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文科物理Powerpoint 讲稿绪 论 文科学生为什么要学物理？ 文科物理与一般理工科物理有什么不同？ 文科物理怎么开设？有什么特色？ 对学习本课程的要求。物理学简史及著名物理学家的介绍 物理学作为一门系统的、定量的学科进行研究，是从十七世纪开始的。 伽俐略创造了实验、物理思维和数学演绎三者巧妙结合的科学方法，“是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。” 伽利略(Galileo Galilei)(1564-1642) 意大利人 经典力学和实验物理学的奠基者。 进行斜面加速运动实验研究； 发现惯性定律，合力定理，摆振动的等时性规律； 确定力学相对性原理； 利用望远镜观察天体取得大量成果； 因维护和发展哥白尼的“日心说”遭教会残酷迫害； 完成“关于力学和局部运动两种新新学的对话和数学证据”著作。 牛顿（Isaac Newton）(1642-1727) 英国人 1687年完成“自然哲学的数学原理”，创立了经典力学体系，建立了牛顿的绝对时空观； 提出万有引力定律； 创制反射望远镜，观察、解释行星的运动、潮汐现象等； 由光的色散实验发现白光是由不同波长（不同颜色）的光组成； 与数学家莱布尼兹一起。创立微积分学。 是伟大的物理学家、数学家和天文学家 。法拉第(Michael Faraday)(1791-1867) 英国人 提出电场和磁场的概念，引入电磁力线概念，发现磁致旋光效应； 发现电磁感应定律，制造第一台感应发电机，发明了电量计； 发现法拉弟电解定律； 著有“化学操作法”、“电的实验研究”、“化学与物理实验研究”等著作； 是伟大的实验物理学家、化学家。 麦克斯韦(James Clerk Maxwell)(1831-1879) 英国人 建立电磁场场理论，预言电磁波的存在，揭示光的本性是电磁波； 建立了气体分子运动的速率分布统计规律（麦克斯韦速率分布律）；创立麦克斯韦玻尔兹曼统计力学； 创立著名的卡文迪许实验室； 著有“电学与磁学论”、“热的理论”、“物质与运动”等著作。 普朗克(Max Planck)(1858-1947) 德国人 提出普朗克量子假说，引进表征微观现象量子特征的物理常数h(普朗克常数)； 建立黑体辐射的能量按波长分布的公式，即普朗克公式； 是第一批承认并捍卫爱因斯坦相对论的物理学家之一； 著有“相对性原理与基本力学方程”、“热辐射理论”、“热力学讲义”等著作。 爱因斯坦（Albert Einstein）（1879-1955）美国人 1905年发表“关于光的产生和转化的一个试探性观点”论文，提出光量子理论和光电效应方程； 1905年发表“论运动物体的电动力学”论文，创立狭义相对论，其质能关系式成为释放原子核能量的钥匙； 1907年应用普朗克的量子假说于固体比热，建立比热理论； 1916年，发表“广义相对论原理”论文，提出广义相对性原理和等效原理。 1916年发表“辐射的量子理论”，为激光的产生奠定了理论基础； 后半生致力于“统一场论”的研究。玻尔(Niuls Bohr)(1885-1962) 丹麦人 哥本哈根学派的创始人。 建立定态跃迁原子模型，圆满解释氢原子和类氢原子光谱的波长分布规律； 提出“对应原理”，建立经典量子理论； 建立原子核的液滴模型和原子核的分裂理论。 薛定谔 建立了微观粒子的波函数所满足的方程量子力学方程 。海森堡 提出了著名的“不确定原理”：若同时测量一个粒子的位置和动量的不确定量为x和Px，则x.Pxh/4。 创立了矩阵量子力学 与泡利一起建立了量子场论的普遍形式，由此得以同一标准来处理光和电子。