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第一章物质世界的基本图象 4 第一篇万物之理物理学是研究物质运动基本规律的一门基础学科, 是严格的、定量的自然科学的带头学科。物理学描绘了物质世界的一幅完整的图象,它揭示出各种运动形态的相互联系与相互转化,充分体现了世界的物质性与物质世界的统一性。第一章物质世界的基本图象§1-1 物质世界的层次和数量级物理科学涉及范围极广,它既研究人们身边发生的物理现象,也研究宇宙天体的运动及构造,还研究微观领域中物质的运动规律。物理学是一门定量的学科。在研究和学****物理学中, 需要常常对各种事物做粗略的数量级估计、留心查看尺度大小的变化所产生的物理效应,因而对各类物理量的数量级的了解是非常必要的。 科学记数法把一个物理量的数值写成一个小于 10 的数字乘以 10 的幂次,用10 的正幂次代表大数,用10 的负幂次代表小数。这种记数方法叫科学记数法。在科学记数法中幂指数相差 1 , 即代表数目大 10 倍或小 10 倍, 这叫做一个“数量级”。下表给出国际单位制中表示数量的词冠。表 1 1 ?国际单位制所用的词冠数量级英文名缩写符号中译名数量级英文名缩写符号中译名 110 ?210 ?310 ?610 ?910 ?1210 ?1510 ?1810 ?2110 ?2410 ? deci centi milli micro nano pico fento atto zepto yocto dcm?npfazy 分厘毫微纳[诺]皮[可]飞[ 母托]阿[托]仄[ 普托]幼[ 克托]10 210 310 610 910 1210 1510 1810 2110 2410 deca hecto kilo mega giga tera peta exa zeta yota dahkMGTPEZY 十百千兆吉[咖]太[拉]拍[它]艾[ 克萨]泽[塔]尤[塔] 第一章物质世界的基本图象 5 空间尺度人类选择了与自身大小相适应的“米( m)”作为长度的基本单位。从物理研究对象所涉及的物质世界的空间尺度来看, 最大的尺度是宇宙, 大约为 2610 米(约150 亿光年); 最小的尺度是夸克,大约 1810 ?米,空间的尺度跨越了 44 个数量级。表 1 2 ?列出了物质世界中部分实物空间尺度的数量级。太阳与地球的距离是地球半径的两万多倍,定义为 1 天文单位( Au ) ,精确值为 11 1 10 Au ? ?米。太阳系的直径约为 80 天文单位,即1310 米的数量级。太阳系外的天体距离通常用“光年”( light year )表示,即光在一年里所走的距离,大小为: 1 光年 15 10 ? ?米1610 ?米。表 1 2 ?物质世界的空间尺度长度米( m) 长度米( m) 电子和夸克质子的半径(强作用力程) 电子的康普顿波长原子的半径病毒的半径,可见光波长巨型阿米巴的半径昆虫的长度人体的高度红杉树高度珠穆朗玛峰的高度 1810 ?1510 ?1210 ?1010 ?710 ?410 ?210 ?010 210 410 地球的半径地球到月球的距离太阳的半径地球轨道的半径( 1 Au ) 太阳系的半径到最近恒星的距离银河系的半径星系团的半径超星系团的半径可探测类星体的最远距离 710 810 910 1110 1310 1610 2110 2310 2410 2610 现代天文观测表明,星系普遍存在光谱红移现象,说明宇宙是处在膨胀过程中,从宇宙诞生到现在, 宇宙延展了 1010 光年以上,即2610 m 以上。太阳系是银河系中很小一部分, 银河系的直径约为 4 10 ?光年,离银河系最近的星系(小麦哲伦云)的距离约为 5 10 ?光年(即 21 10 ? m) 。人类能观测的距离极限——哈勃半径是 2610 m 。现在宇宙中存在着 1000 亿个以上的星系, 银河系是其中之一, 我们的太阳是组成银河系的大约 2000 亿颗恒星之一, 太阳系只是宇宙中的沧海一粟。物质可以小到什么程度,《庄子. 天下篇》中说“一尺之棰( 即木棍), 日取其半, 万世不竭。”说的是物质世界向小的方向可以无限分割下去。现代物理告诉我们宏观物体是由各种分子原子组成,原子的大小为 1010 ? m 数量级。原子核是由质子和中子组成,每个质子和中子的大小约为 1510 ? m, 大概是原子大小的 1/100 000 。原子核比质子或中子大的倍数依赖于原子核中包含多少个质子和中子。但是,原子核比 1510 ? m 仍大不了多少。质子和中子又由更为基本的粒子——夸克所组成。目前物理学公认的组成物质的最小单元是夸克( quark ) 和电子。用间接的方法得知, 夸克和电子的大