物理学概论笔记.doc

文科物理学 翠柏怀瑜第一章物理学是自然科学的基础1.1 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科物理学是在人类探索自然的奥秘中形成的学科。物理学研究宇宙间物质存在的基本形式、物质的性质、物质的运动规律、物质之间如何相互作用、相互转化以及各种物质形态内部结构的基本规律。物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。 物理学上的每一次在探索未知的物质结构和运动基本规律的重大突破都带来物理学新领域、新方向的发展，以至新的分支学科、交叉学科和新技术学科的产生。物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导。1.2 物理学的发展和启示物理学的历史可以上溯到古希腊的自然哲学。事实上，在英文中的物理学“Physics”源于希腊文中的“”。意思是“自然”，从这可以看出，物理学在早期是广泛研究自然界的一切事物并对它们的演化、发展以及伴随它们发生的种种现象进行讨论。20 世纪近代物理学的发展显示：人类在探索自然奥秘的过程中，一个重要的方面是探索物质微观结构和物质运动的基本规律；另一个重要的基本问题是探索物质大范围结构和运动的基本规律；再一个重要的基本问题方面是探索宏观物质结构复杂系统运动的基本规律。这三个方面物理学的探索研究构成了近代物理的发展。物理学研究的最大对象是整个宇宙，宇宙学实际上是物理学的一个分支。在微观领域，物理学的重要分支是粒子物理学。粒子物理学的主要实验手段是加速器，但加速器能量的提高受到财力、物力和社会等因素的限制。粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得一些信息和证据来检验极高能量下的粒子理论。这样，物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支宇宙学和粒子物理学，竟然奇妙地衔接起来，成为密不可分的姐妹学科，就像一条大蛇咬住了自己的尾巴。1.3 物理学的分支学科20世纪初30年代： 原子和分子物理学 30年代后： 原子核物理学 50年代： 粒子物理学 50年代后： 半导体物理学1.4 自然科学和现代高、新技术的基础物理学是自然科学的基础。体现在：1其他自然科学，如化学、天文学、生物学等，都包含着物理过程和物理现象；2这些科学都把物理学创造的科学语言和基本概念作为自身语言、概念的最基本构件；3任何自然科学的理论都不能和物理学的定律相抵触。物理学与信息科学技术所谓信息，就是对客观事物的状态、特征及其变化的反映，也可以理解为一切有意义的信号，信息能够减少不确定性。现代信息科学建立的标志是1948年数学家山农发表的著名的通讯的数学理论。山农信息理论的基本思路是通过消除不确定性的大小来度量信息量的大小。处于理论核心地位的信息量公式正是在统计物理学中玻耳兹曼熵的启发下建立的，是对玻耳兹曼熵的推广，也成为息熵。物理学与社会科学 1999年3月在美国亚特兰大召开的第23届国际物理与应用物理联合会（IUPAP）通过的决议五的标题就是“物理学对社会的重要性”：“物理学研究物质、能量和它们的相互作用的学科是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家多是重要的”物理学与生命科学物理学对生物学的影响可以追溯到1718世纪用显微镜观察生物和对解剖青蛙时产生生物电现象的研究。20世纪50年代以来，随着物理学向生物学的渗透，一门新兴的交叉学科生物物理学诞生了第二章 两种文化的历史演变_人文文化与科学文化2.1 源远流长的中华文明一、五千年光辉历史的回眸夏商周断代工程地球上有史可考的古代文明发源地大体分布在两个区域，一是地中海附近的希腊、埃及和两河流域，一是在东方的中国和印度。夏商周断代工程向全世界展示了历史悠久而熠熠生辉的中华文明，也是在中国科学家集体大协作下奏出的科学精神、科学态度和科学方法的一曲凯歌。二、中国四大发明对世界文明做出伟大贡献造纸：蔡伦总结了当时尚处于雏形的造纸技术，用树皮、麻头、破布、旧渔网等原料造纸。印刷： 唐代时传到日本，公元12世纪传到埃及，14世纪传入欧洲，为欧洲科学的兴起及文艺复兴运动提供了重要的物质条件 。火药：顾名思义就是“着火的药”，它的起源与炼丹术有着密切的关系，是古代炼丹士在炼丹时无意中配制出来的，也有人推测，起源于一起炼丹中的意外事故。宋朝时已有火药配制的方法的记载，不久流入欧洲。诺贝尔是造炸药起家的，据说，他参考了中国古代火药的配方。 指南针：战国时期出现司南、勺形磁石，后发展为指南针、罗盘，并于12世纪末传入欧洲。罗盘是航海的重要工具。永乐三年（1405年）郑和七次下西洋，1492年哥伦布发现美洲大陆。 2.2 探讨中国科学在历史上逐渐落后的原因“李约瑟难题”制度问题：科举制度，闭关锁国 从文化视角看：我过传统文化讲究“实用”，缺乏科学探索，建立理论思维的动力。从科学方法看：满足表面现象，虽有演绎法的萌芽，但没有严格意义下的实验和归纳法。例如，只有“勾三股四弦五”，却没有a2+b2=c2。2.3 试论中国哲学与西方哲学的异同一、东西方哲学的不同“开局” 中国哲学萌芽于宗教思想，从一开始便有泛神论或无神论的特征。