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簡(jiǎn)明物理學(xué)導(dǎo)論 版權(quán)信息
- ISBN：9787030728739
- 條形碼：9787030728739 ; 978-7-03-072873-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類(lèi)：>
簡(jiǎn)明物理學(xué)導(dǎo)論 本書(shū)特色
本書(shū)在內(nèi)容選擇上，注重各領(lǐng)域的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性；在內(nèi)容編排上，注重各知識(shí)點(diǎn)的邏輯性和先進(jìn)性；在內(nèi)容呈現(xiàn)上，注重方式的趣味性和可讀性.
簡(jiǎn)明物理學(xué)導(dǎo)論 內(nèi)容簡(jiǎn)介
概述物理學(xué)各基本分支領(lǐng)域的知識(shí)體系和發(fā)展脈絡(luò)，簡(jiǎn)述物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律及其產(chǎn)生的背景和相互聯(lián)系；介紹物理學(xué)的基本原理在人類(lèi)生活、現(xiàn)代科技和其他自然科學(xué)中的應(yīng)用。主要教學(xué)內(nèi)容包括：力學(xué)（包括理論力學(xué)、天體物理和量子力學(xué)）、熱學(xué)（包括熱力學(xué)﹒統(tǒng)計(jì)物理）、電磁學(xué)（包括電動(dòng)力學(xué)）、光學(xué)、原子物理（包括分子物理、凝聚態(tài)物理）和相對(duì)論等。
簡(jiǎn)明物理學(xué)導(dǎo)論 目錄
目錄
前言
第1章 物理世界的奧妙 1
1.1 紛繁變化的物理世界 2
1.1.1 物理世界的構(gòu)成 2
1.1.2 物理世界的變化 4
1.2 帶來(lái)聰慧、改變生活的物理學(xué) 7
1.2.1 公民素質(zhì)的提高 7
1.2.2 能力技術(shù)的進(jìn)步 12
1.2.3 生活方式的變化 18
1.3 如何學(xué)好物理學(xué) 21
1.3.1 敏于觀察，勤于思考 21
1.3.2 數(shù)理結(jié)合，樂(lè)于應(yīng)用 23
本章小結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 24
復(fù)習(xí)思考題 25
第2章 物體運(yùn)動(dòng)的奧秘 26
2.1 蘋(píng)果為什么會(huì)下落——經(jīng)典力學(xué) 27
2.1.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的形式——運(yùn)動(dòng)學(xué) 28
2.1.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律——?jiǎng)恿W(xué) 32
2.2 大橋如何飛南北——理論力學(xué) 49
2.2.1 具有一定形狀的物體——?jiǎng)傮w及其運(yùn)動(dòng) 50
2.2.2 剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)描述——分析力學(xué) 54
2.3 量子通信的搖籃——量子力學(xué) 62
2.3.1 微觀粒子的基本屬性——波粒二象性 63
2.3.2 微觀粒子狀態(tài)的描述——波函數(shù) 65
本章小結(jié) 70
參考文獻(xiàn) 70
復(fù)習(xí)思考題 71
第3章 世界冷暖之謎 72
3.1 熱與溫度——關(guān)于熱的討論 72
3.1.1 冷暖的標(biāo)準(zhǔn)——溫度與溫標(biāo) 72
3.1.2 什么是熱——熱的本質(zhì) 76
3.1.3 什么是熱量——能量的本質(zhì) 78
3.2 控制能量轉(zhuǎn)換的密鑰——熱力學(xué)定律 85
3.2.1 控制熱的平衡原理——熱力學(xué)第零定律 86
3.2.2 能量轉(zhuǎn)換遵循的規(guī)律——熱力學(xué)**定律 86
3.2.3 能量轉(zhuǎn)化的方向——熱力學(xué)第二定律 86
3.2.4 溫度的極限——熱力學(xué)第三定律 90
3.3 能量的微觀分配方案——統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 92
3.3.1 大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律——統(tǒng)計(jì)規(guī)律 93
3.3.2 熱運(yùn)動(dòng)遵從的規(guī)律——麥克斯韋和玻爾茲曼分布律 99
3.3.3 能量的微觀分配規(guī)律——能量按自由度均分定理 106
3.4 物態(tài)變化規(guī)律——物性學(xué) 111
3.4.1 一種剛硬的凝聚體——固體 112
