大学物理：物理学与高新技术.ppt
物理学与高新技术,20世纪以来，物理学的基本概念、基本理论、基本实验手段和研究方法全方位渗透到技术领域，导致了一系列高新技术的产生。,高新技术是指基本原理建立在最新科学成就基础上的技术，是位于科学技术最前沿的综合性技术群,通常包括材料技术、能源技术、信息技术、空间技术、海洋技术和生物技术。,9.1 物理学与航空航天技术,航空:人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动。,航天:人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空 间的航行活动。,航宇:人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行 器称“航宇器”。,航空技术主要研制气球、飞艇、滑翔机、直升机、军用及民用飞机等飞行器即航空器。航天技术主要研制运载火箭、人造卫星、导弹武器、无人及载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等人造天体即航天器。,9.1.1 火箭推进原理 宇宙速度,一、火箭推进原理,火箭是变质量系统，自身质量和喷出气体的速度时刻在变。设 时刻火箭（包括火箭体和尚存的燃料等）质量为，速度为。经过 时间，火箭喷出的气体质量为（火箭质量在减小，为负值），火箭体的速度增大到，质量变为,若喷出气体相对火箭的速度恒为，则有,设火箭点火时的质量为，速度为，燃料烧完后的质量为，速度为，则,齐奥尔科夫斯基公式,二、宇宙速度,(1)第一宇宙速度,人造卫星在距地心为的圆轨道上以速度运行,地球表面附近的轨道，其半径近似于地球半径,第一宇宙速度,(2)第二宇宙速度,第二宇宙速度对应于航天器逃离地球引力场后速度为零、与地球系统的引力势能也为零的情况。,经计算可得第二宇宙速度,(3)第三宇宙速度,第三宇宙速度对应于航天器脱离太阳引力场,经计算可得第二宇宙速度,.航天器的发射与返回,一、航天器的发射,人造地球卫星、空间探测器、宇宙飞船、空间站等航天器装在运载火箭的末级上，由运载火箭点火发射后送入其运行轨道。运载火箭通常为三级火箭，其发射后的飞行过程大致可分为三个阶段：,地球同步轨道卫星,地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运行周期 T 与地球自转周期 Te 严格相等,即,由圆周运动规律可以计算其高度 和运行速度,二、航天器的返回,发射过程是航天器从地面经加速穿过大气层而进入其运行轨道的过程；而返回过程则是航天器从运行轨道经减速到达地面的过程。航天器的返回大致可分为调姿、制动、过渡、再入及着陆五个阶段。,三、航天飞机,航天飞机是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送人员和货物的飞行器，主要由轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱三个主要部分组成。,.航天器的运行 失重现象,一、航天器的运行,航天器在轨道上运行时所受地球引力始终指向地心，该力对地心的力矩始终为零。近地轨道处于稀薄大气中，航天器在这些轨道上运行时会受到与运动方向相反的大气的摩擦力作用，此力对地心的力矩不等于零，因而航天器的角动量逐渐减小，最后落回地球。对高轨道航天器，可忽略其大气阻力和其它天体对它的作用，其运行过程对地心角动量守恒。,二、失重现象,航天器的轨道飞行是围绕天体的惯性飞行。由于受到地球引力的作用，航天器的飞行轨迹发生弯曲，而曲线运动会产生离心惯性(俗称离心力)，这个离心力的大小正好与其所受地球引力相等，但方向相反。这两个力相互平衡而抵消，因而在航天器上形成了失重环境。严格地说，只有在航天器的轴线上重力为零，离开轴线，则仍然存在微小重力。所以准确地说，航天器上为微重力环境。,9.2 物理学与材料技术,物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。,.材料及其分类,材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成的、具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。,材料分类,按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料，或者分为无机材料和有机材料。,按用途分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物材料、核材料、航空航天材料等。