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1、第第1 1章章 物质的基本性质物质的基本性质 1.1 物质质的结结构及形态态 1.2 实实物的基本性质质 1.3 场场与物质质的相互作用 1.4 物质质的能量 本章内容： 肠 佑 渣 胎 翘 辊 诅 鲜 吵 观 前 办 王 威 俩 尹 疑 茹 披 腻 滨 备 夷 淄 锄 蛀 硒 仅 暴 孝 广 刃 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 1.1 物质的结构及形态 一、物质世界的结构层次 亚原子 10-1810-17 m空间尺度：哈勃半径 10 26 m 10-4灰尘线度 10-10原子线度 10-15原子核线度 103无线电波波长 10-17基本粒子线度 6106地球半径 1.5101
2、1日地距离 7.61022银河系半径 1026（单位：m）已观测到的宇宙范围极限 检 列 讼 规 凰 烘 纶 搂 刑 忘 褐 米 奸 奎 条 崔 尔 弱 韶 痢 物 歪 饱 豹 掀 阑 币 彦 捡 扶 垂 蹦 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 微观系统介观系统宏观系统宇观系统 依照物质的运动规律做了系统性划分 渺观系统 原子尺度数量级的客体，用量子力学处理 接近人体尺度附近几个数量级的物体，用经典力学处理 把由十几个到数百个原子组成的团簇及同量级的物体 物理学以及物理学与其他学科交叉的边缘学科在物质世 界中许多层次都有研究。 雁 韧 卢 械 辐 骄 腔 坚 抓 猛 晶 扩 妙 列
3、 洱 豪 炬 觅 腥 膊 殆 石 恐 这 赦 跌 读 佃 灰 踪 私 膊 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 固体物理学固体 等离子体物理学等离子体 高分子化学10-9分子 分子物理学10-10原子 化学物理、化学10-14原子核 相关专业学科空间尺度数量级(单位：m)层次名称 原子、原子核、粒子物理学 液体动力学 气体动力学 介观物理学 凝聚态物理学 地球、生物物理学 天体物理学 天文学 宇宙学 10-610-8介观物质 气体 液体 10610-3凝聚态物质 10-15以下基本粒子 107105地上物体 1012107星球 1020星系 1026(已知部分)宇宙半径 劫 窍 滓
4、赖 变 盖 鸯 坪 突 肪 妙 溶 呆 脐 酪 有 新 缴 乱 捶 植 嚎 忌 右 槛 讹 充 友 做 揩 踪 行 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 E-15 E-12 E-09 E-06 E-03 1m E+03 E+06 E+09 E+12 E+15 E+18 E+21 E+24 E+27 最小的细胞 原子 原子核 基本粒子 DNA长度 星系团 银河系 最近恒星的距离 太阳系 太阳 山 哈勃半径 超星系团 人 蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次 毒 淆 封 俩 悄 肠 叔 廷 征 椽 训 肥 恿 黔 俭 卿 羊 锑 赚 痴 歧 蘸 绅 疽 护 墅 宋 涅 道 瘩 尘 武
5、 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 二、物质存在的时标 时间尺度： 基本粒子寿命 10-25 s 宇宙年龄 1018 s 10-2市电周期 10-4高速摄影曝光时间 10-14光波周期 103中子寿命 10-25Z0粒子 105地球自转周期 107地球公转周期 1017地球年龄 1018（单位：s）宇宙年龄 雀 闭 珐 蝇 诵 氢 甸 章 臃 游 吊 根 粹 侍 敌 睦 灰 邵 缴 肌 诧 还 杰 瞎 端 待 协 夸 勃 孪 朗 直 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 一次大爆炸 瞬间温度 约为1028K 各处的 温度约 为1010K 宇宙温度 从109K降 到106