狄拉克 提出电子的相对论方程狄拉克方程，建立了相对论性量子力学，解释了电子自旋的存在，予言了反粒子正电子的存在，及正、负电子的湮没。 （左图中的左位为狄拉克，右为海森堡）第一章 物质世界的基本图象1-1物质世界的层次和数量级 1.1.1科学记数法 1.1.2 空间尺度 1.1.3 时间尺度 1.1.4 温度 1.1.5 质量 科学记数法 把一个物理量的数值写成一个小于的数字乘以10的幂次，用10的正幂次代表大数，用10的负幂次代表小数。这种记数方法叫科学记数法 。 在科学记数法中幂指数相差1，即代表数目大10倍或小10倍，这叫做一个“数量级” 。表 国际单位制所用的词冠数量级英文名缩写符号中译名数量级英文名缩写符号中译名分厘毫微纳诺皮可飞母托阿托仄普托幼克托十百千兆吉咖太拉拍它艾克萨泽塔尤塔 物质世界的空间尺度 人类选择了与自身大小相适应的“米”作为长度的基本单位 。 最大的尺度是宇宙，大约为 米（约150亿光年）；最小的尺度是夸克，大约 米，空间的尺度跨越了44个数量级。 原子的大小约为 ，原子核的大小约为。表 物质世界的空间尺度长度m长度m电子和夸克质子的半径（强作用力程）电子的康普顿波长原子的半径病毒的半径，可见光波长巨型阿米巴的半径昆虫的长度人体的高度红杉树高度珠穆朗玛峰的高度地球的半径地球到月球的距离太阳的半径地球轨道的半径（）太阳系的半径到最近恒星的距离银河系的半径星系团的半径超星系团的半径可探测类星体的最远距离空间尺度与物理学体系物理学按照空间的尺度把物质世界分为“宇观体系”、“宏观体系”和“微观体系”。 从大尺度探索宇宙的奥秘，相应的物理学是“天体物理学”。将大小在人体尺度上下几个数量级范围之内的客体叫做“宏观体系”。在物理上把原子尺度和小于原子尺度的客体叫做“微观体系”，从小尺度探索物质的组成，相应的物理学是“粒子物理学”。宏观尺度比微观尺度大了七、八个数量级，按体积算，则要大，即宏观系统中包含了非常多的微观系统。微观系统与宏观系统最重要的区别，是它们服从的物理规律不同。图1-1-1 空间尺度与物理学体系 物质世界的时间尺度 时间表征物质运动的持续性，最长的时间是宇宙的年龄，约 秒即150亿年）；最小的时间间隔是硬射线的周期，约秒。 . 太阳的年龄约50亿年，地球的年龄与约46亿年，人的寿命约100年。表 物质世界的时间尺度时间间隔s时间间隔 s和粒子的寿命超子的寿命介子的寿命可见光辐射的周期超子的寿命介子的寿命子的寿命最高可听见声音的周期钟摆的周期自由中子的寿命地球自转的周期（天）地球公转的周期（年）人类文明史古人类出现至今恐龙灭绝至今地球的年龄宇宙的年龄质子的寿命. 1967年第13届国际计量大会决定采用铯原子钟作为新的时间计量基准,铯原子钟测量准确度达秒。 温 度 大 观图1-1-2 温度大观 温度在宏观上反映了物体的冷热程度，在微观上反映了组成物体的分子的无规则运动的剧烈程度。 100多亿年前宇宙在大爆炸中诞生时，它的温度在以上。随着宇宙膨胀，它急剧地冷却，今天宇宙的温度已冷却到2.74K（微波背景辐射的温度）。 太阳中心温度是，是热核聚变所需的起码温度。太阳表面的温度是6000K，地球表面的平均温度为摄氏15度，即288K左右。 当代科学实验室里能产生的最高温度是，最低温度是，跨越了16个数量级。 作为生命之源的液态水， 只存在273-373K的狭窄温区内。人类生活环境的温度在300K上下几十度。若由于大气中的含量增加而产生的温室效应使平均气温升高的话，海平面将上涨米，可造成农业减产，将使十亿人背井离乡。在地球发展史上多次出现了冰河期，平均温度仅降至左右，就使大批物种灭绝。我们生存的家园地球生物圈，在温度变化面前是何等的脆弱！质 量 质量是物体惯性大小的量度。在下表给出在静止时部分物质质量的数量级。狭义相对论揭示了质量与速度、能量的关系。 