3.4.2 液面的自動(dòng)收縮——表面張力現(xiàn)象 118
3.4.3 液柱的自動(dòng)升降——毛細(xì)現(xiàn)象 121
3.4.4 物態(tài)的變化——相變 124
本章小結(jié) 127
參考文獻(xiàn) 128
復(fù)習(xí)思考題 128
第4章 能量轉(zhuǎn)化之奇 129
4.1 神奇的電與磁——靜電場(chǎng)及恒定磁場(chǎng) 130
4.1.1 電場(chǎng)的產(chǎn)生——電荷與電場(chǎng) 131
4.1.2 電場(chǎng)的特點(diǎn)——靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體與電介質(zhì) 143
4.1.3 磁場(chǎng)的產(chǎn)生——電流與磁場(chǎng) 154
4.1.4 磁場(chǎng)的特點(diǎn)——恒定磁場(chǎng)的性質(zhì) 162
4.2 電與磁的共生共存——電磁場(chǎng) 177
4.2.1 電與磁的相互轉(zhuǎn)化——電磁感應(yīng)定律 177
4.2.2 電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論——麥克斯韋方程組 189
本章小結(jié) 194
參考文獻(xiàn) 195
復(fù)習(xí)思考題 195
第5章 照亮人類(lèi)的光 196
5.1 光的本性——波粒二象性 197
5.1.1 光與波動(dòng)——光的波動(dòng)說(shuō) 197
5.1.2 光與粒子——光的微粒說(shuō) 199
5.1.3 光的波動(dòng)性和粒子性——波粒二象性 201
5.2 光的傳播——經(jīng)典光學(xué) 204
5.2.1 光的直線傳播——幾何光學(xué) 205
5.2.2 光波的傳播——波動(dòng)光學(xué) 216
5.3 新型光源——激光 222
5.3.1 激光是怎么產(chǎn)生的——激光產(chǎn)生原理 223
5.3.2 激光為何被青睞——激光的特點(diǎn) 227
本章小結(jié) 230
參考文獻(xiàn) 231
復(fù)習(xí)思考題 231
第6章 從微觀到宏觀的橋梁 232
6.1 打開(kāi)微觀世界的金鑰匙——原子物理學(xué) 232
6.1.1 原子什么樣——原子結(jié)構(gòu)模型 233
6.1.2 光譜如何形成——?dú)湓拥哪芗?jí)及電子躍遷 235
6.1.3 原子能如何而來(lái)——原子核的性質(zhì) 243
6.2 揭示物質(zhì)形成的奧秘——分子物理學(xué) 248
6.2.1 原子如何形成分子——化學(xué)鍵 248
6.2.2 分子如何運(yùn)動(dòng)——分子的運(yùn)動(dòng)和能量 250
6.2.3 如何了解分子結(jié)構(gòu)——分子能級(jí)和光譜 252
6.3 材料科學(xué)的基礎(chǔ)——凝聚態(tài)物理學(xué) 255
6.3.1 有關(guān)晶體的描述——晶體、晶格和一維晶格 255
6.3.2 有關(guān)晶體的研究——能帶理論 257
6.3.3 無(wú)線電基礎(chǔ)——半導(dǎo)體 259
6.3.4 零電阻材料——超導(dǎo)現(xiàn)象 264
本章小結(jié) 267
參考文獻(xiàn) 267
復(fù)習(xí)思考題 268
第7章 揭開(kāi)時(shí)空隧道之謎 269
7.1 兩朵“烏云”之惑——經(jīng)典力學(xué)的缺陷 269
7.1.1 物理學(xué)大廈的建立——“完美”的經(jīng)典力熱電磁理論 270
7.1.2 物理學(xué)大廈上空的兩朵“烏云”——經(jīng)典物理學(xué)的缺憾 272
7.2 光速到底變不變——狹義相對(duì)論 273
7.2.1 同時(shí)具有相對(duì)性——狹義相對(duì)論誕生的基礎(chǔ) 274
7.2.2 光速具有不變性——狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè) 275
7.2.3 新的時(shí)空觀——狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 276
7.3 光線會(huì)彎曲嗎——廣義相對(duì)論 285
7.3.1 時(shí)空會(huì)彎曲——廣義相對(duì)論的誕生 285
7.3.2 連接宇宙的時(shí)空細(xì)管——時(shí)空隧道 290
本章小結(jié) 293
參考文獻(xiàn) 293
復(fù)習(xí)思考題 293
附錄A 常用物理常量表 294
附錄B 導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容安排 295
前言
第1章 物理世界的奧妙 1
1.1 紛繁變化的物理世界 2
1.1.1 物理世界的構(gòu)成 2
1.1.2 物理世界的變化 4
1.2 帶來(lái)聰慧、改變生活的物理學(xué) 7
1.2.1 公民素質(zhì)的提高 7
1.2.2 能力技術(shù)的進(jìn)步 12