,结构材料和功能材料,结构材料主要以力学性能为基础、以制造受力构件为应用目的（当然也要考虑物理化学性能如光泽、导热性、抗腐蚀、抗氧化等）,功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料，它们对外界环境如光、电、磁、热、压力、气氛等反应灵敏。,现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能相结合的要求，即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊功能。,传统材料和先进（或新型）材料,传统材料指制造技术成熟且大批量生产与应用、价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料,先进材料（新型材料）是指那些正在发展、具有优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中的材料。,.物理学材料科学与技术的基础,一、凝聚态物理材料科学的理论基础,凝聚态是大量分子形成的紧密聚集态。,将量子力学、热力学与统计物理、电磁学理论这些物理学基本原理用于研究由数目巨大的粒子构成的凝聚态物质系统的微观结构、粒子的集体运动规律、宏观性能以及外界因素对系统性质的影响便形成了凝聚态物理，因而凝聚态物理是材料科学的理论基础。,凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之间的关系的学科。,二、现代物理技术材料结构表征与性能检测的基本手段,无论是性能检测，还是结构表征与成分分析，都需要各种物理测量仪器，都与物理学密切相关。,、X射线分析技术,利用X射线与物质相互作用时产生的吸收和散射现象，可进行物相鉴定、物质成分分析、晶体点阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、缺陷分析、非晶态结构测定等。,、电子显微分析技术,光学显微镜能使欲观察的细节放大，然而光的衍射理论表明，光学显微镜的放大倍数是有限的。电子的波长远小于光子，用电子束作光源，显微镜的分辨率大为提高,电子束打到样品后，电子或从薄样品透穿而过，或从厚样品表面掠射而过，电子的行踪将发生改变，并释放各种信息将这些信息加以收集、整理、分析即可得知材料的微观结构和成分。,、扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜(AFM),扫描隧道显微镜不同于电子显微镜。电子显微镜是利用高速电子穿进物质内部研究物质的微观结构。扫描隧道显微镜不用光源也不用透镜，其显微部件是一枚非常细而尖的探针。在物质的表面有一层阻止内部电子向外运动的势垒屏障，但量子力学告诉我们，表面电子能够穿过这个屏障，到达表面外形成一层电子云，这就是所谓的隧道效应。这层电子云的纵向和横向分布与样品表面的微观结构有关。STM就是通过探针探测出这层电子云的分布，来观察物体表面的微观结构的。,STM 使人类第一次能够立体显示单个原子在物体表面的排列状况，其纵、横向分辨率分别达到0.01nm和0.2nm，从而为材料表面表征开拓了新的领域。STM的出现也为纳米科技注入了活力，使人们能够实现在纳米尺度甚至原子尺度上对物质进行微加工和对单个原子、分子的操纵。,1990年美国IBM公司研究人员首先用STM在金属镍表面用35个氙原子排出了“IBM”字样。1994年，中国科学院研究人员利用STM在硅单晶表面直接取走硅原子，形成了硅原子晶格背景下的书写文字。,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播逐渐减小同时向圆内传播的电子相互干涉形成干涉波。,用扫描隧道显微镜的针尖将铁原子一个个地操纵按照实验者的意愿排列成汉字。汉字的大小只有几个纳米。,1994年初，中国科学院真空物理实验室的研究人员成功地利用一种新的表面原子操纵方法，通过STM在硅单晶表面上直接提走硅原子，形成平均宽度为2纳米(3至4个原子)的线条。从STM获得的照片上可以清晰地看到由这些线条形成的100字样和硅原子晶格整齐排列的背景(图11)。,图12是中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在石墨表面上刻蚀出来的图象。图上中国字样，中国科学院的英文缩写字CAS和中国地图以及奥运会五环旗图案都十分清晰逼真。图形的线宽实际上只有10nm。,由于隧道电流的产生需要两个电极，因此STM对绝缘体表面不能直接测量。为了解决这一问题，1986年宾尼格(Gerd Binnig,1947-)等人在STM基础上又发明了原子力显微镜（AFM）,利用针尖与样品之间的原子力（引力、斥力）随距离的变化测量样品表面微观形貌、弹性、硬度等。