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文檔簡(jiǎn)介
大學(xué)物理總結(jié)11/38經(jīng)過一年大學(xué)物理學(xué)習(xí),▲
科學(xué)和生產(chǎn)▲
理論和試驗(yàn)▲
相對(duì)和絕對(duì)▲
繼承和創(chuàng)新總結(jié)以下四個(gè)關(guān)系:22/38一.科學(xué)和生產(chǎn)
1.物理學(xué)三次大突破造成了生產(chǎn)力大飛躍(l)熱學(xué)、熱力學(xué)研究(19世紀(jì)下半葉)
蒸汽機(jī)創(chuàng)造和廣泛應(yīng)用
——第一次工業(yè)革命(工業(yè)機(jī)械化)
(2)電磁感應(yīng)研究,電磁學(xué)理論建立(19世紀(jì)中葉)
發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造,無線電通訊發(fā)展
第二次工業(yè)革命(工業(yè)電氣化)
33/38為近代物理發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ),使物理學(xué)進(jìn)入高速、微觀世界,促進(jìn)了:
核物理研究和發(fā)展
核能釋放和利用
原子分子物理研究和發(fā)展
激光創(chuàng)造和應(yīng)用
半導(dǎo)體、固體物理、材料科學(xué)研究和發(fā)展
晶體管、大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)創(chuàng)造和應(yīng)用
第三次技術(shù)革命(信息化)(3)相對(duì)論、量子力學(xué)建立(1900
1930)44/38物理學(xué)突破會(huì)造成新技術(shù)創(chuàng)造和發(fā)展,深入就造成了生產(chǎn)大飛躍。這些事實(shí)充分說明了:“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”
鄧小平“沒有今天基礎(chǔ)科學(xué)就沒有明天科技應(yīng)用”
李政道55/38(4)物理學(xué)現(xiàn)在正處于第四次重大突破前夜20世紀(jì)末,李政道先生指出,物理學(xué)晴朗天空中也有兩朵烏云:
對(duì)稱性丟失
夸克禁閉物理學(xué)最基本規(guī)律中存在這兩大疑難,預(yù)示著新有重大意義物理規(guī)律誕生。66/38
大型強(qiáng)子對(duì)機(jī)(LHC)8+8TeV(西歐核研究中心CERN)
相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)100GeV/每個(gè)核子(美國(guó))它們運(yùn)行有可能造成重大發(fā)覺,造成物理學(xué)新重大突破。1991年4月,錢三強(qiáng)、周光召等十八位物理學(xué)家上書我國(guó)相關(guān)部門,提議組織科學(xué)界抓住機(jī)遇,做好準(zhǔn)備,迎接這新突破。當(dāng)前正在興建或即將興建一些用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究世界級(jí)巨大科學(xué)工程,如:77/38
2.生產(chǎn)需要是推進(jìn)物理學(xué)發(fā)展根本動(dòng)力
(1)生產(chǎn)需要推進(jìn)了物理學(xué)研究
要提升蒸汽機(jī)效率
研究熱學(xué)、卡諾循環(huán),發(fā)展了熱力學(xué)。
德國(guó)要發(fā)展煉鋼業(yè)
研究熱輻射規(guī)律,造成量子論建立。
利用核能開發(fā)聚變能
促進(jìn)了核物理、等離子體物理、輻射物理研究。88/38
(2)生產(chǎn)為物理學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了物質(zhì)技術(shù)條件在孔夫子時(shí)代不可能創(chuàng)造飛機(jī),也不會(huì)產(chǎn)生量子力學(xué)。在近代,因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到科學(xué)對(duì)生產(chǎn)發(fā)展主要作用,從總體來看,物理學(xué)研究是超前于技術(shù)和生產(chǎn),但其發(fā)展離不開當(dāng)初生產(chǎn)技術(shù)水平。
促進(jìn)了材料科學(xué)、表面物理、人工微結(jié)構(gòu)物理等研究。
大規(guī)模集成電路99/38二.理論和試驗(yàn)
1.試驗(yàn)
(l)試驗(yàn)是理論基礎(chǔ),理論正確是否最終要接收試驗(yàn)檢驗(yàn),如:
光電效應(yīng)試驗(yàn)
光子概念和理論—密立根試驗(yàn)、康普頓散射試驗(yàn)使光子概念和理論得到確認(rèn)。
—
