物理学与技术革命精品文稿.ppt

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1、物理学与技术革命第1页，本讲稿共42页自我介绍v 硕士、讲师，毕业于上海华东师范大学信息学院，任教以来承担过普通物理、电动力学、电磁场与电磁波、数字电路、电路分析、线性代数、计算机文化基础、自然辩证法、科技史等课程及实验的教学，长期从事物理电子与信息技术的教育教学工作和科学普及工作，同时还从事学院学生管理和教学管理工作，担任班主任和学院电子教研室主任的职务。v 希望在今天一天的交流中，大家相互学习、相互进步、共同提高！第2页，本讲稿共42页第3页，本讲稿共42页导言v 物理学作为20世纪的领头学科，由经典走向现代，由宏观到微观，已步入一个崭新的发展阶段。v 20世纪物理学上的两大重要成果是狭义

2、相对论(爱因斯坦)和量子力学(普朗克)。v 20世纪物理学的成就表明，物理学已成为一切自然科学的基础。第4页，本讲稿共42页导言物理学对社会的重要性 第23届国际纯粹物理与应用物理联合会代表大会决议 v 物理学是人类文明的第一推动力。物理使人明智，使科学时代的人们变得深思熟虑，深谋远虑。第5页，本讲稿共42页 2005物理年，爱因斯坦逝世50周年，相对论发表100周年。各国举行各种活动，以使人们更加关注物理学的发展。v设计了一个丰富多彩的2005世界物理学年（WYP）图案.人们对这个图案有许多创造性的解释：四种彩色光，一个焦距，平方反比定律，光锥体，透镜的光折射，弯曲了的时空，等等.国际范围内

3、的2005世界物理学年（WYP）一系列重 大 庆 祝 活 动 将 从2004.10.开 始，并 且 在2006.2.达到高潮，历时将超过500天.第6页，本讲稿共42页一、物理探源 研究物质世界组成、运动、变化的最普遍、最基本规律的科学 物质组成、相互作用 自然界的性质、变化规律、自然现象一个基本难题：什么是物质？学科定义 第7页，本讲稿共42页一、物理探源“一片飞花减却春，风飘万点正愁人；且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇；江上小堂巢翡翠，花边高冢卧麒麟；细推物理须行乐，何用浮名绊此身。”第8页，本讲稿共42页空间尺度：跨越42个数量级时间尺度：跨越43个数量级 宇宙学和粒子物理学，奇妙地衔接在

4、一起，结成密不可分的姊妹科学，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴。尺度划分 介观 微观 宏观 宇观（量子效应）（原子、分子）（物质连续）（宇宙连续）第9页，本讲稿共42页源 重子.介子 电荷 轻.介.重子 物质作用 强 电磁 弱 引力场量子(胶子)光子 W+-Z0引力子相对强度 1 10210-1010-121039范围cm 1013 1015例 核力 原子衰变星体.宇宙物质的四种基本相互作用第10页，本讲稿共42页二、物理学与第一次工业革命从1543年，哥白尼提出了日心说到开普勒从弟谷布拉赫大量的精确天文观测资料中，总结出了行星运动三定律。伽利略为捍卫、发展和传播哥白尼学说做出了艰苦卓绝的努力。1、

5、产业革命的物理学奠基第11页，本讲稿共42页伽利略像第12页，本讲稿共42页v1687年，牛顿自然哲学的数学原理发表，标志经典物理学的诞生v经典物理学一诞生便推动了第一次工业革命，带给人类第一次物质文明的飞跃。二、物理学与第一次工业革命第13页，本讲稿共42页原理建立了经典力学的理论体系，提出了运动三定律和万有引力定律，揭示了行星绕太阳运动的根本原因，完成了物理学发展史上的第一次大综合。因此，达朗贝尔认为牛顿将数学、实验以及观察统一起来，创造了一门真正的新科学。第14页，本讲稿共42页牛顿像第15页，本讲稿共42页自然哲学的数学原理最早版本第16页，本讲稿共42页v 著名物理学家爱因斯坦（Al

6、bert Einstein,18791955）在1927年3月纪念牛顿逝世200周年时写了一篇牛顿力学及其对理论物理发展的影响的文章。文章说牛顿是“在他以前和以后，都还没有人能像他那样决定着西方的思想、研究和实践的方向。他不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且他在善于运用他那时的经验材料上也是独特的，同时他还对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能。由于这些理由，他应当受到我们的最深挚的尊敬。可是，牛顿之所以成为这样的人物，还有比他的天才所许可的更为重要的东西，那就是因为命运使他处在人类理智的历史转折点上。”“牛顿的成就的重要性，并不限于为实际的力学科学创造了一个可用的和逻辑上

