物理学专业前沿讲座-PPT(精)

1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的 新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式E=mc2
1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造
1913年玻尔完善原子结构理论: 1）定态假设； 2）量子化假设；3）跃迁假设
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工程技术
现代物理学
一、原子核衰变
1Ci3.7110 s01
在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq) 表示每秒衰变一次的计量
1Ci3.71010Bq
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现代物理学
三、原子核的组成
1) 由氢的原子核——质子组成 2）由质子和电子组成 3）由质子与一种中性粒子——中子组成
1919年，卢瑟福提出中子概念 1932年，查德威克发现中子
亏损质量对应着相对论能量
E A m A c 2 ( Z P m ( A Z ) m n m A ) c 2
例如，氘核的质量 md 2.01355u2
其质量亏损是
m dm Pm nm d0.002u388
对应的结合能
m2c0.002c232 8.28M 3u eV
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现代物理学
核子交换介子的作用图像
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现代物理学
核力的基本特征：（1）属于强作用，是电 磁作用强度的100多倍；（2）为短程力， 其有效力程大约仅有1.71015m；（2）与 电荷无关，即不同核子间的核力基本相同， 从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有 饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发 生核力作用，因为如果假定不是这样，那 么质量数越大的核，其核力作用也会越强， 结果就必然导致核密度的增加。

总结词
了解光的直线传播、反射、折射 和干涉等基本现象，掌握光学仪 器的工作原理。
电学基础
总结词
掌握电荷、电场、电流和电阻等基本概念，理解欧姆定律和串并联电路的工作原理 。
热学基础
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的表现形式，表 明在一个封闭系统中，能量不能消失或产 生，只能从一种形式转化为另一种形式。
反思与改进
总结实验结论，强调物理知识在实际 生活中的应用。
04
生活中的物理现象
生活中的力学现象
总结词
力学现象在日常生活中无处不在，如 物体的运动、力的作用等。
详细描述
重力、摩擦力、弹力等现象在日常生 活中经常出现，如物体的自由落体、 滑行时的摩擦阻力、弹性形变等。
生活中的光学现象
总结词
光学现象涉及到光的产生、传播、反射、折射等，与人们的视觉感知密切相关 。
劳逸结合
04
合理安排休息时间，避免过度疲劳影响学习效 率。
学习心态与情绪调节
保持积极心态
相信自己能够学好物理 ，遇到困难时保持乐观
心态。
增强自信心
通过不断取得进步和成 功，提高自信心，增强
学习动力。
情绪调节
遇到挫折和困难时，学 会调节情绪，保持冷静
心态。
THANKS
光学基础
光的折射
光在不同介质中传播时，其速度 会发生变化，导致光线方向发生 偏转。
光的直线传播
光在同一种均匀介质中沿直线传 播，遇到不透明物体时会在其后 形成影子。
05
04
03
02
01
光的干涉
两束或多束相干光波相遇时，会 因相位差而产生加强或减弱的现 象。
光的反射

非弹性碰撞
碰撞后系统动能不守恒，部分机械 能转化为内能，损失了机械能。如 湿纸或橡皮泥的碰撞等。
完全非弹性碰撞
碰撞后两物体粘在一起运动，动能 损失最大，机械能损失也最大。
能量守恒定律
定律表述
自然界中的一切物质都具有能量，能量既不能创 造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种 形式，从一个物体传递到另一个物体；在转化和 传递过程中能量的总量保持不变。
大学物理的学习方法和要求
掌握基本概念和基本规律
注重实验和实践
学习大学物理首先要掌握基本概念和基本 规律，理解它们的物理意义和适用范围。
大学物理实验是学习物理学的重要环节， 通过实验可以加深对物理概念和规律的理 解，培养实验技能和动手能力。
培养物理思维
拓宽知识面
学习大学物理要注重培养物理思维，即运 用物理学的方法和观点去分析和解决问题 的能力。
热力学第二定律的表述及实质
表述
实质
应用
热力学第二定律有多种表述方式，其 中最著名的是开尔文表述和克劳修斯 表述。开尔文表述指出，不可能从单 一热源吸取热量，使之完全变为有用 功而不产生其他影响。克劳修斯表述 指出，热量不可能自发地从低温物体 传到高温物体而不引起其他变化。
热力学第二定律的实质是揭示了自然 界中一切与热现象有关的宏观过程都 具有方向性，即不可逆性。这种方向 性是由系统内部的微观状态数目的变 化所决定的，也就是由系统的熵增原 理所决定的。
循环过程卡诺循环
01
02
定义
工作原理
卡诺循环是一种理想的可逆循环，由 两个等温过程和两个绝热过程组成。 它是热力学第二定律的出发点，也是 热机效率的理论极限。
卡诺循环通过高温热源吸收热量，在 低温热源放出热量，并对外作功。其 效率只与高温热源和低温热源的温度 有关，而与工作物质无关。

