1、时间和位移 备课资料1.飞秒激光器用一把极其精密的“刀”可以在一根头发上镂刻两个方形的洞.这把“刀”和我们通常所认识的刀可不一样，它的名字叫飞秒激光器.为什么叫飞秒激光器呢?首先我们要了解飞秒的概念.飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1015秒.它有多快呢?我们知道，光速是3108 ms，而在1飞秒之内，光只能走0.3 m，这只是不到一根头发丝的百分之一.我们日常生活中的时钟时间的分辨率是秒，而这台激光器对时间的分辨率可以达到飞秒的程度，所以叫做飞秒激光器.当一台机器对时间的分辨率达到一定的程度时，它就可以看到许多我们平时用肉眼看不到的运动细节.比如，我们在影视器材的帮助下，就可以看到一个非常奇妙
2、的世界.飞秒激光器对时间的分辨率远远高于影视器材，经计算，这台飞秒激光器已经获得了人类在实验室中所能获得的世界上最短的脉冲.通过它，我们可以看到更快速、更微妙的运动，例如绿色植物的光合作用过程、细胞的分裂过程、电子围绕原子运动的过程等等.但是，现在这些过程还无法形成影像，飞秒激光器只能以波纹的形式将它们展示出来.不过，专业人员还是可以通过飞秒激光器做许多事情的，目前，科学家正在研究如何将它应用于检查人体内的癌细胞.由于飞秒激光器对空间的分辨率也是极高的，以至于可以追上围绕原子核运动的电子，并将它们一个个打掉，仅剩一个孤立的原子核存在.所以，飞秒激光器还被应用于精密雕刻，所以在一根头发上镂刻两个
3、洞也就不新奇了.2.大自然的时钟碳14测定技术20世纪80年代末，全世界的基督教徒都在奔走相告，原来，教会用高科技澄清了一个历史大悬案，这就是关于耶稣裹尸布的真伪鉴定，鉴定证明了那块使人崇敬了多年的裹尸布是假的，它的原料纤维是13世纪才种出来的，而此时耶稣已被钉在十字架上1 200多年了.这个轰动世界的年代鉴定是由碳14作出的.碳14是碳的一种放射性同位素.碳的各种同位素存在于生物体（农作物、树木、动物以及人）中，构成这些生物体的有机分子便含有碳的同位素.碳12和碳13没有放射性，从地球形成时它们就已存在.而碳14则不然，尽管自然界中不断地产生着碳14，但它不是由其他放射性同位素衰变生成的，而
4、是由宇宙射线穿过高层大气层时产生的.碳14在大气层中和氧气化合形成二氧化碳.由于宇宙射线的强度稳定不变，大气中二氧化碳的浓度也不会改变.在地球上活着的生物体内，由于新陈代谢的作用，吸收和放出的二氧化碳的过程保持不变.所有的生物都吸收微量的碳14，碳14与稳定的碳共存于细胞中.生物死亡以后，失去新陈代谢作用，不再摄入新的碳14，生物体内的碳14不断发生放射性衰变，并按固定的半衰期的衰变速度减少.碳14的半衰期比5 000年长，碳14变为氮14的半衰期大约5 730年.人们从来没有想到一个轻元素的放射性同位素会有这么长的半衰期.相比之下，碳11的半衰期只有20.5分钟.碳14的衰变极有规律，其精确
5、性可以称为自然界的“标准时钟”.死亡的生物实际上就是无处不在的“时钟”，虽然很多文物本身不是生物体，如陶瓷、青铜器等，但总能在其上找到一些生物体的残留，像烟灰、油脂等，只要找到这些生物构成的碳14，就能探测出它们所附着的物体的年代.不过，若无现代的高科技手段，人们是无法从文物样品中探知碳14的年代信息的，因为碳14在自然界的含量实在少得惊人，它和碳总量的正常比例只有一万亿分之一.但利用加速器质谱仪，根据不同粒子的拐弯半径不同可以容易地捕捉到碳14，通过测定埋藏地下或保存放置的生物体中的碳14和碳12的比例，按碳14已知的固定衰变速率进行计算，即可测出该生物体或文物的年代.因为加速器质谱仪能够数
6、碳14的原子，就大大拓宽了碳14的测年范围，适用于了解从几百年到几万年历史时间内的具体年代.在经济建设中，碳14测定年代有许多应用价值.建设电站、水坝、港口、桥梁和高层建筑等，地质基础的工程力学性质是工程设计的重要指标，不同的沉积层具有不同的工程力学特征.一般说来，沉积物的压实程度或固结程度与该地层形成的年代相关，即形成年代越长，固结程度越高，抗冲击和承压性越好.北京饭店在施工时当挖至地面以下13米深处时，发现有两棵直径达1米的榆树倒卧在河流沙砾层中，用碳14测定该树距今约为29 2851 350年.据此数据，建工部门决定停止再向下挖，而使用该层作地基，节约了大量资金、人力和物力.近年来，人们
7、通过研究溶洞中的钟乳石，已经测出3亿万年以上的古气候史，这对于指导一个地区甚至国家的宏观生态有着重要意义.在很多领域里，碳14的运用已超越了测年的单纯目的.众所周知，癌症是人类尚未征服的疾病，现在人们把易于和生命相溶的碳14作为示踪剂，用它混入致癌物和细胞结合，从而发现癌症的成病机制，将对癌症的攻克实现重要的突破.碳14由于和生命的特殊默契关系，随着科技的发展，它必将对人类显示出更加广阔而独特的价值.3.空间和时间是否有限物质与时间和空间是密切相关而不可分割的统一体，宇宙是客观存在的一切物质的总体.因此，我们所在宇宙诞生的同时才出现了时间和空间，或者说此后时间和空间概念才有意义.宇宙诞生在大约
8、120亿150亿年（根据2003年的数据为137亿2亿年）前的一次“大爆炸”.从那时起，基本粒子到各个星系逐渐形成，直到在一个极普通的天体地球上出现了有高度智慧的生命人类.这就是宇宙演化到今天的大致过程.大爆炸至今的时间就是我们所在的宇宙年龄；各星系在运动中总体上都在相互远离，这反映了空中楼阁间还在不断膨胀.物质的空间分布范围，就决定了我们所在宇宙的尺度.然而，时间会不会有一个终点？空间会不会永远膨胀下去？这些“宇宙之谜”还有待人们继续研究，也许解决这些问题的科学家就在我们今天的同学中间.科学和技术的发展，极大地拓展了人们对空间和时间的认识范围.目前，人类观测的空间，最远大约为1027 m的宇宙深处，最小达到1015 m微观世界，空间尺度跨越4243个数量级.认识到的时间，最长大约为1018 s以前的宇宙大爆炸，最短大约为1025 s的一种微观粒子的寿命，时间尺度跨越也是4243数量级.时间（s）有关事件时间（s）有关事件1018宇宙大爆炸至今103光从太阳到达地球需要的时间1016太阳在银河系内运转一周所需的时间100两次心跳间隔1015出现恐龙至今103苍蝇拍打翅膀一次所需要的时间1013出现最早的人类至今108光穿过教室所需要的时间109人类平均寿命1011光穿过窗玻璃所需要的时间107一年1025一种微观粒子的寿命