现代科学中的物质的量是指以mol为单位表示的粒子数，1mol 的粒子数其测量值为阿伏加德罗常数。用mol 数来描写是抛开了一切具体的物质属性而只反映其粒子数目。所以，以mol 为单位的质量与以kg为单位的物质的量是两个不同的概念。表 物质质量的数量级。质量kg质量kg电子质子氨基酸分子血红蛋白分子流感病毒烟草花叶病毒区型阿米巴雨滴蚂蚁人体土星5号火箭金字塔海洋中的水月球地球太阳银河系宇宙（现在知道的）1-2 物质存在的基本形式1.2.1 基本相互作用 1.2.2 物质存在的基本形式 1.2.3 物质存在的状态 四种基本相互作用 世纪物理学的重大成就之一是：物质世界千变万化的现象是通过四种基本相互作用而产生的。 引力相互作用是已知的相互作用中最弱的一种，在粒子现象中它可以忽略不计，但在宇宙的构造和演化过程中它起了主要的作用。 日常提到的力如弹性力、摩擦力、流体阻力、拉力、支撑力、气体压力等其本质是电磁相互作用。 强相互作用使原子核牢固地保持为一个整体，仅存在于质子、中子、介子等强子之间。弱相互作用仅存在于核子的反应过程中。 在宏观物体间只能观测到长程的电磁相互作用和引力相互作用。 基本粒子间四种基本相互作用类型媒介粒子强度作用距离强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力相互作用胶子粒子中间玻色子引力子短（米）长短（米）长年，美国的温伯格（S.Weinberg，）和巴基斯坦的萨拉姆（A.salam，）在美国科学家格拉肖（S.L.Glashow，）理论的基础上，先后提出了电磁相互作用和弱相互作用统一的规范理论，并为随后一系列实验所证实。他们也因此获得了1979年诺贝尔物理学奖。电磁相互作用和弱相互作用是一种基本相互作用电弱相互作用（electro-weak interaction）的两种表现形式。物质存在的基本形式 物质存在有两种基本形式：场和粒子。场与微粒一样具有能量和动量，也具有不连续的微观结构。量子场论明确指出：物质存在的两种基本形式中，场是更基本的。 与每种粒子相对应存在一种场，场具有可入性，充满全空间，不同粒子的场在空间中互相重叠地充满全空间，如，与光子相对应存在电磁场、与电子相对应存在电子场等，它们同时存在于全空间。 场具有不同的能量状态，能量最低态称为基态。当一种场处于基态时，这种场就不会通过状态的变化释放能量而输出信号，从而不会显现出直接的物理效应，这时表现为看不到对应粒子的存在。 当所有的场都处于基态时，任何一个场都不可能给出信号显现出粒子，这时就是物理上的“真空”。真空态时，全空间仍充满各种场，只是所有的场都处于能量基态而不可能表现出任何释放能量的物理效应。 当场处于激发态时，表现为出现相应的粒子（产生一种粒子），如：光子是电磁场的激发态。 物 质 组 成 的 层 次物质的组成结构在尺度上和能量上呈现不同的层次。 图1-2-1 物质组成的层次基 本 粒 子 不同的粒子参与不同的相互作用，按它们参与的主要相互作用，可将基本粒子分为三类。 第一类是传递力的粒子。按照量子场论，基本相互作用是通过在相互作用着的粒子之间交换某种粒子来传递的，如光子传递电磁相互作用。 第二类是轻子，如电子、 子、中微子等。轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响，其中中微子只参与弱相互作用，带电的轻子还参与电磁相互作用。轻子必定以粒子反粒子对的形式产生和湮灭，总的轻子数（轻子的数目减去反轻子的数目）在一切过程中是保持不变。表 已知六种轻子的成对排列代粒子电荷质量（MeV/）1电子（e）电子中微子（）2子（）中微子（）3子（）中微子（） 第三类基本粒子是强子。一切参与强相互作用的粒子统称强子，如质子、中子 等。强子间的主要作用是强相互作用，也参与弱相互作用，带电的或中性带磁矩的还参与电磁相互作用。 