物理学的研究对象

电磁相互作用
弱相互作用
光子
中间玻色子
10-2
10-13
长
短（10-18m）
引力相互作用
引力子
10-38
长
16
**：在距离源10-15m处，相对于强相互作用的相对强度
§2
物理学的研究方法
提出命题
演绎法 －推理，演算 归纳法 －假设，模型 定性和半定量
推测答案
理论预言
实验检验 应 用
物理上的直觉、 想象力、洞察力 也常常产生重大 突破和发现
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
不同尺度和速度范围的对象， 要用不同的物理学规律研究
15
二、基本的相互作用
自然界存在的四种基本相互作用 : 1、引力相互作用 2、电磁相互作用 3、强相互作用 4、弱相互作用
类型 强相互作用 媒介粒子 胶子和介子 强度** 1 作用距离 短（10-15m）
现代光学
（物理）
被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、 发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：
量子力学 费米—狄拉克统计 固体能带理论 （20年代） （物理） 晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路 （70年代后期） （技术）
（单位：m）
1026
超星系团尺度
银河系半径 光一年内所走的距离
1024 7.6×1022 1016
1.5×1011 7×108 6×106
7
日地距离 太阳半径 地球半径
无线电中波波长 核动力航空母舰长度 人类身高 灰尘线度 人类红细胞细胞直径 细菌线度 原子线度 原子核线度 基本粒子线度 夸克
103 3×102 ~1.6 10-3 10-6 10-9 10-10 10-15 10-17 10-20
12
质量范围(相差1076) 1041kg (银河系)-10-35kg(中微子质量)
质量范围举例
银河系 太阳
（单位：kg）
2.2×1041 2.0×1030
地球
月亮 地球上的海洋
6.0×1024
7.4×1022 1.4×1021
远洋轮船
108
13
大象 人 葡萄 灰尘 烟草花叶病毒 青霉素分子 铀原子 质子 电子 中微子
Teaching Philosophy
Confucius (Eastern) Socrates (Western)
Knowledge
Knowledge
1
绪 论
§1 物理学的研究对象
§2 物理学的研究方法
§3 物理学与科学技术 * 物理学在医学中的应用 §4 为什么要学习物理学
2
§1 物理学的研究对象
103 7.0×101 10-3 10-10 2.3×10-13 5.0×10-17 4.0×10-26 1.7×10-27 9.1×10-31 <2.0×10-35
14
研究对象
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
物理学古称自然哲学。 “Physics”→ “” 物理学是探索物质结构（“物”）及其运动的基本规 律（“理”）的科学。 一、物质世界 研究的对象十分广泛 宇观、宏观、介观、 微观，为人们描绘出一幅五彩缤纷的图画 空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克) 时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期) 速率范围0(静止) - 3x108 m/s(光速)
人
宏观
5
物质世界结构
实物 分 子
宇
宙
场 宇 宙 大 爆 炸 标 准 模 型
原 子 原子核 质子 中子 夸克 电 子 （轻子） 费米子 规范玻色子
粒子物理标准模型
6
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
空间尺度举例
已观测到的宇宙范围极限
2.2×109 3.2×107
地球自转
8.6×104
11
太阳光到地球的传播时间 人类心脏跳动周期 声波的周期 无线电波的周期 +介子的平均寿命 分子振动周期 原子振动周期(光波周期) 光穿越原子的时间 最短的粒子寿命 硬 射线周期
5×102 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-25 10-27
人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘 物理学上对应 天体物理学
标准宇宙模型给出的宇宙起源与基本粒子的标准 模型给出的物质组成是一致的。
4
星系团 粒子 微观 原子核 原子 介观 W++ 10-20 10-15
1025
1020
星系
宇观
太阳系
1015
1010
5 1m 10
10-10
10-5
地球 山
DNA
二、物理学与科学技术
▲ 历史上物理与技术的关系大Fra Baidu bibliotek有两种模式：
技术－物理－技术(以第一次工业革命为标志)
物理－技术－物理(以电气化进程为标志) ▲ 20世纪两种模式并存、交叉， 但几乎所有重大
19 新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。
例如：
★ 爱因斯坦受激辐
射理论（1917）
（物理）
★
第一台激光器 诞生（1960） （技术）
3
空间尺度(相差1045－1046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)－10－20 m(夸克)
人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成 物理学上对应 粒子物理学 目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构,但近来有消息称: quark 也可一分为二,说明认识是无止境的
8
人类已观测到的宇宙大致范围
9
目前人类所研究的物质世界的最 小物质为夸克
10
时间尺度(相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期)
时间尺度举例
宇宙年龄
（单位：s）
1018
太阳系年龄
原始人出现
1.4×1017
1013
最早的文字记录
人类平均寿命 地球公转
1.6×1011
修改理论
物理学是一门理论和实 验高度结合的精确科学.
17
具体地说，物理学还有许多有特色的方法
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 对称性分析 守恒量的利用 简化模型的选取 概念和方法的类比 定性和半定量分析 量纲分析 能量分析 ……
18
§3 物理学与科学技术 一、物理规律的普适性
1、经典物理：宏观、低速 2、现代物理：相对论、量子论