物理学是一门以实验为本的自然科学自然科学的发展开始

1、物理实验方法的延伸第八讲物理学是一门以实验为本的自然科学。自然科学的发展开始于观察，当人们不满足于在自然条件下去观察研究对象，要求对研究对象进行积极干预时，就要使用实验的方法。科学从观察阶段进入实验阶段是一种质的飞跃。特别是在现代物理学的研究中，物理学的实验方法不仅促进了理论的诞生，而且愈来愈成为现代物理学各分支领域研究的重要工具。 4-3 物理实验方法的延伸总之，提供事实、验证理论，测定常数，推广应用这四个方面基本上概括了实验在物理学发展中的作用。张文裕正如我国著名物理学家张文裕教授所指出的：“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。”他还说：“基础研究、应用研究、开

2、发研究和生产四方面要紧密结合在一起，必需有一条红线，这条红线就是科学实验。”伽利略倡导实验理论相结合，用实验来检验理论的正确性，开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，他进行的一系列杰出的实验，为物理学迅速发展成为一门真正独立的科学作出了巨大贡献。可以说物理学是实验方法的发源地，伴随着物理学发展的实验方法内容极其丰富多彩，技术精妙绝伦。由于物理学中实验方法取得的辉煌成果，此后，自然科学的研究，逐步推广了通过专门设计的科学实验，以寻找科学规律，建立科学理论的科学方法。同时，物理学的实验方法也在社会科学中延伸，发挥了巨大的作用。4-3-1 物理实验方法在生命科学中的应用十九世纪五十年代初

3、期，英国物理学家克里克和美国生物化学家华特生利用X光衍射实验，对脱氧核糖核酸(DNA)分子进行分析。阐明了存在于细胞核中的DNA分子是染色体结构的主要组成部分，其基本空间结构是双链的螺旋结构，以及它的四种核苷酸中所含碱基的配对规律，从而提出了生物遗传的内部机制。在生物界，用动物来模拟人的生理过程或病理过程，应用的就是物理模拟实验。例如为了研究气管炎发病的自然条件，可以将猴子、大白鼠等实验动物置于烟熏、低温等条件下观察其发病的过程。为了考察尼古丁的毒害，可以将尼古丁从烟草中提取出来，注射到实验动物体内，观察由此引起的各种病理变化。用实验动物作为人体的生理模型和病理模型进行实验，可以达到比较大的规

4、模，并且可以根据实验的需要不断重复和进行剖检。现代医学总是首先在实验动物即物理模型上进行大量工作，得到可靠的结论，然后再应用于临床。光一直是人类认识和改造自然的有力工具。20世纪60年代激光技术出现后，人类利用光的本领达到了一个新的高度。激光技术应用的历史虽然不长，然而效果也相当显著，下面是激光技术在一些主要领域的基本作用。(1) 工业材料加工。激光束经聚焦后，在工作面上可以形成直径为10m1m的光斑，加工点可以获得极高的能量密度，可以对过去难以处理的硬度大、熔点高、脆性大的材料进行打孔、切割、焊接等加工。例如激光可以在1mm的汽冷高温反应堆燃料颗粒上打出0.8mm的孔。70年代，在工业的许多

5、领域已经实现了利用激光的常规生产。(2) 农牧业应用。用激光照射种子，农作物不仅对促进当代农作物增产、早热、诱变育成小麦、水稻、蔬菜等新品种或新品系方面取得了很多成果，有的新品种还已大面积推广，而且对提高农畜精液品质，提高母牛繁殖力，促进家禽胚胎发育，提高孵化率和成活率等方面也做出了许多成绩。尤其值得提出的是，近几年来应用激光束进行细胞融合、染色体切割、外源基因转移等遗传工程中取得了可喜的进展。(3) 医学治疗。利用激光的高温高压作业表现的性能优势，可将二氧化碳激光用作手术刀，与普通手术刀相比具有自动止血，伤口基本无菌、感染率小等优点。因此，在眼科、胸科、牙科、皮肤科、妇科等的手术中都有广泛的

