大学物理 Chap 1物质世界

4. 物质世界的层次性结构
空间尺度
人体尺度（m)附近几个数量级的物 质系统。 纳米（nm)尺度的物质系统。 纳米尺度以下更小的物质系统。 天体、星系和宇宙系统。
(1) 宏观系统
(2) 介观系统 (3) 微观系统 (4) 宇观系统
●
空间尺度
10 10 10
27
距离（米）
哈勃半径（～150 亿光年）
当然，在地球上，我们仍然能观察到与等离子体相关的某些自 然现象，在夏季，当暴风雨来临之际，我们经常能观察到电 闪雷鸣，这实际上就是云层受某中激发所产生的一种等离子体 现象。在地球上空约50公里到几万公里的高空存在一层等离子 体，我们叫电离层。人造的等离子体更是随处可见，霓虹灯、 电弧、日光灯内的发光物质都是等离子体，还有，火箭发射时 从尾部喷出的火焰、原子弹爆炸时形成的火球也都是等离子体。
定义势能梯度：
运算符号，表示进行某 种特殊的函数运算，当 函数作用在算符上，才 能体现其完整意义。
EP EP EP E p i j k x y z 则有： F E p
在相临的两等势面间
n

F
l
EP EP n l
结论: 势能梯度的方向表示势能增加的最快方向。
Chapter 1 Material World
Introduction
从物质存在形式、形态、空间尺度、时 间尺度以及物质间的相互作用描绘物质世 界的基本轮廓。
§1.1 物质世界大观
1. 物质与物体
抽象化的概念与具体 化的概念。 例：铝 铝壶 物质：可独立存在的客体。 物体：物质的表现形式。 物质的基本属性： 质量 能量
应当指出，通常的气体可能会有电子和正离子，但它不是 等离子体，不要认为气体被电离后肯定就是等离子体，只有电 离产生的电子和正离子数目达到足够大并且在宏观上依然保持 电中性时才可称得上等离子体。
等离子体在物理性质上和高温气体有着显著区别，等离子 体因为具有大量的电子和正离子而成为良好的导体，宏观电磁 场对它有明显的影响，高温气体是绝缘体，她对电磁场几乎没 有什么反应。
§2.2 物质间的相互作用
1. 四种基本作用
(1) 电磁相互作用
(2) 引力相互作用 (3) 强相互作用 (4) 弱相互作用 例：
电荷,电流
重 力 核 力
光子 引力子 介子
光子
？
引力子 介子
粒子衰变
玻色子
玻色子
Note: 电磁力和引力为长程力，强相互作用和弱相互作
用为短程力。
2. 质量与能量
大量事实表明，物质内不但蕴 藏一定的内能，并且可以释放。
2. 物质存在的形式
实物
场
电磁场 引力场 规范场
实物占有一定的体积，以空间间断的 实形式存在。场没有确定的体积，以连续 物形式存在于空间中，且具有叠加性。如 与电场、磁场、引力场等。
场
Relation
(1) 场是实物相互作用的媒介
例：
电磁作用，引力作用
(2) 场与实物之间可相互转化
(3) 场和实物具有波粒二象性
1964年，彭齐亚斯和威尔孙在贝尔实验室接受到来自于宇 宙的微波噪音，指出这可能就是大爆炸的遗迹而称之为“宇 宙背景辐射”。巧合的是，1981年1月，美国发射了一颗专 门的宇宙背景辐射探测器，它发回的结果和伽莫夫根据宇宙 大爆炸假设所预言的结果竟惊人的相似。 其实，早在1927年，比利时数学家勒默尔就提出了宇宙 大爆炸理论，他说宇宙最初是个致密的宇宙蛋，它的爆炸产 生了今天的宇宙。1942年，美籍俄人科学家把这一概念具体 化。宇宙爆炸后的初期，其温度极高，密度极大，时间从爆 炸开始，空间从爆炸扩涨，半个小时之后的一次暴涨，数目 惊人的粒子，诸如中子、质子、电子、光子等逐渐的产生了。 随着宇宙的膨胀，温度急剧的降低，大约经过100万年，温 度降至3000K左右，质子和中子结合成了原子核，原子核和 电子复合成电中性的原子或分子，光子在原子形成的过程从 中退移，宇宙变了透明的。又大约经历了100多亿年的慢长 时期，随着温度的进一步下降，分子和原子形成了宇宙间的
等离子体将会产生一系列以集体效应为特征的物理效应，在等 离子内部会产生电子的集体振荡，磁场在等离子内部不会产生 变化，磁感应线似乎被“冻结”起来，由此会对外界磁场产生 磁压效应等。 随着对等离子体特性的认识和研究的不断深入，等离子 体技术在各领域内已经获得了一系列重要的应用。利用等离子 体的磁约束效应可实现人工控制条件下的核聚变反应，利用等 离子体的热温效应可以实现具有精细颗粒表面的等离子体喷涂。 也许，你已经听说过等离子体发射光谱仪、磁流发电机了，这 都是等离体技术应用的实例。
E P x
E P y
E P z
EP EP EP i j k x y z
势能沿某方向的变化率 该方向沿保守力反向， 垂直于等势面，这就是 势能的梯度方向。
n
F
为了简练表示保守力与势能的微分关系，引入梯度算符：
i j k x y z
气态物质，气体逐渐的凝结成星云，各种 各样的星系、恒星开始形成，我们的银河
系也从此诞生了。
宇宙的未来如何呢？是继续的像现今 这样永远的膨胀下去，还是有一天会收 缩？宇宙之外是黑暗的虚无空间，还是 无法想象的东西？都待于进一步的研究
和观测。
右图为威尔金森微波各向异性检测卫 星测试宇宙微波背景辐射， 2003年2月 12日，美国宇航局公布了（WMAP）确 定的宇宙“婴儿期照片”。
其它形态 (1) 结晶态 (2) 非晶态 (3) 液晶态 (4) 超导态 (5) 超流态 (6) 超固态
分子规则、对称、周期性排列 食 盐
分子无规则、对称排列
兼有液体和光学晶体性质 电阻率为零 粘滞系数为零 质量密度极大
沥 青
显示器 超导体 水银珠 白矮星
物态在一定条件下是可以相互转化的，影响 物态的两个重要因素是温度和压强。
宇 银河系 观
最近恒 星的距 离
最小 的细胞
介观
DNA长度
E-06 E-03 1m
E+15 E+12 E+09 E+03 E+06
太 阳
太阳系
人
山
宏观
蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次
时间尺度
认何物质都处于运动变化之中，只能以某 一种固定的形态存在一定的时间，这个时 间称为物质的存活寿命，寿命的结束意味 这物质存在的形态发生了变化。
存 活 寿 命
存活寿命揭示了物质由起源到灭亡的演化过程
例：
z0 粒子 10-25 s 宇宙寿命 1018 s