强子还有内部结构，实验证实它是由称为“夸克”（“层子”）的更基本的（简单的）粒子所构成，夸克已发现有6种。表 夸克的最基本的特性夸克特性udscbt质量（MeV/）约4约7约150约约约电荷Q自旋J物质存在的状态 在自然界中常见的的物质存在形态是：固态、液态、气态，等离子态等。 在天体中还有超固态、超密态。当恒星演化到后期，原子塌缩到原子核的线度，形成了致密天体，天文学上叫“白矮星”。这种物质的密度远远超过了固态物质的密度，故叫超固态。中子星是一种超密态。当质量大于太阳质量的恒星演化到后期，热核反应已经停止，能源接近枯竭，将发生猛烈爆炸。因为恒星猛烈爆炸后的急剧收缩，使恒星内部产生了极大的挤压力，把原子外层的电子“挤到”原子核里去了，整个星体就变成了中子星。这种中子态脉冲星，具有很强的磁场。 场也是一种物质存在的形态。 能通过光和电信号探测并认识的物质称为“明物质”。宇宙中存在着大量的不发光的或发极微弱的光物质，称其为“暗物质”。 “明物质”在银河系和宇宙中仅占10%，占90%的物质状态是暗物质。 到底暗物质情况如何？尚有待实验检验。 1-3 物理常数表 年基本常数推荐值物理量符号数值真空中光速真空中磁导率真空电容率(介电常数)万有引力常量普朗克常量元电荷磁通量子玻尔磁子核磁子里德伯常量玻尔半径电子质量电子磁矩质子质量质子磁矩中子质量中子磁矩氚核质量子的质量电子荷质比阿伏伽德罗常量摩尔气体常量玻耳兹曼常量斯特藩常量法拉第常数原子质量单位能量转换因子物理学的两个前沿粒子物理与天体物理粒子物理学是探索物质组成的基本学科，又叫高能物理。人们常通过高能物理实验的手段取得实验数据，再验证理论。年汤姆逊发现电子。1911年卢瑟福用“散射实验”证实原子是由原子和原子核组成。1932年又确定原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成，同年还发现了正电子。之后，人们制造了高能量的加速器来加速电子或质子，用它们作炮弹轰开了中子、质子等，以期了解其内部结构，在剧烈的碰撞过程中产生了许多粒子。现在已经发现的粒子有400多种，绝大部分都是不稳定的，不能在自然界中长期存在，只能在高能质子或电子与原子核碰撞或者互相对撞的过程中产生。早期的加速器都是加速粒子去打固定靶，这种碰撞方式的有效能量比入射粒子的能量要小得多，在高能量的情况下更是如此，因为大部分的能量都耗费在质心运动上了。后来就发展了对撞机，即使两束能量相同的粒子相对进行碰撞，由于这时质心的速度为零，因而粒子的全部能量都能有效地被利用。从20世纪30年代发明加速器以来，加速器的能量提高很快，大约每十年增加一个数量级，30年代为量级，90年代则达到了量级。目前正在建造的能量最高的加速器是欧洲核研究中心的大型强子对撞机（LHC），两束质子的最大能量各为，对撞机能量为。目前研究粒子性质的加速器最大能量只达到（）量级，离物理学的大统一时代，即物理学的绿洲所需的能量量级差个量级。当加速器达到这样的能量水平后，展现在我们面前的将是宇宙的起始状态。几乎每一种粒子都有它的反粒子，正、反粒子的存在反映了物质世界的一种基本对称性正反粒子对称性。既然有反粒子，就有反物质存在。1961年用的质子打铍靶发现了反氘核，后来发现了、，正电子绕着这些反核运动就可能形成反原子、反物质。1996年1月，西欧核研究中心（CERN）用反质子和正电子合成了反氢原子。根据现在的认识，粒子和反粒子、物质和反物质在强作用和电磁相互作用中是对称的，即遵守相同的物理规律。我们生活的物质世界是正物质为主，天体中可能存在反物质的世界，1998年6月升空进行实验的阿尔法磁谱仪，主要就是用来探索太空中的反粒子和反物质。描述粒子特征的常用基本物理量有：质量（静止质量）、电荷（为的整倍数）、自旋、寿命。