高观点下的中学物理专题分析

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考试科目：高观点下的中学物理专题分析考试分数：

2011年 12 月 27 日

东北师范大学研究生课程进修班考试试卷评分表

高观点下的中学物理教学研究考试题

一、填空题（每题2分，共计20分）

1、物质存在的基本形式是（运动）。

2、（麦克斯韦）从理论上预言了电磁波的存在，（赫

兹）又用实验验证了电磁波的存在。

3、吉布斯在《统计力学的基本原理》中建立了（统计系综）体系,提

出了（矢量分析）等概念，阐明了（热力学）等现象的本质。

4、（普朗克）在物理学史上第一次提出能量子的概念。

5、规范粒子是指（传递相互作用的媒介粒子）。

6、戴维逊和汤姆逊因验证（晶体对电子的衍射现象）分享1937年的

物理学诺贝尔奖金。

7、泡利提出（泡利不相容原理），获诺贝尔物理学奖。

二、简答题（每题5分，共计25分）

1、例举几个混沌现象。

答：气候不能精确重演与长期天气预报者无能为力之间必然存在着

一种联系，这就是非周期与不可预见性之间的联系。他还发现了混

沌现象“对初始条件的极端敏感性”。这可以生动的用“蝴蝶效应”来

比喻：在做气象预报时，只要一只蝴蝶扇一下翅膀，这一扰动，就

会在很远的另一个地方造成非常大的差异，将使长时间的预测无法

进行

许多曾被认为是噪声的信号，其实是一些简单的规则生成的。这些

包含内在规则的“噪声”不同于真正的噪声，

表征复杂时间序列特性的统计量是功率谱（power spectrum），它把

复杂的时间序列分解成不同频率的正弦振荡的叠加。在给定频率处

的功率谱值与频率的正弦波系数的平方成正比。典型的功率谱由一

个或多个尖峰，它们对应于信号中出现的主要频率。除这些主峰外，

其他频率也可能出现，不过幅度较低，而且功率谱通常分布在一个

宽频带上。

2、粒子物理面临十大问题是什么？

答：粒子物理面临十大问题：

（1）是否存在未发现的自然规律，如新的对称性和新的物理规律？

（2）是否存在额外维空间？

（3）能否把自然界所有的力统一为一种力？

（4）为什么存在如此多的种类不同的粒子？

（5）为什么夸克和轻子只有三代？粒子质量的起源是什么?

（6）什么是暗物质?如何在实验室中产生它？

（7）什么是暗能量？

（8）中微子能给我们什么启示？它如此微小的质量及其在宇宙演化中的作用实在是个迷。

（9）宇宙是如何形成的？如果宇宙大爆炸理论是对的，那么大爆炸之前是什么？

（10）为什么今天宇宙中只有物质而没有反物质？

3、举例说明物理学对其它学科的促进作用。

答：（1）物理学对信息科学发展的促进作用

信息是一种极为重要的社会资源，它与能源、材料并称为现代社会的三大支柱。

信息科学的内容包括传感技术、通讯技术、计算机技术和自动化技术。物理学中的原子分子物理、光物理、声学物理以及激光技术、近代光学技术、光电子技术、材料科学技术等对现代信息技术影响最大，构成了信息通讯技术的基础。激光的出现使通讯技术的面貌焕然一新，激光出现后蓬勃发展起来的非线性光学在激光技术信息处理和存储、计算技术等方面有重要的应用前景。原子分子物理、光物理和凝聚态物理相结合产生了新的激光器、新的激光波段、新的相干光源和各种各样非线性光学器件，促进了通讯信息科学的飞速发展。而近年来发展起来的“量子信息科学”是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科，涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科。由此可见物理学对信息科学的发展具有重要意义。

（2 ）物理学对材料科学发展的促进作用

材料是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。一个国家材料的品种、质量和产量是直接衡量其科学技术和经济发展水平的重要标志。物理学基础研究的新理论、新发现、新效应和新实验技术是材料科学发展的主要动力之一。其中凝聚态物理是物理学中内容最丰富、应用最广泛、最活跃的领域，也是材料技术的基础。随着高温超导、半导体超晶格物理、新型晶体和晶体学、新型磁性材料物理、超微粒子材料(纳米材料)物理等物理学分支的进一步研究，必将极大地推进材料科学的向前发展。

（3）物理学对能源科学发展的促进作用

随着全球能源的需求量愈来愈大，仅靠大力开发石油、天然气、煤等传统能源已不能满足社会可持续发展的需要。对新能源的开发利用、节约能源成为引人瞩目的新技术，而能源科学的发展完善离不开物理学作为基础和后盾。例如，原子能的开发和利用离不开物理学中的核物理和高能物理学，太阳能的开发利用离不开凝聚态物理和光物理学，而近年来物理学家对反物质的研究，则可能会给人类带来新的能源。反物质这东西很神秘，只要一露面，立即就会与正物质结合，同时放出大量的能量。关于通古斯大爆炸有各种假说，其中之一认为，1908年中西伯利亚的通古斯大爆炸，就是由于天外飞来一块由反物质组成的陨石与正物质在通古斯上空结合放出大量能量而造成的。据估计，一克反物质与正物质结合时，放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。

（4）物理学对空间科学发展的促进作用

空间科学包括应用卫星技术、载人航天技术、从空间研究地球及宇宙整体行为的技术和微重力科学技术，而这些都离不开作为其基础的物理学。物理学研究的水平高低直接决定了空间科学技术的发展。众所周知，物理学是卫星和火箭发射、运行、控制的直接理论基础，天体物理、大气物理和地球物理是空间技术的重要理论背景和设计基础。不久前，经过半年多星际旅行，美国”勇气”号火星车于美国太平洋时间2004年1月3日20时35分(北京时间2004年l月4日12时35分)左右，在火星表面成功着陆。而物理学家对新能源—反物质的研究，则会促使空间科学飞速发展。物理学家预测，假如利用反物质推动太空船，只需六个星期便可到达火星。

(5)物理学对生命科学发展的促进作用

生命科学的研究离不开物理学作为基础和手段。研究生命现象会遇到一个根本性的问题:什么是生命?对此，1944年，量子力学创始人之一薛定愕在《什么是生命》一书中预言了遗传密码的存在和生命赖“负熵”而生存。此外他还指出:量子力学应当成为生命科学的基础。这在生命现象研究中是前所未有的突破。运用力学对生命现象的研究，可追溯到伽里略、牛顿和哈维。

4、21世纪物理学面临九大挑战是什么？

答：21世纪物理学面临九大挑战

挑战1：量子科学和技术。

挑战2：纳米科学。

挑战3：复杂的系统。

挑战4：将物理学应用于生物学和医学。

挑战5：新材料。

挑战6：探索宇宙。

挑战7：统一自然界存在的各种力。

挑战8：物理学在维护国土安全与国家安全中的作用。

挑战9：元挑战。

5、举例说明相对论的时空特点。

答：在狭义相对论中，要把测地线、自平行线、自由质点轨道线均理解为4维时-空中的直线，但这三条线也是合而为一的。为了避免过多地涉及数学，对狭义相对论中的测地线、自平行线、自由质点轨道线，我们就不详细说明了。只是指出,由于狭义相对论时空的特点,当一个运动质点的速度小于光速时,它沿

测地线走过的4维时-空距离最长。测地线在实质上是极值线，由于习惯常称为测地线。

广义相对论的时空是弯曲时空，在弯曲时空的大范围内，不存在直线，因之其测地线、自平行线、自由质点轨道线都是4维曲线。这三条曲线是否也是