时间尺度
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
18 17 14 12
时间（秒）
宇宙年龄 地球年龄 古人类 人类文明
11 10
人寿命
9 8
地球公转（年）
m
(2) 质能关系 按动能定理有：
d p d (mv ) dEk F d r dr dr dt dt d (mv ) v dmv v mv dv dm v 2 mv dv dv 2 2v dv 由： m0 dv 2 d (v v ) m 1 v 2 c2 2v dv 2 2 2 v dv v dv 得： 2 2
7 0 -2
摆钟周期 电视扫描周期
-3 -25
Z0 粒子寿命
宇宙大爆炸
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我们居住的地球，只不过是宇宙之中的沧海一粟，宇宙到 底有多大？宇宙之外是什么？宇宙是怎样产生的？宇宙的未 来如何呢？都是人们多年来一直在追寻的问题。 其它问题暂且不谈，关于宇宙的起源，行家们较为认可的 是宇宙大爆炸理论。 20世纪之初，斯里夫尔（V Slipher）在劳威尔天文台研 究星系的光谱时，发现整个光谱结构向着 光谱红色 一端 偏移的红移现象，由此断定，绝大多数星系正以不同的速度 悄悄的离我们而去，这实际上显示了一幅宇宙正在膨胀的图 景。 宇宙膨胀的图景可以用一个简单的类比来描述。当手榴 弹在空中爆炸后，不同的碎片可以以不同的速度向各方向飞 散，难道星系就是宇宙爆炸后飞散的物质碎片吗？
Байду номын сангаас
正负电子碰撞湮灭产 生电磁波
光电效应，电子衍射
Distinguish
(1) 分布方式不同
实物：占有一定体积
不可占有同一空间 可被加速
(2) 运动属性不同
3. 物质的形态 基本形态 (1) 固态 (2) 液态 (3) 气态
场：无确定体积，可叠加
不能加速
物态：
物态是物质聚集状态的 简称，当大量的微观粒 子在一定的温度及压强 下聚集成一种稳定的状 态时，称为一种物态。
(4) 等离子态
关于等离子态
(1) 整体呈准电中性
等离子态：
原指物质在高温或场 的作用下电离后形成 的由等量正负离子组 成的一种聚合态。
(2) 集体效应起主要作用
例：
霓虹灯
电弧 白矮星 太阳 气态星云
等离子体
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1876年，英国物理学家克鲁克斯研究了真空管中的放电现 象，极有兴趣的指出，这种现象在物理学中呈现出一个新的 领域，放电物质的形态类似于气体，但却具有极高的温度和 良好的电磁性能，他认为，物质除了以固态、液态、气态的 形式存在之外，真空放电管中的物质当属物质的第四态了。 1928年，朗缪 尔在一篇题为“电离气体中的振荡”一文中， 给电离态的这种物质取名叫Plasma，中文译作等离子体。其 经典含义是指具有等量异性电荷的电离了的气体。 在地球上，天然的等离子是非常少的，这是因为等离 子体存在的条件和人类生存的条件是不相容的。然而，在茫 茫的宇宙中几乎99‰的物质都是等离子体，太阳和所有的恒 星、星云几乎都是等离子体。
点积（标积）?
m (c v ) m0 c
2 m 2v 2 (m 2 m0 ) c 2
微分： mv 2 dm 2v m2 dv 2
2mc dm dm v 2 mvdv c 2 dm
2
保守力的势能
保守力做功与路径无关，根据功能原理，可定 义一个仅由系统位臵决定的能量—势能，其变 化量可用保守力做功的多少来量度。 定义：
EP EP EP Fz Fy Fx z y x
M M 0
F dr F dr
EP EP EP F ( i j k) x y z
关于势能梯度 物理上，常用梯度概念反映某一物理量沿某一 特定方向（梯度方向）变化的快慢程度。 以势能为例，显然， 势能沿x、y、z 方向的变化率
View
世界以物质而存在。自然界中的物质形 态各异、形式多样、由小至大、由大至小、 有的瞬间消失，有的存活久远，处于一个 层次性的、永恒的变化循环过程之中。
因：