实验证明，在粒子产生和湮灭的各种反应过程中，有一些物理量是保持不变的，如：能量、动量、角动量、电荷、轻子数、重子数等。宇宙包括一切天体所占据的空间，包括一切以各种形式现在的物质。引力相互作用是最弱的，但在大尺度的天体、天体物理、宇宙学中，引力占主导地位，其作用无可匹敌。研究宇宙学必须用相对论的引力理论。1948年伽莫夫在相对论引力理论基础上提出大爆炸宇宙模型，一直到1965年彭齐亚斯和威尔逊发现背景辐射，大爆炸宇宙模型才被人们接受，成为最成功的宇宙模型。量子力学可帮助人类认识宇宙由“无”中生有所经历的演化过程；以及介绍以量子论和广义相对论为支撑、以当代天文学观测研究为基础的大爆炸理论，即常称之“宇宙大爆炸标准模型”。按照理论设想，宇宙起源于一百数十亿年前的一次大爆炸，宇宙诞生前是处于空无一物的物理真空，各种相互作用统一在一起。依照量子论，“无”的真空状态中仍然有扰动存在，正是这种“无”中的扰动，使宇宙诞生了，并产生了大量的粒子。宇宙诞生后，到秒，发生了引力和其它相互作用的分离。到秒，发生了强力和其它相互作用的分离。到秒，又发生了弱力和电磁相互作用的分离，成为四种相互作用并存的世界。到秒，开始合成强子。到秒时，宇宙象一盆质子、中子、电子和光子等粒子组成的极密集的宇宙“汤”，其温度高达。在大爆炸中，每一个粒子都离开其它粒子快速飞奔，宇宙迅速膨胀，温度急剧下降。在大爆炸后约分钟，宇宙温度降到，这时中子和质子开始合成轻原子核，其中氢核约占，氮核约占。又过了几十万年，宇宙的温度降到，原子核开始与电子结合形成稳定的原子，从此一直被电子搅乱的光开始得以直线前进，这时就是宇宙的放晴。原子组成的气体由于引力作用而形成气团，当时由于宇宙中的物质密度分布不均匀，密度较高的部分因引力而收缩，在宇宙诞生后大约亿年之间就出现了原始星球和似星球等天体。大约在亿年前银河系诞生，距今约亿年前，我们的太阳系诞生了。广义相对论推测，现在的宇宙空间仍然保持着持续膨胀的状态。大爆炸模型能够统一地说明较多的观测事实。它们主要是：（1）大爆炸模型认为所有恒星都是在温度下降后产生的。因而任何天体的年龄都应该比其温度下降至现在这段时间为短，即小于亿年。各种天体的年龄测量证明了这点。（2）在本世纪最初的二十年里，斯里夫尔（）在劳威尔天文台曾仔细地研究过星系的光谱。发现光谱有有红移现象，就是整个光谱结构向光谱红色一端偏移的现象。观测结果还发现红移大体与距离成正比关系。这种现象用多普勒效应来解释，就是宇宙膨胀的反映。（3）观测表明，现今星体中主要物质还是氢和氦。不论是老年恒星、中年的象太阳这样的恒星或年轻多的恒星的氦丰度差不多都是一样。按质量算，氦占。用恒星核反应机制是不足以说明的，而大爆炸理论认为，氦元素基本上是大爆炸后几分钟宇宙温度在时由质子的聚变形成的。但这一炽热状态时间不长，由此可算出这种反应产生的氢和氦的丰度的质量比红为比。这一比值半小时后就被一直保持下来了。今天实测的氦丰度和这一理论的预言相符。是大爆炸模型令人信服的证据之一。（4）年彭齐亚斯（）和威尔逊（）在贝尔实验室用他们新制成的非常灵敏的微波天线和卫星进行通讯联络时，发现无论天线指向何方，总会接收到微波段的噪声。他们公布了这一发现后，普林斯顿的科学家们马上就意识到了这一发现可能就是大爆炸的遗迹而称为“宇宙背景辐射”。接着其他人也作了类似的测量，并测出了不同波长噪声的强度。这一强度分布正好和绝对黑体的温度为时发射的辐射谱的强度相同。年伽莫夫在提出大爆炸理论时曾指出，由于早期物质和辐射达到热平衡，具有黑体谱。辐射和物质脱离耦合后，温度虽下降但其谱型仍为黑体，残存至今，仍应有宇宙背景辐射。实测结果和伽莫夫的预言的相符是大爆炸理论的又一个令人信服的证据。大爆炸理论是目前最成功的一种宇宙理论，不过在星系形成和各向同性的起源等方面，它还有一些尚待解决的难题。