从多神论发展到泛神论，比一神论更接近无神论。在中国，不是神创造人，而是人创作神。我国知识分子历来是以无神论为自然观的基础，从文化视角研究宗教。印度和日本的哲学，与中国有同样特点，都不把神看作凌驾与世界之上的统治者。我国历史上是“政教分离”。西方哲学是以神超越人类为特征的。西方的宗教势力曾一度掌握国家政权。二、从易经到老庄和元气论我国哲学萌芽于殷周时代的宗教思想，一开始带有朴素辩正的特点。1973年，长沙马王堆汉墓出土了我国最早的哲学书周易。 “阴阳对立，物极必反” 三、西方哲学对近代科学所起的促进作用1古希腊哲学家的贡献在古希腊出现了许多哲学家及著名学派，他们的哲学思想在哲学史上都占有重要地位，对欧洲的哲学和科学发展的影响很大。以泰勒斯和赫拉克利特为代表的学派。后者在欧洲哲学史上第一次提出“统一物是由两个对立面组成的”原理。“对立统一”的哲学直接影响黑格尔辩证法的建立，成为马克思主义哲学的重要来源。“原子说”学派，德谟克利特的原子说在哲学史上意为重要。以苏格拉底、柏拉图和亚里士多德三代人为代表的学派，尤以后者著述最丰。他们关于运动、天文学方法论等思想对哲学发展很有影响。 2近代西方哲学史上也出现不少杰出人物：笛卡儿、培根、卢梭、康德、黑格尔等康德认为：必须对客体在两个层次上加以定义：一样东西首先是“自在之物”，或用多数表达为，它自己存在着，我们对它毫无知识。仅当我们感觉到它时，它才转化为现象。更明确地说，现象是“为我之物”，那才是我们已知的东西，它才有了表示，并据此形成了人们的知识。康德的“为我之物”思想十分正确和深刻，与老子的哲学不谋而合。 2.4 文艺复兴和科学革命 两种文化的分裂1科学与哲学的分裂 文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。随着一门门科学的分出，自然哲学主要地变为对认识论与方法论的研究，如由于培根和笛卡儿等哲学家的推动，分析归纳法和演绎法得到推广。哲学自身也以新的面貌对科学发展起积极推动作用。科学与哲学的分离是历史的必然。 2要全面、辨证地看待科学与哲学分离，它也有消极的一面：离开了哲学的科学，“只见树木不见森林”。离开了科学的哲学，由于缺乏“营养”，对社会和群众的影响日益衰微。3两种文化必须融合“这种分裂和对立，对整个社会来说，是一种很大的损失。”“消除现代文化中两种文化科学文化和人文文化之间的隔阂，而为加强这两方面的交流和联系，没有比大学更合适的场所了。” 4两种文化分裂导致严重后果 造成人与自然、人与社会、人与人之间的关系被严重扭曲和破坏，造成新的矛盾和冲突，严重影响科学与社会的可持续发展。不利于高素质人才的培养，使人迷失价值取向，出现有知识无文化的现象。科学技术的成果不是造福人类，而是给人类和社会带来严重危害。 2.5 可持续发展呼唤东西方文化的融合1东西方文化不同西方文化首先强在科学文化，西方科学文化不但主导着世界的科学文化，甚至也主导着西方人文文化。东方文化在科学文化上弱于西方，但是在人文文化方面并不弱于西方。在当今日益严重的全球性危机面前，一些西方学者正在把目光逐渐转向东方文化。中国古代哲学所提倡的“和而不同”、“天人合一”已被作为处理人与人和人与自然关系的思想原则。 2把两种文化融合，把人文精神贯穿于科学技术工作中去，对改革教育，培养全面和谐发展的新型人才，都是至关重要的，也可以说是一件决定人类今后命运的大事。 2.6 21世纪的科学需要文理相通一、原因1科学发展需要哲学指导，需要正确的科学思维和科学方法的指导。 2现代科学发展要求高素质创新人才，不仅是“专”，还需要“博”。“博”不只是指在“文”和“理”内部，而且要有广阔的视野，还要“文理相通”。 3一些世界著名的科学家都有高尚的人格和很高的文化修养（如在文学艺术或音乐上有相当高的造诣），这也是他们走上成功之路的重要条件。 一切科学揭示的存在和生存的最高境域都是诗意的存在。在诗意存在的境域中，一切存在的高级状态又都具有艺术的特征。科学家作为创作者也具有艺术家的诗意气质，从某种意义上说，他们都是表现宇宙真实存在的艺术家，而艺术家则是表现宇宙真实存在的科学家，因为他们按照美的科学规律探索和创造着世界，科学家和艺术家的存在状态是一种高级行为方式。作为存在者的存在显现，这种高级行为方式本身就构成了宇宙万物神性和诗意的艺术特性。因此，科学家和艺术家作为揭示宇宙和情感奥秘的探索者和创造者，前者的最高境界是以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道，后者的最高境界是以按宇宙之道表达人性的浪漫情怀，他们追寻的终极目标都指向了真、善、美的最高境域。 二、 物理学与人类文明的关系物理学是一门自然科学,它起始于伽利略和牛顿的年代,经过三个多世纪的发展,已经成为有众多分支的学科。在远到宇宙深处，近至迟尺之间，大到广袤苍穹，小到微观粒子的浩瀚而又精细的时空中，物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和运动规律，物理学还研究物质的内部结构，在不同层次上认识物质世界的各种组成部分及其相互作用以及它们的运动和转化规律，因此，物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。