2016 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)物理知識(shí)探究

■江蘇省海門市證大中學(xué) 姜啟時(shí)

2016 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)物理知識(shí)探究

■江蘇省海門市證大中學(xué) 姜啟時(shí)

編者注：《考試大綱》的指導(dǎo)思想要求:“重視對(duì)考生科學(xué)素養(yǎng)的考查,要關(guān)注科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以利于激發(fā)學(xué)生的興趣,形成科學(xué)的價(jià)值觀和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度”。近幾年高考命題中同科學(xué)技術(shù)發(fā)展相關(guān)的試題頻頻出現(xiàn),這些試題向考生提供較新的概念,考查考生運(yùn)用科技新信息解題的能力。同學(xué)們?cè)谄綍r(shí)的學(xué)習(xí)中要多關(guān)注科技新成果的報(bào)道,并與課本主干內(nèi)容橫向聯(lián)系,形成對(duì)科學(xué)技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度,提升科學(xué)思維素養(yǎng)。

瑞典皇家科學(xué)院于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2 0 1 6年1 0月4日宣布,將2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位美國(guó)科學(xué)家戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨,以表彰他們?cè)诶碚撋习l(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?/p>

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主打開了一個(gè)未知世界的大門,他們使用高等數(shù)學(xué)方法研究物質(zhì)的不尋常階段或狀態(tài),如超導(dǎo)體、超流體或薄磁膜,得益于他們開創(chuàng)性的工作,人類有機(jī)會(huì)了解物質(zhì)的新相變。2 0世紀(jì)7 0年代初,邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了當(dāng)時(shí)流行的認(rèn)為超導(dǎo)性或超流體性不能在薄層里出現(xiàn)的理論,他們論證了超導(dǎo)性可在低溫下出現(xiàn),并解釋高溫下超導(dǎo)性消失的機(jī)制、相變。2 0世紀(jì)8 0年代,戴維·索利斯使用非常薄的導(dǎo)電層解釋了試驗(yàn)結(jié)果,這些導(dǎo)電層可用整數(shù)步精確計(jì)算導(dǎo)電性,他揭示了這些整數(shù)在本質(zhì)上是拓?fù)涞?。大約同時(shí),鄧肯·霍爾丹揭示了拓?fù)涓拍钊绾斡糜诶斫庖恍┎牧现邪l(fā)現(xiàn)的小磁體鏈的特性。

高新科技是社會(huì)發(fā)展關(guān)注的重要內(nèi)容,也是高考命題關(guān)注的方向,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是高新科技的熱點(diǎn),近幾年的高考中往往會(huì)聯(lián)系高新科技熱點(diǎn)命題。2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的研究?jī)?nèi)容涉及高中物理中的許多知識(shí),如低溫、相變、超導(dǎo)體、超流體、分子磁體、量子化、霍爾效應(yīng)、物理學(xué)方法等,現(xiàn)探究如下。

一、物質(zhì)拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嗟陌l(fā)現(xiàn)

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主使用的拓?fù)鋵W(xué)概念,對(duì)他們的發(fā)現(xiàn)起到了決定性作用。拓?fù)鋵W(xué)是一個(gè)數(shù)學(xué)分支,研究的是物質(zhì)在連續(xù)變化時(shí),不連續(xù)變化的屬性。他們使用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋異乎尋常的物質(zhì)狀態(tài)(比如超導(dǎo)體、超流體或者薄層磁性物質(zhì))中的奇特屬性。邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯研究了平面(二維)世界的現(xiàn)象,也就是在物體表面或者薄層的物質(zhì)上所發(fā)生的事情;鄧肯·霍爾丹研究了細(xì)絲狀的物質(zhì),它們可以被認(rèn)為是一維的。

在人類對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)過(guò)程中,物理學(xué)家大膽猜想、勇于質(zhì)疑,取得了輝煌的成就。關(guān)于物理學(xué)家在建立物理學(xué)的過(guò)程中的重大貢獻(xiàn)和創(chuàng)建的物理學(xué)方法,下列敘述正確的是( )。