1.2.3 生活方式的變化 18
1.3 如何學(xué)好物理學(xué) 21
1.3.1 敏于觀察，勤于思考 21
1.3.2 數(shù)理結(jié)合，樂(lè)于應(yīng)用 23
本章小結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 24
復(fù)習(xí)思考題 25
第2章 物體運(yùn)動(dòng)的奧秘 26
2.1 蘋(píng)果為什么會(huì)下落——經(jīng)典力學(xué) 27
2.1.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的形式——運(yùn)動(dòng)學(xué) 28
2.1.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律——?jiǎng)恿W(xué) 32
2.2 大橋如何飛南北——理論力學(xué) 49
2.2.1 具有一定形狀的物體——?jiǎng)傮w及其運(yùn)動(dòng) 50
2.2.2 剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)描述——分析力學(xué) 54
2.3 量子通信的搖籃——量子力學(xué) 62
2.3.1 微觀粒子的基本屬性——波粒二象性 63
2.3.2 微觀粒子狀態(tài)的描述——波函數(shù) 65
本章小結(jié) 70
參考文獻(xiàn) 70
復(fù)習(xí)思考題 71
第3章 世界冷暖之謎 72
3.1 熱與溫度——關(guān)于熱的討論 72
3.1.1 冷暖的標(biāo)準(zhǔn)——溫度與溫標(biāo) 72
3.1.2 什么是熱——熱的本質(zhì) 76
3.1.3 什么是熱量——能量的本質(zhì) 78
3.2 控制能量轉(zhuǎn)換的密鑰——熱力學(xué)定律 85
3.2.1 控制熱的平衡原理——熱力學(xué)第零定律 86
3.2.2 能量轉(zhuǎn)換遵循的規(guī)律——熱力學(xué)**定律 86
3.2.3 能量轉(zhuǎn)化的方向——熱力學(xué)第二定律 86
3.2.4 溫度的極限——熱力學(xué)第三定律 90
3.3 能量的微觀分配方案——統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 92
3.3.1 大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律——統(tǒng)計(jì)規(guī)律 93
3.3.2 熱運(yùn)動(dòng)遵從的規(guī)律——麥克斯韋和玻爾茲曼分布律 99
3.3.3 能量的微觀分配規(guī)律——能量按自由度均分定理 106
3.4 物態(tài)變化規(guī)律——物性學(xué) 111
3.4.1 一種剛硬的凝聚體——固體 112
3.4.2 液面的自動(dòng)收縮——表面張力現(xiàn)象 118
3.4.3 液柱的自動(dòng)升降——毛細(xì)現(xiàn)象 121
3.4.4 物態(tài)的變化——相變 124
本章小結(jié) 127
參考文獻(xiàn) 128
復(fù)習(xí)思考題 128
第4章 能量轉(zhuǎn)化之奇 129
4.1 神奇的電與磁——靜電場(chǎng)及恒定磁場(chǎng) 130
4.1.1 電場(chǎng)的產(chǎn)生——電荷與電場(chǎng) 131
4.1.2 電場(chǎng)的特點(diǎn)——靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體與電介質(zhì) 143
4.1.3 磁場(chǎng)的產(chǎn)生——電流與磁場(chǎng) 154
4.1.4 磁場(chǎng)的特點(diǎn)——恒定磁場(chǎng)的性質(zhì) 162
4.2 電與磁的共生共存——電磁場(chǎng) 177
4.2.1 電與磁的相互轉(zhuǎn)化——電磁感應(yīng)定律 177
4.2.2 電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論——麥克斯韋方程組 189
本章小結(jié) 194
參考文獻(xiàn) 195
復(fù)習(xí)思考題 195
第5章 照亮人類(lèi)的光 196
5.1 光的本性——波粒二象性 197
5.1.1 光與波動(dòng)——光的波動(dòng)說(shuō) 197
5.1.2 光與粒子——光的微粒說(shuō) 199
5.1.3 光的波動(dòng)性和粒子性——波粒二象性 201
5.2 光的傳播——經(jīng)典光學(xué) 204
5.2.1 光的直線傳播——幾何光學(xué) 205
5.2.2 光波的傳播——波動(dòng)光學(xué) 216
5.3 新型光源——激光 222
5.3.1 激光是怎么產(chǎn)生的——激光產(chǎn)生原理 223
5.3.2 激光為何被青睞——激光的特點(diǎn) 227
本章小結(jié) 230
參考文獻(xiàn) 231