原子力显微镜对各种材料均可获得原子级分辨图像。,.半导体材料,半导体材料之所以有极为广泛的用途，是因为半导体中的电子可以做多样化的运动，半导体物理的研究阐明了电子多样化运动的规律性。,一、半导体器件的基本构成 pn结,电子由n区通过交界面向p区扩散，空穴由p区通过交界面向n区扩散,界面附近p区积累负电荷，在n区积累正电荷。在结区便会形成由n区指向p区的电场，称为内建电场。,pn结的单向导电性,半导体二极管就是一个pn结构成的器件。,两个pn结紧密相连且共用中间的p区或n区，便形成pnp或npn结构，就变成了半导体三极管.,二极管在电路中起开关和稳压作用.三极管在电路中起电流分配、放大和开关作用。,二、半导体材料的应用简介,1、传统的典型半导体材料及应用,硅是目前世界上最重要、用量最大的半导体材料，资源极为丰富、成本低廉、禁带宽度较大、性能较稳定、机械强度高、结晶性好，是制造大规模集成电路最关键的材料。,砷化镓是继锗、硅之后发展起来的第二代半导体材料，如今已成为除硅以外最重要的半导体材料，广泛应用于通讯、医疗、家电、办公设备、航空航天等民用及军事领域。砷化镓的禁带宽度比硅、锗都大，介电常数小，电子迁移率是硅的6倍，适于制造高频、高速的电子器件和电路。,碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是三元化合物半导体材料，物理性质随x的改变可连续地从金属变到半导体，其禁带宽度随x的增大可从HgTe的负值过度到CdTe的正值。Hg1-xCdxTe的本征载流子浓度低，电子迁移率高，导电类型可以由本身组分的改变来调节，也可用掺杂方法来控制，适于制作光导或光伏型器件。碲镉汞本征半导体的吸收系数大，可以全部吸收几微米到几十微米波长的光，是目前制造红外探测器最理想的材料。碲镉汞是继硅、砷化镓之后发展起来的第三代用途广泛的半导体材料。,2、集成电路,采用氧化、光刻、扩散、外延、离子注入等工艺，将晶体管元件和电阻器、电容器等元件，按照一定的电路连接，集成在一块半导体晶体片上，这便是集成电路。集成电路是现代计算机科学技术发展的重要基础，它使计算机小型化、运算速度提高、不断升级换代，为现代信息社会奠定了主要的物质基础。,3、可控硅,可控硅的结构为三个pn结的四层元件pnpn，能连续随意地改变输出直流电压的大小。,4、半导体微结构材料及应用,异质结在一种半导体材料A 上生长另一种半导体材料B（或金属），交界面就形成异质结。同质结同一块半导体单晶中掺入不同杂质做成.,量子阱两个同样的异质结背对背接起来且A、B两种半导体材料禁带宽度相差较大。,超晶格几种不同的薄层材料周期性地交替生长而成的人工材料。,5、半导体光电效应及其应用,光电效应物质受光照射后引起某些电性质变化的现象，包括光电导、光电子发射和光生伏特。,光电导光照使半导体材料的电导率升高的现象.,光电子发射半导体或金属中的电子吸收光子克服逸出功而从表面离开的现象.,光生伏特在光照射下，半导体pn结两端产生电势差的现象。,6、半导体激光器,半导体激光器就是一个pn结二极管，在电流正向流动时发激光。砷化镓、磷化铟、锑化镓等具备产生激光的特殊能带结构，外界激发是加上直流电源注入足够浓度的载流子；半导体激光器谐振腔是由垂直于结面的二极管两个侧面作为反射镜组成。,9.2.4 特殊功能合金,一、储氢合金,用金属吸收氢气生成金属氢化物，需要时加热放出氢，该过程是可逆的。如镧-镍合金、铁-镍合金等.,二、形状记忆合金,一些合金在高于某转变温度时被制成某一形状，把温度降到转变温度以下后改变其形状，当温度回升到转变温度以上时，它会按记忆恢复原状，这种现象叫做形状记忆效应。,9.2.5 陶瓷材料,陶瓷是指以各种粘土、石英等天然无机物为主要原料成型后在高温窑炉中烧结而成的制品，许多是金属氧化物。陶瓷有很多优良的性能，如耐高温、耐磨、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、强度高等，其缺点是易碎。陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷。功能陶瓷指具有电、磁、光、生物功能等方面特殊性能的陶瓷。,9.2.6 超导材料,许多金属、合金、化合物在温度低于某一临界温度时，电阻完全消失，且成为完全抗磁性物质，这种性质称为超导电性。具有超导电性的材料称为超导体。,一、超导体的基本性质,1、零电阻效应与临界参数,零电阻效应：在Tc以下，超导体电阻突然消失。临界温度Tc：材料由正常态变为超导态的转变温度.临界磁场Hc：破坏超导态所需的最小磁场强度。临界电流Ic：超导态所允许的最大电流。,2、迈斯纳效应,1933年德国的迈斯纳等人通过实验否认了超导体是理想导体的说法，不管初始条件或“历史”如何，在超导状态下，超导体内部的磁感应强度恒为零，这就是迈斯纳效应。