物理學(xué)原理在工程技術(shù)中的應(yīng)用(學(xué)習(xí)資料)

1、物理原理與工程技術(shù)內(nèi)容提要：本書以通俗的語言介紹了物理原理與工程技術(shù)的關(guān)系，介紹了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對論、原子物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理等知識(shí)及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。特別強(qiáng)調(diào)物理知識(shí)在現(xiàn)代高新技術(shù)中的應(yīng)用。全書分為15章，包括：力學(xué)原理與工程技術(shù)、流體力學(xué)與流體機(jī)械、機(jī)械波與聲學(xué)技術(shù)、熱能與動(dòng)力、電磁理論與電磁技術(shù)、電磁波與無線電技術(shù)、半導(dǎo)體物理與微電子技術(shù)、傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、物理效應(yīng)與傳感技術(shù)、真空技術(shù)及其應(yīng)用、能源技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)、高能物理與加速器、新型功能材料。本書主要供大專院校各類學(xué)生和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用，也可作為中學(xué)生開展素質(zhì)教育和一般讀者了解物理知識(shí)與工程

2、技術(shù)關(guān)系的參考讀物。編輯推薦：本書試圖以“從自然到物理、從物理到技術(shù)、從技術(shù)到生活”為脈絡(luò)，所講述的內(nèi)容既有工程應(yīng)用背景又與物理學(xué)原理相配套，能夠使讀者拓寬視野，加深其對物理學(xué)基本原理及物理學(xué)在工程技術(shù)領(lǐng)域前沿作用的理解。本書從工程實(shí)際出發(fā)，避開技術(shù)細(xì)節(jié)，把實(shí)際問題抽象成物理模型，并用物理學(xué)原理進(jìn)行分析，提出合理的解決方案，有利于提高讀者分析和解決問題的能力；在工程技術(shù)應(yīng)用的具體介紹上，把側(cè)重點(diǎn)放在物理原理和它在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用上，而不是放在其結(jié)構(gòu)和制造工藝上，并力求做到通俗易懂。主要內(nèi)容包括：力學(xué)原理與工程技術(shù)、流體力學(xué)與流體機(jī)械、機(jī)械波與聲學(xué)技術(shù)、熱能與動(dòng)力、電磁理論與電磁技術(shù)等。目錄：

3、第一章力學(xué)原理與工程技術(shù)第一節(jié)動(dòng)量守恒定律與火箭推進(jìn)原理一、動(dòng)量守恒定律二、火箭推進(jìn)原理第二節(jié)力學(xué)原理與慣性導(dǎo)航一、牛頓力學(xué)的基本內(nèi)容二、陀螺儀三、加速度計(jì)四、慣性導(dǎo)航第三節(jié)萬有引力定律與人造衛(wèi)星一、萬有引力定律二、人造衛(wèi)星三、同步衛(wèi)星的發(fā)射高度和運(yùn)行速度四、人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用五、載人航天六、航天科技產(chǎn)業(yè)第四節(jié)相對論力學(xué)與相對論效應(yīng)一、相對論的建立二、狹義相對論效應(yīng)三、廣義相對論效應(yīng)和實(shí)證第二章流體力學(xué)與流體機(jī)械第一節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用一、伯努力利方程二、伯努利方程的應(yīng)用第二節(jié)液壓傳動(dòng)技術(shù)一、液壓傳動(dòng)的發(fā)展二、液壓傳動(dòng)的工作原理三、液壓傳動(dòng)的特性四、液壓傳動(dòng)的特性五、液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)第三節(jié)水泵

4、、質(zhì)量流量計(jì)、壓力表一、水泵二、質(zhì)量流量計(jì)三、壓力測量儀表第四節(jié)毛細(xì)現(xiàn)象一、浸潤與不浸潤液體二、毛細(xì)現(xiàn)象三、毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用第五節(jié)空氣動(dòng)力學(xué)與航空航天技術(shù)一、空氣動(dòng)力學(xué)二、空氣動(dòng)力學(xué)與航空航天事業(yè)第六節(jié)風(fēng)洞和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)一、風(fēng)洞二、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)三、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)第三章機(jī)械波與聲學(xué)技術(shù)第四章熱能與動(dòng)力第五章電磁理論與電磁技術(shù)第六章電磁波與無線電技術(shù)第七章半導(dǎo)體物理與微電子技術(shù)第八章傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)第九章現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)第十章物理效應(yīng)與傳感技術(shù)第十一章真空技術(shù)及其應(yīng)用第十二章能源技術(shù)第十三章現(xiàn)代測試技術(shù)第十四章高能物理與加速器第十五章新型功能材料參考文獻(xiàn)1、物理學(xué)概覽 物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、

5、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組成元素及其相互作用、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學(xué)。 物理學(xué)的各分支學(xué)科是按物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式劃分的。人對自然界的認(rèn)識(shí)來自于實(shí)踐，隨著實(shí)踐的擴(kuò)展和深入，物理學(xué)的內(nèi)容也在不斷擴(kuò)展和深入。隨著物理學(xué)各分支學(xué)科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學(xué)科之間開始互相滲透。物理學(xué)也逐步發(fā)展成為各分支學(xué)科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學(xué)家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進(jìn)展，但現(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)?？磥砣藗儗陀^世界的探索、研究是無窮無盡的。經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)是研究