由于自然界并不自动地展现其背后的本质内在联系，所以物理学又极具洞察力和想象力的科学。在物理学研究中形成的基本概念和理论，基本实验方法和精密测试技术，已经越来越广泛应用于其它科学，进而极大地丰富了人类对物质世界的认识，极大地推动了科学技术的创新和革命，极大地促进了物质的生产与人类文明的进步。物理学的发展促进了技术的进步，引发了一次又一次的产业革命，现代物理学是成为高科技的基础。纳米科学技术是用单个原子分子制造物质的科学技术,纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成的.纳米粒子也叫超微粒子,尺寸在1100nm之间的粒子.纳米固体材料:通常指尺寸小于15纳米的超微粒子在高压力下制成型的.或再经一定热处理工序后所生成的致密型的固体材料,纳米材料具有高韧性. 物理学与社会进步：物理学的发展孕育了技术的革新，促进了物质生产的繁荣，改变了人类的生产和生活方式，推动了社会的进步。物理学与思维观念：物理学极大地丰富了人类对物质世界的认识，也改变和扩展着人类的思维方式，物理学的每一个重大进展，都是人类思维观念进步的伟大阶梯。科学活动是人类认识自然的活动，现代技术已经与科学活动密不可分了。科学技术方面的突破，对于社会的发展起到至关重要的作用。正是科学成果在技术上的应用，才创造了我们的物质文明。然而，事实表明，技术是一把“双刃剑”，当人类合理而明智地利用技术时，它会带给人类许多恩惠。但是如果利用不当，甚至滥用，就会给人类带来诸如生态失衡、资源枯竭等问题，人们有责任避免技术滥用，既要大力发展和应用先进技术，还必须细致分析技术的正、负面效应，积极开展技术评价和技术预见工作，让技术更好地服务于人类。物理学的未来19世纪的下半叶，以经典力学、热力学、统计物理和电磁场理论为主内容的物理学，几乎能解释当时已知的各种物理现象。因此，当20世纪的第一个春天来临时，久负盛名的英国物理学家开尔文在一次演说中，踌躇满志地告诉大家：“科学大厦已经基本建成后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就可以了”但话音刚落，他的预言就被一个接一个的重大发现所粉碎。我们的知识越发展，自然就越是以其多种表现证明它拥有无尽的财富，甚至在很先进的科学领域，如物理学，我们也有理由认为我们已经“耗尽”了自然财富，或者认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。事实正是这样，当前还有许多困扰物理学难题，例如，在物质结构理论中，认为“夸克”构成了质子、中子等强子，但是夸克为什么不能单独存在？寻找强相互作用的胶子的实验能否得出预期的结果？如何将量子力学和广义相对论结合起来，以解释宇宙的起源和演化？此外自然界中最常见的运动状态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介于两者之间，但为理解这类现象的混沌理论还远未成熟所有这些都有待人们去探索。纵观世界科学技术发展史，许多科学家的重要发明都有是在风华正茂思想敏捷的青年时期。哥白尼提出日心说时是38岁，牛顿和莱布尼茨发明微积分分别是22岁28岁，爱迪生发明留声机时是29岁，贝尔发明电话时是29岁，爱因斯坦提出狭义相对论时是26岁，提出广义相对认时是37岁，李政道和杨震宁提出弱相互作用宇称不守恒定律时分别是30和34岁沃森和克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型时分别是25岁和37岁第一篇 人类在宇宙中的位置1-1 人类在宇宙空间的位置1反射法测量距离最简单的方法是根据雷达技术发展出来的一个十分新颖的方法,即把雷达束对准目标月亮,并发出一个短脉冲信号,等候雷达所发出的信号从目标月亮上所反射回来,测量出往返所需的时间,如所需的时间间隔是2.6s.雷达波与光波一样,都有同样的速度,于是我们得出结论:地球-月亮-地球的距离是2.63000000km,这就告诉我们,月亮离地球大约是400000km,当然反射法也是利用速率来测量距离的.太阳有多大呢?初看起来,太阳和月亮在视觉中是一般大小的,可是我们很容易算出,太阳离地球比月亮远374倍.所以太阳的直径一定比月亮的直径大374倍,根据月亮的直径就得出太阳的直径是140万km,太阳比地球大100多倍,人们已经测过太阳系的大小了,比起单独一个行星来,太阳系更应当称为我们的住所,太阳是人们的光热和能的主要来源,太阳是我们所从属的星体,也是我们生活的一部分.太阳系里人们所看到的众多星星.它们叫做恒星,因为看起来它们是不同的,而行星环绕太阳转,则是明明白白可以看到的,之所以是“恒星”只是由于它们离我们太远了,以致它们的任何运动,都会慢得使人一辈子也观测不出来.事实上,它们都在运动,精确的天空照片表明,相隔多年后星星的位置就有微小的变动.当我们迈向宇宙的深处时,为了测量天体的距离,天文学家的基本办法是认为:天体越亮离得越近,越暗离得越远;并认为观测到的天体范围越小离得越远,范围越大离得越近.显然以天体亮暗论远近的前提是:被比较远近的各个天体的亮度相同且已知.而以大小论远近的前提是:被比较的各个天体的大小相同而且已经知道. 银河系中不仅有星而且有气体和尘埃,这些星际物质给我们应用简单的方法测量距离造成困难.群星聚集成巨大的旋臂,围绕着园盘平面的中心.