1-1质点运动的描述

大学基础物理,第一章质点运动学

●物理学是研究物质性质、运动规律及其相互作用的学科。 ●物理学拓展我们认识自然的疆界、扩展和提高我们对其 他学科的理解，是技术进步最重要的基础。 ●物理教育为科学和技术培养训练有素的人才。 ●物理学的进步对社会发展和人类生活的改善有不可估量

的影响。

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第一章质点运动学 1 – 1 质点运动的描述 21世纪物理科学发展展望李政道

19世纪末20世纪初，物理科学中有两个相当重要的科学发现。一个是迈克耳孙—莫雷实验。这个实验证明，光顺着地球运动和 逆着地球运动的速度是完全一样的。另外一个是普朗克的一个公 式，炽热的物体放光时，会有不同的波长，普朗克对波长的分布 提出一个猜测公式，与实验很好地符合。这两个问题用经典的理 论和方法是无法解决的。这两个发 现虽然都很稀奇，但当时它们 同日常生活并没有什么直接联系。

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第一章质点运动学 1 – 可是不久以后，即从第一个发现产生了狭义相对论，从第 1 质点运动的描述二个发现产生了量子力学。到1925年，人们对这两个领域(即 狭义相对论和量子力学) 已完全了解了。由此又发展出原子构 造、分子构造、核能、激光、半导 体、超导体、X光，以及超 级计算机等理论和应用。1925年以后，几乎所有的物质文明， 都是从这两个基础发现衍生出来的。 关于21世纪物理科学的发展前景，我认为是很好的，因 为目前的情况与 20世纪初很相似。

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第一章质点运动学

20世纪初的两大发现，导致两大科学疑问的提出，即光顺地球

运动和逆地球运动时的速度为什么一样? 如何解释炽热的物体发射的光谱? 现在同样也面临两个疑问：其一，目前的物理理论都 是对称的，而实验却发现了不少对称性的破缺(2007年是吴健雄博 士做宇称不守恒实验的50周年纪 念。她的文章是50年前的2月15 日发表的，她于1997年2月16日去世); 其二，有一半基本粒子是

至今一点都独立不出来的。我们已经知道，所有的中子、质子、原子、分子，都是由两类基本粒子组成的：一类是夸 克；另一类 是轻子。一共有6种夸克，6种轻子。可是这6种夸克，每一个 都 不能单独自由行动，从来没有人观察到它们可以自由的存在。

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第一章质点运动学 1 – 1 质点运动的描述 关于理论上对称而实验上对称破缺这个问题，现在的认识是，这个对称的破缺来自于真空。什么是真空?真空是没有物质(粒子) 的态，可它仍有作用，有作用就有能量的涨落。这种能量的涨落 是可以破坏对称的。 为什么夸克走不出来呢? 这和超导类似。超

导是抗磁场的，假如有一块材料没变超导前有磁场通过

,一变成超导，磁场就被排出来了。假如一个圆圈里面有磁场，这圆圈没 变超导前，磁场可任意进出；而一旦变成超导，磁场就出不来了。 在真空的涨落中，很可能有磁单极子和反磁单极子，它们是抗量 子色动力学电场的。可以认为，真空是物理的相对论性凝聚态， 它虽是没有物质(粒子)的态，但却是有作用的，也就有可能被 激发。 ……

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第一章质点运动学 1 如果真空可以被激发，粒子的微观世界和宏观的真空就结合起 – 1 质点运动的描述来了。这将是一个新的发展。我们用对撞机来研究这个问题，是 想人工模拟出一 个状态，它和当初宇宙开始大爆炸的情景相似。 大爆炸开始于一个激发 的真空，人工制造出类似的状态，也许可

测量得到大爆炸之初的若干特 性。宇宙中有一种叫作类星体的东西，人们知道它不是普通的星，但对它知之甚少。对它的能量来 源，就一直未搞清楚。太阳的能源是核能， 而一个类星体的能量 比太阳的能量要大得多，可以是太阳的1015倍，这绝对不可能来 自核能。在宇宙中估计共有100万个类星体，其中正在仔细研究的 有1000个。 ……

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第一章质点运动学 1 –宇宙中的另一个大问题是暗物质。从引力的计算，人们知道 1 质点运动的描述有暗物质存在，可是用光无法探测，用红外、紫外、X光都无法 探测到。 宇宙里90%以上是暗物质。暗物质存在的证明很简单。…… 21世纪的物理科学，可能会在以下一些基本问题上取得突破性 进展：激发真空；微观和宏观的物理的结合；模拟宇宙大爆炸之