21世纪改变人类的科学技术
科学 物质科学 生命科学
技术 信息技术 生物技术 纳米技术 能源技术
25
26
引领物理学未 来的25个问题
53
1.宇宙起源：宇宙学观测表明宇宙是膨胀 着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度 结构等的观测，宇宙的历史可以追溯到极 早期发生的大爆炸。我们所知的基本物理 ，比如广义相对论和粒子物理标准模型， 在那里都不适用。为理解宇宙起源，需要 了解大爆炸时期的基本物理。
胀缩，哈勃发现了星系红移。 2）宇宙大爆炸模型：200亿年前的宇宙是基本粒子组成的“宇宙汤”
→大爆炸时的温度达100亿度以上→ 四种基本力：引力、强力、 弱力、电磁力逐一分化出来→物质形态依此演化为原子、气态、 恒星体系、现在的宇宙。 3）四项观测事实证明了大爆炸理论： （1）观测表明：任何天体的年龄都小于200亿年； （2）河外天体有系统性的谱线红移，表明宇宙膨胀； （3）所有天体的氦与氢的比例大致相同：1:4； （4）1965年探测热辐射谱的微波背景辐射时，得到宇宙的温度约
24.物理学未来发展中潜在的危险：如何面 对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计 划？在这种形式下，新的研究途径该是怎样的 ？理论在探索自然方面应该起什么作用？
25.物理学是否仍将是最重要的科学？
60
物理学前沿问题探索
1．万有引力和万有斥力 2．宇宙膨胀（或收缩）过程中的时间和时 间矢
3．原子核的放射性与宇宙的周期性运动 4．合成超大原子核的可能性
18.基因组学：物理学家如何参与基因组的 “解密”？可能拥有一个定量的、可预测的进 化理论吗？甚至能否直接从基因组出发“计算 ”有机体的形状？
58
19.意识的研究：记忆和意识后面的自组织原 则是什么？有可能在幼儿期测量到意识的发生 吗？什么时候？如何发生？如何测量？能否制 造一个具有“自由意志”的机器？

欧姆定律
在纯电阻电路中，电流与电压成正比 ，与电阻成反比。
电阻的串联与并联
多个电阻串联时，总电阻等于各电阻 之和；多个电阻并联时，总电阻的倒 数等于各电阻倒数之和。
电势与电容
电势的概念
电容的概念
电势是描述电场中某点电荷所具有的势能 大小的物理量，其大小与该点到零势能点 的距离有关。

电容是描述电容器存储电荷能力的物理量 ，其大小与电容器两极板间的距离、相对 面积和介电常数等因素有关。
物态变化的吸热和放热
物质在物态变化过程中会吸收或放出热量。
凝固
物质从液态变为固态的过程，需要放出热量 。
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的表现，表述 为热量可以从一个物体传递到另一个物 体，也可以与机械能或其他能量互相转 换，但是在转换过程中能量的总值保持 不变。
VS
热力学第二定律
06
原子与量子物理
原子的结构与性质
原子的结构
原子由原子核和核外电子组成， 原子核由质子和中子组成。
原子的性质
原子的质量、电荷数、核外电子排 布等。
原子能级
原子的核外电子在不同的能级上运 动，能级的高低决定了电子的能量 。
量子力学的基本概念
量子态
量子力学中的基本状态，描述了 微观粒子如电子、光子的运动状
光的波动性
光是一种电磁波，具有振 幅、频率和相位等波动特 性。
光的粒子性
光可以看作是由光子组成 的粒子流，每个光子具有 能量和动量。
光的折射与反射
折射定律
当光线从一种介质进入另 一种介质时，其传播方向 会发生改变，遵循折射定 律。
反射定律
光线在物体表面发生反射 时，遵循反射定律，入射 角等于反射角。