6、宏觀物體做低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)科。宏觀是相對于原子等微觀粒子而言的；低速是相對于光速而言的。物體的空間位置隨時(shí)間變化稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。人們?nèi)粘Ｉ钪苯咏佑|到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。自遠(yuǎn)古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進(jìn)行天文觀察。16世紀(jì)后期，人們對行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)、精密的觀察。17世紀(jì)開普勒從這些觀察結(jié)果中總結(jié)出了行星繞日運(yùn)動(dòng)的三條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。差不多在同一時(shí)期，伽利略進(jìn)行了落體和拋物體的實(shí)驗(yàn)研究，從而提出關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的初步理論。行星運(yùn)動(dòng)第一定律認(rèn)為每個(gè)行星都在一個(gè)橢圓形的軌道上繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，而太陽位于這個(gè)橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上。行星運(yùn)動(dòng)第二定律認(rèn)為行星運(yùn)

7、行離太陽越近則運(yùn)行就越快，行星的速度以這樣的方式變化：行星與太陽之間的連線在等時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。十年后開普勒發(fā)表了他的行星運(yùn)動(dòng)第三定律：行星距離太陽越遠(yuǎn)，它的運(yùn)轉(zhuǎn)周期越長；運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。牛頓深入研究了這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。亞當(dāng)斯根據(jù)對天王星的詳細(xì)天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預(yù)言了海王星的存在，以后果然在天文觀察中發(fā)現(xiàn)了海王星。于是牛頓所提出的力學(xué)定律和萬有引力定律被普遍接受了。經(jīng)典力學(xué)中的基本物理量是質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量：一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)，由它的某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在這一時(shí)刻的空間坐標(biāo)和動(dòng)量表

8、示。對于一個(gè)不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運(yùn)動(dòng)形式(如熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)等)的力學(xué)系統(tǒng)來說，它的總機(jī)械能就是每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時(shí)間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學(xué)中，力學(xué)系統(tǒng)的總能量和總動(dòng)量有特別重要的意義。物理學(xué)的發(fā)展表明，任何一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動(dòng)量數(shù)值是不變的。這種守恒性質(zhì)的適用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典力學(xué)的范圍，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。早在19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)就已經(jīng)成為物理學(xué)中十分成熟的分支學(xué)科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、分析力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)等。經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用范圍，涉及到能源、航空、航天、機(jī)械、

9、建筑、水利、礦山建設(shè)直到安全防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然，工程技術(shù)問題常常是綜合性的問題，還需要許多學(xué)科進(jìn)行綜合研究，才能完全解決。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，很普遍的一種運(yùn)動(dòng)形式就是振動(dòng)和波動(dòng)。聲學(xué)就是研究這種運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化和吸收的分支學(xué)科。人們通過聲波傳遞信息，有許多物體不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過；頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠(yuǎn)的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發(fā)生的地震、火山爆發(fā)或核爆炸的信息；頻率很高的聲波和聲表面波已經(jīng)用于固體的研究、微波技術(shù)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域；非常強(qiáng)的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工等。熱學(xué)、熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)熱學(xué)是研究熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)下的性質(zhì)及其

10、變化的學(xué)科。人們很早就有冷熱的概念。對于熱現(xiàn)象的研究逐步澄清了關(guān)于熱的一些模糊概念(例如區(qū)分了溫度和熱量)，并在此基礎(chǔ)上開始探索熱現(xiàn)象的本質(zhì)和普遍規(guī)律。關(guān)于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學(xué)。到19世紀(jì)，熱力學(xué)已趨于成熟。物體有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，因此就有內(nèi)部能量。19世紀(jì)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究證明：熱是物體內(nèi)部無序運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，稱為內(nèi)能，以前稱作熱能。19世紀(jì)中期，焦耳等人用實(shí)驗(yàn)確定了熱量和功之間的定量關(guān)系，從而建立了熱力學(xué)第一定律：宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉(zhuǎn)化，總的能量的數(shù)值是不變的，因此熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種表現(xiàn)。 在卡諾研究結(jié)果

11、的基礎(chǔ)上，克勞修斯等科學(xué)家提出了熱力學(xué)第二定律，表達(dá)了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個(gè)孤立的物體，其內(nèi)部各處的溫度不盡相同，那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最后達(dá)到各處溫度都相同的狀態(tài)，也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個(gè)孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體，不可能自動(dòng)回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應(yīng)用熵的概念，還可以把熱力學(xué)第二定律表達(dá)為：一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)的熵不會(huì)著時(shí)間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當(dāng)熵達(dá)到最大值時(shí)，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。 深入研究熱現(xiàn)象的本質(zhì)，就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究大量粒子的平均行為。統(tǒng)計(jì)力學(xué)根據(jù)物質(zhì)的微觀組成