初的状态；了解暗物质, 了解类星体的能源，了解CP不对称的原理等。什么是CP不对称呢?粒子和反粒子，左和右不对称，就是 CP不对称。因为CP不对称，所以我们能够存在。我们都是质子 和电子的，我们宇宙里没有很多的反质子和正电子。在大爆炸一 开始它们应该是一样的，所以CP不对称也是一 个很重要的问题。

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欧洲核子研究中心

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位于瑞士日内瓦附近、跨瑞士和法国边境，是全球重要的粒子研究机构，重点模拟研究宇宙大爆炸之后的最初

状态，该机构大型强子对撞机建于地下100米深、全长27公里的环形隧道内。欧洲大型强子对撞机(LHC,Large Hadron Collider)是现在世界上最大、能量最高的粒子加 速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。

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欧洲核子研究中心大型强子对撞机

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空中俯瞰欧洲核子研究中心大型强子对撞机

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欧洲大型强子对撞

机内部

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欧洲大型强子对撞机成功创造迷你版宇宙大爆炸新浪科技讯，北京时间2010年11月9日消息，据《独立报》报道， 科学家借助欧洲大型强子对撞机(LHC,Large Hadron Collider)成功 完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳 核心温度100万倍的火球，温度超过10万亿度 。 宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸 。

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第一章质点运动学 ALICE离子对撞实验项目英国小组成员、伯明翰大学

物理学家戴维· 埃文斯博士说：“我们对这一成就激动 万分。对撞实验产生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在 实验中取得的有史以来的最高温度和密度。这个过程 发生在一个安全、可控的环境内，生成了炽热和稠密的 亚原子火球，温度超过10万亿度，即太阳核心温度的

100万倍。在这一温度下，连构成原子核的质子和中子 稠密的夸克与胶子汤。”氢弹爆炸中心的温度大约是100亿度。可能与宇宙大爆炸后的1 秒钟的温度相当。

也被融化了，产生称为‘夸克与胶子等离子体’的炽热而

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成功捕获反氢原子使其存在约0.17秒

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据来自英国《自然》杂志网站2010年11月17日刊登的

一篇报告称，最近，科学家在反物质领域取得了重大突破，

成功捕获反物质使其存在约0.17秒，虽然看上去这时间很短，但对于科学界来说，这绝对是令人振奋的。 氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。 实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了 反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中 的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数 个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了

“较长时间”——约0.17秒。

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第一章质点运动学 1 –谈及这种看不见、摸不着的捕捉方式，丹麦奥胡斯大 1 质点运动的描述

学教授杰夫· 杭斯特告诉英国广播公司(BBC)记者，反氢原子具有“少许磁性”,“你可以把它们想象成罗盘指针，

能够利用磁场探知它们的存在。我们制成一只强有力的‘磁瓶’,在里面造出反物质”。

另外，反氢原子运动速度不能太快，否则便难以捕获。 杭斯特所在研究团队花费5年时间，设法让反氢原子温度 降至0.5开氏度，相当于零下272.65摄氏度、即接近绝对零 度，使反氢原子处于低能量状态。 “如果它们运动得不至于太快，那么就算被‘抓住’ 了，”杭斯特说。

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第一章质点运动学 1 –英国著名杂志《 1 质点运动的描述 Nature》是世界上最早的国际性科技 期刊，自从1869年创刊以来，始终如一地

报道和评论全球 科技领域里最重要的突破。影响因子26(2004年数据)。

其办刊宗旨是“将科学发现的重要结果介绍给公众…,让公众尽早知道全世界自然知识的每一分支中取得的所有进

展”。

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力 学

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机械运动: 物体在空间的位置随时间而变化的过程。 力学就是研究物质的机械运动的客观规律及其应用的科学。 力学从内容上分为: (1)运动学：只研究位置与时间的关系； (2)动力学：研究使物体运动发生变化的原因； (3)静力学：讨论力的平衡情况。 当物体作低速(与光速相比)运动的情形，可用牛顿的三个 运动定律为理论基础的经典力学来研究。 当物体的速度接近于光速时，就需要用相对论力学来研究。

并且经典力学只是相对论力学在低速时的近似。

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1一 –. 1 参考系 质点运动的描述 坐标系 质点

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1. 参考系 为描述物体的运动而选择的标准物(一个物体或一组物体) 叫做参考系. 选取的参考系不同，对同一物体运动情况的描述就不同，这就

是运动描述的相对性.2. 坐标系 定量地描述空间一点相对于某参考系的位置所采用的坐标系统。 常用的有直角坐标系(多用右手系), 还有极坐标系、自然坐标系等。 3. 质点 把物体看成一个只具有质量而没有大小和形状的理想物体 —— 质点

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