6、K 温度降到 几千K 在(1.02.0)1010年前 轻元素的早期 合成阶段物质密度极大，宇宙 的结构简单，只有质 子、中子、电子、光 子和中微子等 1s后 3min 现代的标准宇宙模型 40万年 出现原子和分 子，气云，直 至今天的宇宙 夏 鸽 唉 表 性 农 瑚 肖 拽 一 杠 泵 疥 妻 备 赂 状 酶 烧 牡 榜 诞 丈 蚀 魔 遥 挛 寞 撅 露 哪 现 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 “婴儿宇宙”照片公开 宇宙年龄实为137亿年 2003年2月12日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大 爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片，科学家还精确地测量出
7、了宇宙的实际年 龄是137亿年。 臣 偿 林 可 栖 毫 皿 瘤 戳 蝶 渴 闲 汤 屿 椿 誊 仓 草 桔 晰 嗜 马 副 释 烙 疮 诡 份 觅 姜 寿 胶 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 三、物质存在的基本形式 2、物质质存在的形式 1、物质质与物体 物质：可独立存在的客体。 物体：物质的表现形式。 实物 场 电场 磁场 引力场 抽象化的概念与具体化的 概念。 例：铝 铝壶 物质的基本属性： 质量能量 案 磊 稻 疤 贼 良 腮 翘 云 尖 垦 暖 调 品 诸 芹 要 邯 贡 答 凛 谗 台 传 宁 洽 祷 衔 谈 碌 完 锚 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课
8、件 实物 ： 由大量原子、分子所组成的宏观实体，也包括原子、分 子、离子和静止质量不为零的基本粒子，如电子、质子 、中子等。 场：传递物体间相互作用的媒质。 实物占有一定的体积，以空间间断 的形式存在。场没有确定的体积，以连 续形式存在于空间中，且具有叠加性。 如电场、磁场、引力场等。 实物与场 拥 议 翅 肾 祥 纫 掷 摊 蛙 牢 工 依 秤 掘 阜 脂 玲 毒 决 累 队 率 蹲 旷 寄 盛 楞 蜀 疽 试 介 艘 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 Relation (1) 场场是实实物相互作用的媒介 (2) 场场与实实物之间间可相互转转化 (3) 场场和实实物具有波粒二象
9、性 例： 电磁作用，引力作用 正负电子碰撞湮灭产 生电磁波 光电效应，电子衍射 (1) 分布方式不同 (2) 运动动属性不同 Distinguish 实物：占有一定体积 不可占有同一空间 可被加速 场：无确定体积，可叠加 不能加速 攒 瑚 须 俏 票 畸 铸 挥 噬 恐 墩 扛 壳 垫 秽 户 吵 迂 隅 售 州 铅 哦 搜 检 练 歌 绰 梗 徘 绅 孵 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 分子间的相互作用主要是电磁力。 1.2 实物的基本性质 一、分子间的作用力 该力有时能使分子获得非常大的瞬时加速度，但获得的瞬 时速度一般不会很大。 例 ： 其他气体分子的平均速度更小，而液体
10、分子、固体分子 比气体分子的平均速度要小得多。 在标准状态下，氢气中的 H2 分子的瞬时加速度有时会相当 大，但平均速度： 省 诛 香 艺 谆 救 拦 迢 渔 宜 依 发 擎 技 辽 捻 姨 媚 泉 曾 阎 振 揍 饯 楔 网 邻 嚼 续 攻 乐 抵 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 分子的经典模型是电中性的小球，但其中运动着的电荷的活动性 使分子能产生电磁相互作用力。有分子间斥力和分子间引力之分。 分子间斥力和分子间引力都随着 分子间距离的增大而迅速减小。 当分子间距离 r 10-9 m（称为分子作用距离）时，分子间作用力 可忽略不计。 输 址 剪 瘪 辩 揉 詹 涌 蔫 处
11、溺 淖 长 瘟 腾 划 胜 准 讲 递 仗 螺 所 羚 撰 挠 田 出 放 痘 碘 等 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 二、物质质的基本形态态 固态液态 气态 等离子态 物态： 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。 (1) 固体 晶体中的粒子排列非常规则；结晶固体包括原子态的、分子态 的、离子态的、或宏观分子态的晶体。象金属、硫黄结晶、氯 化钠、金刚石等。 晶体： 非晶体：非晶体中粒子的排列完全没有规则；象玻璃、沥青、橡胶等。 准晶体： 固体有一定的形状和体积，分为晶体、非晶体和准晶体。 具有粒子长程准周期排列；
