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1、中国科学技术大学中国科学技术大学_图文图文.ppt我曾对中国科技大学的同学们提出过我曾对中国科技大学的同学们提出过“三三P”：Perception，Persistence，Power 意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去奋斗，直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去奋斗，以扎实的知识力量去克服困难。以扎实的知识力量去克服困难。杨振宁杨振宁2绪绪 论论 目目 录录1、物理学与物质世界、物理学与物质世界2、物理学与科学技术、物理学与科学技术3、物理学与科学思维、物理学与科学思维4、悟物穷理、悟物穷理3 联合国大会于联合国大会于2004
2、年年6月月10日通过了日通过了2005年为年为“国际物理年国际物理年”的决议。决议全文如下：的决议。决议全文如下：联合国大会，联合国大会，承认物理学为了解自然提供了重要基础，承认物理学为了解自然提供了重要基础，注意到物理学及其应用是当今众多技术进步的基石，注意到物理学及其应用是当今众多技术进步的基石，确信物理教育提供了建设人类发展所必需的科学基础设施确信物理教育提供了建设人类发展所必需的科学基础设施的工具。的工具。意识到意识到2005年是爱因斯坦关键性科学发现一百周年，这年是爱因斯坦关键性科学发现一百周年，这些发现为现代物理学奠定了基础，些发现为现代物理学奠定了基础，1、欢迎联合国教科文组织宣
3、布、欢迎联合国教科文组织宣布2005年为国际物理年；年为国际物理年；2、邀请联合国教科文组织，与世界各国，包括发展中国、邀请联合国教科文组织，与世界各国，包括发展中国家的物理学会和团体一道，组织活动庆祝家的物理学会和团体一道，组织活动庆祝2005年国际物理年；年国际物理年；3、宣告、宣告2005年为国际物理年。年为国际物理年。联合国第联合国第58次会议决议次会议决议4一、物质世界一、物质世界 物理学的骄傲在于研究对象无所不包，大至宇宙，小至物理学的骄傲在于研究对象无所不包，大至宇宙，小至原子内部原子内部(宇观宇观、宏观宏观 、介观、微观、介观、微观)。物物理理学学是是探探讨讨物物质质结结构构和
4、和相相互互作作用用以以及及它它们们的的运运动规律的学科，是自然科学的基础。动规律的学科，是自然科学的基础。v 时间尺度时间尺度(相差相差1045)：v 空间尺度空间尺度(相差相差10451046)：v 速率范围：速率范围：1018s(150亿年亿年,宇宙年龄宇宙年龄)10-27s(硬硬 射线周期射线周期)1026 m(约约150亿光年亿光年,宇宙宇宙)1020 m(夸克夸克)b0(静止静止)-3 108 m/s(光速光速)物理学与物质世界物理学与物质世界5物质世界总图象：物质世界总图象：从整个物理学的发展中，可以看到一条鲜明的主线，这从整个物理学的发展中，可以看到一条鲜明的主线，这就是执着地追
5、求宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本、就是执着地追求宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本、最统一的规律最统一的规律.探索物质的组成探索物质的组成,物理学上对应物理学上对应粒子物理学粒子物理学(微观理论微观理论)v 人们从自己向小尺度追问人们从自己向小尺度追问 粒子物理的标准模型粒子物理的标准模型:目前，粒子物理的所有观测结目前，粒子物理的所有观测结果都可以用存在三族基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子）果都可以用存在三族基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子）和三种（或四种）基本相互作用来解释。和三种（或四种）基本相互作用来解释。v 人们从自己向大尺度追问人们从自己向大尺度追问探索宇宙的奥秘探索宇宙的
6、奥秘,物理学上对应物理学上对应天体物理学天体物理学(宇观理论宇观理论)宇宙是怎样运动的呢？宇宙有限又无边宇宙是怎样运动的呢？宇宙有限又无边!有中心？无中心？有中心？无中心？宇宙学的标准模型宇宙学的标准模型:大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学67三、物理学使人们深入认识世界三、物理学使人们深入认识世界场与粒子是统一体的两种表现形式；场与粒子是统一体的两种表现形式；场论给出最新认识场论给出最新认识,每种粒子对应一种场每种粒子对应一种场,场有不同能量状态场有不同能量状态v 物质存在的基本形式物质存在的基本形式v 物质的凝聚状态物质的凝聚状态 凝聚态凝聚态:固、液、气态、等离子体固、液、气态、等离子体 致密态致
7、密态:恒星晚年，白矮星、中子星、黑洞恒星晚年，白矮星、中子星、黑洞 v 基本基本相互作用相互作用 强相互作用强相互作用 （强度（强度1，作用距离，作用距离 ）电磁相互作用（强度电磁相互作用（强度 ，作用距离长，作用距离长）弱相互作用弱相互作用 （强度（强度 ，作用距离，作用距离 ）引力相互作用（强度引力相互作用（强度 ，作用距离长），作用距离长）8 物理学与科学技术物理学与科学技术 从物理学从物理学300多年发展的历史看，已经历了三次革命：多年发展的历史看，已经历了三次革命：17世纪牛顿力学率先发展，完成了物理学的世纪牛顿力学率先发展，完成了物理学的笫一次笫一次大综合，大综合，这是笫一次革命；