復(fù)習(xí)思考題 231
第6章 從微觀到宏觀的橋梁 232
6.1 打開(kāi)微觀世界的金鑰匙——原子物理學(xué) 232
6.1.1 原子什么樣——原子結(jié)構(gòu)模型 233
6.1.2 光譜如何形成——?dú)湓拥哪芗?jí)及電子躍遷 235
6.1.3 原子能如何而來(lái)——原子核的性質(zhì) 243
6.2 揭示物質(zhì)形成的奧秘——分子物理學(xué) 248
6.2.1 原子如何形成分子——化學(xué)鍵 248
6.2.2 分子如何運(yùn)動(dòng)——分子的運(yùn)動(dòng)和能量 250
6.2.3 如何了解分子結(jié)構(gòu)——分子能級(jí)和光譜 252
6.3 材料科學(xué)的基礎(chǔ)——凝聚態(tài)物理學(xué) 255
6.3.1 有關(guān)晶體的描述——晶體、晶格和一維晶格 255
6.3.2 有關(guān)晶體的研究——能帶理論 257
6.3.3 無(wú)線電基礎(chǔ)——半導(dǎo)體 259
6.3.4 零電阻材料——超導(dǎo)現(xiàn)象 264
本章小結(jié) 267
參考文獻(xiàn) 267
復(fù)習(xí)思考題 268
第7章 揭開(kāi)時(shí)空隧道之謎 269
7.1 兩朵“烏云”之惑——經(jīng)典力學(xué)的缺陷 269
7.1.1 物理學(xué)大廈的建立——“完美”的經(jīng)典力熱電磁理論 270
7.1.2 物理學(xué)大廈上空的兩朵“烏云”——經(jīng)典物理學(xué)的缺憾 272
7.2 光速到底變不變——狹義相對(duì)論 273
7.2.1 同時(shí)具有相對(duì)性——狹義相對(duì)論誕生的基礎(chǔ) 274
7.2.2 光速具有不變性——狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè) 275
7.2.3 新的時(shí)空觀——狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 276
7.3 光線會(huì)彎曲嗎——廣義相對(duì)論 285
7.3.1 時(shí)空會(huì)彎曲——廣義相對(duì)論的誕生 285
7.3.2 連接宇宙的時(shí)空細(xì)管——時(shí)空隧道 290
本章小結(jié) 293
參考文獻(xiàn) 293
復(fù)習(xí)思考題 293
附錄A 常用物理常量表 294
附錄B 導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容安排 295
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簡(jiǎn)明物理學(xué)導(dǎo)論 節(jié)選
第1章物理世界的奧妙 內(nèi)容摘要 物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。其研究對(duì)象大至宇宙、小至基本粒子，是其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。本章我們將從身邊的物理世界出發(fā)介紹物理學(xué)研究的對(duì)象、學(xué)習(xí)物理學(xué)的重要意義、如何學(xué)好物理學(xué)以及本課程的教學(xué)安排等。 在日常生活中，我們常遇到一些有趣的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)引起我們的思考。在夏日晴朗的夜晚，我們仰望天空，有時(shí)會(huì)看到流星劃過(guò)，那么這些流星是怎么產(chǎn)生的？每逢假期，我們會(huì)乘坐輪船（圖1.1）或飛機(jī)外出旅行，這些交通工具雖然身軀龐大，但絲毫不影響它們?cè)谒匣蚩罩械淖杂珊叫校敲催@種龐然大物何以能讓水面或天空變成自己的自由王國(guó)？在我國(guó)，高鐵已經(jīng)是大多數(shù)人出門(mén)遠(yuǎn)行的首選交通工具，而復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組列車(chē)的又快又穩(wěn)是聞名遐邇的，那么高速運(yùn)行的列車(chē)上如何保證硬幣能長(zhǎng)久豎立不倒？現(xiàn)代社會(huì)，手機(jī)是我們每個(gè)人都不能離開(kāi)的通信工具，這種工具已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，那么我們所需要的信息是如何發(fā)送和接收的？我們都知道核電是一種清潔能源，它可以提供持久的能量，是人類(lèi)解決能源問(wèn)題的一種有效方式，那么我國(guó)的核電站為何大都建設(shè)在沿海城市？等等。 圖1.1 大海中航行的輪船 上面列舉的一些現(xiàn)象都屬于物理現(xiàn)象或物理學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。什么是物理學(xué)？