我们首先是把地球,然后是把太阳系看作是我们的住所.现在我们意识到,太阳连同它的行星,仅仅是银河系这个大集体-有几百亿颗星中的一小部分,那么银河系以外,又有什么呢?我们能看到有几百亿颗星,但是我们有时也看到某种并非星球的东西,一种星云, 那是扩展的光区.猎户座星云就是一个著名而美丽的星云.已经认出猎户座星云和其它许多星云是巨大而发光的气体云.但是还有其它的座星云,最突出的是仙女座星云,用小仪器观察,它们象盘形的发光区,用十分强大的望远镜来观测这些东西,就会发现它们包含着数量巨大的极其暗淡的星,就象我们的银河系一样,这可是一个了不起的发现.我们的银河系并非唯一的星系.还有其它类似的星系,这些星系的数目很大,望远镜越大,看到的星系越多.几十年前已经探测到一种非常有趣而又出人意料的现象,所有这些星系都离我们而去,星系离我们越远跑得越快.我们是怎么知道的呢?我们必须记住从这些星云所发出的光.光是一种电磁波,其频率决定了光的颜色,研究了星光我们知道,虽然所有的颜色似乎都有,但是某些频率却消失了!当我们观测到大多数行星的光谱时,确实发现少了某些频率.同样的两条暗线不是在意料中的频率所发现,而是朝低频方向移动,而这种频率的位移,根据多普勒效应可解析为目标对观测者相对运动的结果,于是必须作出这样的解析:观测到的遥远的星系的频率位移证明,这些星系正离我们而去,这种速率是同距离成正比的.象仙女座星云这样的星系,它们的运动简直观测不到,可是距离约为1亿光年的星系就以每秒3000km的速率离开我们而去.由星系组成的宇宙膨胀运动给我们指出,我们到底能看到多远,极限在哪里?我们可能建成更大的望远镜,试图看到更远的星系,但是它们会越来越以接近光速离我们而去,它的辐射就会减弱的,事实是它越接近光速,它就越显得隐隐约约,越是难以见到的.宇宙星系之间的距离不断在膨胀,使我们面临一个饶有趣味的情况:很可能有限星系扩展到无限的距离.但是我们只能看到以适当低于光速而退行的那些星系.因此所发射的的光能够到达我们的星系是有限的.即便宇宙确实是无限的,就我们来说宇宙还是有限的,我们能加以探索的只能是以其光信号送达我们的那一部分宇宙.风雨侵蚀是造成地壳形状,使之平面化的破坏性力量.如果没有其它的力量世界就全是平坦的了,还有建设性的力量在起作用,它缓慢而不断地改变着地壳,地壳内部由于负担外层的全部力量,经受很高的压力,这种压力有时在一处消除或在另一处增强,压力的变化引起地壳的上下运动,造成高原和深洼地,有时地壳作横向运动,地壳褶皱起来,造成山峡谷,山的形成和随后的侵蚀是不断地相互作用的,我们的时代和一个十分剧烈的时代相隔只有几百万年,这就是为什么地壳现在呈现出这么多不同山脉的缘故,从现在起大约五千万年以后,地球可以变得平坦得多.山脉的形成和大气对山脉的破坏的不断相互作用进行了多久呢?怎么样才能把过去发生的一件件地质大事之间的相隔时间计算出来呢?可以使用一种天然的计时器,它转动得非常慢而又有规律性足以使我们认得出它所计量的悠久时间,幸运的是,自然界提供了一种非常缓慢而又有规律性的过程,能用来测量时间,这就是放射性,它是法国人亨利贝克勒耳在1896年发现的一种奇异现象当发现放射现象时，人们都感到迷惑不解，因为放射性把化学元素不可改变这一观念否定了，放射性现象说明，某些元素不是不可改变的，一种放射性物质变成另一种物质，这种放射性物质放射出射线，经过衰减，成为另一种无素的原子比如，自然界发现，铷有两种同位素，一是铷85,另一种是铷87,其中较重的一种是放射性元素,一块纯铷变成另一种原子,即变成一种锶原子,这种变化以固定的速率缓慢而稳定地进行,这个速率不因任何外界影响而加速或减慢,每年有一千亿分之一变成锶,在自然界发现的大部分物质都是这样缓慢地变化的.因此地球是不可能永恒地生存下来的,在地球上,有的东西也不可能是永恒地生存下来的,如果地球存在的时间是无限的,我们在地球的表面就找不到铷87.其实地球的年龄大大超过10亿年.那么地球的年龄到底有多大呢?看一看在自然界发现的衰变常数,我们注意到,衰变常数总是小于每年十亿分之一,衰变速度更快的物质所以找不到,是因为在地球存在的时期内,它们已经消失了.由此可以得到的结论是：构成地球的物质以其目前情况而存在下来的时间一定有几十亿年，但也不会超过太多，天然的放射性元素衰变最快的是铀235，每年14亿分之一，但它已接近消亡了。因此构成我们地球的物质的“年龄”必然比10亿年大一些，也许大5倍或10 倍，但不会大很多。地球起源是怎么回事呢？显然地球的起初不可能象现在这样，那时构成地球的物质必然受到能够产生放射性元素的一些条件的支配，这些条件就象我们在大型加速器里所创造的条件，粒子和原子以极高的能量并在很大的密度下运动，并以很快的速度相互碰撞，产生这些条件所需的温度范围为1亿度上下，我们有充分的理由相信，这些条件产生于星球的中心，不是一般的情况下都有的，而是当星变为不稳定而且爆炸的时候才有的，爆炸中的星叫做新星，因为它们作为新的星在天空出现。因此可以得出结论的是：构成地球的物质必然受过可能从星星爆炸中产生的极大的热和加速度，时间大约发生在50亿到100亿年前，可以认为这些事件创造了我们的环境所有构成的种种元素。天然放射性元素不仅充当地球起源的见证者，当它们有规则地衰变而缓慢地消失时，还能当作计时器来使用。测量放射性衰变的产物，就能确定在元素形成之后的几十亿年里所发生的重大事情的时代。