12、和相互作用，研究由大量粒子組成的宏觀物體的性質(zhì)和行為的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是理論物理的一個(gè)重要分支。非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)所研究的問題復(fù)雜，直到20世紀(jì)中期以后才取得了比較大的進(jìn)展。對于一個(gè)包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來說，系統(tǒng)處于無序狀態(tài)的幾率超過了處于有序狀態(tài)的幾率。孤立物理系統(tǒng)總是從比較有序的狀態(tài)趨向比較無序的狀態(tài)，在熱力學(xué)中，這就相應(yīng)于熵的增加。處于平衡狀態(tài)附近的非平衡系統(tǒng)的主要趨向是向平衡狀態(tài)過渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運(yùn)和漲落，這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近2030年來人們對于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)，如耗散結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了廣泛的研究，取得了很大的進(jìn)展，但還有很多問題等待解決。在一定時(shí)期

13、內(nèi)，人們對客觀世界的認(rèn)識(shí)總是有局限性的，認(rèn)識(shí)到的只是相對的真理，經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也是這樣。經(jīng)典力學(xué)應(yīng)用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學(xué)。與之相應(yīng)，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也發(fā)展成為以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。經(jīng)典電磁學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)經(jīng)典電磁學(xué)是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)的學(xué)科。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負(fù)電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點(diǎn)上和萬有引力很相似。18

14、世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動(dòng)，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。19世紀(jì)前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時(shí)，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實(shí)驗(yàn)表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。 在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認(rèn)識(shí)到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進(jìn)了力線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個(gè)方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場的概念。現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個(gè)

15、電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個(gè)磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場也具有能量和動(dòng)量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個(gè)空間。19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預(yù)言后來為赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。于是人們認(rèn)識(shí)到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。

16、由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茲把運(yùn)動(dòng)電荷所受到的電磁場的作用力歸結(jié)為一個(gè)公式，人們就稱這個(gè)力為洛倫茨力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構(gòu)成了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，發(fā)電機(jī)無非是利用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能：電動(dòng)機(jī)無非是利用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電報(bào)、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)對生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，從而對社會(huì)產(chǎn)生普遍而重要的影響。光學(xué)和電磁波光學(xué)研究光的性質(zhì)及其和物質(zhì)的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長范圍在電磁波中只占

17、很窄的一個(gè)波段，但是早在人們認(rèn)識(shí)到光是電磁波以前，人們就對光進(jìn)行了研究。17世紀(jì)對光的本質(zhì)提出了兩種假說：一種假說認(rèn)為光是由許多微粒組成的；另一種假說認(rèn)為光是一種波動(dòng)。19世紀(jì)在實(shí)驗(yàn)上確定了光有波的獨(dú)具的干涉現(xiàn)象，以后的實(shí)驗(yàn)證明光是電磁波。20世紀(jì)初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們在深入入研究微觀世界后，才認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。光可以為物質(zhì)所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當(dāng)所研究的物體或空間的大小遠(yuǎn)大于光波的波長時(shí)，光可以當(dāng)作沿直線進(jìn)行的光線來處理；但當(dāng)研究深入到現(xiàn)象細(xì)節(jié)，其空間范圍和光波波長差不多大小的時(shí)候，就必須要考慮光的波動(dòng)性。而研究光和微觀粒子的相互作用時(shí)，還要考慮光的粒子性。光學(xué)方法是研究

18、大至天體、小至微生物以至分子、原子結(jié)構(gòu)的非常有效的方法。利用光的干涉效應(yīng)可以進(jìn)行非常精密的測量。物質(zhì)所放出來的光攜帶著關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息，例如：原子所放出來原子光譜的就和原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近年來利用受激輻射機(jī)制所產(chǎn)生的激光能夠達(dá)到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場強(qiáng)度甚至可以超過原子內(nèi)部的電場強(qiáng)度。利用激光已經(jīng)開辟了非線性光學(xué)等重要研究方向，激光在工業(yè)技術(shù)和醫(yī)學(xué)中已經(jīng)有了很多重要的應(yīng)用。 現(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達(dá)幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個(gè)數(shù)量級的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣已成為傳遞信息的非常有力的工具。 在經(jīng)典電磁學(xué)的建立

19、與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學(xué)其后的發(fā)展中，場成了非常基本、非常普遍的概念。在現(xiàn)代物理學(xué)中場的概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電磁學(xué)的范圍，成為物質(zhì)的一種基本的、普遍的存在形式。狹義相對論和相對論力學(xué)在經(jīng)典力學(xué)取得很大成功以后，人們習(xí)慣于將一切現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為由機(jī)械運(yùn)動(dòng)所引起的。在電磁場概念提出以后，人們假設(shè)存在一種名叫“以太”的媒質(zhì)，它彌漫于整個(gè)宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動(dòng)，沒有質(zhì)量，對物體的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬有引力的影響?？梢詫⒁蕴鳛橐粋€(gè)絕對靜止的參照系，因此相對于以太作勻速運(yùn)動(dòng)的參照系都是慣性參照系。 在慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應(yīng)該隨著波的傳播方向而改變。但實(shí)驗(yàn)

20、表明，在不同的、相對作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關(guān)。特別是邁克爾遜和莫雷進(jìn)行的非常精確的實(shí)驗(yàn)，可靠地證明了這一點(diǎn)。這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)顯然同經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于時(shí)間、空間和以太的概念相矛盾。愛因斯坦從這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，對空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，提出了狹義相對論，從而建立了新的時(shí)空觀念。 狹義相對論的基本假設(shè)是：在一切慣性參照系中，基本物理規(guī)律都一樣，都可用同一組數(shù)學(xué)方程來表達(dá)；對于任何一個(gè)光源發(fā)出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結(jié)果都相等。 在狹義相對論中，空間和時(shí)間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對的，時(shí)間也是相對的。因此尺的長短，時(shí)間的長短都是相對的。但在狹