,二、BCS理论,无论是经典理论，还是量子力学的最初解释，都不能说明绝对零度以上的零电阻现象。1957年，美国物理学家巴丁、库柏、施瑞弗建立了超导电性量子理论，即BCS超导微观理论。BCS理论的核心思想是超导体中电子形成了“库柏对”。,库柏对由两个动量完全相反的电子组成，按照经典理论，这两个电子会沿相反方向分离；而根据量子理论，两个动量等大反向、自旋相反的电子结合成对时能量最低，是最稳定的。电子对中一个电子如果受晶格碰撞而改变动量，另一个电子同样会受到晶格碰撞而发生相反的动量改变，结果是电子对总动量不变，所以晶格不会影响库柏对的运动，宏观上表现为零电阻。大量库柏对的出现就是超导态的形成。,BCS理论能解释超导态的零电阻现象、迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场、临界温度、超导能隙等与低温超导相关的各种实验事实，清楚地揭示了超导电性的微观本质。,三、约瑟夫森效应,在两块超导体中间夹一层纳米厚度的绝缘层、金属层或真空，当一个小于Ic的电流从一个超导体流向另一个超导体时，库柏对会因量子隧道效应穿过中间的势垒，且仍保持配对状态，这样两侧的超导体之间没有电压，整个结构呈现零电阻性，这就是超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。,约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测和各种电子学应用的物理基础。,四、超导材料的应用,1、在强电方面的应用,电力传输 超导磁体,2、在弱电方面的应用,利用约瑟夫森效应制做各种器件,3、高温超导材料,金属单质和金属间化合物临界温度低，难于应用。,Tc超过77K的超导体可在液氮温度下工作，故称为高温超导体。,9.2.7 介观材料,一、介观材料及其结构单元,介观材料通常包括尺度在纳米级至亚微米级之间的超微颗粒或团簇、一维线（直径为纳米级）、二维薄膜(厚度为纳米级)以及由这些单元组成的无序或有序固体材料。,介观体系的结构单元包括团簇、纳米颗粒、纳米线（管、棒）、纳米薄膜。,二、介观材料的奇异特性,1.小尺寸效应 2.表面效应与界面效应 3.量子尺寸效应 4.介电限域效应5.库仑阻塞效应6.宏观量子隧道效应,介观体系的力学、热学、光学、电磁学及化学等方面的性质与常规材料大相径庭，这些奇异特性主要是由以下原因引起的。,三、介观材料的应用,由于介观材料（团簇，纳米颗粒，一维、二维纳米体系）表现出许多异于宏观物体的性能，因而具有巨大的潜在应用价值。介观材料目前正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。,9.3 物理学与能源技术,能源技术是关于能源的开发、输运、贮存、利用及节能的手段与方法的综合。物理学是能源技术的基础，18世纪初蒸汽机的发明和利用、19世纪初电能的使用、20世纪中叶以来对原子能的利用等无不以物理学的发展为前提，各种新能源的开发利用、新的能量转换技术和节能技术的实现同样有赖于物理学理论和实验的进展。可以说，能源技术的过去、现在和将来都与物理学密切相关。,能源是社会生产和国民经济的重要物质基础，因此人们把它看作国民经济发展的动力、现代生产的血液。,9.3.1 能源的分类,按能量的形成和来源分为三类：来自地球外天体的能量太阳辐射能及与此有关的能源；来自地球内部的能量，包括地热能、地球上的核燃料；是来自地球与天体相互作用的能量，如潮汐能。,按能源成因和转换传递过程可分为一次能源和二次能源.,进行储量评价时，分为可再生能源和不可再生能源。,按开发利用状况，分为常规能源和新能源。,根据能源使用过程对环境的污染程度，分为清洁能源和非清洁能源。,9.3.2 能源的开发利用,一、热能,1、煤 石油 天然气,这些能源是由远古时期埋藏于地下的动植物经过漫长的地质作用而形成的，所以也称为化石能源或矿物能源，它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。,2、地热能,地热能是指地球内部释放到地表的能量。地球上的地热资源极其丰富，其总储量相当于煤储量的近两亿倍。,二、电能,电能是由各种天然能源通过人工过程由热能、机械能、化学能等形式转化而来的二次能源。可用于生产电能的天然能源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、核燃料等。,电能由于输送快捷、使用方便（可方便地转化为其它形式的实用能源，且转换效率高、能精确控制）、安全可靠、利用过程污染小而在能源中占有极为重要的地位，成为应用最广泛的能源。,三、机械能源 海洋能,1、水能和风能,水能和风能都是由太阳辐照而产生的可再生的清洁能源，利用方式主要是发电。