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华体会平台app官网-华体会（中国）: 课程育人?博士讲坛（十三） | 李凯：超冷的原子物理世界

作者：

马岚

来源：

科教处

访问量：

2023-10-19

2023年10月13日下午，华中师大一附中“课程育人·博士讲坛”（第十三期）在华体会平台app官网-华体会（中国）艺术中心一号报告厅如期开讲。学校邀请高一年级8班、9班、10班、11班、12班、13班、14班、15班的同学到现场聆听，部分老师参加了讲座，本次“博士讲坛”由科教处马岚老师主持。

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“课程育人·博士讲坛”（第十三期）主讲人李凯博士，现担任华中师大一附中高二年级物理教师，于中国科学院大学获得理学博士学位，博士期间从事超冷原子气体的特性研究。

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主讲人：李凯博士

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在高一年级同学们热烈的掌声中，“博士讲坛”（十三期）的主讲人——毕业于中国科学院大学的李凯博士自信地来到讲台前，以“超冷的原子物理世界”为主题，带领同学们进入超冷的原子世界，去探索，去求知。

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本次“博士讲坛”从四个部分展开，第一，温度的本质是什么。看似很简单的问题，但学生很难用语言解释清楚，温度的本质到底是什么？学生的理解基本停留在表象，温度是我们身体对冷热的感知程度？还是天气预报里的那些数字？但这些都不是温度的本质。“温度” 刻画了组成物体的微观粒子（原子或分子）的热运动，温度越高，这种热运动程度就越剧烈，在宏观上表明物体具有更高的内能。第二，如何降低温度，学生对这部分内容有更多的认知，比如热传导、蒸发等都可以降低物体温度。那么温度能降到多低呢？李凯博士给学生介绍了一些低温物质；有没有方法获取更低温度的物质？答案是肯定的，引出第三部分：原子冷却。该部分主要介绍了原子冷却的主要方法——激光冷却和蒸发冷却，该部分内容比较专业，李凯博士报告中用学生看得懂的动画和图片将很专业化的原子冷却原理讲的通俗易懂。我们获得的超冷原子到底有什么用处？带着这个问题，开始了第四部分---我们在低温世界里可以研究的问题，比如我们可以用超冷原子对重力加速度g进行精密测量；可以研究波粒二象性、超导超流等等物理前沿问题。

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在师生提问与解答的互动环节，学生更关注在低温世界里我们可以做什么，学生思维非常活跃，几个学生都提到一个共同问题，如何将冷原子的研究应用到我们实际生活。原子芯片的出现，解决了传统复杂庞大的原子光学实验装置，原子芯片通过在硅等基底上制备的表面微纳结构或器件来精准控制磁场、电场、光�。佣谛〕叨�、低功耗下实现原子的相干操控。当然以后更广泛深入的应用，还需要在座的每一位同学持续不断的努力才能实现。

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超冷原子气体是很多物理前沿研究的基�。绾沃票赋湓悠�，这是很重要的一个环节，本次“博士讲坛”让学生对原子的冷却有个基本的了解，通过对前沿物理知识的了解进而激发学生对物理学习的兴趣；而科学家对真理执着的追求精神，更能激励学生们积极乐观的面对学习生活的各种困难。

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李凯博士从本学期开学接到学校邀请他主讲“博士讲坛”的通知后，就积极准备这个讲座，为了让学生有更多的收获，他将主题确定为“超冷的原子物理世界”。首先，这个主题内容可以让学生了解微观原子分子领域的基本物理规律，与宏观领域进行对比，从而激发学生学习兴趣；其次，冷原子的好处是原子间相互作用不剧烈，可以更好地研究原子的一些物理特性，而这一点与学生的学习很相似，学生在学习过程中遇到困难容易着急、上火，这时候学习效率会很低，如何去应对？需学习冷原子的“冷静”，原子有其冷却过程，学生也应该清楚自己“被冷却的方法”，才能在学习中时刻保持冷静的头脑，从而提高学习效率。在如何让学生理解一些物理前沿知识的原理方面，李凯博士也想了很多办法。他在讲座中插入了大量形象的图片、动画，每一种原理或者方法都用通俗易懂的动画或图片进行诠释，在学生头脑中形成鲜明的画面，有助于学生更好的理解本期“博士讲坛”的内容。

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附：学生听后感

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高一8班马清林：

李凯博士在讲坛开场时便提出了一个看似简单但又难以解释清楚的问题：“温度是什么？”有人说，是人感受到的冷热；还有人说，是刻度分明的摄氏度、华氏度。然而，这些都不是其本质。