7、令人满意的基础；而且直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每一个工作者的纲领。”二、物理学与第一次工业革命第17页，本讲稿共42页第一次工业革命是刚取得统治地位的英国资产阶级进行的一次生产方式的革命。它开始于17世纪，高潮在18世纪，发展在19世纪。这场革命的标志是蒸汽机的使用。2、第一次工业革命第18页，本讲稿共42页u17世纪，英国的资本主义大发展遇到了三大难题(采矿、武器的研制、航海);u当时，物理学家都踊跃地参与了相关的发明创造，有效地解决了上述难题，其中最著名的有牛顿、哈雷、惠更斯、胡克、雷恩、波义耳、马略特、托利拆利等。u物理学(力学和热学)是第一次工业革命的理论基础和工作指南。

8、第19页，本讲稿共42页第一次工业革命使人类进入机械化时代，极大地提高了劳动生产率。瓦特的成功使蒸汽机在国民经济各个领域得到了广泛的应用。蒸汽机在100年其所创造的生产力，比过去一切世代创造的全部生产力还要多、还要大。从18世纪末到19世纪，为提高蒸汽机和金属冶炼的热效率，为解决工业、交通和军事上的若干技术问题，反过来有力地推动了物理学的研究 第20页，本讲稿共42页E对第一次工业革命西方一些历史学家是这样评价的:“一场史无前例的影响深远的革命改变了英国的面貌。从那以后，世界也变了样。没有一场革命具有像工业革命那样显著的革命性也许除新石器时代的革命之外。新石器时代的革命使人类从狩猎的原始部落分

9、散的聚居状态，进入了在不同程度上相互依存的农业社会。而工业革命使人类从农夫、牧羊人变成了由非生命的能量驱驶的机器的驾驭者。”第21页，本讲稿共42页三、物理学与第二次产业革命19世纪末到20世纪末，以量子力学和相对论(以及电磁理论)为支柱的近代物理学推动了第二次科学和技术的大发展。为人类带来第二次物质文明的大飞跃20世纪物质文明的大飞跃第22页，本讲稿共42页历史上第一个对电磁现象进行系统研究的是英国的吉尔伯特。他于1600年出版了磁铁一书，其结论是:电和磁是两种截然不同的东西。18世纪80年代，富兰克林以著名的风筝实验证明了天上的雷电与地上的电荷相同。他定义了正负电荷，提出了电荷守恒定律。1

10、784年，库仑发明了扭秤。次年，他用扭秤实验得出了静电作用的平方反比定律。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，首次揭开了磁电统一的神秘面纱。1、早期电现象研究第23页，本讲稿共42页2、统一电磁理论的发展过程 安培对此作了深入研究，提出了电流间相互作用的安培定律，为电动力学的创立做了开创性的工作。经10年的努力，法拉第终于在1831年发现了电磁感应现象，找到了磁生电的规律。为了解释电磁现象，法拉第还提出了力线，即“场”的概念。从1861年起，麦克斯韦对法拉第的“力线”进行数学化，于1873年建立了经典电磁理论麦克斯韦方程组。其中，麦克斯韦提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，预言了电磁波的存

11、在，并从理论上证明了光是一种电磁波。10年后，德国的赫兹用实验证明了电磁波的存在，还证明了电磁波具有反射、折射、干涉、衍射等现象，实现了物理学的大综合，即电、磁、光的综合。第24页，本讲稿共42页法拉第Michael Farady1791-1867第25页，本讲稿共42页麦克斯韦James Maxwell1831-1879第26页，本讲稿共42页3、电磁学理论推动了社会的进步，使人类社会从机械化跃进为电气化。发电机和电动机的发明，实现了机械能、热能、光能(后来还有原子能)和电能间的相互转化，形成了二次能源。由于电能的转换和使用方便快捷，人类对能源的利用上了一个新的台阶。远距离输电技术的问世，使

12、能源的使用地可远离它的产生地。1879年，爱迪生发明了电灯，使夜晚变成白昼，延长了人们的生产生活时间。1895年，电影问世;1898年，发明了磁带录音和放音机。这些发明丰富了人们的精神生活。同时，电能清洁卫生无污染，大大改善了人们的生活质量。在电磁理论的基础上各种电器、电机相继发明，有力地促进了技术的进步，从而极大地提高了劳动生产率。第27页，本讲稿共42页4、电气时代的工业化进程t 发电机和电动机的发明，实现了机械能、热能、光能(后来还有原子能)和电能间的相互转化，形成了二次能源。t 由于电能的转换和使用方便快捷，人类对能源的利用上了一个新的台阶。远距离输电技术的问世，使能源的使用地可远离它