8、这是笫一次革命；笫二次笫二次是是18世纪到世纪到19世纪，把光、电、世纪，把光、电、磁三者统一起来的麦克斯韦电磁理论的建立；到磁三者统一起来的麦克斯韦电磁理论的建立；到20世纪，世纪，第三次第三次大革命则是由相对论和量子力学带动起来的。每一大革命则是由相对论和量子力学带动起来的。每一次革命物理学在观念上都产生深刻的转变。次革命物理学在观念上都产生深刻的转变。一一 物理学的发展物理学的发展 物理学的发展依赖于一种基本的信念：物质世界存在着物理学的发展依赖于一种基本的信念：物质世界存在着完整的因果链条，即自然界是统一的。自然界的运动现象是完整的因果链条，即自然界是统一的。自然界的运动现象是多种多样
9、的，物理学的责任就是寻找支配这些现象的统一的多种多样的，物理学的责任就是寻找支配这些现象的统一的力。力。9三三 发展模式：发展模式：技术物理技术技术物理技术物理技术物理物理技术物理 卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验粒子散射实验(1909)核能利用核能利用(40年代以后年代以后)量子力学费米狄拉克统计固体能带理论量子力学费米狄拉克统计固体能带理论(20年代年代)晶体管晶体管 诞生诞生(1947)集成电路集成电路(1962)大规模集成电路大规模集成电路 (70年代后期年代后期)微结构物理微结构物理实例：实例：由于物理学的发展，成为科学技术和社会发展的巨大推动力，由于物理学的发展，成为科学技术和社会发展的
10、巨大推动力，引发了三次技术革命：引发了三次技术革命：笫一次笫一次是开始于是开始于18世纪世纪60年代，主要标年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用志是蒸汽机的广泛应用,它是牛顿力学和热力学发展的结果。它是牛顿力学和热力学发展的结果。笫笫二次二次是开始于是开始于19世纪世纪70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线年代，主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。笫三次笫三次则是开始于则是开始于20世纪世纪40年代的电脑、电信革命，也叫做年代的电脑、电信革命，也叫做“数字革命数字革命”。目前正处。目前正处于笫三次工业革命的初期阶段。它则是近代物理
11、学发展的结果。于笫三次工业革命的初期阶段。它则是近代物理学发展的结果。二二 物理学发展与技术革命物理学发展与技术革命10隧道隧道效应效应经典观点经典观点量子观点量子观点 70年代罗伯特年代罗伯特.杨制成场发射显微镜。杨制成场发射显微镜。1981年年 宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜,制造制造出扫描隧道显微镜（出扫描隧道显微镜（STM），），1986年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。量子力学隧道效应扫描隧道显微镜（量子力学隧道效应扫描隧道显微镜（STM）11隧道效应及隧道显微镜（隧道效应及隧道显微镜（STM）1.隧道效应隧道效应2.扫
12、描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）粒粒子子能能穿穿透透比比其其更更高高的的势势垒垒的现象。的现象。0ax横向分辨率横向分辨率0.1nm纵向分辨率纵向分辨率0.01nm电电子子显显微微镜镜分分辨辨率率0.30.5nm扫描探针扫描探针电子云电子云样品表面样品表面12中国科学院科学家中国科学院科学家“写写”出的出的平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米操纵原子不是梦操纵原子不是梦“原子书法原子书法”13 在扫描隧道显微镜下，科学家将在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏面上，形成一个圆形围栏.14v 演绎推理演
13、绎推理 演算演算v 归纳假设归纳假设 模型模型v 估算定性和半定量估算定性和半定量直觉、想象力、直觉、想象力、洞察力洞察力一、物理学的研究方法和步骤一、物理学的研究方法和步骤 物理学与科学思维物理学与科学思维提出命题提出命题修改理论修改理论推测答案推测答案理论预言理论预言实验检验实验检验研究的步骤研究的步骤应用应用15二、物理学思维特点二、物理学思维特点 物理教学，重要的是要启发学生的思维，加强科学方法论的物理教学，重要的是要启发学生的思维，加强科学方法论的教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式，将教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式，将终生受益。终生受益。物理学思维
14、特点主要表现在：物理学思维特点主要表现在：1.敢于想像。敢于想像。要认识敢想才有物理学，不敢想就没有物理学。要认识敢想才有物理学，不敢想就没有物理学。爱因斯坦说：爱因斯坦说：“想像力比知识更重要。想像力比知识更重要。”例如，麦克斯韦的位移例如，麦克斯韦的位移电流假说，爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。电流假说，爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。一 2.善于归纳。善于归纳。物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些定律都是从实验（或观察）中归纳出来的。但这种所用的科学定律都是从实验（或观察）中归纳出来的。但这种所用的科学方法，只能是方法，只能是“不完全不完全”归纳法，而不是数学的完全归纳法。例归纳法，而不是数学的完全归纳法。例如如“势势”概念的应用。概念的应用。16