6、应用。(4) 光通讯。激光通讯具有容量大、保密性好、抗干扰能力强、结构轻便等优点。1960年英国提出了用玻璃纤维进行远距离光信息传输的可能性，1970年美国康宁公司研制出衰减率低于20分贝/公里的纯二氧化硅光学纤维。同年，诞生了适用于光纤通讯的光源双异质结半导体激光器，由此使光纤通讯成为现实。(5) 全息照相。普通照相得到的是平面象，因为感光胶片上记录的只是物体辐射或反射光的强度分布，而无法记录光的位相信息。1947年，英国科学家盖伯(D. Gabor)提出了记录光的强度和位相从而得到物体三维立体像的全息照相理论。1961年10月，美国的利恩(E.N. Leith)和乌帕特尼克斯(J.Upat

7、nieks)利用激光拍摄到了第一张实用的离轴全息图，用激光参考波照射时，实现了逼真的三维物体像。20世纪70年代后，激光全息摄影开始走向实用。(6) 准直、测距和制导。许多工程都需要一条直线基准，利用激光的良好的方向性可以制成准直仪。在调准了3km 长的直线加速器时，总的偏差不超过0.25mm。处用稳频激光作为长度标准，比用传统的光源星程长、亮度高、精度高，测量1m的长度，精度可达10710 8m。由于这种优良的测距性能，加之激光的抗干扰能力，配备激光制导系统的炮弹和导弹，基本能够百发百中。2002年7日美国又首次试飞了载有激光炮的波音747-400型飞机，这种装载着“激光炮”的波音飞机，据说

8、可在1.2万米高空巡逻。“激光炮”射程可达300-600公里，能击毁被五角大数列入威胁名单的29种导弹中的任何一种。由于科学的发展，人们已经认识到生命在地球上是由非生命物质在适宜条件下，逐渐发展演化来的，生命是物质的一种运动形式。在地球上，由没有生命的无机物演化、发展成为具有生命特征的蛋白质，这个过程可分为三个阶段：由无机物到有机物；由简单的有机物到生物大分子；由生物大分子到蛋白体出现。在地球形成初期，地面温度很高，原始大气和原始海洋中几乎没有氧，而含有一些象甲烷、氯化氢、一氧化碳、二氧化碳、氮、氨、氢和水蒸气等物质。陨石及火山爆发也不断提供一些碳化物和其他物质。这些物质就是化学进化的物质条件

9、。以后在太阳紫外光、电离辐射、闪电、火山、高温、局部高压等因素的长期作用下，使这些物质以及从地球内部冲出的金属碳化物相互作用，形成了大量氨基酸、核酸、单糖、腺三磷等各种各样的有机物，它们溶解在海水中，日久天长，不断积累，使海水成为富有有机物的溶液。海水中的这些有机物之间又不断发生化学反应，逐渐由简单有机物聚合成生物大分子蛋白质和核酸等。1952年，米勒用甲烷、氨、氢和水汽混合成一种与原始地球大气基本相似的气体，把它放进真空的玻璃仪器中，并连续施行放电，以模拟原始大气层的闪电。结果只用了一星期的时间，居然在这种混合气体中得到了五种构成蛋白质的重氨基酸。而在自然界，完成这种转化需要很长的年代。这表

10、明这种物理实验为研究生命起源开辟了一条新的途径。激光是20世纪60年代诞生的新技术，它在工农业及国防中应用的历史虽然不长，然而效果已相当显著，尤其值得提出的是，近些年来，激光的实验技术在生命科学中也获得广泛应用。激光对微生物细胞的生长、代谢、生理性能和遗传特性等方面的实验研究，为工农业微生物的激光育种以及开抬遗传育种新领域等提供了理论依据和实用技术。这将促进激光生物学、激光医学等新兴边沿学科的发展。4-3-2 物理实验方法在其它学科的应用物理实验方法的思想和技术受到了其它学科的高度赞赏和广泛借鉴。甚至象数学这样纯理论的学科也建立起数学实验室。象会计学这样属于社会学的学科也已经有了会计实验室。遥

11、感实验技术是近代研究地理学的重要手段。利用遥感技术采集数据，可以深入了解地球资源、自然灾害、生态环境等方面的情况及动态变化，从而为国土整治、大型工程建设及经济发展规划提供依据。穆斯堡尔效应指的是 射线的无反冲发射和共振吸收效应，是核物理学中的一种特殊现象，是法国年轻的物理学家穆斯堡尔于1958年发现的。穆斯堡尔穆斯堡尔效应由于具有很高的能量分辨率的特点，其实验方法被广泛应用于化学、生物医学、冶金、地质考古、环境科学和材料学等技术领域。X射线衍射的实验方法用于胰岛素的氢原子结构信息的获得，标志着蛋白质结构分析和结构精化工作达到了一个新的水平。等离子体物理实验技术开创了离子注入水稻诱变育种的新方法