每逢山脉的出现，每逢海洋把沉积物留在海底，物质里所含有的放射性元素就开始累积它们的衰变产物，把积累起来的总量测算一下，就能计算事件发生的年代，这样就得到了地质大事件发生的时代，就得到了相当精确的大事件的时间表，我国的喜马拉雅山脉只有几百万年，到现在为止，已发现的最古老的岩石年龄是26亿年。因此地球的年龄至少有这么大，很可能超过26亿年。利用陨石计算太阳系的年龄：流星进入大气时，大多数由于高速度穿过空气，产生炽热而气化了，但是也有较大的块头，完整地到达地面，人们研究了这些物体及把它们引导到我们这里来的途径，陨星大概不是从很远的地方来的，它们可能是太阳系历史初期的某个时代几个小行星分裂瓦解时产生的残片，这些岩石的年龄必然和太阳系本身的年龄相近，它们可能追溯到物质聚集为太阳和行星的那个时代，因此我们能测出这些碎块的年龄时大概也就测量了太阳系的年龄或行星形成的时代。所有陨星的年龄好象都是一样的，都是45亿年，于是我们可以得出结论，物质聚集为太阳系行星以来已经经历了45亿年，很有可能，地球和其他行星作为环绕太阳运转的巨大球体而存在以来，也有了45亿年了。1948年美国物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸理论，他们把物理学知识和宇宙膨胀理论结合起来以解析化学元素的起源。他们认为宇宙始于150亿年前的一个高温、高密度的原始火球，初始温度高达几十亿度，然后火球爆炸了，原始火球内部爆炸而向外膨胀，辐射温度与物质密度迅速下降，核反应于是停止，其间所产生的元素于是就形成了今天宇宙中的各种物质，在膨胀过程中，辐射物质逐渐凝结成星云，进而演化成今天宇宙中的各种天体，他们预言由于大爆炸后宇宙中原始的辐射达到热平衡，必定还残留着背景辐射，1965年美国贝尔实验室两位射电天文学家发现并证实了宇宙背景辐射。20世纪80 年代末美国格林威治天文台的观测也证实了这个预言，这无疑是对宇宙大爆炸理论的有力支持，从而“宇宙大爆炸”理论被广泛接受，成为公认的宇宙标准模型。现实社会中的人类社会的发展蕴藏着人类生存的危机：20世纪末人类都在呕歌人类社会取得的巨大繁荣，尤其是近几十年的科技进步真是令人吃惊，但是我们也不能不正视由于工业生产的不断进步使地球圈内发生了巨大的变化，如地球温度问题，放射性物质与剧毒物质的增多，现在人类发展的基础中很重要的一环是地下资源的利用，石油资源已有700亿吨被开发出来了，根据地质资源预测，总资源量为3000亿吨。人口的剧增，能量的消耗电量在急剧上升，信息量也大量增加，交通也越来越方便。这些社会发展的情况不能不引起科学工作者的重视，但是这些问题绝不是一个简单的自然科学家所能解决的问题，它涉及到问题的深度的广度深度决非简单的数字所描述的，它涉及到许多社会问题，贸易问题、国际法问题、国际关系问题等许多社会问题，还涉及到价值观、文明观的问题。人类文明正处在大繁荣时期，但不能不看到，臭氧层已被破坏，温室效应、大气和水的污染问题相当严重，还有沙漠化程度的加剧、废物的增加，垃圾的处理，自然界的破坏。还由于各种经济上的利益冲突，资本主义扩大经济的支配权，所以仍然存在对抗、抗争、战争的可能性仍然存在。在有限资源、有限地球环境的制约下，人类历史的进步的新思考1995年日本出版了社会学家写的一本从环境谈到社会发展的书，书中对当今先进国家在发展中对全球生态环境的影响提出了深刻的看法。他认为：无限追求经济增长与环境恶化问题是不相容的，高度经济增长的阴影下是大气森林、土壤等环境的被激烈破坏，严重的公害在威胁着人类，作为世界最大的木材输入国日本，国内的木材却保护得很好，却从南洋大量进口木材。过量的采伐，使热带雨林生态出现不平衡，使国家家作物造成很大的潜在危险。现在的社会只要某处出现一点波动就会危及全球。书中指出，作为现阶段，首先环境问题为突然口，从“大量生产大量消费大量废弃”的产业社会的桎梏中摆脱出来，建立“生产流通消费还原废弃”相互关连的社会，作者认为，人们不能把自己封闭在经济社会活动中，仅以个人物质追求和个人方便为目的狭窄的精神世界中，各行其事，要为当前面临的人类解放的新课题而努力，以“人与人”、“人与自然”的关系出发构筑新社会，这应是21世迹人们面临的最大问题。第三篇 力学概论21 力学发展史1、亚里士多德的力学理论：亚里士多德在许多科学领域中有重大的贡献，然而在力学的发展方面却起了阻碍作用。他认为每个物体都有有一个“天然处所”，在“天然处所”的所在和迁移，支配着各个物体的天然运动。他还认为，凡物是由土、水、气、火组成的，物体下落时，如果它愈重，落得愈快。较轻则落得愈慢。亚里士多德的力学理论中把力的作用与物体的速度直接联系起来，认为外力是维持物体运动的原因。认为物体的速度的有无和大小，是由它是否受力及力的大小决定的。从实用技术开始发展起来的力学和液体静力学应归功于阿基米德，他把数学和实验研究结合起来，先用演绎方法求出问题的逻辑推论，再用观察和实验的方法加以检验。阿基米德首先提出了密度的概念，总结出浮力定律，研究了杠杆原理，还制造了许多机械。2、伽利略和实验科学的兴起 1543年，哥白尼的著作天体运行论向教会的“地静宇宙观”提出了严重的挑战。虽然宗教裁判所把他的著作列为禁书，并把积极宣传这个新说的布鲁诺烧死在火刑上，但是哥白尼的“日心说”的发表成为自然科学从宗教束缚下解放出来的标志。