SCF
Kohn-Sham
2 V K [( S r )i ( ] r ) E ii ( r )ESilnecgtlreo-pnasrticle
Hellmann-Feynman
MD
Force and Stress
ppt课件
Self-consistent Solver for KS problem
ppt课件
Our Method
1. First-principles calculations based on DFT 2. Plane-wave basis 3. Ultra-soft Pseudo-potential 4. LDA, GGA, LDA+U, etc… 5. Virtual crystal approximation (VCA) 6. Real space RMM for larger systems 7. Full parallelization by MPI
1 2 2V ef[f(r) ]i(r)ii(r)
occu
SCF
(r) |i |2
i
V ef(r f)vex (rt)| r( rr ')'|d' rE x[c (r ()r)]
LDA GGA LDA+U
E [( r ) T ] [( r ) ] v e( r x )t( r ) d 1 2 r|( r r ) r ( 'r |') d' r E X [ d C ( r )r ]
Real Space (no FFT)
Reciprocal Space (with FFT)
Finite element Finite difference Multi-grid Adaptive Wavelet …

现代物理学
以相对论和量子力学为代表，揭示了 微观世界和高速运动物体的规律。
经典物理学
以牛顿力学、热力学和电磁学为代表 ，建立了完整的经典物理理论体系。
大学物理学的课程目标
01
掌握物理学的基本概念和基本原理
通过学习大学物理课程，使学生掌握物理学的基本概念和基本原理，为
后续专业课程的学习打下基础。
02
气体动理论
气体分子运动论的基本假设
气体由大量分子组成，分子之间存在间隙；分子在永不停息地做无规则运动；分子之间存 在相互作用的引力和斥力。
气体压强与温度的微观解释
气体压强是由大量分子对容器壁的频繁碰撞产生的；温度是分子平均动能的标志。
气体动理论的应用
气体动理论可以解释许多宏观现象，如气体的扩散、热传导等。同时，它也为研究其他物 质的微观结构提供了重要的思路和方法。
物理学的研究方法
观察和实验
01
通过观察自然现象和进行实验研究，获取物理现象的数据和信
息。
数学建模
02
运用数学工具对物理现象进行描述和建模，以便更深入地理解
物理规律。
理论分析
03
通过逻辑推理和演绎，对物理现象进行深入分析，揭示其内在
规律。
物理学的发展历史
古代物理学
以自然哲学为主要形式，探讨宇宙的 本质和构成。
位置矢量的定义、位移的计算、路程与位移 的区别。
02
速度与加速度
平均速度与瞬时速度、平均加速度与瞬时加 速度、速度与加速度的矢量性。
04
03
01
牛顿运动定律
1 2
牛顿第一定律
惯性定律、力的概念、力的性质。
牛顿第二定律
动量定理的推导、质点系的牛顿第二定律。