21、義相對論中，并不是一切都是相對的。 相對論力學(xué)的另一個(gè)重要結(jié)論是：質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。假使質(zhì)量是物質(zhì)的量的一種度量，能量是運(yùn)動(dòng)的量的一種度量，則上面的結(jié)論：物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之間存在著不可分割的聯(lián)系，不存在沒有運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，兩者可以相互轉(zhuǎn)化。這一規(guī)律己在核能的研究和實(shí)踐中得到了證實(shí)。 著名的相對論運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)：1）長度收縮： 出手似閃電 長劍變鐵釘2）時(shí)間延緩： 章魚保羅高速飛 來年再算世界杯3）同時(shí)的相對性：若：x 0 t = 0 則：t 0現(xiàn)場直播好 時(shí)間差不少著名的相對論動(dòng)力學(xué)效應(yīng)：質(zhì)能關(guān)系： 質(zhì)量虧損一點(diǎn)點(diǎn) 能量釋放日炎炎 當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對論力學(xué)定律就

22、趨近于經(jīng)典力學(xué)定律。固此在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典力學(xué)定律仍然是很好的相對真理，非常適合用來解決工程技術(shù)中的力學(xué)問題。 狹義相對論對空間和時(shí)間的概念進(jìn)行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨(dú)立的、物質(zhì)存在的恃殊形式。由于空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的普遍形式，因此狹義相對論對于物理學(xué)產(chǎn)生了廣泛而又深遠(yuǎn)的影響。 廣義相對論和萬有引力的基本理論狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認(rèn)為是一種超距作用，它的傳遞不需要時(shí)間，產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也要加以改造。 改造的關(guān)鍵來自厄缶的實(shí)驗(yàn)，它以很高的精

23、確度證明：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，固此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時(shí)刻它們的空間坐標(biāo)和速度都相同，那末它們的運(yùn)行軌道都將永遠(yuǎn)相同。這個(gè)結(jié)論啟發(fā)了愛因斯坦設(shè)想：萬有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。 根據(jù)廣義相對論，空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動(dòng)量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運(yùn)行軌道。在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過這種區(qū)別常常很小，難以在實(shí)驗(yàn)中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在，還只有四種實(shí)驗(yàn)

24、能檢驗(yàn)出這種區(qū)別。 廣義相對論不僅對于天體的結(jié)構(gòu)和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有重要意義。 原子物理學(xué)、量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)原子物理學(xué)研究原子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個(gè)很古老的概念。古代就有人認(rèn)為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒不變的物質(zhì)最終單元。 1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認(rèn)識(shí)到原子是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。于是，經(jīng)典物理學(xué)的局限性進(jìn)一步的暴露出來了。為此，德國科學(xué)家普朗克提出了同經(jīng)典物理學(xué)相矛盾的假設(shè)：光是由一粒一粒光子組成的。這一假設(shè)導(dǎo)出的結(jié)論和黑體輻射及光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

25、結(jié)果符合。于是，19世紀(jì)初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)了。 1911年，盧瑟福用粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子的絕大部分質(zhì)量，以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了一個(gè)定性的、符合實(shí)際的概念。在某些方面，原子類似一個(gè)極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。 原子物理學(xué)的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。它們與經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的主要區(qū)別是：物理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的；它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)

26、律，而是統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 應(yīng)用量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)研究原子結(jié)構(gòu)、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過程非常成功，理論結(jié)果同最精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。 微觀客體的一個(gè)基本性質(zhì)是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實(shí)踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實(shí)踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象。 現(xiàn)在看來，需要粒子和波動(dòng)兩種概念互相補(bǔ)充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質(zhì)。這一基本特點(diǎn)的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準(zhǔn)原理：不可能同時(shí)測準(zhǔn)一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，位置測得愈準(zhǔn)，動(dòng)量必然測得愈不準(zhǔn)；動(dòng)量測的愈準(zhǔn)，位置必

27、然測得愈不準(zhǔn)。 量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生于原子物理學(xué)的研究，但是它們起作用的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子物理學(xué)。量子力學(xué)是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，固此不僅應(yīng)用于原子物理，也應(yīng)用于分子物理學(xué)、原子核物理學(xué)以及宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)的研究。量子電動(dòng)力學(xué)則是所有微觀電磁現(xiàn)象所必須遵循的規(guī)律，直到現(xiàn)在，還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動(dòng)力學(xué)的局限性。 量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)量子力學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，稱為量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，因而經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對零度，固體的熱也趨于零的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就無法用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)來解釋。 在宏觀世界中，看起來相同的物體總是可以區(qū)別的，在微觀世界中，同一類粒子卻無