伽利略1592年受聘到帕多瓦大学任教，他的研究工作在这里达到了成熟的阶段，形成了他的科学世界观，为“日心说”寻求观测证据和作出理论论证，在新宇宙观中起了重大作用。他发现的摆的等时性，他用自制的望远镜发现了月球上的山脉、太阳的黑子、木星的卫星以及金星和自转现象，以这些发现支持哥白尼的太阳中心说，批判了地球中心说，他用5年时间写了一本关于两种世界体系的对话坚持宣传日心说，该书惹怒了教会，并将他永远监禁在家里。风烛残年的伽利略，在家里又写了关于力学和局部运动的两门新科学的对话的数学证明，简称两种新科学的对话天体运行的日心说和开普勒行星运动定律古代科学中最早发展起来的天文学就是从研究天体运动开始的。当时由于人们只能根据直观的感觉的积累，凭借日月星辰在天空中运行的事实，形成了“地静天动”的天体运动的观点。其中以柏拉图地心说理论为代表是古希腊哲学家,在一次讲话中提出：“天上的星体代表着永恒的、神圣的、不变的存在，因此它们肯定沿着最完美的轨道以最完善的方式运动。最完善的方式是匀速园周运动，因此它们一定是围绕着地球作匀速园周运动”大约在公园150年，亚历山大城的数学家，天文学家托勒玫发表了天文大全一书，陈述了他的完善的地心体系，将地心说发展到了顶峰时期，他为了用匀速园周运动，说明行星的不规则运动，提出了一个由本轮、均轮和偏心等距轮三种几何图形所组成表示一组匀速园周运动组合的精致模型，该模型和人们的直观经验一致，并且能令人欣慰地认为，人类生活在一个稳定不动的地球上，特别是后来又为教会利用来论证“地球中心”“人类中心”的教义，所以这个体系在天文学上一直统治了1400年，直到1543年哥白尼的日心体系向他提出挑战。日心说亚历山大城的著名天文学家阿里斯塔克提出了日心说，这在当时是最具独创性的大胆假设他认为如果把太阳置于宇宙的中心，月亮地球及当时已知的五颗行星各自在大小不同的轨道上以不同的速率围绕太阳旋转，就可以得到一个简单的世界体系。哥白尼是波兰的杰出的天文学家，他读了大量古希腊的著作，受到了有关地球运动的思想启发，这为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础，他终身研究的结晶是他的伟大著作天体运行论。他阅读了希腊早期的哲学家和天文学家的著述，也包括阿里斯塔克有关日心说的论述，哥白尼申明说，他正是从古人的著作里受到启发才开始考虑地球的运动，以便尝试一下，是否把太阳而不是地球置于中心，可以使天体的运动安排得更合理。在哥白尼的体系中，各天体相互联系，它们的运动具有简单而明显的规律性。哥白尼强调，日心体系提供了所有行星都有必须以确定方式遵从的唯一图式，可以用行星的轨道周期来确定诸行星的排列次序。他提出了宇宙结构模型：最远的是恒星天球，包罗一切，在行星中土星的位置最远，其次是木星，然后是火星，再是地球和绕它转的月亮，金星居第五，第六为水星，太阳在它们的正中，一动也不动。开普勒行星运动定律的发现：开普勒是德国天文学家， 日心说的忠实维护者，很得丹麦著名天文学家第谷所赏识，第谷邀请开普勒去做他的助手，开普勒和第谷有不同的特色和兴趣。第谷着重并善于实际观测，而开普勒更醉心于数学和理论思考，他们互相依赖和相互补充。开普勒接受了第谷的确定火星轨道的细节的任务，经过一个半的研究，。他拼凑了70次模型实验后，得到了一个接近观测事实的结果，他试着用偏心等距轮来说明观察的结果，但是他的模型所预测的位置，在黄道的纬度上和第谷的观测记录有8的误差，他没有把它作为“观测的误差”忽略过去，因为他知道第谷明察秋毫的慧眼和颇为精密的仪器记录着行星的位置，其误是远小于8的。于是他敏锐地觉察到火星可能不是做匀速园周运动，不容忽略的这个8使他走上了改革整个天文学的道路。经过多年的工作，开普勒放弃了匀速园周运动这一向为人们所钟爱的古老信念，创立了椭圆轨道理论“行星沿椭圆形路径运动，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。”这就是开普勒第一定律。开普勒第二定律：太阳指向行星的连线，在相等的时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律：T2=kR3牛顿运动定律和万有引力定律的建立 在1664年，牛顿已从亚里士多德的繁琐的哲学思想影响下解放出来，在此以前他读了笛卡儿的几何学，伽利略的两个世界体系的对话，他从伽利略那里继承了关于实验和数学的看法，利用了他的落体定律和运动的合成。1684年，牛顿终于用几何法和求线段比例极限的概念，证明了行星椭圆轨道的引力平方反比定律。牛顿用万有引力定律系统研究和计算了行星对太阳，月球对地球及慧星运行轨道等问题并发现计算结果与预计的误在允许的范围内，牛顿自己对万有引力问题只承认有两点成就：（1）肯定了地球的引力和天体之间的引力的同一性（动画2：行星运动的原因）；（2）用数学方法表示出了万有引力定律。万有引力定律发现之后的113年，在地面上首次用实验证实定律的是卡文迪许，他于1798年进行的扭秤实验，测得两个小球之间的引力与计算相符。在天体相互作用方面，约亚当斯计算出天王星运动轨道有不规则性，预言必定是由其它行星的引力引起的，德维勒据此算出了新星的方位，进而发现了海王星。生活中的牛顿但是由于受时代的限制，牛顿基本上是一个形而上学的机械唯物主义者。