物质存在的基本形式实物和场实物和场轻子轻子夸克夸克实物实物规范粒子规范粒子场场物质结构层次物质结构层次实物实物分子分子原子原子原子核原子核质子质子夸克夸克电子（轻子）电子（轻子）规范粒子规范粒子场场中子中子物质结构层次物质结构层次实物和场实物和场实物：具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。实物：具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。宏观客体（宏观客体（）服从因果律）服从因果律微观客体（微观客体（）服从统计规律）服从统计规律介观客体介观客体 （10108 810101111个原子，亚微米尺寸器件）个原子，亚微米尺寸器件）一定
37、条件下出现量子效应一定条件下出现量子效应场场:无静止质量无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。不具有不可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。*实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物可以相互转化实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物可以相互转化*现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。真空：所有的场处于基态，表现为没有粒子；真空：所有的场处于基态，表现为没有粒子；粒子：相关的场处于激发态。粒子：相关的场处于激发态。中子衰变：中子衰变：六六.四种基
38、本相互作用四种基本相互作用所有粒子所有粒子大多数粒子大多数粒子带电粒子带电粒子强子强子引力子？引力子？中间玻色子中间玻色子光子光子胶子胶子1 1种类种类引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力强力作用对象作用对象作用距离作用距离(cm)(cm)相对强度相对强度传递作用的传递作用的基本粒子基本粒子（101013 13 cmcm处）处）迄今为止，人类了解得最早的是引力迄今为止，人类了解得最早的是引力,了解得最晚的是强力；了解得最少的是引力，了解了解得最晚的是强力；了解得最少的是引力，了解得最多的是电磁力。想想其中的原因！得最多的是电磁力。想想其中的原因！物理理论的发展趋向统一物理理论的发展趋向统一天体引力
39、天体引力地球引力地球引力牛顿牛顿 爱因斯坦爱因斯坦经典力学经典力学 相对论力学相对论力学电电磁磁光光弱力弱力强力强力麦克斯韦麦克斯韦电动力学电动力学格拉肖格拉肖 萨拉姆萨拉姆 温泊格温泊格规范场弱电统一理论规范场弱电统一理论设想的大统设想的大统一理论一理论设想的超设想的超对称大统对称大统一理论一理论杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获1957年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理奖的华裔物理学家获诺贝尔物理奖的华裔物理学家获诺贝尔物理奖的华裔物理学家获诺贝尔物理奖的华裔物理学家丁肇中：丁肇中：由于发现由于发现J粒子，获粒子，获1976年诺贝尔物理学奖。
40、年诺贝尔物理学奖。朱棣文：朱棣文：由于激光冷却和捕获原由于激光冷却和捕获原子的研究获子的研究获1997年诺贝年诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。崔琦：崔琦：由于在分数量子霍尔效应由于在分数量子霍尔效应量子现象的研究获量子现象的研究获1998年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。推荐书目推荐书目1.1.霍金霍金.时间简史时间简史.湖南科技出版社湖南科技出版社.1992.19922.2.赵鑫珊赵鑫珊.普朗克之魂普朗克之魂.四川人民出版社四川人民出版社.1992 .1992 3.R.3.R.费曼费曼.别闹了，费曼先生别闹了，费曼先生.三联书店三联书店.1997.1997自学：自学：教材教材p356 p356 附录附录B B 矢量简介矢量简介