由此上所述知，可用温度计作计时器来描绘宇宙的演化图象，在表左箭头给出了用温度所示的宇宙演化时间表。若我们在表的右侧再往上画一个箭头，可以清晰地展示出粒子物理在研究宇宙演化中的重要作用。右箭头说明人类利用加速器把物质打开、探索物质组成的历程和目前达到的水平。想把这个箭头继续往上延伸，则有赖于科学技术的发展。这左右两个箭头说明了天体物理和粒子物理这两个物理学前沿理论从两个极端探索物质世界的奥秘，得到的结论是一致的。从而充分地体现了物理学的和谐、完美和对称。一位物理学家把物理学上的这种和谐、统一用一条龙清晰完美地展现出来，如图2-2-1所示。表宇宙演化时间表温度（）能量（）时间（）物理过程普郎克时代 粒子产生大统一时代 重子不对称性产生强子时代 大量强子产生轻子时代 轻子过程湮灭 中子自由衰变分钟核合成时代 等生成年复合时代-中性原子生成-太阳系形成年现在 人类进行科学实验第三章 引力相互作用3-1 万有引力定律 3.1.1万有引力定律 3.1.2 万有引力现象3-2 重力 3.2.1 重力 3.2.2 地球的质量3-3 宇宙速度 3.3.1 第一宇宙速度 3.3.2 第二宇宙速度 3.3.3 第三宇宙速度3-4 引力坍缩 3.4.1 引力建造了星系 3.4.2 不同大小的恒星在终结后的命运3-1 万有引力定律1、万有引力定律是怎么归纳出来的 ? 波兰天文学家哥白尼通过观察和分析，提出了“日心说” 。 开普勒定律：行星在大小不同的椭圆轨道上绕太阳运转，太阳位于轨道的焦点上；行星和太阳之间所连直线在相等的时间内扫过的面积相等；行星绕太阳一周的时间的平方，与它和太阳的平均距离的立方成正比。 由惠更斯提出匀速圆周运动的向心力，可得 。 牛顿对月球绕地球运行等现象的研究分析得出了万有引力定律。2、万有引力定律 每个物体都因具有质量而感受到引力，引力是万有的。 是平方反比径向力。 相距1米的两个1千克质量间的引力=0.000000000067牛。 引力具有两个特别的性质：它是长程力；它总是表现为吸引，具有叠加性。 在宇宙中万有引力扮演着主宰的角色。3、卡文迪许扭秤装置对万有引力常数G的测定 4、万有引力现象（1）海王星、冥王星的发现（2）潮汐现象 潮汐是海水的一种周期性的升降或涨落运动，海水的涨落平均以24小时50分为一个周期，在一个周期内一般发生两涨两落。 潮汐主要是月球对海水的引力造成的。 阴历的每月初一和十五(新月和满月)时，太阳、月亮和地球在同一条直线上，太阳和月亮对海水的引力相互加强，将出现两次大潮；在初八、二十三日，两种引力相互抵消一些，将产生小潮。 5、重力 实际测得的重力是地球引力和惯性离心力的合力。 同一物体在地球表面的不同地点所称得的重力是稍有差异的。 由于地球自转角速度很小，所以惯性离心力的影响微弱， 。 称地球的质量。 图：你的质量随离地心距离的变化 6、三种宇宙速度（1）第一宇宙速度 第一宇宙速度是人造地球卫星在地面附近的环绕速度。 由于空气阻力等因素的影响，发射人造卫星的实际速度总是大于第一宇宙速度。（2）第二宇宙速度 在地面上发射航天器，使之脱离地球引力范围所需的最小发射速度称为第二宇宙速度。第二宇宙速度对应于航天器逃离地球后速度为零的情况。 当气体分子的运动速度超过，它将脱离地球而逃之夭夭，又称为“逃逸速度”。 对任何星体也存在逃逸速度。星球的逃逸速度表中M表示该星球的质量，R为星球的半径 。Me表示地球的质量。（3）第三宇宙速度 航天器的轨道与发射速度 第三宇宙速度是从地面发射航天器，使其能够先脱离地球的引力场、再脱离太阳的引力场而飞入星际空间所需的、相对于地球的最小发射速度。 7、引力坍缩建造了星系（1）引力坍缩 遍布宇宙的物质主要是弥散的气体(以氢原子为主)。 宇宙中的物质由于引力吸引而聚集到一起的现象，叫做“引力坍缩”。 