4
一个宇航员乘着以0.9998c的宇宙飞船去旅行，他临 走的时候有父母妻子和五岁的小女儿。当他遨游太空一 年后又回到地球，他的父母去世了，迎接他的只有他的 妻子和女儿，妻子已是78岁的老太太，女儿也有55岁了。
这种事是可能的吗？按照相对论，这是可能的。不 过这里面存在一个问题：从地球上的人看，飞船上的一 年相当于地球上的50年；可是，从飞船上的人看来，地 球上的一年也相当于飞船上的50年。宇航员回来，到底 是宇航员显得年轻呢，还是地球上的人显得年轻呢？
1.伽利略变换的困难 1) 电磁场理论不服从伽利略变换
19世纪下半叶，随着科学实验的发展，人们对电磁现象的 认识越来越深入。1864年，麦克斯韦总结了电磁现象和电磁运动 规律，得到了著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组概括了库 仑定律等一系列经
14
验定律，完整的反映了宏观电磁场运动的规律性， 并且预言了电磁波的存在。23年以后，电磁波得 到了实践的证实。随着电磁运动普遍规律的建立， 很自然地就提出了这样一个问题：这些规律是否 也象牛顿运动定律一样在不同的惯性系中保持着 相同的形式呢？或它们只适用于某一个特定的惯 性参照系，而在另外的惯性参照系中要改变它们 的形式呢？一句话，电磁现象是否遵从伽利略的 相对性原理呢？我们也可以具体一点说，在“伽 利略的船”上，如果进行电磁学实验，能否决定 船是静止还是作匀速直线运动呢？
r '
y
' y
为
y'
轴上的单位矢量
f静e

1
4 0
q1q2 ( y2' )2
ry'
（1）’
17
这就是说，静止航船中的观察者对一对电荷间相互作用力测量 的结果，将发现它们仍然遵从库仑定律。

质量以及相互作用力与运动无关（f‘=f，m’=m，）正是经典力学的 基本观点。既然伽利略变换保持经典力学的形式不变，也就满足力 学相对性原理的要求，所以它是经典力学的基本变换关系。
2019-8-27
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12
速度变换与加速度变换
正
vx vx u vy vy
ax

ax

du dt
止”的特殊地位，而其它一切惯性系则作“绝对
运动”。这样假定显然带有人为的性质。例如，
我们可以同样假定在太阳系中麦克斯韦方程组成
立，那么同上面一样的分析，它在地面实验室中
就不再成立了。
2019-8-27
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25
并且，根据如点电荷的相互作用力等电磁学实验， 我们就能够确定地球的“绝对运动”速度。
在电磁学的发展史上，物理学家们曾经假定
因为麦克尔逊——莫雷期待能够用实验直接
证明以太的存在。
2019-8-27
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麦克尔逊——莫雷的实验的结果却使当时每 一个人都感到惊奇，因为在实验误差的范围外， 竟然完全没有发现条纹的移动！这个实验有不同 的人在不同的季节和不同的地点多次重复过，结
果总是一样：没有检测到以太的存在。
现（1）’和（2）’的差别，也就是说，可以从中揭露 矛盾。
2019-8-27
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f静e

1
4 0
q1q2 ( y2' )2
ry'
（1）’
f动

1
4 0
q1q2 y22
(1

u c
2 2
)ry'

f静
(1

2 dx 2
（4）式 ）
ds = dt +
2
+
+
2 dx 3
( 4)
的度规为： 的度规为：
g ν
1 0 = 0 0
0 0 0 1 0 0 ≡ η ν 0 1 0 0 0 1
这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。 这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。
[2]、施瓦西（K.Schwarzschild）度规： 、施瓦西（ ）度规： 施瓦西度规形成的不变间隔为（ 的自然单位） 施瓦西度规形成的不变间隔为（取c=1的自然单位） 的自然单位
引力 物理场
等价
弯曲时空 几何场
日
地
θ
星 ★
★
1999年12月26日 1999年12月26日，
爱因斯坦
被美国《时代》 被美国《时代》周刊 评为
“世纪伟人” 世纪伟人”
小 时 侯 的 爱 因 斯 坦
爱 因 斯 坦 生 日 留 影
5、 爱因斯坦引力场方程 、
Rν
其中
1 g ν R = 8πGTν 2
可写成（ ） 可写成（5）式，具体展开式为
ds = g11dx dx + g12 dx dx + g13 dx dx
2 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2
+ g 21dx dx + g 22 dx dx + g 23 dx dx + g 31dx dx + g 32 dx dx + g 33 dx dx = dx dx + dx dx + dx dx .
dl = dx + dy + dz
2 2 2
2