28、法區(qū)分。例如：所有的電子的一切性質(zhì)都完全一樣。在宏觀物理現(xiàn)象中，將兩個(gè)宏觀物體交換，就得到一個(gè)和原來狀態(tài)不同的狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作兩個(gè)不同的狀態(tài)處理；但是在一個(gè)物理系統(tǒng)中，交換兩個(gè)電子后，得到的還是原來的狀態(tài)，因此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作同一個(gè)狀態(tài)來處理。 根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)，就得到量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。應(yīng)用量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什么對比熱的貢獻(xiàn)如此小等等，都得到了合理的解釋。 固體物理學(xué)固體物理學(xué)是研究固體的性質(zhì)、它的微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和

29、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的學(xué)科。固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，這方面的研究是從晶體開始的，因?yàn)榫w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進(jìn)一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關(guān)系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學(xué)。 固體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)服從量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律。在晶體中，原子(離子、分子)有規(guī)則地排列，形成點(diǎn)陣。20世紀(jì)初勞厄和法國科學(xué)家布拉格父子發(fā)展了X射線衍射法，用以研究晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射法，使晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。 在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。電子

30、不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導(dǎo)體。能帶理論結(jié)合半導(dǎo)體鍺和硅的基礎(chǔ)研究，高質(zhì)量的半導(dǎo)體單晶生長和摻雜技術(shù)，為晶體管的產(chǎn)生準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。 電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運(yùn)動(dòng)一起，決定了晶體的磁學(xué)性質(zhì)，晶體的許多性質(zhì)(如力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等)常常不是各向同性的。作為一個(gè)整體的點(diǎn)陣，有大量內(nèi)部自由度，因此具有大量的集體運(yùn)動(dòng)方式，具有各式各樣的元激發(fā)。 晶體的許多性質(zhì)都和點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)及其各種運(yùn)動(dòng)模式密切相關(guān)，晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)陣的運(yùn)動(dòng)之間相耦合，也對固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象；1960

31、年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)。這些效應(yīng)都和這種不同運(yùn)動(dòng)模式之間的耦合相關(guān)。 晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點(diǎn)陣。處于不同形式點(diǎn)陣的晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點(diǎn)陣形式具有不同的能量：在低溫時(shí)，點(diǎn)陣處于能量最低的形式；當(dāng)晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點(diǎn)陣就會(huì)轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。這種轉(zhuǎn)變稱為相變，相變會(huì)導(dǎo)致晶體物理性質(zhì)的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實(shí)際晶體內(nèi)部的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)總會(huì)有缺陷：化學(xué)成分不會(huì)絕對純，內(nèi)部會(huì)含有雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)對固體的物理性質(zhì)(包括力學(xué)、電學(xué)、碰學(xué)、發(fā)光學(xué)等)以及功能材料的技

32、術(shù)性能，常常會(huì)產(chǎn)生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質(zhì)和缺陷是很重要的晶體的表面性質(zhì)和界面性質(zhì)，會(huì)對許多物理過程和化學(xué)過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領(lǐng)域。 非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無序性使得對于它們的研究變得更加復(fù)雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質(zhì)，使得它有多方面的應(yīng)用。這是一個(gè)正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域。 固體物理對于技術(shù)的發(fā)展有很多重要的應(yīng)用，晶體管發(fā)明以后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學(xué)也是材料科學(xué)的基礎(chǔ)。 原子核物理學(xué)原子核是比

33、原子更深一個(gè)層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。原子核物理學(xué)是研究原子核的性質(zhì)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部激發(fā)狀態(tài)、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應(yīng)過程的學(xué)科。 在原子核被發(fā)現(xiàn)以后，曾經(jīng)以為原子核是由質(zhì)子和電子組成的。1932年，英國科學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認(rèn)識(shí)到原子核可能具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，中子不帶電，質(zhì)子帶正電荷，因此質(zhì)子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大萬億億倍以上。所以，一定存在第三種基本相互作用強(qiáng)相互作用力。人們將核子結(jié)合成為原子核的力稱為核力，核力來源于強(qiáng)相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰

34、撞時(shí)的截面估計(jì)，核力的有效作用距離力程約為一千萬億分之一米。 原子核主要由強(qiáng)相互作用將核子結(jié)合而成，當(dāng)原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或原子核之間發(fā)生反應(yīng)時(shí)，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個(gè)中子以后，會(huì)裂變成為兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)放出二十到三十中子和很大的能量。兩個(gè)很輕的原子核也能熔合成為一個(gè)較重的原子核，同時(shí)放出巨大的能量。這種原子核熔合過程叫作聚變。 粒子加速器的發(fā)明和裂變反應(yīng)堆的建成，使人們能夠獲得大量能量較高的質(zhì)子、電子、光子、原子核和大量中子?？梢杂脕磙Z擊原子核，系統(tǒng)地開展關(guān)于原子核的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化和相互作用過程的研究。 重核分裂為輕核時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量虧損，釋放

35、能量。這種釋放能量的方式稱為裂變。哈恩（Otto Hahn）的實(shí)驗(yàn)鈾核裂變反應(yīng)235U + n 144Ba + 89Kr + 2n + 200 MeV钚的產(chǎn)生和钚核裂變反應(yīng)238U + n 239Np + 239Np 239Pu + 239Pu + n mX + mY + 2n + E鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和臨界體積易裂變核吸收一個(gè)慢中子后發(fā)生裂變，裂變產(chǎn)生的中子又引起易裂變核產(chǎn)生新的裂變。這樣一個(gè)使裂變反應(yīng)持續(xù)下去的反應(yīng)過程稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。純粹的235U體系中，若體積很小時(shí)，裂變中子大部分會(huì)逸出體系外，不能實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；若體積很大，大部分中子能再引起裂變，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會(huì)進(jìn)行得十分劇烈。 剛好能實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的體積