随着李博士的讲述，“超冷原子”的世界逐渐在我眼前铺开——这是一个打破常规、重新定义“温度”概念的世界。温度不再是人们感受到的冷热，也不只是摄氏度、华氏度这样的刻度。相反，它涉及到组成物质的微观粒子的热运动的剧烈程度，是室温下原子3000m/s的平均运动速度的大�。飧鏊俣壬踔帘瓤突俣然挂焓兑陨�。

李博士还向我们介绍了科学家最初追求降温、使氦转化为固体的努力，虽然他们多次失败，但在一次实验中，意外地发现了液氦在低温下的超导现象。时至今日，超导技术的发展前景愈发广阔。这一系列的发现揭示了物理学的奥妙，正如李博士所言：“关上一扇窗，必定为你打开另一扇更为广阔的大门。”他以此激励我们这些高一新生，面对物理学习中的挫折和困难，只要持之以恒，终会实现量变引发质变，迎来巨大的进步和飞跃。

聆听完李博士的讲座后，我心中对于物理学的热爱之火仿佛被点燃，愿“吾辈终能究物理”，为国家发展和社会进步贡献属于自己的一份力量。感谢李博士给我们带来的精彩演讲！

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高一8班余承锐：

温度是什么？如何改变物体的温度？如何冷却原子？在低温世界，我们又可以做什么……带着诸多问题，我有幸聆听了毕业于中国科学院大学的李凯博士的“博士讲坛”。他向我们讲解了温度的本质：它是一种能量，反映了组成物体的微观粒子的热运动情况。例如，当我们感到紧张时，是因为脑内温度较高，导致思维混乱和错乱，这会导致在考试中出现低级错误。要解决这个问题，我们可以通过调整呼吸，让自己保持冷静，发挥最佳状态。

那么，如何改变温度呢？温度既可以升高也可以降低。升高温度的方法包括热传递和加热，而降低温度的方法可以通过热传导和蒸发冷却来实现。如果想进一步降低温度，可以采用激光冷却的方法。这种方法也适用于原子冷却，从原子的跃迁到多普勒效应，从蒸发冷却到波色-爱因斯坦凝聚（BEC），我深刻感受到了物理学的奥秘和强大之处，物理学也必将运用于生活与科技中。在制备了超冷气体后，可以对原子特性进行研究，利用超冷原子可以进行精密测量，比如利用铷钟对时间实现精密测量，利用原子自由落体运动对重力加速度进行精密测量等。

物理学可以解释世间万物的规律，代表着先进的文化，也可以转化为先进的生产力。作为当代青年，当我们关上一扇窗时，就应该打开另一扇更广阔的大门；当面临困难时，我们需要经历质变，虽然质变前可能是艰难的，但只要坚持下去，就能迈向飞跃和前进；每一次失败都会给我们带来更大的动力和勇气！

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高一9班? 齐柏誉：

今天由李凯老师讲授了超冷的原子物理，我感受颇多。首先李凯老师讲述了温度的含义，温度不只是冷热程度，更是微观分子的能量，它刻画了组成物体的微观粒子的热运动，它不能降到负无穷，当微观粒子运动静止时不能再降温。接着介绍了改变物体温度的方式，升温可通过热传递，微波辐射，降温可通过热传导和蒸发。然后是原子冷却的方式。用激光冷却温降减小原子的速度。激光冷却实质是光子与原子交换动量。在低温世界中，我们可以精密测量和进行超导研究。
??? 同时李凯老师也告诫我们一些学习道理。我明白了学习任何一门学科都需要找到乐趣。面对困难，我们在有质的突变之前，总有一段黑暗的时光，只有熬过这段时间，坚持下来，我们会有飞跃式的进步

高一9班? 姚顺雨：

此次“博士讲坛”让我感受到，物理学的基础知识对我们的生活具有重要的指导意义。通过物理，我了解到许多日常生活中的现象和规律。这些知识不仅能帮助我们理解周围的世界，还能够应用到实际生活中。在学习物理的过程中，我发现物理学不仅仅是一门理论学科，它还可以是解决实际问题的有力工具。通过学习，我对这些现象有了更深刻的了解和认识。其次，物理学还可以培养我们的思维能力和动手能力。通过观察和实际操作，我对物理现象和规律有了更深刻的体会。

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愿识乾坤大，也怜草木青——华中师大一附中“课程育人?学法指导”（第八期）

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2023 /

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