他认为运动只是机械力学的运动，是空间位置的变化；宇宙和太阳一样是没有发展变化的；靠了万有引力的作用，恒星永远在一个固定不变的位置 随着科学声誉的提高，牛顿的政治地位也得到了提升。1689年，他被当选为国会中的大学代表。作为国会议员，牛顿逐渐开始疏远给他带来巨大成就的科学。他不时表示出对以他为代表的领域的厌恶。同时，他的大量的时间花费在了和同时代的著名科学家如胡克、莱布尼兹等进行科学优先权的争论上。晚年的牛顿在伦敦过着堂皇的生活，1705年他被安妮女王封为贵族。此时的牛顿非常富有，被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。他担任英国皇家学会会长，在他任职的二十四年时间里，他以铁拳统治着学会。没有他的同意，任何人都不能被选举。晚年的牛顿开始致力于对神学的研究，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，竟提出了“神的第一推动力”的谬论。他说“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。1727年3月20日，伟大艾萨克牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：让人们欢呼这样一位多么伟大的人曾经荣耀地在世界上的存在。国际天文学联合会决议，部分通过新的行星定义，冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”国际天文学联合会大会放弃将冥王星之外的太阳系八大行星称为“经典行星”的说法，从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星被降级为入“矮行星”。此前盛传的第一种方案中提出了太阳系另外增加3颗二级行星的计划流产。 1930年美国天文学家汤博发现冥王星，当时错估了冥王星的质量，以为冥王星比地球还大，所以命名为大行星。然而，经过近30年的进一步观测，发现它的直径只有2300公里，比月球还要小，等到冥王星的大小被确认，“冥王星是大行星”早已被写入教科书，以后也就将错就错了。 行星定义委员会最初提出的方案，在确定金星、土星、木星、水星、地球、火星、天王星、海王星为经典行星之外，将冥王星降格为二级行星。 力学的基本内容质点运动学：描述机械运动，常用位移、速度、加速度等物理量随时间而变化的关系，但不涉及变化的原因，称为运动学。参照系：要描述一个物体的运动，总得选择另外一个运动物体或几个虽在运动而相互间相对静止的物体作为参考，然后研究这物体相对于参考物体是如何运动的。“天门中断楚江开，碧水东流至此回，两岸青山相对出，孤帆一片日边来”质点：如果物体的线度和形状在所研究的现象中不起作用，或所起的作用可以忽略不计，我们就可近似地把物体看作是一个没有大小和形状的理想物体，称为质点。时间：时间具有单方向性，“光阴一去不复返”正是说明了时间的单方向性。时刻：在一定的参考系中考察质点的运动时，与质点所在的位置相对应的为某一时刻。位置矢量：在选定的参考系中建立坐标系，得到三个坐标x,y,z径矢r的大小，运动方程：x=x(t),y=y(t),z=z(t)运动质点在空间所经过的具体路径称为轨迹。位移：位移表示物体位置改变，并非质点所经历的路径。速度：质点在时间t 内所发生的位移为r，则在这段时间的平均速度为：v=r/t加速度：在一般的运动中，质点的速度是随时间变化的，为了反应质点速度的变化快慢程度引入加速度的概念。运动叠加原理：一个运动可以看成是几个各自独立的运动进行运动叠加而成的。抛体运动：平抛运动与斜抛运动。（物理动画2：平抛运动动画演示）曲线运动中的切向加速度与法向加速度（物理动画2：向心力）园周运动的角量描述：角位移、角速度、角加速度（匀速园周运动的演示）质点动力学第一定律：指明任一物体在未受到外力时将保持静止或匀速直线运动状态。物体保持这种运动状态的性质称为惯性，所以第一定律又称为惯性定律。第二定律概括了下述基本内容：1、任一物体在不同外力作用下，物体的加速度与外力之间的同时性与正比关系。2、不同的物体在相等的外力作用下，物体的加速度与物体的质量的反比关系。3、第二定律概括了力的独立性原理第三定律：力是成对出现的，作用力与反作用力总是同时存在同时消失， 在同一条直线上大小相等方向相反。第一定律和第二定律分别定性与定量地说明了一物体机械运动状态的变化与其他物体对这物体间的作用力的关系。第三定律说明了引起物体机械运动状态变化的物体间的作用力具有相互作用的性力的时间、空间累积效应和动量守恒定律动量原理：在外力持续作用下经过某一时间，外力对物体的冲量等于物体动量的增量。动量守恒定律：如果几个物体组成一个系统，且系统不受外力的作用（或合外力为零）尽管系统内各物体在内力相互作用下，各物体的动量发生了变化，但是系统的总动量却不变。力的空间累积效应：功，变力将物体从a点移到b点过程中的总功可用积分公式来表示，有：功率：单位时间内所做的功，平均功率，瞬时功率。动能定理、功能原理、机械能守恒定律动能定理：合外力对物体所做的功等于物体动能的增量。动能是表征物体运动状态的一个重要物理量，是标量，等于1/2mv2,单位与功相同。物体的动量mv也是一个表征物体运动状态的重要物理量。