《现代物理学的探究与展示》课件

现代物理学的探究与展示课程概述与学习目标本课程将带领您深入了解现代物理学的基础理论和前沿研究现代物理学的定义与范畴现代物理学是指世纪初开始兴起的物理学分支，主要研究微观世界20和宇宙空间经典物理学到现代物理学的过渡经典物理学1以牛顿力学、麦克斯韦电磁理论为代表，主要研究宏观世界现代物理学2以相对论和量子力学为基础，主要研究微观世界和宇宙空间相对论理论的诞生背景光速不变原理迈克尔逊莫雷实验表明光速在任何惯性系中都是相同的-牛顿力学的局限性牛顿力学无法解释高速运动物体和强引力场中的物理现象爱因斯坦与狭义相对论时间膨胀长度收缩质能方程高速运动的物体时间流逝速度会变慢高速运动的物体长度会缩短能量和质量可以相互转化，E=mc²时间延缓效应惯性系高速运动12时间流逝速度相同时间流逝速度变慢长度收缩效应静止观测者观测到高速运动的物体长度缩短运动观测者观测到物体长度不变质能方程的深入解析E=mc²质量物质的固有属性能量物质运动和相互作用的表现形式转换质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量广义相对论简介引力1时空弯曲造成的时空2时间和空间的统一概念质量3产生引力的根源引力弯曲时空的概念质量1产生引力场时空弯曲2引力场使时空弯曲光线偏折3光线在引力场中会发生弯曲黑洞的形成与特性量子力学的起源普朗克爱因斯坦提出量子化概念解释光电效应普朗克与黑体辐射123黑体能量公式吸收所有电磁辐射的理想物体以量子化的形式发射，是能量，是普朗克常数，是频E=hf Eh f率光电效应实验光照射到金属表面，会发射电子发射电子的能量与光的频率有关，与光的强度无关波尔原子模型原子核周围的电子轨道是量子化的电子只能在特定的轨道上运动，并以特定的能量跃迁量子力学的基本原理波粒二象性量子化12光和物质都具有波粒二象性物理量只能取离散的值叠加原理3量子态可以是多个态的叠加海森堡不确定性原理1位置动量2薛定谔波动方程量子隧穿效应势垒阻止粒子通过的能量障碍量子隧穿粒子可以穿透势垒量子纠缠现象两个粒子1相互关联测量一个粒子2立即影响另一个粒子的状态量子计算的基本概念量子比特量子叠加量子计算的基本单元量子比特可以同时处于多个状态量子纠缠多个量子比特相互关联量子比特与量子门量子比特可以表示、或两者的叠加状态量子门是作用于量子比特的逻辑运算01量子通信技术量子密钥分发量子隐形传态12利用量子纠缠技术生成密钥将量子态传输到远距离粒子物理学概述基本粒子1构成物质的基本单元相互作用2粒子之间的相互作用力标准模型3描述基本粒子及其相互作用的理论框架基本粒子的分类夸克1构成强子轻子2不参与强相互作用玻色子3传递相互作用力夸克模型上夸克下夸克奇异夸克粲夸克底夸克顶夸克强相互作用质子中子由两个上夸克和一个下夸克组成由一个上夸克和两个下夸克组成弱相互作用1核衰变原子核发生衰变释放能量2和玻色子W Z传递弱相互作用力的媒介粒子电磁相互作用光子1传递电磁相互作用力的媒介粒子电荷2粒子带有的电荷决定了其参与电磁相互作用的方式标准模型夸克1构成强子轻子2不参与强相互作用玻色子3传递相互作用力希格斯玻色子的发现希格斯场希格斯玻色子1赋予粒子质量的场希格斯场的量子激发态2粒子加速器工作原理加速粒子利用电磁场加速带电粒子对撞使高能粒子发生对撞探测产物探测对撞后产生的新粒子大型强子对撞机规模周长公里，位于瑞士和法国边境27目标探索新粒子，揭示宇宙奥秘宇宙学基础知识宇宙学研究宇宙的起源、演化、结构和组成现代宇宙学以广义相对论和量子力学为基础宇宙大爆炸理论起源1宇宙起源于一个无限小的点膨胀2宇宙从爆炸点开始迅速膨胀宇宙膨胀与哈勃定律哈勃定律1星系远离地球的速度与其距离成正比宇宙膨胀2宇宙在不断地膨胀，星系之间的距离越来越远暗物质的探索银河系旋转星系团运动星系旋转速度比可见物质的引力所能解释的快星系团的运动速度比可见物质的引力所能解释的快暗能量之谜1加速膨胀宇宙的膨胀速度正在加速2未知能量暗能量是一种未知形式的能量，推动着宇宙加速膨胀宇宙微波背景辐射温度分布大爆炸余晖1辐射温度分布不均匀，证明宇宙并非完宇宙大爆炸后遗留下来的辐射2全均匀天体物理学前沿黑洞中子星引力极强的时空区域，吞噬物由中子组成的致密天体质脉冲星快速旋转的中子星，发出周期性脉冲信号恒星演化过程星云恒星的起源主序星恒星生命中最长的阶段红巨星恒星开始膨胀白矮星恒星演化的最终阶段之一超新星爆发燃料耗尽恒星核心的燃料耗尽引力坍缩恒星核心发生引力坍缩爆发恒星发生剧烈爆炸，释放大量能量中子星与脉冲星中子星是由中子组成的致密天体脉冲星是快速旋转的中子星，发出周期性脉冲信号引力波探测引力波1时空中的涟漪探测器2利用干涉仪探测引力波实验成果LIGO首次探测1年首次探测到引力波2015黑洞合并2引力波信号来自两个黑洞合并现代光学技术激光光纤单色性、方向性、相干性强传输光信号的介质激光原理与应用扫描仪手术利用激光扫描物体表面利用激光进行精密手术光纤通信技术12光纤高速传输传输光信号的介质光纤通信速度快，容量大3应用广泛应用于互联网、电话、电视等领域量子光学研究光量子量子光学1光的量子化描述研究光的量子性质2凝聚态物理学研究物质的凝聚态，包括固体、液体和等离子体研究物质的宏观性质，例如电导率、磁性、热容等超导体与超流体超导体1电阻为零的材料超流体2粘度为零的液体拓扑材料拓扑性质1材料的拓扑性质决定了其电子能带结构应用2应用于电子器件、量子计算等领域石墨烯与二维材料石墨烯二维材料由单层碳原子组成的二维材料厚度只有几个原子层的材料纳米技术应用12纳米材料特性尺寸在纳米之间的材料纳米材料具有独特的物理化学性质1-1003应用应用于电子器件、医疗器械、能源等领域核物理学基础原子核由质子和中子组成强相互作用将质子和中子束缚在一起的力核裂变与核聚变核裂变是原子核分裂成两个或多个较轻的原子核的过程核聚变是两个或多个原子核融合成一个更重的原子核的过程可控核聚变研究清洁能源1核聚变释放巨大的能量，且无污染计划2ITER国际热核聚变实验堆计划等离子体物理等离子体1物质的第四态研究2研究等离子体的性质和行为应用3应用于核聚变、材料加工等领域现代物理学的工程应用。