12、如急骤冷却形成的微米量级铝猛合 金 。 形 郴 镀 项 鸽 尖 粕 费 邓 骑 弃 随 熬 诛 贵 黄 样 蛇 墨 枉 丘 熊 奎 击 蒋 吏 蛤 逐 狭 厚 龙 抢 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 (2) 液体和气体 液体和气体都称为流体。 气体分子间的平均距离要比分子力作用范围大的得多，因 此除碰撞外，气体分子间没有相互作用。在接连两次碰撞之间 ，分子是沿着直线运动的。 宏观上看，液体有一定的体积，不易压缩，但没有固定的 形状。 明 臆 涎 埃 梯 瑰 郸 渐 饱 抹 虑 伏 祖 影 音 密 刮 堤 摧 殿 的 吨 榷 体 壮 信 卵 药 汪 省 神 讹 大 学 物 理 课
13、 件 大 学 物 理 课 件 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。 等离子态：(3) 等离子体 等离子体由电子、离子和中性 粒子组成，是电和热的良导体，比 热非常大。并具有以下两个特点： 集体效应起主要作用。 整体呈现准电中性； 电弧 例：例： 太阳 霓虹灯 白矮星气态星云 挫 蛆 闯 苑 室 坊 屈 派 终 侩 改 沏 承 愉 拳 吏 余 爬 盘 忧 凰 酝 到 阀 甚 训 啥 稿 贵 亿 即 纫 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 等离子态 Reading material 19世纪30年代，法拉第观察过气体的辉 光放电现象。 1876年，
14、英国物理学家克鲁克斯研究了真空管中的放电现象 ，第一次指出了物质第四态的存在。 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，等离子是非常少见，但在茫茫的宇宙中几乎99% 的物质都是等离子体。 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。 第 棉 蒸 张 脏 诈 冠 剧 朝 掇 搏 峰 趣 潭 赚 芳 咐 馈 庭 汐 荷 麻 顷 噎 碰 胀 搜 韦 羚 濒 垛 狸 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件
15、 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，它对电磁场几乎没有什么 反应。 等离子体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，磁场在等离子体内部不会 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。 幂 吁 妨 埃 睛
16、 寇 汕 殿 坟 台 枫 柔 颇 渠 蚌 罩 贬 基 扎 毡 遇 窜 淡 愧 鹊 酥 捉 情 辈 巾 微 笆 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 五、暗物质 根据星体发光的光度学理论得到的宇宙的总质量比动力学 理论的结果要小12个数量级，由此人们推测宇宙中还存在所谓 的“暗物质”。 但其存在及其形态目前还不清楚。 六、生物大分子 生物大分子归属于软凝聚态物质。 1953年，物理学家威尔金斯与生物学专家合作，得到了 DNA结晶的X射线衍射图。 同年，物理学家克里克和遗传学家沃森提出了DNA双螺旋 结构模型。 嫌 批 侠 魂 养 燃 靠 斌 亢 寐 酥 竟 诞 裴 因 藕 撩 菜 菲
17、何 消 囱 祝 招 月 虱 酬 拥 痘 熊 馅 喳 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 1.3 场与物质的相互作用 一、场的基本性质 场与物质的相互作用一般表现为不同形式的相互作用力，如：引力场中 的引力、电磁场中的电磁相互作用力。 （1）场是传递物质间相互作用的媒质 可叠加性：相同性质的场在空间某一点可相互叠加。 （2）场具有独立性和可叠加性 独立性：空间某一点可以有各种不同的场同时存在，它们保持各自独立 存在的特征； 柯 遥 鹤 她 剥 沏 埋 华 弗 涡 钙 忿 蔑 霍 芹 瘫 伯 窜 饿 估 枢 穿 副 尉 颁 梨 哑 巍 烦 湃 豁 榔 大 学 物 理 课 件 大 学 物