A.牛頓在發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的過(guò)程中,進(jìn)行了“月—地檢驗(yàn)”,將天體間的力和地球上物體的重力統(tǒng)一起來(lái)

B.2 0世紀(jì)初建立的量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論表明經(jīng)典力學(xué)同樣適用于微觀粒子和高速運(yùn)動(dòng)物體

C.盧瑟福在研究原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,引進(jìn)了量子化的觀念

D.三位2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主使用拓?fù)鋵W(xué)概念發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎?/p>

解析：由物理學(xué)史易知選項(xiàng)A、D正確。量子力學(xué)和狹義相對(duì)論表明經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀粒子和高速運(yùn)動(dòng)物體,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn),提出的是原子的核式結(jié)構(gòu)模型,玻爾在研究原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,引進(jìn)了量子化的觀念,提出了軌道量子化和能級(jí)等,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。答案為A D。

二、物質(zhì)在極端低溫條件下的量子效應(yīng)

所有物質(zhì)在本質(zhì)上都遵從量子物理學(xué)定律。氣體、液體和固體是物質(zhì)的常見相,它們的量子效應(yīng)過(guò)于微弱,往往被原子劇烈的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所掩蓋,但是在極端低溫的條件下,接近絕對(duì)零度(-2 7 3℃)的物質(zhì)會(huì)展現(xiàn)出奇異的新相態(tài)和出乎意料的行為,使得只在微觀世界中生效的量子效應(yīng),在這種條件下突然變得可見了。

圖1

2 0世紀(jì)3 0年代,俄羅斯人彼得·列昂尼多維奇·卡皮察首先對(duì)超流體進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他將空氣中的氦4冷卻到-2 7 1℃,使其爬上了容器的側(cè)壁,換句話說(shuō),在黏性完全消失的情況下,這些氮表現(xiàn)出了超流體的奇異行為。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn),他獲得了1 9 7 8年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在極端低溫條件下,量子物理變得可見,現(xiàn)在對(duì)超導(dǎo)體薄膜、磁性材料薄膜和導(dǎo)電納米線等材料相態(tài)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的研究。利用掃描隧道顯微鏡(S TM)可以得到物質(zhì)表面原子排列的圖像,從而可以研究物質(zhì)的構(gòu)成規(guī)律。如圖2所示的照片是一些晶體材料表面的S TM圖像,通過(guò)觀察比較,可以看到這些材料都是由原子在空間排列而構(gòu)成的,具有一定的結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)成這些材料的原子在物質(zhì)表面排列的共同特點(diǎn)是( )。

圖2

A.在確定方向上,原子排列具有一定的對(duì)稱性等

B.晶體加熱變成液態(tài)的過(guò)程是熵減少的過(guò)程

C.在極端低溫條件下(接近絕對(duì)零度),各種晶體不可能成為超流體

D.在極端低溫條件下(接近絕對(duì)零度),各種晶體均可成為超導(dǎo)體

解析：根據(jù)照片上晶體材料表面的S TM圖像可知,在確定方向上原子有規(guī)律地排列,原子排列具有一定的對(duì)稱性等,選項(xiàng)A正確。晶體加熱變成液態(tài)的過(guò)程,無(wú)序程度加大,熵增加,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。在極端低溫條件下,接近絕對(duì)零度(-2 7 3℃)時(shí),各種晶體均可成為超導(dǎo)體或超流體,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。答案為A D。

三、量子世界神秘的跳變現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的進(jìn)展帶來(lái)了大量需要解釋的新物態(tài),2 0世紀(jì)8 0年代,戴維·索利斯和鄧肯·霍爾丹都提出了突破性的全新理論研究,對(duì)先前的理論發(fā)起了挑戰(zhàn),其中之一便是判定材料能否導(dǎo)電的量子力學(xué)理論。戴維·索利斯利用拓?fù)鋵W(xué)在理論上描述了神秘的量子霍爾效應(yīng),這種現(xiàn)象在1 9 8 0年被德國(guó)物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青發(fā)現(xiàn)(1 9 8 5年他因此被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。在特定條件下,單層物質(zhì)的電導(dǎo)率似乎只能取特定的數(shù)值,而且極為精確,這在物理學(xué)中是不常見的。當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生足夠大變化時(shí),單層物質(zhì)的電導(dǎo)率也會(huì)改變,但只會(huì)一步一步跳變:減弱磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率先是精確變成原先的2倍,然后3倍,4倍,以此類推。這些整數(shù)級(jí)跳變用當(dāng)時(shí)已知的物理學(xué)無(wú)法解釋,但戴維·索利斯發(fā)現(xiàn)利用拓?fù)鋵W(xué)可以破解這一難題。