物理學(xué)是研究宇宙間各種物質(zhì)存在的形式及其性質(zhì)、物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)的能量及其互相轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等各種物理現(xiàn)象、本質(zhì)和基本規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。因此物理學(xué)的內(nèi)容非常豐富，應(yīng)用十分廣泛，同其他科學(xué)技術(shù)的聯(lián)系極為密切，因而也成為其他自然科學(xué)的基礎(chǔ)。本教材將介紹物理學(xué)各基本分支學(xué)科的知識(shí)體系和發(fā)展脈絡(luò)，簡(jiǎn)述物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律及其產(chǎn)生的背景和相互聯(lián)系，同時(shí)介紹物理學(xué)的基本原理在人類(lèi)生活、現(xiàn)代科技和其他自然科學(xué)中的應(yīng)用。 1.1 紛繁變化的物理世界 我們周?chē)氖澜缡且粋(gè)變化多彩的物理世界。從遙遠(yuǎn)的宇宙天體到地球上每個(gè)生物個(gè)體的細(xì)胞等，無(wú)不都是由物質(zhì)組成的。正是物質(zhì)之間的相互作用隨構(gòu)成物質(zhì)的性質(zhì)及作用距離發(fā)生變化，才導(dǎo)致了物質(zhì)存在的千姿百態(tài)和物理世界的豐富多彩。 1.1.1 物理世界的構(gòu)成 物理學(xué)所研究的對(duì)象，即物理世界，既包括現(xiàn)實(shí)生活所涉及的經(jīng)驗(yàn)世界，我們稱(chēng)之為宏觀世界，也包括遙不可及的宇宙空間，我們稱(chēng)之為宇觀世界（圖1.2），還包括難以再分的基本粒子，我們稱(chēng)之為微觀世界。人們對(duì)物理世界的研究往往是從宏觀世界出發(fā)，借助于牛頓（I.Newton）力學(xué)，來(lái)回答諸如飛機(jī)為何能夠飛行、重物為何能自然下落、江河為何能夠流動(dòng)等這樣的問(wèn)題。當(dāng)人們進(jìn)一步思考我們?nèi)庋鬯芸吹降奈矬w是由哪些物質(zhì)、通過(guò)什么方式構(gòu)成時(shí)，就開(kāi)始步入微觀世界。我國(guó)古代很早就有人開(kāi)始研究物質(zhì)世界的組成問(wèn)題。《莊子 天下》中大家熟知的句子“一尺之捶，日取其半，萬(wàn)世不竭”其實(shí)就是一種連續(xù)的物質(zhì)觀。現(xiàn)在我們都知道構(gòu)成物質(zhì)的是分子，分子是由原子構(gòu)成的，單質(zhì)分子由相同元素的原子構(gòu)成，化合物分子由不同元素的原子構(gòu)成。化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)就是不同物質(zhì)的分子中各種原子進(jìn)行重新結(jié)合。原子是化學(xué)反應(yīng)中*小的微粒，但它并不是構(gòu)成物質(zhì)的*小粒子，而是由原子核和核外電子構(gòu)成的。現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，電子是基本粒子，目前難以再分，而構(gòu)成原子核的中子和質(zhì)子又是由各種夸克組成的（張延惠等，2009）。以上是我們從宏觀世界出發(fā)，通過(guò)細(xì)化的方式逐漸深入到了由基本粒子構(gòu)成的微觀世界。 *近幾十年，一種被稱(chēng)作“介觀物理”的研究領(lǐng)域悄然而生，其研究對(duì)象指的是介于微觀和宏觀之間的尺度體系，即介觀體系，物質(zhì)粒子大小在，納米粒子、膠團(tuán)、微乳液、囊泡等都屬于介觀體系。對(duì)于介觀尺度的材料，系統(tǒng)尺度小于相干尺度，存在很大的統(tǒng)計(jì)漲落，這種介觀漲落是介觀材料的一個(gè)重要特征，其微觀性質(zhì)和對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)性質(zhì)有很大關(guān)聯(lián)，是研究量子混沌以及量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)過(guò)渡關(guān)系的重要領(lǐng)域。隨著微電子學(xué)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的基本器件已經(jīng)到了介觀的尺度，電路的量子效應(yīng)凸顯，發(fā)展固態(tài)量子信息與計(jì)算的基本原理方法與技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。介觀體系也是化學(xué)反應(yīng)的策源地，因?yàn)槎鄶?shù)化學(xué)反應(yīng)往往是在介質(zhì)的表面發(fā)生的，表面相中的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律與體相有很大區(qū)別，它遵從介觀世界的規(guī)律，在物質(zhì)表面發(fā)生的吸附、催化、化學(xué)反應(yīng)等與介觀世界的效應(yīng)明顯相關(guān)。