36、稱為臨界體積。純 235U的臨界體積為半徑為2.4cm的球體。臨界質(zhì)量約為1kg。高能物理研究發(fā)現(xiàn)，核子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原子核結(jié)構(gòu)是一個(gè)比原子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的研究領(lǐng)域，目前，已有的關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)，原子核反應(yīng)和衰變的理論都是模型理論，其中一部分相當(dāng)成功地反映了原子核的客觀規(guī)律。 一公斤鈾裂變時(shí)所釋放的能量，相當(dāng)于約兩萬噸TNT炸藥爆炸時(shí)所釋放的能量，一公斤重氫原子核聚變所釋放的能量還要大幾倍。輕原子核聚變?yōu)檩^重的原子核并釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。如果能使重氫的聚變反應(yīng)有控制地進(jìn)行，那么能源問題就將得到較徹底的解決。由于放射性同位素所放出的射線能產(chǎn)生各種物理

37、效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)，因此放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用。 1kg的TNT炸藥爆炸時(shí)釋放的能量約為4200 kJ。等離子體物理學(xué)等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。宇宙間的大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。例如：太陽中心區(qū)的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。地球高空的電離層也處于等離子體狀態(tài)。19世紀(jì)以來對于氣體放電的研究、20世紀(jì)初以來對于高空電離層的研究，推動(dòng)了等離子體的研究工作。從20世紀(jì)50年代起，為了利用輕核聚變反應(yīng)解決能源問題，促使等離子體物理學(xué)研究蓬勃發(fā)展。 等離子體內(nèi)部存在著很多種運(yùn)動(dòng)形式，并且相互轉(zhuǎn)化著，高

38、溫等離子體還有多種不穩(wěn)定性，因此等離子體研究是十非常復(fù)雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數(shù)學(xué)方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準(zhǔn)確預(yù)言等離子體的性質(zhì)和行為。 粒子物理學(xué)目前對所能探測到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)最深層次的研究稱為粒子物理學(xué)，又稱為高能物理學(xué)。在20世紀(jì)20年代末，人們曾經(jīng)認(rèn)為電子和質(zhì)子是基本粒子，后來又發(fā)現(xiàn)了中子。在宇宙射線研究和后來利用高能加速器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中，又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不同種類的粒子。這些粒子的性質(zhì)很有規(guī)律性，所以現(xiàn)在將基本兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。 研究這些粒子，發(fā)現(xiàn)它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質(zhì)完全相同，而另一部分性質(zhì)完全相反。另一個(gè)

39、重要發(fā)現(xiàn)是，所有粒子在一定條件下都能產(chǎn)生和消滅。例如：高能光子在原子核的電場中能轉(zhuǎn)化為電子和正電子，電子和正電子相遇，就會(huì)同時(shí)湮沒而轉(zhuǎn)化為兩個(gè)或三個(gè)光子。 在實(shí)驗(yàn)上把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子分為兩大類。一類是不參與強(qiáng)相互作用的離子，統(tǒng)稱為輕子。另一類是參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中絕大部分是強(qiáng)子。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)子也具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。強(qiáng)子內(nèi)部帶點(diǎn)電荷的東西在外國稱為夸克，中國的部分物理學(xué)家稱之為層子。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為：即使層子也不是物質(zhì)的始元，也只不過是物質(zhì)結(jié)構(gòu)無窮層次中的一個(gè)層次而已。 雖然層子在強(qiáng)子內(nèi)部可以相當(dāng)自由地運(yùn)動(dòng)，但即使用目前加速器所能產(chǎn)生的能量最高的粒子束轟擊強(qiáng)子，也沒有能將層

40、子打出來，使它們成為處于自由狀態(tài)的層子。將層子囚禁在強(qiáng)子內(nèi)部是強(qiáng)相互作用所獨(dú)有的性質(zhì)，這種性質(zhì)稱為“囚禁”。 弱相互作用也有其獨(dú)特的性質(zhì)。它的基本規(guī)律對于左和右，正、反粒子，過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預(yù)言，不久在實(shí)驗(yàn)上為吳健雄所證實(shí)的宇稱在弱相互作用中的不守恒。 在量子場論中，各種粒子均用相應(yīng)的量子場來反映。空間、時(shí)間中每一點(diǎn)的量子場均以算符來表示，稱為場算符。這些場算符滿足一定的微分方程和對應(yīng)關(guān)系或反對應(yīng)關(guān)系。量子場的確既能反映披粒二象性，又能反映粒子的產(chǎn)生和消滅，還能自然地反映正、反粒子配成對的現(xiàn)象。 對稱性在物理學(xué)中占有很重要的地位?？梢宰C