12、，为“设计育种”的理想提供了可能的途径。扫锚隧道显微的实验技术用于矿物学研究获得重要成果，图象达到原子级分辨率。其分辩率一般都达到60-70A，有的高达30A，今天 已能在原子水平上直观地研究物质的运动。量子化学、量子生物学是用物理学中量子论的观点和实验方法研究化学、生物学中的问题，取得突出成绩。其实验方法在免疫学、蛋白质拆叠、神经网络，甚至在交通管理、股票市场预测等方面都有可观的用途。混沌理论和实验方法用于医疗卫生的器械对治疗癫痫病，实践表明前景乐观。随着实验设计水平的提高，实验手段的改进，实验规模的扩大，实验技术的精湛，实验方法将对发展科学理论、推动社会发展起来越来越重要的作用。4-4 熵

13、概念的建立和拓宽4-4-1 熵概念的建立英国杰出的哲学家培根说过，一个人成功的价值，并不在于他作出了某些令人惊异的发明，而在于他在大自然的原野上燃起一点星火。培根这星火骤然燎原燃起炯炯火焰，照亮我们现成知识疆域的遥远边缘。这火焰愈烧愈烈、越照越亮，倾刻间使自然界一切最幽邃的秘密都大白于天下。而“熵”正是这样的星星之火。它的提出由经验方法开始，又经过理性方法深化了它的内涵，最后在逻辑方法的推动下它不断丰富和泛化，终于形成了燎原烈火。熵概念的提出和发展处处体现了物理方法的作用。（视频文件见下页)视频播放熵的物理意义 12 .6MB,17分35秒十八世纪，英国人瓦特两次改进了蒸汽机，人类找到了把热能

14、转变为机械能的具体方法，蒸汽机的问世产生了人类社会的第一次工业革命。但效率非常低，人们希望最大限度地提高热机效率，但却不知道热机效率是否有上限？同时也不了解到底提高效率的关键问题在哪里？在研究蒸汽机的效率过程中，卡诺提出了著名的卡诺定理，它表明热不能全部转变成功。人们马上发现它与能量守恒定律存在矛盾。1. 熵概念建立的历史背景能量守恒定律和卡诺定理都是经过观察和实验证实的基本规律，二者的差别说明了什么呢？是不是仅用能量一个概念不能完全描述状态转化过程的差异呢？这个矛盾的解决，导致了熵这个新概念的诞生。1850年，克劳修斯观察了大量能量转化现象，如摩擦生热、气体膨胀与收缩、水的流动等等后，他发现

15、自然界中的各种正转变(无需任何补偿能够自行发生的转变)都是不可逆转变，一切自发过程的不可逆性不是过程本身的属性，而反映了初始和末了两态存在某种性质上的。本质差异，这种差异就是概率大小的不同。也正是这一差异，决定了过程进行的方向，为了定量描述这一性质，需要引入新的物理量熵(用S表示)。熵的变化指明了自发过程进行的方向，并给出了孤立系统达到平衡的必要条件。克劳修斯从自发变化的方向认识到不可逆变化的方向。这是人类在认识自然变化的方向上的深入和飞跃。例如，(1) 孤立系统自发变化的方向，从几率小向几率大过渡；(2) 孤立系统变化的方向是由有序向无序过渡；(2) 孤立系统的熵不减少。为了度量正、负转变的

16、数量，为了度量不可逆性，克劳修斯通过类比从“热功当量”得到启示：应该找一个“转变含量”，把不同形式的转变相互比较，从而使热力学第二定律定量化。克劳修斯应用数学方法得到一个数学表达式：(等号对应可逆过程；不等号对应不可逆过程)它说明孤立系统的熵不减少。2. 熵的定义：是系统的态函数这就是著名的克劳修斯不等式。其中Q/T是一个循环中所有热变换的等价量的量度称为热温比。这就是他所要找的“转变含量”。如果用dS表示这个量，对一个微小的可逆过程就有：dS=dQ/T而两态的熵差可表为：即如果一个物体的绝对温度为T，加进热量为dQ, 则熵的增加为dS=dQ/T若ds0，则过程是可能的属自发过程。若ds E部D. E整 E