大学物理：物理学与高新技术.ppt

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1、物理学与高新技术物理学与高新技术 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。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。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

2、物理学与航空航天技术航空航空: 人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动。人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动。 航天航天: 人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空 间的航行活动。间的航行活动。 航宇航宇: 人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行 器称器称“航宇器航宇器”。 航空技术主要研制气球、飞艇、滑翔机、直升机、军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。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、航天技术主要研制运载火箭、人造卫星、导弹武器、无人

3、及载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等无人及载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等人造天体即航天器。人造天体即航天器。 9.1.1 火箭推进原理火箭推进原理 宇宙速度宇宙速度一、火箭推进原理一、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。设度时刻在变。设 时刻火箭（包括火箭体和尚存的时刻火箭（包括火箭体和尚存的燃料等）质量为燃料等）质量为 ，速度为，速度为 。经过。经过 时间，时间，火箭喷出的气体质量为火箭喷出的气体质量为 （火箭质量在减小，（火箭质量在减小，为负值），火箭体的速度增大到，质量变为负值），火箭体的速度增大到，质量

4、变为为 tM0vdtdMdMdvvdMM ()()()MvMdMvdvdM vdvu若喷出气体相对火箭的速度恒为，则有若喷出气体相对火箭的速度恒为，则有udMdvuM 设火箭点火时的质量为，速度为，燃料烧完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，则后的质量为，速度为，则 0M0vfMfv00ffvMvMdMdvuM 00lnffMvvuM齐奥尔科夫斯基公式齐奥尔科夫斯基公式 二、宇宙速度二、宇宙速度(1)第一宇宙速度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人造卫星在距地心为的圆轨道上以速度运行 mrvrvmrmMGe22rGMve地球表面附近的轨道，其半径近似于地球

5、半径地球表面附近的轨道，其半径近似于地球半径 reR第一宇宙速度第一宇宙速度 17.9km/seeGMVR(2)第二宇宙速度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。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经计算可得第二宇宙速度 212211.2km/seeGMVVR(3)第三宇宙速度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经计算可得第二宇宙速度 skmV/7 .163.航天器的发射与返回航天器的发射与

6、返回一、航天器的发射一、航天器的发射 人造地球卫星、空间探测器、宇宙飞船、空间人造地球卫星、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：箭，其发射后的飞行过程大致可分为三个阶段： 垂直起飞阶段垂直起飞阶段 转弯飞行阶段转弯飞行阶段 进入轨道阶段进入轨道阶段 地球同步轨道卫星地球同步轨道卫星 地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运行周期行周期 T 与

7、地球自转周期与地球自转周期 Te 严格相等严格相等,即即 shTTe4min5623hv由圆周运动规律可以计算其高度由圆周运动规律可以计算其高度 和运行速度和运行速度vhRThRvmhRmGMeeeee)(2)(22kmh35786skmv/075. 3二、航天器的返回二、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。轨道经减速到达地面的过程。 航天器的返回大致可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。分为调

8、姿、制动、过渡、再入及着陆五个阶段。 三、航天飞机三、航天飞机 航天飞机是可以重复使用的、往返于地球表面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轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱三个主要部分组成。成。 .航天器的运行航天器的运行 失重现象失重现象一、航天器的运行一、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

9、道上运行时会受到与稀薄大气中，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。后落回地球。对高轨道航天器，可忽略其大气阻力和其它天对高轨道航天器，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。体对它的作用，其运行过程对地心角动量守恒。 二、失重现象二、失重现象航天器的轨道飞行是围绕天体的惯性飞行。由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于受到地球引力的作用，航

10、天器的飞行轨迹发生弯曲，而曲线运动会产生离心惯性曲，而曲线运动会产生离心惯性(俗称离心力俗称离心力)，这，这个离心力的大小正好与其所受地球引力相等，但方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。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。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与材料技术物理学及物理技术为材料科学

11、提供了强有力的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。研究都离不开物理学。 .材料及其分类材料及其分类 材料材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成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。器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。 材料分类材料分类 按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、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

12、机材料和有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。机材料。 按用途分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物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。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和功能材料 结构材料主要以力学性能为基础、以制造受力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）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、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，

13、它们对外界环境如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。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，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。而且具有特殊功能。 传统材料和先进（或新型）材料传统材料和先进（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、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

14、正在发展、具有先进材料（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。的材料。 .物理学物理学材料科学与技术的基础材料科学与技术的基础一、凝聚态物理一、凝聚态物理材料科学的理论基础材料科学的理论基础凝聚态凝聚态是大量分子形成的紧密聚集态。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、粒子的集体运动成的凝聚态物质系统的微观结构、粒子

15、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。理论基础。 凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚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。间的关系的学科。 二、现代物理技术二、现代物理技术材料结构表征与性能检测的基本手段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，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

16、测量仪器，都与物理学密切相关。都需要各种物理测量仪器，都与物理学密切相关。 、X射线分析技术射线分析技术 利用利用X射线与物质相互作用时产生的吸收和散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、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。缺陷分析、非晶态结构测定等。 、电子显微分析技术、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率大为提高电子束打到样品后，电子或从薄样品透穿而过，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，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、分并释放各种信息将这些信息加以收集、整理、