气体云团旋转，云团内偶然聚集得稠密的物质团块把周围的物质吸向自己，使团块的质量更大，增大了引力，使得它聚集更多的物质，这是一个自我加强的过程。 气团的中心继续自我拉着向里收缩，聚集的原子以越来越高的速率相互碰撞，使中心处的气体变热。随坍缩、变热，当中心达到百万度的高温，原子间相互猛烈的碰撞，以致它们的电子被剥掉，留下了由裸原子核和电子组成的气体，猛烈碰撞的原子核将可能粘在一起，核聚变发生，恒星诞生并点燃了自己。 气团外缘的物质旋转、冷却、凝结和聚集成团，形成行星。 哈勃望远镜拍回的照片:恒星的诞生区、银河系的中心星团、太阳上的热核反应（2）太阳正停留在稳定的中年期 太阳在大约50亿年前开始了核聚变，它就点燃了自己，并成为一个标准的自我维持的恒星。 核聚变产生大量的热，由热产生的压力使气体球不再进一步坍缩。向内拉的引力与炽热气体向外推的压力之间达到了平衡，太阳停止引力坍缩，进入稳定的中年期，至今已持续近50亿年了。 长时期稳定的阶段，使太阳系中的一个行星上面的原子有可能聚集成结构高度复杂的分子形式，最终演化成生命形式。 有人类特征的动物在地球上只存在了400万年，仅是太阳漫长历史的千分之一，5000年的人类文明史仅是一瞬间。（3）不同大小的恒星在终结后的命运 恒星的生命过程主要由它的质量大小确定。 一个星体的质量大小至少要有太阳质量的10，才能热到足够的程度以点燃核聚变反应，变成一颗恒星。 恒星都要经历类似于太阳现在状态的中年期，当它的氢燃料用尽时就进入最后阶段。 不同质量的恒星终结后的命运是不相同的。 不同大小的恒星在终结后的命运 把质量在三倍太阳质量以下的恒星称为太阳类恒星，将以白矮星结束它们的生命。 核反应走完历程，引力坍缩把原子挤压到确认不出其存在，直到在微观层级上留下的只是由裸原子核和无束缚的电子填塞得密密实实的一块固态东西。到此坍缩将因电子之间的所谓量子交换力的作用而永远停止。 太阳的全部质量将装在现体积的百万分之一的体积里！太阳物质将超常致密，每立方厘米中有许多吨物质。 这些致密的恒星因它们发白炽光和它们的大小被叫做“白矮星”，它们是坍缩的恒星的残骸。 这种类型的天体在1862年被发现 ，已知有200多颗。不同大小的恒星在终结后的命运 质量大约为三倍太阳质量的恒星将以超新星爆炸、中子星为终结。 坍缩把电子挤压得与原子核合并而不复存在。使每个原子核变成一堆中子的集合，整个恒星变成一个类似于由中子构成的巨型原子核的物体。这种物体叫做“中子星”。 中子星每一立方厘米中有几十亿吨物质。 中子星的超新星爆发形成的蟹状星云。 宇宙的定位器：中子星脉 冲 星不同大小的恒星在终结后的命运黑洞 质量为太阳质量30倍以上的恒星将以黑洞形式终结。 它的物质其原子和亚原子粒子被挤压得不复存在。 引力大得不可想象，连光也不能逃掉。 在黑洞的引力半径内与外界断绝了一切物质和信息的交流。 黑洞可能具有两个性质：带电；高速旋转。高速旋转的黑洞将带动附近的空间跟着转动。 第四章 电磁相互作用4 - 1 电相互作用4.1.1 电相互作用 4.1.2 电场 4.1.3 物质与电场摩擦生电人们最早知道的电相互作用 这种力是万有引力吗？ 这种力像万有引力能够超越一段距离起作用，随间隔加大而减弱。 但，这种力有排斥和吸引两种情况；这种力远远强于物体之间可能存在的万有引力；这种力的存在与大小决定于是否存在摩擦过程。 所以这种力不是万有引力。 这种力是电相互作用。电荷的性质(1) 电荷有两种。在自然界中发现有正、负两种电荷，同种电荷相斥，异种电荷相吸。电荷的性质(2) 电荷守恒。实验指出，对于一个孤立系统，不管发生什么变化，系统内的所有电荷的代数和保持不变；若两系统间有电荷交换，但一系统的电荷增加必来源于另一系统电荷的等量减少，这就是电荷守恒定律。如一个电子和一个正电子湮没为两个方向相反的光子。