41、明，假使物理基本規(guī)律具有某種對稱性，與之相應(yīng)就有某種守恒定律。例如：假使物理基本規(guī)律在任何時(shí)間都一樣，與之相應(yīng)就有能量守恒定律：假使物理基本規(guī)律對于相變換具有不變性，與之相應(yīng)就有電荷守恒定律。 假使物理規(guī)律的某種對稱性是定域的，那么與之相應(yīng)一定存在某種基本相互作用。目前已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格檢驗(yàn)的廣義相對論、量子電動(dòng)力學(xué)和電弱統(tǒng)一理論都來源于定域?qū)ΨQ性。也就是說：萬有引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都來源于定域?qū)ΨQ性。 物理學(xué)同其他自然科學(xué)和技術(shù)之間的關(guān)系物質(zhì)的各種存在形式和運(yùn)動(dòng)形式之間普遍存在著聯(lián)系。隨著學(xué)科的發(fā)展，這種聯(lián)系逐步顯示出來。物理學(xué)也和其他學(xué)科相互滲透，產(chǎn)生一系列交叉學(xué)科，如：化

42、學(xué)物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理、天體物理等等。 數(shù)學(xué)對物理學(xué)的發(fā)展起了重要的作用，反過來物理學(xué)也促進(jìn)數(shù)學(xué)的發(fā)展。在物理學(xué)的基礎(chǔ)性研究過程中，形成和發(fā)展出來的基本概念、基本理論、基本實(shí)施手段和精密的測試方法，已成為其他許多學(xué)科的重要組成部分，并產(chǎn)生了良好的效果。這對于天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)都是如此。 物理學(xué)研究的重大突破導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)的飛躍已經(jīng)是歷史事實(shí)。反過來，發(fā)展技術(shù)和生產(chǎn)力的要求，也有力地推動(dòng)物理學(xué)研究的發(fā)展，固體物理、原子核物理、等離子體物理、激光研究、現(xiàn)代宇宙學(xué)等之所以迅速發(fā)展，是和技術(shù)及生產(chǎn)力發(fā)展的要求分不開的。 目前在物理學(xué)前沿進(jìn)行研究工作，必須使

43、用尖端技術(shù)，否則就無法使實(shí)驗(yàn)研究工作達(dá)到一定的深度，也很難開辟新的研究領(lǐng)域。因此理論和實(shí)踐，基礎(chǔ)理論和尖端技術(shù)的關(guān)系將日益密切、互相促進(jìn)，并一日千里地向前推進(jìn)。2、專題一 車輛的運(yùn)動(dòng)問題A、壓強(qiáng)問題車輛行駛在地面,受到重力P作用車輛通過輪子或履帶對地面有壓力F地面對輪子或履帶有支持力F因車輛可靜止于地面根據(jù)牛頓第二定律： 通常情況下： 故： 壓力F和支持力F互為作用力與反作用力根據(jù)牛頓第三定律:壓強(qiáng)的概念式中：F為車輛對地面的壓力 S為壓力對地面的作用面積在實(shí)際計(jì)算中，S為輪胎或履帶接觸地面的面積由于： F = P故： 壓強(qiáng)的單位：kgf/cm2 kPa( kN/m2) 坦克履帶對地面的壓強(qiáng)w

44、履帶接地面積：S=2wl二戰(zhàn)初期的坦克對地面的壓強(qiáng)德國：三號(hào)坦克（Panzer III)重量：2180022700kg履帶接地長度：l=286cm履帶寬度：w=25.1cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=1.5181.581 kgf/cm2=148.76154.93 kPa蘇聯(lián)：T-34型坦克（1940年1945年）重量：26300kg32000kg履帶接地長度：l=368cm385cm履帶寬度：w=40cm50cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=0.8930.831 kgf/cm2=87.5181.44 kPa蘇聯(lián)：KV-1型坦克重量：43500k

45、g履帶接地長度：l=448cm履帶寬度：w=65cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=0.747 kgf/cm2 =73.21 kPa從以上計(jì)算可以看出：在蘇德戰(zhàn)爭（俄羅斯稱為衛(wèi)國戰(zhàn)爭）初期，德軍坦克比蘇軍坦克輕得多。但由于德軍坦克履帶寬度較小，所以德軍坦克對地面的壓強(qiáng)卻更大?，F(xiàn)代坦克對地面的壓強(qiáng)在戰(zhàn)爭中，坦克設(shè)計(jì)者逐漸意識(shí)到火力、防護(hù)、機(jī)動(dòng)的重要性和三者的均衡。坦克機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)的組成部分就是履帶和對地面的壓強(qiáng)。戰(zhàn)后各國根據(jù)自己國家的國情，設(shè)計(jì)了不同類型的坦克。德國：豹II型坦克重量：55000kg履帶接地長度：l=494.5cm履帶寬度：w=63.5cm計(jì)算履帶接觸地面的面

46、積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=0.8758 kgf/cm2=85.83 kPa蘇聯(lián)：T-72型坦克重量：41000kg履帶接地長度：l=413cm履帶寬度：w=58cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=0.8558 kgf/cm2=83.87 kPa美國：M-1型坦克重量：54500kg履帶接地長度：l=440cm履帶寬度：w=63.5cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)p=P/S=0.9753 kgf/cm2=95.58 kPa以色列：梅卡瓦型坦克重量：60000kg履帶接地長度：l=465cm履帶寬度：w=64cm計(jì)算履帶接觸地面的面積SS=2wl計(jì)算壓強(qiáng)