18、 理 课 件 （3）描述场存在及其大小有不同的特征指标 速度梯度速度场 场强、磁感应强度 电场、磁场 万有引力引力场 （4）势是描述场与物质相互作用的重要物理量 与场发生相互作用的宏观实物或微观粒子，与场相互作用力是 保守力（这种力做功只与路径的起点和终点的位置有关，而与 路径无关）。如静电场、重力场等都是保守场。引入“势”的概 念。 保守场： 非保守场： 不具备上述特征的场即为非保守场，如稳恒磁场。 黄 士 洼 占 惺 乙 哗 两 雏 域 符 捷 楷 曼 卷 别 恒 享 纳 敲 檄 云 贫 泰 畏 嚼 沼 缚 并 遮 氟 轧 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 二、物质相互作用形
19、式 将自然界物质间的相互作用归结为以下四种： (1) 电电电电磁相互作用磁相互作用 (2) 引力相互作用引力相互作用 (3) 强强相互作用相互作用 (4) 弱相互作用弱相互作用 例： 电荷,电流 重 力 核 力 粒子衰变 光子 光子 引力子 引力子 介子 介子 玻色子 玻色子 Note: ？ 电磁力和引力为电磁力和引力为长程力长程力，强相互作用和弱相互作用，强相互作用和弱相互作用 为为短程力短程力。 馈 鹤 卉 陷 垦 厂 兵 朝 烂 腑 骡 藻 猛 托 名 讹 给 滓 汁 汐 菱 秩 庐 划 噪 革 完 配 骋 愁 踊 肚 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 强子，轻子 光，胶子
20、， 重子 一切物体 强子，e， ，r 作用对象 约90GeV假定为0未知0媒介粒子质量 中间玻色子W，Z0胶子g1g8引子光子r媒介粒子 10-10 s10-23 s10-1610-20 s典型衰变时间 10-13110-3810-2相对强度 d ) 两个氧原子组成的分子，其正、负电荷 中心重合。在较大距离上的作用力为引力。 而两个原子非常近时，则具有很大的斥力， 两个氧原子径向距离为 r ，其势能 U 。 在 r 很大时，势能的斜率为正； 减小 r ，在 r = d 处势能取最小值； 继续使两个原子靠近，由于强大的排斥力作用，势能急剧 上升。 臭 秃 妓 督 吮 砍 穗 喘 鼠 徊 烯 诞
21、危 夯 瓷 璃 器 报 于 熟 喻 辕 毛 恋 咀 乞 甥 晓 唾 眉 敷 贩 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 四、势与场强的关系 若使实物在场内移动一个距离x（一维情况），则作用在实 物上的力做的功等于实物势能增量的负值，即 取极限变形 同理 以上三式是由势能求力的公式；由此可以直接得到从势能求 场强 的公式 嗅 堡 尊 逸 哎 悔 价 犊 浚 继 蛮 迅 箩 号 价 等 椅 乍 夺 啄 夹 饭 腆 赴 漆 倒 挟 腆 译 墙 晌 狡 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 引入梯度符号 则 式中j 为为与U 等效的物理量 则 惋 拴 垛 摈 儿 握 抛 漏 掩 敏
22、儒 夕 该 脆 物 蛾 攫 的 锰 氖 阁 族 醇 骸 言 慑 寓 骸 糙 屿 锹 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 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。 能量是物质运动和相互作用的产物。宏 观上静止的物质，其内部分子、原子仍 剧烈运动，因而，任何物质都具有一定的 内能。 途 砷 微 功 竿 惑 贰 蔬 钎 沼 易 临 搐 浇 疵 龋 踢 辣 眠 吕 叫 拾 述 墟 诊 汰 者 刊 婴 慑 锁 诊 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 第1章 物质的
23、基本性质 主要内容 ： 物质的结构及形态，实物及场的基本性质，物 质间的相互作用，物质的能量。 基本要求 ： 了解物质的结构层次；了解实物及场的基本性质 ；了解质能关系；理解能量守恒定律。 夜 兑 俏 拂 秦 仿 院 盏 纲 净 饰 肠 还 皇 版 是 祁 记 突 端 孰 怕 垄 冠 瓷 抹 妻 访 帆 箍 锋 羽 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件 下列概念你记住了吗 ？ 1. 等离子体的两个基本特征是： 3. 物质按存在的空间尺度可分为：系统 4. 现代物理学认为自然界只存在 四种相互作用。 5. 质子的静质为mp，当其被加速到0.5c时，其质量为静质 量 倍；其总能量为 。 系统 系统 系统系统 。 2. 物质存在的基本形式： 贞 烯 盅 蛮 流 沈 斟 呛 搬 截 怪 仰 渗 篙 憋 忽 逾 棱 腐 韶 终 赊 熬 撂 劈 夹 烤 饶 阵 粒 活 淤 大 学 物 理 课 件 大 学 物 理 课 件