因此，深入研究掌握介觀世界內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于完善關(guān)于物理世界的認(rèn)識(shí)，并在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域占有一席之地具有重要意義。 如果從身邊的宏觀物體出發(fā)向遠(yuǎn)處探索，我們會(huì)到達(dá)另一個(gè)更加神秘的物理世界。如果不借助于其他觀測(cè)手段，我們?nèi)庋勰軌蚩吹降氖澜缙鋵?shí)很有限，除了藍(lán)天、白云和太陽(yáng)，在晴朗的夜空，我們還能發(fā)現(xiàn)星星和月亮。當(dāng)然在物理學(xué)家眼里，世界絕沒(méi)有這么小、這么簡(jiǎn)單！他們想知道，除了我們?nèi)庋勰芸吹降娜赵滦浅剑有其他天體存在嗎？這些天體是怎么運(yùn)動(dòng)的、為何會(huì)發(fā)生這樣的運(yùn)動(dòng)？于是他們發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到了行星并發(fā)現(xiàn)了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；借助于射電望遠(yuǎn)鏡，他們接收到了更豐富的宇宙信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)了新的星系、星系團(tuán)。這是一個(gè)妙不可言、變化莫測(cè)的宇宙世界！相對(duì)于前面提及的微觀世界和宏觀世界，這里我們稱(chēng)之為“宇觀世界”。射電望遠(yuǎn)鏡是目前觀測(cè)和研究來(lái)自天體的射電波的基本設(shè)備。利用我國(guó)自主研發(fā)的世界*大單口徑、*靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡FAST（500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡），我國(guó)的科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證了百余顆脈沖星。未來(lái)3至5年，F(xiàn)AST的高靈敏度將有可能在低頻引力波探測(cè)、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向催生突破，并在探測(cè)銀河系結(jié)構(gòu)、超大質(zhì)量黑洞甚至發(fā)現(xiàn)地外文明等深空奧秘方面做出獨(dú)特貢獻(xiàn)（張嵐，2017）。 我們所研究的物理世界，小到基本粒子，大到深層宇宙，其范圍之廣、內(nèi)容之多，難以用這么小的篇幅來(lái)展開(kāi)論述。為方便讀者認(rèn)識(shí)和了解這個(gè)廣袤的世界，我們按照研究對(duì)象的尺度范圍來(lái)劃分，將其代表物體、主要特點(diǎn)列于表1.1中。 1.1.2 物理世界的變化 我們周?chē)奈锢硎澜缡怯晌镔|(zhì)構(gòu)成的，但構(gòu)成世界的物質(zhì)并不是一成不變的，在不同的時(shí)間和不同的位置都會(huì)有不同的變化。辯證唯物主義告訴我們，運(yùn)動(dòng)變化是絕對(duì)的，靜止不變是相對(duì)的，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化是有規(guī)律的。正是由于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律性才導(dǎo)致了物理世界中不同的物質(zhì)形態(tài)和不同的運(yùn)動(dòng)形式，從而構(gòu)成了物理世界的多樣性。 1.不同的物質(zhì)形態(tài) 物質(zhì)形態(tài)的多樣性是物質(zhì)世界本身演化和發(fā)展的結(jié)果。按照組成物質(zhì)的分子相互作用的強(qiáng)弱來(lái)分，通常有氣、液、固三種狀態(tài)。處于氣態(tài)的物質(zhì)，其分子與分子之間距離較遠(yuǎn)；對(duì)于液態(tài)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，構(gòu)成它們的分子彼此已靠得很近，分子一個(gè)挨著一個(gè)，其密度比氣態(tài)的大得多；對(duì)于固態(tài)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，構(gòu)成元素是以原子狀態(tài)存在的，而且固體中的原子一個(gè)挨著一個(gè)，組成一個(gè)“點(diǎn)陣”，就像造房子的腳手架那樣相互攀拉，牢牢地結(jié)合在一起，這就是固體比液體硬的原因。物理上的固態(tài)應(yīng)當(dāng)是指各種各樣的晶體所具有的狀態(tài)。