47、p=P/S=1.008 kgf/cm2=98.78 kPa討論：現(xiàn)代輕型坦克的壓強(qiáng)w 現(xiàn)代輕型坦克主要用于兩棲作戰(zhàn)、空降作戰(zhàn)w 由于作戰(zhàn)用途的不同，現(xiàn)代輕型坦克的質(zhì)量在20噸以下，以便于江河海灘浮渡和機(jī)載運(yùn)輸。w 曾經(jīng)廣泛使用的現(xiàn)代輕型坦克主要有：w 蘇聯(lián)：PT76式兩棲坦克w 美國：M551式空降坦克w 中國：63式兩棲坦克1）PT76式坦克重量：14000 kg 履帶接地長度：l = 408 cm 履帶寬度：w = 36 cmw 計(jì)算履帶接觸地面的面積SS = 2wlw 計(jì)算壓強(qiáng)p = P/S= 0.4766 kgf/cm2= 46.70 kPa2）M551式坦克重量：15830 kg 履

48、帶接地長度：l = 366 cm 履帶寬度：w = 44.4 cmw 計(jì)算履帶接觸地面的面積SS = 2wlw 計(jì)算壓強(qiáng)p = P/S = 0.4732 kgf/cm2 = 46.38 kPa3）63式坦克重量：18400 kg 履帶接地長度：l = 444 cm 履帶寬度：w = 36 cmw 計(jì)算履帶接觸地面的面積SS = 2wlw 計(jì)算壓強(qiáng)p = P/S= 0.5756 kgf/cm2= 56.41 kPaB、輪式車輛的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)一點(diǎn)補(bǔ)充物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的描述 質(zhì)心的平動(dòng)+繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)心平動(dòng)的描述和規(guī)律 位置：xc(t) yc(t) zc(t) 速度：vcx(t) vcy(t) vcy(t

49、) 加速度： acx(t) acy(t) acz(t) 牛頓第二定律： Fcx = macx Fcy = macy Fcz = macz 繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)的描述 繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)+軸的運(yùn)動(dòng)角位置：繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(t) 軸的運(yùn)動(dòng) (t) 進(jìn)動(dòng) (t) 章動(dòng) 若軸的方向不變，則無進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)，稱為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。引起轉(zhuǎn)動(dòng)的物理作用：力矩 Mc = F l 其中 l 為力臂力矩的計(jì)算1）若： F 與 l 垂直，則： M = F l 2）若： F 與 l 成夾角， 則： M = F l sin = Fn l = F h 轉(zhuǎn)動(dòng)定律：MC = JCw 若： 角加速度=0 則： MC = 0 杠桿原理即：使物體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩等

50、于使物體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩 下圖是前輪驅(qū)動(dòng)力學(xué)定律：牛頓第二定律：F = ma轉(zhuǎn)動(dòng)定律： MC = JC若： =0 則： MC = 0具體分析前輪驅(qū)動(dòng)汽車的受力關(guān)系：F f = maN1+N2=PF h f h+N2 l2 N1 l1=0聯(lián)立方程，可解出N1和N2N1 = (Pl2+mah) / (l1+l2) N2 = (Pl1-mah) / (l1+l2)很明顯： N1>N2若是后輪驅(qū)動(dòng)， N1和N2的計(jì)算結(jié)果又是如何呢？參考教材中第3637頁。 經(jīng)過分析計(jì)算可知：后輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的N1和N2的計(jì)算結(jié)果與前輪驅(qū)動(dòng)的情況是相同的。摩擦力：f =N式中： 為摩擦系數(shù) 當(dāng)輪胎與地面出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)， 為

51、滑動(dòng)摩擦系數(shù) 當(dāng)輪胎與地面即將出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，=s為最大靜摩擦系數(shù) 當(dāng)汽車行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力就是摩擦力，則：F =N若是前輪驅(qū)動(dòng)： F 2=N2若是后輪驅(qū)動(dòng)： F 1=N1由于： N1 = (Pl2+mah) / (l1+l2)N2 = (Pl1-mah) / (l1+l2)若：l1l2則： F 1 > F 2 故：在通常的重心設(shè)計(jì)情況下，后輪驅(qū)動(dòng)更好些。 當(dāng)然，采用前輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以使：l1 > l2這樣，就可使： N2 > N1 從而： F2 > F1 通?？刹捎冒l(fā)動(dòng)機(jī)前置的辦法，使車的重心前移來做到這一點(diǎn)。學(xué)習(xí)資料三制動(dòng)問題經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：制動(dòng)時(shí)的N1和N2的計(jì)算結(jié)果與驅(qū)動(dòng)時(shí)的公式是相同的。 但此時(shí)，在公式中：a < 0由于： N1 = (Pl2+mah) / (l1+l2) N2 = (Pl1-mah) / (l1+l2)當(dāng)： Pl2+mah = 0 時(shí)即當(dāng)：|a| = Pl2 / mh = gl2 / h 時(shí) N1 = 0此時(shí)，后輪離地騰空，有翻車危險(xiǎn)。設(shè)：l 2.5m l2 1.2m h 0.7m則： |a| 1.7g由于：在制動(dòng)時(shí)，-F-f = ma而：