,2、海洋能,海洋能主要来源于太阳辐照、地球与其它天体的相互作用，虽然能流密度小、稳定性差、开发利用工艺复杂、对设备材料和技术要求高、成本高，但因为其总蕴藏量大、分布地域广阔、变化有规律可循、无污染、可再生而成为新能源开发的热点。,潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能,四、太阳能,太阳是一个永不枯竭的能源库，是地球上能量的主要来源，如动植物体内储存的能量、化石能源、水能、风能、海洋能等都直接或间接来自太阳。,1、光热转换,将太阳辐射能转换成可利用的热能谓之光热转换，其基础是热箱原理。,2、光电转换,太阳能电池,光生伏特效应,3、光化学转换 利用光和物质相互作用发生化学反应，将太阳能转化为化学能或电能,五、氢能,氢能的开发利用还需解决两个难题：廉价易行的制氢工艺；廉价便捷的贮存和运输方式。,六、生物质能,生物质能：绿色植物通过光合作用合成有机物，将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。,七、核能（原子能）,核能是原子核在发生变化时由于质量亏损而释放出来的能量，包括裂变能和聚变能两种主要形式。,1、核裂变能,核裂变是重核分裂成较轻原子核的过程。裂变模式有两种：一是少数很重的原子核的自发裂变；二是用中子轰击原子核引发裂变，同时放出23个中子。,2、核聚变能,核聚变：轻原子核聚合成较重的原子核。核聚变能：核聚变过程中释放的能量。,要产生核聚变，必须使带正电的核靠近到10-14m以内，这就要克服巨大的库仑斥力，只有在极高温度下，才能得以实现，这就是热核反应。,作为民用能源，必须让热核反应平稳、有控制地进行，从中不断获取动力，这就是受控热核反应。,受控热核反应一旦实现，人类将从根本上解决能源问题。,9.3.3 能源的现状与未来 新能源的开发,化石能源仍是当前世界能源消费的主体，而我们正面临化石能源将在短时期内枯竭的严峻形势，为此世界各国都积极研究开发风能、海洋能、太阳能、氢能、核能等可再生的新能源，并在不同程度上取得了可喜成果。,我国的能源消费总量约占全世界的11%，仅次于美国而居世界第二位，但人均消费量却不及美国的10%，且能源利用经济效率远低于发达国家水平，能源结构不合理。,开发利用新能源、可再生能源和清洁能源是缓解能源危机、减少环境污染的有效途径，是能源技术发展的主要方向。,9.4 物理学与信息技术,9.4.1 信息与信息技术概念,信息：消息、情报、资料、数据、信号等包含的内容，是对客观事物状态的描述。信息处理包括对信息的分解、组合、排序、转换、变换、编码、调制、存储、检索、运算等等。,信号：带有信息的光、电随时间变化的形态。连续信号（模拟信号）：随时间连续变化的信号。离散信号（数字信号）：随时间间断变化的信号。,信息技术（简称IT）是与信息的获取、加工、存储、传输及应用有关的技术。,9.4.2 信息的获取 传感技术 遥感技术,信息的获取是信息利用的前提。传感技术和遥感技术是信息获取的重要手段。,传感器是一种信号转换的装置或器件，它能将某种物理量按一定规律转换成有用的信号。,传感器技术实际上是一种利用材料的能量转换效应（包括物理效应、化学效应、生物效应等）制成信号转换器件的技术。,遥感技术是通过非直接接触在远距离对目标进行测量和识别的信息获取技术。,9.4.3 信息存储技术,信息存储是通过介质把信息保存或记录下来的一种方式。现代信息记录技术主要是磁记录、光记录和半导体记录，其中最主要的是磁记录。,磁记录是把可以转换为电信号的信息，输入、记录和存储到磁性介质中，且能从中取出和重现该信息的过程。,光记录是通过光的调制，将数据按规定格式以亮点和暗点形式的二进制位存储在介质上。,半导体存储器最早是用于计算机的内存储器。随着半导体技术的发展，半导体芯片价格下降，又开始用作计算机的外存储器和各种电器的信息存储器。,9.4.4 信息传输技术,最早的信息传输采用的是电缆连接的有线通讯系统。有线通讯必须有专用电线，远距离通讯成本高，直流电能成本也高，且一条线只能只能做一个通讯线路。,无线通讯是以无线电波为载波的通讯。,无线通信的基本原理是先将要传输的声音、文字、图像等信息转变成电信号，将其调制到高频等幅振荡电流上放大，再把信号放在这些电磁波载体上通过天线发射出去；无线电波传播途中若遇到接收天线，其高频变化的电磁场会使天线中产生同频率的感应电流，通过解调放大，便可提取被传递的信息。,光纤是高透明电介质材料（如石英玻璃、塑料）制成的非常细小（直径125200m）的低损耗纤维，具有束缚和传输光的功能。,光纤传输依据的是介质的全反射原理。当光线以临界角入射到光纤内壁上时，发生全反射，此时光线在光纤内壁上传播路径呈锯齿状，避免了折射损耗，光的强度基本上没有减弱，这就是光纤传输原理。,