在幾千攝氏度以上的高溫中，氣態(tài)的原子開(kāi)始拋掉身上的電子，于是帶負(fù)電的電子開(kāi)始自由自在地游逛，而原子也成為帶正電的離子。溫度越高，氣體原子脫落的電子就越多，這種現(xiàn)象叫作氣體的電離化。科學(xué)家把電離化的氣體狀態(tài)叫作“等離子態(tài)”。除了高溫以外，用強(qiáng)紫外線、X射線和?射線來(lái)照射氣體，也可以將氣體轉(zhuǎn)變成等離子態(tài)。這是物質(zhì)的第四種狀態(tài)。 除了上述四種物質(zhì)形態(tài)以外，還有一些其他的物質(zhì)形態(tài)。比如，普通玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有“空間點(diǎn)陣”特點(diǎn)，而與液態(tài)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，存在類(lèi)似晶體的結(jié)構(gòu)——“類(lèi)晶區(qū)”，只不過(guò)“類(lèi)晶區(qū)”彼此不能移動(dòng)，造成玻璃沒(méi)有流動(dòng)性，我們將這種狀態(tài)稱(chēng)為“非晶態(tài)”；我們?cè)谑謾C(jī)、計(jì)算器、電視機(jī)等圖文顯示設(shè)備上經(jīng)常看到的處于結(jié)晶態(tài)和液態(tài)之間的一種形態(tài)，稱(chēng)之為“液晶態(tài)”；在140萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”，電子全部被“擠出”原子，裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，形成“超固態(tài)”；在更高的溫度和壓力下，原子核也能被“壓碎”，原子核中的質(zhì)子吸收電子轉(zhuǎn)化為中子，物質(zhì)呈現(xiàn)出中子緊密排列的狀態(tài)，稱(chēng)為“中子態(tài)”；某些物質(zhì)在低溫條件下表現(xiàn)出電阻等于零的現(xiàn)象，成為超導(dǎo)體，超導(dǎo)體所處的物態(tài)就是“超導(dǎo)態(tài)”；科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)氦的溫度降到2.17K時(shí)，它可以無(wú)任何阻礙地通過(guò)連氣體都無(wú)法通過(guò)的極微小的孔或狹縫，還可以沿著杯壁“爬”出杯口外，即液態(tài)氦由原來(lái)液體的一般流動(dòng)性突然變化為“超流動(dòng)性”，我們將具有超流動(dòng)性的物態(tài)稱(chēng)為“超流態(tài)”（曹則賢，2011）。 上面介紹的只是迄今發(fā)現(xiàn)的十種物態(tài)，有文獻(xiàn)歸納說(shuō)還存在著更多種類(lèi)的物態(tài)。我們相信，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們一定會(huì)認(rèn)識(shí)更多的物態(tài)，解開(kāi)更多的謎，并利用它們奇特的性質(zhì)造福于人類(lèi)。 2.不同的運(yùn)動(dòng)形式 物質(zhì)的形態(tài)不同，運(yùn)動(dòng)形式也不同。恩格斯（F.Engels）在《自然辯證法》中按照運(yùn)動(dòng)方式從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的次序，將其分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)、物理運(yùn)動(dòng)、化學(xué)運(yùn)動(dòng)、生命運(yùn)動(dòng)和社會(huì)運(yùn)動(dòng)五種運(yùn)動(dòng)形式，當(dāng)然社會(huì)運(yùn)動(dòng)不屬于我們物理所研究的范圍。 1）機(jī)械運(yùn)動(dòng) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)指的是物體相對(duì)于其他物體位置發(fā)生改變，它是*簡(jiǎn)單、*基本的運(yùn)動(dòng)形式，包括平動(dòng)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等（圖1.3），其物質(zhì)基礎(chǔ)是物體。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是由物體之間的相互作用導(dǎo)致的物體相對(duì)位置的變化而引起的，屬于經(jīng)典力學(xué)研究的范圍。 圖1.3 跳水運(yùn)動(dòng)員在空中的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng) 2）物理運(yùn)動(dòng) 物理運(yùn)動(dòng)指分子、電子和其他基本粒子的運(yùn)動(dòng)，其物質(zhì)基礎(chǔ)是分子、電子、基本粒子和場(chǎng)等。