动量定理反映力的时间的积累，而动能定理反应力的空间积累，动量与动能本身只联系于过程的始末状态，动量与动能分别联系于不同的物理学量冲量和功，两个定理之间不能相互混淆。重力势能：物体因重力而具有的能量叫重力势能。弹性势能：物体因弹性力而具有的能量叫做弹性势能势能：与物体相互作用的位置有关的能量统称为势能。重力做功的特点：保守力重力所做的功只与运动物体的始末位置有关而与运动物体所经过的路径无关，重力是保守力，此外如弹性力，万有引力，静电力也都是保守力。否则称为非保守力。弹性力的功和弹性势能：弹性力也有保守力的特点，弹性力所做的功等于弹性势能增量的负值功能原理：系统机械能的增量等于外力的功和非保守内力的功的总和，通常称为功能原理。机械能守恒：对于由若干物体所组成的系统，如果系统只有保守力做功，其它非保守内力和一切外力所做的总功为零，那么系统内各物体的动能和各种势能可以相互转换，但是它们的总和总是恒量能量的转化与守恒定律：能量既不能消失也不能创造，只能从一种形式转换成另一种形式，或者从一个物质转移到另一个物质，但总的能量保持不变。刚体的运动可以分为平动和转动两种基本形式。刚体的定轴转动：一个力对轴的力矩M等于这个力在转动平面上的分力与轴之间的垂直距离d的乘积。刚体转动的惯性：若刚体不受力矩的作用，刚体保持原有的转动状态不变， 这表明刚体有保持它转动状态不变的性质，即刚体的转动惯性。刚体定轴转动的牛顿第二定律：定轴转动时刚体的角加速度与刚体所受的合外力矩M成正比，与刚体的转动惯量J成反比。刚体的角动量定理：作用于刚体上的冲量矩等于刚体角动量的增量。刚体的角动量守恒定理：若转动系统所受的合外力矩为零，转动系统的总的角动量始终保持不变。定轴转动的角动量定理:作用于刚体上的冲量矩等于刚体角动量的增量.角动量守恒定律:若转动系统中所受的合外力矩等于零,则转动系统的总的角动量保持不变.力矩作功:恒力矩对绕定轴转动的刚体所作的功等于力矩的大小与转过的角度的乘积.如果作用在绕定轴转动的刚体上的力矩大小是变化的,那么变力矩所作的功为:力矩的功率:设刚体在恒力矩作用下绕定轴转动,则力矩的功率为:N=M刚体定轴转动的动能定理:合外力矩对绕定轴转动的刚体所作的功等于刚体转动动能的增量力学中的守恒定律与对称性所谓“守恒”即意味着不变,守恒定律的不变性揭示了物质运动中诸多不同物理规律共同性和统一性的一面,然而这种不变性又由更高层次的对称性法则所制约.空间均匀性与动量守恒定律:物理规律对于坐标平移变换即:r=r+r具有不变性,这就是空间均匀性的意义.空间的均匀性意味着系统的相互作用的势能只与系统内物体的相对位置有关,与系统整体在空间的平移无关.在相同时间内一物体的动量减少,必然等于另一物体的动量增加,因此对系统而言,总动量保持不变.时间的均匀性与能量守恒定律:时间的均匀性:时间的过去、现在、将来都没有什么特殊的地方,因此,今天如果我们重复前人做过的实验,应该得到前人同样的结论,而且还可预言若干年后,有人做同样的实验也会得到相同的结果.这就是时间均匀性的意义。由于在一对粒子的系统中，粒子与粒子之间的相互作用可通过相互作用的势能来表达。时间的均匀性意味着这种相互作用的势能只与两粒子的相关位置有关，与时间无关，而根据动能定理，该粒子所作的功应等于其动能的增量，因此对系统来说，总的机械能增量为零。即机械能守恒。振动和波动谐振动:振动是很普遍的一种运动形式,物体在某一位置附近作周期性的往复运动叫做机械振动.振动的形式很多,谐振动是最简单的最基本的振动,弹簧振子就是谐振动的典型例子.谐振动的运动方程:振幅:谐振动的物体离开平衡位置的最大位移A叫做振幅周期:物体作一次完全的振动所需要的时间叫做振动的周期频率:单位时间内物体所做的完全振动的次数叫做频率,单位为赫兹.角频率:物体在2秒内的完全振动的次数叫做角频率.机械波:弹性介质中的任一质点离开平衡位置时,由于形变,邻近的质点将对它产生弹性力的作用,使之回到平衡位置.因此,这个质点就会在平衡位置附近振动起来,同时这个质点也会给邻近的质点以弹性力的作用,使邻近的质点也在平衡位置附近振动.这样当弹性介质的一部分产生振动时,振动不会只局限在这一部分,而会由于介质各部分之间的弹性联系,由近及远地在介质中传播出去,形成机械波.由此可见机械波的产生必须具有机械振动的物体作为波源及能够传播这种机械振动的介质.波线:波的传播方向叫波线波阵面:某一时刻波动所达到的各点连成的面叫波阵面,按波阵面的形状波可分为球面波与平面波.波长:两个波峰与波峰之间的或两个波谷与波谷之间的距离.即一个完整波的长度.波的周期:波前进一个波长的距离所需要的时间.频率:单位时间内波前进的完整波的数波函数:当波源是谐振动时,介质中的各点也在振动,在介质中各点所形成的波叫做简谐波.在均匀介质中,沿OX正向传播的简谐波,原点O处的持点在任一时刻的位移为:y=Acost,则点P在时刻t的位移为:波的衍射:波在传播过程中遇到障碍物时,其传播方向要发生改变,能够绕过障碍物的边缘继续前进.这叫波的衍射.波的干涉:当频率相同振动方向相同,相位相同或相差恒定时的两列波相遇时某些地方始终加强,而另一些地方始终减弱,这一现象叫波的干涉现象.多普勒效应:若波源与观察者相对介质都是静止的,观察者所接收的频率与波源的频率相同.如果波源或观察者或两者同时相对介质运动时观察者所接受的频率和波源的频率就不相同,这种现象叫多普勒效应.高速行驶的火车鸣笛而来时,汽笛的声调