M0
M
F dr
E
M0
M
F dr
F dr Fx dx Fy dy Fz dz 0
所以，势能的微分存在 ： 当 M M 0 M 0
E dE

M0
有： F dr Fx dx Fy dy Fz dz dEP
爱因斯坦在研究物质的能量时得出结论：
一定的质量对应一定的能量
(1) 相对论质量 经典理论：m m0 恒量

如果m 常量，将悖于光速极限理论。
由动量守恒原理可证明： (1) 当v << c 时， m = m0 （2）当v c 时，
m0 m 1 v 2 c2
Note: 按此式可知，光子的静止 质量为零。
EP ( M ) EP ( M 0 )
取： EP ( M 0 ) 0 则 ： EP ( M ) M
M0

M0
M
F dr
零势点
F dr
无穷远点，有限远点 地球
物体在某点的势能等于物体从该点沿任意路径 移至零势点时保守力所做的功。
保守力与势能的微分关系
由：
EP ( M ) EP ( M 0 )
21
银河系（～10 万光年） 太阳系（～1 光小时） 太阳 人
12 9
10 1 10 10 10
-3
DNA 长度 细胞 原子 原子核 e, z0, w±,ν
-6
-10 -15
10 ＜ 10
-17
微观
基本粒子 E+27
哈勃半径 超星系团 星系团
原子核
原子
E-15
E-12 E-09
E+24 E+21 E+18