疑難→弱作用宇稱不守恒理論—吳健雄等人試驗(yàn)證實(shí)了這一理論。1010/38如:實(shí)物粒子波動(dòng)性是由光粒子性引伸而來,又要電子衍射試驗(yàn)證實(shí)。歷史上提出過很多理論,只要和正確試驗(yàn)結(jié)果不一致就不能成立。如:M
M試驗(yàn)“零結(jié)果”否定了以太存在?!耙粋€(gè)矛盾試驗(yàn)結(jié)果就足以推翻一個(gè)理論”
愛因斯坦有理論不是以直接試驗(yàn)為基礎(chǔ),而是從其它理論引伸出來,但原來理論有其試驗(yàn)基礎(chǔ),新理論也要經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)才能成立。1111/38按理論和試驗(yàn)分布以下:獲獎(jiǎng)?lì)愋晚?xiàng)目人數(shù)試驗(yàn)83114理論3346試驗(yàn)+理論46得獎(jiǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目和人數(shù)大致占總數(shù)三分之二。(2)從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)看試驗(yàn)在近代物剪發(fā)展中所起作用1901
年共發(fā)獎(jiǎng)96次(1916,1931,1934,1940
1942未發(fā)獎(jiǎng)),得獎(jiǎng)項(xiàng)目120項(xiàng),得獎(jiǎng)人數(shù)166人。1212/38→格拉肖、
溫伯格、薩拉姆1979年得獎(jiǎng)
很多理論項(xiàng)目標(biāo)得獎(jiǎng)都是在判定性試驗(yàn)結(jié)果得出后很快才授予。如:這表明:“試驗(yàn)是最有力杠桿,我們能夠利用這個(gè)杠桿去撬開自然界秘密。在處理某一假說是保留還是摒棄這么一個(gè)問題時(shí),這個(gè)杠桿應(yīng)該成為‘最高一級(jí)審理法院’”
倫琴電子衍射試驗(yàn)(1927)→德布洛意1929年得獎(jiǎng)吳健雄試驗(yàn)(1957年初)→李政道、揚(yáng)振寧1957年得獎(jiǎng)中性流試驗(yàn)(1973
1978)1313/38
2.理論(1)理論是試驗(yàn)規(guī)律總結(jié)、提升和發(fā)展,能更深入反應(yīng)事物本質(zhì),往往含有普遍性。主要理論建立把物理學(xué)推進(jìn)到新高度。如:
光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律(現(xiàn)象)→光量子理論(本質(zhì))
里德伯光譜公式→玻爾理論(原子能量量子化)(2)在理論建立或發(fā)展一定階段,它本身內(nèi)部矛盾和邏輯發(fā)展也會(huì)造成新理論建立。1414/38
狹義相對(duì)論(物理規(guī)律對(duì)一切慣性系含有不變性)
對(duì)非慣性系是否含有不變性?
廣義相對(duì)論建立。
光二象性
是否一切微觀粒子都有二象性?
物質(zhì)波假說
物質(zhì)波是否可用波動(dòng)理論來描述?
薛定格方程建立。
電弱統(tǒng)一理論
四種相互作用是否都能統(tǒng)一?
超大統(tǒng)一理論研究。1515/38(3)理論對(duì)試驗(yàn)研究有主要指導(dǎo)作用
戴維孫—革末試驗(yàn)
知道物質(zhì)波理論后才自覺地進(jìn)行
邁克耳孫
莫雷試驗(yàn)
瑞利、開爾文催促,洛侖茲提出改進(jìn)意見當(dāng)代試驗(yàn):
使用大型精密儀器
設(shè)計(jì)制造專用裝置
花費(fèi)大量人力物力
1616/38必須有明確物理目標(biāo)和學(xué)術(shù)意義才能開展起來并堅(jiān)持下去,這就離不開理論指導(dǎo)。理論和試驗(yàn)關(guān)系可用李政道教授提出“物理學(xué)家定律”作為一個(gè)很好總結(jié):“沒有試驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向;沒有理論家,試驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。”1717/38三.相對(duì)和絕對(duì)
1.物理定理、定律、理論反應(yīng)了客觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律,含有穩(wěn)定性、可重現(xiàn)性
含有絕對(duì)真理成份。
2.定理、定律、理論又含有近似性,只在一定范圍內(nèi)才正確,因?yàn)椋海?)客觀世界本身是不停發(fā)展改變,人認(rèn)識(shí)永遠(yuǎn)沒有完結(jié)。1818/381)任何試驗(yàn)都不能絕對(duì)準(zhǔn)確,測(cè)量都有誤差。2)不可能搞清楚每一現(xiàn)象和別現(xiàn)象之間全部聯(lián)絡(luò)。
所以,不能把任何物理理論看成無條件、永恒東西加以絕對(duì)化!