13、的产生地。t 1879年，爱迪生发明了电灯，使夜晚变成白昼，延长了人们的生产生活时间。1895年，电影问世;1898年，发明了磁带录音和放音机。这些发明丰富了人们的精神生活。t 同时，电能清洁卫生无污染，大大改善了人们的生活质量。在电磁理论的基础上各种电器、电机相继发明，有力地促进了技术的进步，从而极大地提高了劳动生产率。第28页，本讲稿共42页5、电气时代的物理学标签O此前物理学家自身的结构主要是：物理学家+数学家+哲学家；O电气化时代，出现了物理学家+工程师+企业家这类新型科学家；O其中最著名的有爱迪生、贝尔和西门子。第29页，本讲稿共42页西门子Werner von Siemens 18

14、26-1901第30页，本讲稿共42页爱迪生Thomas Edison1847-1931第31页，本讲稿共42页6、信息化时代的第一步有线和无线通讯l 1835年，美国出现了第一台实用电报机。l 1849年，西门子敷设了第一条长距离大陆电报线。l 1854年，W汤姆生发明潜水电报，并提出了海底电缆信号传递衰减的理论，解决了敷设海底电缆的重大理论问题。l 1876年，贝尔发明了世界上第一部电话。1881年，特斯拉发明电话增音机。从此，电话成为人们重要的信息传递工具。l 1895年，俄国的波波夫发明了无线电收发报机，但受到冷遇。同年，意大利的马可尼成功地进行了电磁波通讯试验，并获无线电报专利。19

15、01年，他首先在大西洋两岸实现远距离无线电信号的传送。第32页，本讲稿共42页三、第三次技术革命高科技时代“经典物理学”和“近代物理学”已经分别为人类带来了两次物质文明的大飞跃。人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物相对论和量子力学。第33页，本讲稿共42页1、经典物理的两大灾难p19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。p该世纪末的迈克尔孙-莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”;p而电子、X射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。第34页，本讲稿共42页l1905年，爱

16、因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。l在此基础上，他又得到了质能相当的推论E=mc2，这预示了原子能利用的可能。l19131916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。l他预言，光线从太阳旁边通过时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代天文学的新纪元。狭义相对论第35页，本讲稿共42页量子力学的诞生v1900年，普朗克为驱散第二朵

17、“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。v1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效应”。同年，他把量子概念用于点阵振动来解释固体比热。v1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。第36页，本讲稿共42页量子力学的发展v1923年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意；v1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等；v1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔；v同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。v量子力

18、学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的高潮。第37页，本讲稿共42页2、量子力学的发展v量子力学是20世纪物理学革命的高潮。v量子力学对人类文明产生了深远的影响。v量子力学是信息技术的源泉，是信息技术的原创理论基础;v信息技术是量子力学理论的技术应用和技术开发。第38页，本讲稿共42页3、现代技术革命的进程1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论。1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属半导体接

19、触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属半导体接触整流作用的“扩散理论”。能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联、逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。第39页，本讲稿共42页1959年，德克萨斯仪器公司首先建成世界上第一条集成电路生产线，并于1962年生产出了世界上第一块集成电路正式产品。大规模集成电路的出现，是以电子元件为主的电子技术的又一次重大突破。80年代后期开始，集成电路技术步入1微米和亚微米时代，真正实现了微型化。以集成电路为核心的微电子技术发展极大地促进了现代通信技术、微电子技术、计算机技术、光导技术

20、、人工智能技术等许多领域技术的进步发展，从而开创了以上述技术为基础的现代信息技术，并以迅猛的速度发展着。第40页，本讲稿共42页 物理学是当代高新技术的源泉。表面上这些高新技术群体是具有以信息技术为先导，以生物技术、空间与航天技术、激光技术、新材料技术、海洋技术、自动化技术、以及新能源等技术为内涵的形式，本质上这些技术无一不与物理学密切关联或本身就是应用物理学。物理学是无处不在的科学。现代社会中的各个领域，包括衣食住行和所见所闻，无处不充满着物理学的概念、物理学的知识、以及物理学的应用。物理学是新学科和新技术的源动力。近年来出现的众多物理学新学科，如量子电动力学、非线性光学、现代声学等等，不仅丰富了物理学的内涵，也为其他学科的发展提供了新方向。4、物理学与新技术革命第41页，本讲稿共42页四、中学物理教师与物理学前沿1 中学物理教师应更新教育思想,树立全新的教育理念；2 中学物理教师应补充新知识,提高自身的文化素养；3 中学物理教师应掌握现代教育技术,改进物理教学方法；4 中学物理教师应积极参与物理教育科学研究。第42页，本讲稿共42页