圖3

三位2 0 1 6年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主使用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋超導(dǎo)體、超流體中的奇特屬性。在特定條件下,單層物質(zhì)中的電導(dǎo)率只能取特定的數(shù)值,而且極為精確(即量子化)。超導(dǎo)限流器可以限制電力系統(tǒng)的故障電流,這種限流器由超導(dǎo)部件和限流電阻并聯(lián)組成,如圖3所示,超導(dǎo)部件有一個(gè)超導(dǎo)臨界電流I0=1.2A,當(dāng)通過(guò)它的電流I＞I0時(shí)將造成超導(dǎo)體失超,從超導(dǎo)態(tài)(電阻為零)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)(純電阻)。已知超導(dǎo)部件的正常態(tài)電阻R1=3Ω,限流電阻R2=6Ω,小燈泡L上標(biāo)有“6V,6W”的字樣,電源電動(dòng)勢(shì)E= 8V,內(nèi)阻r=2Ω,原來(lái)電路正常工作,現(xiàn)小燈泡L突然發(fā)生短路,則( )。

B.短路后超導(dǎo)部件將由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為正常態(tài)

C.短路后通過(guò)超導(dǎo)部件的電流為2A

D.若超導(dǎo)部件的電導(dǎo)率量子化,短路后超導(dǎo)部件的電流只能取一系列特定數(shù)值

解析：超導(dǎo)態(tài)時(shí),超導(dǎo)部件的電阻R1= 0,導(dǎo)致電阻R2短路,小燈泡L的電阻R=Ω,此時(shí)電路中電流I0,所以在小燈泡L短路前超導(dǎo)部件維持超導(dǎo)態(tài),電流全部流過(guò)超導(dǎo)部件,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。當(dāng)小燈泡L突然發(fā)生短路時(shí),電流突然變成造成超導(dǎo)部件失去超導(dǎo)態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài),選項(xiàng)B正確。小燈泡L突然發(fā)生短路后,超導(dǎo)部件和限流電阻的并聯(lián)電阻電路中的總電流由并聯(lián)分流原理得I=

1選項(xiàng)C錯(cuò)誤。若超導(dǎo)部件的電導(dǎo)率量子化,小燈泡L短路后超導(dǎo)部件的電流只能取一系列特定數(shù)值,變成原先的2倍, 3倍,4倍……,即以整數(shù)倍級(jí)跳變,選項(xiàng)D正確。答案為B D。

(責(zé)任編輯 張 巧)

(上接第3 0頁(yè))

C.光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí),就不具有粒子性了;光表現(xiàn)出粒子性時(shí),就不再具有波動(dòng)性了

D.光的波粒二象性應(yīng)理解為:在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)得明顯,在另外的某種場(chǎng)合下,光的粒子性表現(xiàn)得明顯

2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是:對(duì)于某種金屬( )。

A.無(wú)論光多強(qiáng),只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)

B.無(wú)論光的頻率多低,只要光照時(shí)間足夠長(zhǎng)就能產(chǎn)生光電效應(yīng)

C.超過(guò)極限頻率的入射光強(qiáng)度越弱,產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越小

D.超過(guò)極限頻率的入射光頻率越高,產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越大

3.愛(ài)因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1 9 2 1年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖5所示,其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是( )。

A.逸出功與ν有關(guān)

B.Ek與入射光強(qiáng)度成正比

C.當(dāng)ν＜ν0時(shí),會(huì)逸出光電子

D.圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)參考答案：1.A B D2.A D3.D

圖5

(責(zé)任編輯 張 巧)