比如:
相對(duì)論和量子力學(xué)發(fā)展表明,經(jīng)典物理很多規(guī)律在高速、微觀世界都不適用。(2)人認(rèn)識(shí)水平受到歷史條件限制。1919/38
通常人們認(rèn)為:光子靜止質(zhì)量為零實(shí)際測(cè)量結(jié)果是:
m
10-60g電子是穩(wěn)定不變
3
1023y質(zhì)子是穩(wěn)定不變
1
1032y中微子靜止質(zhì)量為零
m
10-2eV
經(jīng)典物理規(guī)律并不都有完美試驗(yàn)驗(yàn)證萬有引力定律只在<10cm距離有扭稱試驗(yàn)證實(shí),距地面10公里以上有些人造地球衛(wèi)星運(yùn)行證實(shí),在中間距離過去并沒有試驗(yàn)證實(shí),近年來發(fā)覺確有偏差,并歸結(jié)為存在第五種力。2020/38
經(jīng)典物理也有發(fā)展比如:過去認(rèn)為牛頓力學(xué)是決定論典范,
歷史經(jīng)驗(yàn)表明,理論和試驗(yàn)之間非常小不一致就能夠造成重大突破。比如:宇稱守恒定律檢驗(yàn)p+F19
Ne20(1+)
O16+He4不守恒程度
3×10--13
弱作用宇稱可能不守恒。但混沌研究表明,它含有內(nèi)在隨機(jī)性。2121/38所以,不能盲目地相信物理定律或理論普遍適用性,要從理論和試驗(yàn)結(jié)果差異當(dāng)中去探索新天地。
當(dāng)前試驗(yàn)技術(shù)水平:
單個(gè)微觀粒子能量轉(zhuǎn)移(最大)
1TeV最高能量分辯率
E/E
10-16能直接測(cè)量最短時(shí)間
10-16sec最小空間分辨
3.9×10-19m很多物理規(guī)律、結(jié)論就是在這種試驗(yàn)技術(shù)水平下(或者比這差得多水平下)得到。2222/38比如認(rèn)為電子無內(nèi)部結(jié)構(gòu),能夠看成點(diǎn)粒子,所以,必須重視物理規(guī)律近似性,注意它適用范圍。不能把現(xiàn)在得到物理定律、結(jié)論看成是永恒不變、絕對(duì)正確。要注意存在矛盾,勇于突破,進(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)際上這只是在3.9×10-19m空間分辨能力下,沒有發(fā)覺電子含有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。空間分辨能力進(jìn)一步提升后,很可能會(huì)發(fā)覺電子有結(jié)構(gòu)。2323/38四.繼承和創(chuàng)新
有繼承才有創(chuàng)新,有創(chuàng)新才有發(fā)展。
1.繼承重大理論創(chuàng)建都是在繼承和總結(jié)前人結(jié)果基礎(chǔ)上加以發(fā)展才完成。
沒有繼承就不會(huì)有發(fā)展和創(chuàng)新。
▲比如,牛頓完成了經(jīng)典力學(xué)體系建立,他繼承了很多前人工作。2424/38
在牛頓以前
伽利略慣性原理
牛頓
推廣總結(jié)出第一定律
伽利略對(duì)自由落體規(guī)律研究,提出加速度概念
笛卡爾、惠更斯對(duì)碰撞問題研究
第谷天文觀察、開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律、胡克、惠更斯、哈雷關(guān)于重力、引力研究
定義了質(zhì)量、力,總結(jié)出第二定律
總結(jié)出第三定律
提出萬有引力定律2525/38▲
又如,電磁理論創(chuàng)建:
庫(kù)侖定律
高斯定律
奧斯特(電流磁效應(yīng))
安培環(huán)路定理
法拉第(電磁感應(yīng),力線概念,場(chǎng)概念)