电荷的性质(3) 电荷的量子性。迄今为止的实验都表明：任何电荷都是电子电量的整倍数。 库仑定律的发现 库仑通过对万有引力定律的发现采用类比法，分析、归纳了用扭秤实验得到的静止点电荷间的作用力规律，于1785年公布了库仑定律。库仑定律的内容 两相距为r的点电荷q1和q2间存在静电相互作用力f，力f的方向沿两电荷的连线 ，其大小与r的平方成反比。库仑力和万有引力的比较 电相互作用力和万有引力一样，都是长程径向力，都遵守平方反比关系。 电力时而表现为吸引，时而表现为排斥，倾向于相互屏蔽和抵消；而引力总表现为吸引。 在天体中，由于星球的巨大质量，万有引力扮演着至关重要的作用。 在两个带电粒子间，静电作用力远远大于它们之间的万有引力，如以氢原子为例，在氢原子内质子与电子间的库仑力和万有引力之比为电 场 电荷间的电相互作用是通过电场实施作用的，电场通过对处于其中的其它电荷产生作用力来显示自己，故电力又称为电场力。 电荷在其周围空间将产生电场。相对观察者静止的电荷在其周围空间激发的电场，称为静电场。 时变的磁场也要产生电场，这种电场是涡旋场。 描述电场的基本物理量是电场强度E，它的物理意义是：在电场中某位置（场点）处单位正点电荷所受到的力。 电场可用电场线直观地描述。点电荷产生的电场的场强 由库仑定律可得点电荷产生的电场场强。 电场线如下图。电 场 线：电偶极子的电场线电 场 力：电荷在电场中要受力作用 电偶极子在电场中受力物质按电特性的分类 按物质的电结构特征可分为：导体、半导体、绝缘介质(电介质)。 金属导体里 存在有自由电子。 电介质分子可分为两大类：极性分子和非极性分子。导体的静电感应现象 在电场作用下，导体上出现电荷的重新分布的现象叫静电感应现象。 感应过程仅持续很短时间，就迅速达到新的静电平衡，称为“静电感应平衡”。 导体内的电场为零；导体表面的电场垂直于该表面。 电荷分布在导体表面。表面电荷密度与导体表面的尖锐程度有关。 金属导体对电场的屏蔽作用。 电介质 电介质分子可分为两大类：极性分子和非极性分子。 分子内正负电荷中心重合的分子是非极性分子，如氧气、二氧化碳等。 分子内正负电荷中心不重合的分子是极性分子，如水、氯化氢等。电介质的极化现象 非极性分子中的正、负电荷受到电场作用的力方向不同，使两种电荷的中心被分开一段微小距离，将发生位移极化。 极性分子发生的主要是取向极化。电介质的介电常数 介电常数是描述电介质介电特性的物理参量，若一电荷在真空中产生的电场的电场强度大小为E0，在均匀电介质中产生的电场E与E0的大小关系为电介质的介电常数 ,被称为相对介电常数。 部分电介质的相对介电常数电介质相对介电常数介电强度(V/mm)真空1-空气1.0005903水78-油4.512纸3.514玻璃5101025云母3.77.580200普通陶瓷5.76.8620电木7.61020聚乙烯2.350聚苯乙烯2.625二氧化钛10025氧化钽11.615钛酸钡1021043电容器 电容器通常是由两个导体（又称为极板）所组成的。 电容器可用来储存电荷，即储存电场能量。 电容器内填充电介质可提高储存电荷的能力和增强耐压能力。 常见的电容器有平行板电容器、圆柱形电容器等。4-2 磁相互作用4.2.1 磁相互作用 4.2.2 物质与磁场磁铁间的相互作用人们最早知道的磁作用 若把两根棒形磁铁彼此靠近，会发现两根磁铁棒的端部不是相互吸引、就是相互排斥 。磁铁棒的两端分别叫磁铁的北极（N）和南极（S）。 实验表明：相同的磁极相互推斥，不同的磁极相互吸引。这类同电荷间的作用：同性电荷相斥，异性电荷相吸。 作用在磁铁之间的力是否是电相互作用？ 磁铁棒两端不带电；磁铁对摩擦过的透明片或薄纸并没有作用力；磁棒的磁性是持久的，与摩擦没有关系；磁极总是成对出现 。 所以磁铁