物理運(yùn)動(dòng)是由這些微觀粒子通過(guò)電磁場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)并誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)，屬于電磁場(chǎng)和量子力學(xué)研究的范圍。 3）化學(xué)運(yùn)動(dòng) 化學(xué)運(yùn)動(dòng)指一種或幾種物質(zhì)轉(zhuǎn)變成另外一種或幾種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式，其物質(zhì)基礎(chǔ)是原子和分子。化學(xué)運(yùn)動(dòng)主要是由分子內(nèi)部原子間化學(xué)鍵的改變，導(dǎo)致物質(zhì)分子的組成或結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生新物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式，屬于化學(xué)和原子與分子物理學(xué)研究的范圍。 4）生命運(yùn)動(dòng) 生命運(yùn)動(dòng)是高級(jí)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式，包括生長(zhǎng)、繁殖、代謝、應(yīng)激、進(jìn)化、運(yùn)動(dòng)、行為，其物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)和核酸。生命運(yùn)動(dòng)是由核酸與蛋白質(zhì)通過(guò)交互作用形成的具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)和功能的物質(zhì)系統(tǒng)所特有的運(yùn)動(dòng)形式，屬于生物物理學(xué)研究的范圍。 以上四種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式從低級(jí)到高級(jí)，相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了這個(gè)豐富多彩的物理世界。 3.不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 物質(zhì)的形態(tài)不一樣、種類(lèi)不一樣，運(yùn)動(dòng)變化的方式就不一樣，從而遵循不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。就其發(fā)生變化的原因，無(wú)非是內(nèi)因和外因。①內(nèi)因：構(gòu)成物質(zhì)的元素不同導(dǎo)致各元素之間的相互作用不同，比如構(gòu)成太陽(yáng)系的太陽(yáng)與行星的相互作用以及組成分子的原子之間的相互作用；②外因：任何物質(zhì)都不是孤立存在的，都處在周?chē)沫h(huán)境中，不可避免地存在物質(zhì)與其外界環(huán)境的相互作用，比如太陽(yáng)系中的行星不僅受到太陽(yáng)的引力作用，也受到其他行星的相互作用，激光場(chǎng)中的分子會(huì)受到激光場(chǎng)的作用等。物理學(xué)就是研究這些相互作用是如何施加影響的，從而給出物理世界發(fā)展變化的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。 不同的物理世界，物體運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律是不一樣的，并由此形成了不同的物理學(xué)分支學(xué)科（圖1.4）。①對(duì)于宏觀物理世界，宏觀物體遵循牛頓三大定律及分析力學(xué)規(guī)律，相關(guān)內(nèi)容屬于經(jīng)典力學(xué)范疇；②對(duì)于微觀物理世界，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由薛定諤方程來(lái)描寫(xiě)，相關(guān)內(nèi)容屬于量子力學(xué)范疇；③高速運(yùn)動(dòng)的物體，對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)必須考慮相對(duì)論效應(yīng)，遵循相對(duì)論力學(xué)規(guī)律，相關(guān)內(nèi)容屬于相對(duì)論力學(xué)的范疇；④對(duì)于宇觀物理世界中的物體，牛頓萬(wàn)有引力定律起主要作用，而宏觀和微觀世界中幾乎見(jiàn)不到的廣義相對(duì)論效應(yīng)，在宇觀世界中突出地表現(xiàn)出來(lái)。從一定角度來(lái)說(shuō)，宇觀是一般意義下的宏觀的擴(kuò)展，本質(zhì)還是宏觀。實(shí)際上，在諸多微觀、宏觀和宇觀現(xiàn)象中有許多是人們已有的觀念和理論
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