麥克斯韋在總結(jié)以上結(jié)果基礎(chǔ)上,提出“位移電流”和“渦旋電場(chǎng)”概念,建立了麥克斯韋方程組。2626/38▲再如,愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對(duì)論:
伽利略相對(duì)性原理
邁克耳孫—莫雷試驗(yàn)
洛侖茲提出尺度收縮假說
彭加勒提出以太可能不存在,
在上述原理、假說、試驗(yàn)基礎(chǔ)上,愛因斯坦提出相對(duì)性原理和光速不變?cè)?,建立了狹義相對(duì)論。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)上觀察不到。2727/38正如牛頓所說:“假如說我比笛卡爾看得更遠(yuǎn),那是因?yàn)槲沂钦驹诰奕藗兗绨蛏稀彼?,要把科學(xué)發(fā)展看成是集體貢獻(xiàn),應(yīng)該把著名科學(xué)家看作是成百上千無名科學(xué)家代表。2828/38誰最有創(chuàng)新精神,誰勇于突破舊觀念、舊理論束縛,誰就能率先做出重大貢獻(xiàn),
愛因斯坦創(chuàng)建相對(duì)論時(shí)是這么,
李、楊提出弱作用宇稱不守恒時(shí)也是這么。當(dāng)科學(xué)本身矛盾已經(jīng)成熟甚至剛才顯露時(shí),科學(xué)研究貴在創(chuàng)新,創(chuàng)新是科學(xué)研究靈魂,2.創(chuàng)新對(duì)基礎(chǔ)研究來說更是這么。2929/38
(1)要有創(chuàng)新意識(shí)
不墨守成規(guī),不人云亦云??傁胩剿餍侣窂?,提出新觀念,嘗試新方法,導(dǎo)出新結(jié)論。
沒有想到創(chuàng)新人決不會(huì)有新創(chuàng)造。
創(chuàng)新精神三個(gè)要素:3030/38
不怕名人權(quán)威。在新事實(shí)面前
勇于懷疑舊理論,提出新問題。(2)要有創(chuàng)新勇氣“進(jìn)步道路上絆腳石是,也一向是,不允許懷疑傳統(tǒng)”
吳健雄3131/38
愛因斯坦、英菲爾德《物理學(xué)進(jìn)化》“提出一個(gè)問題往往比處理一個(gè)問題更主要,提出問題是對(duì)舊理論、舊觀念懷疑和探討,是建立新觀念起點(diǎn)。從新角度去看舊問題,卻需要有創(chuàng)造性而且標(biāo)志著科學(xué)真正進(jìn)步”因?yàn)樘幚韱栴}可能僅僅是數(shù)學(xué)上或試驗(yàn)上一個(gè)技能而已。而提出新問題、新可能性,想象力,3232/38(3)勇于想象
法拉弟:電磁作用經(jīng)過場(chǎng)來傳遞,需要時(shí)間。
德布羅意:微觀粒子同時(shí)又是一個(gè)波。
狄拉克:真空充滿了負(fù)能態(tài)電子,其中空穴就是正電子。人們幻想象鳥一樣在空中飛行才創(chuàng)造了飛機(jī),人們幻想到月球上旅行才實(shí)現(xiàn)了登月。
“想象力比知識(shí)更主要,因?yàn)橹R(shí)是有限,而想象力概括著世界上一切,推進(jìn)著進(jìn)步,而且是知識(shí)進(jìn)化源泉。嚴(yán)格地說,想象力是科學(xué)研究中實(shí)在原因”
愛因斯坦3333/38不是要知識(shí)很全才能創(chuàng)造。在物理學(xué)發(fā)展中,做出重大創(chuàng)造性貢獻(xiàn)很多是年輕人:牛頓(1642
1727)
萬有引力定律24歲(1666)麥克斯韋(1831
1879)
電磁場(chǎng)理論第一篇論文24歲(1855)愛因斯坦(1879
1955)光子理論,相對(duì)論26歲(1905)玻爾(l885
1962)
原子結(jié)構(gòu)模型28歲(1913)3434/38海
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