物理科学的基本内容

原子磁强计是运用原子在电磁场中瓦解出的塞曼能级间自由电子所组成的这种量子仪器。他们的精确测量精准度高过經典磁强计2个量级左右。他们的检测范围处起25T,下到10~(-14)T,基本上遮盖了现如今能够得到的电磁场范畴。运用各种各样电极化方式
得到原子塞曼能级的物体数差,再依据不一样观察能级自由电子的形式组成的几十种原子磁强计,适用各种各样行业。  中国科学院科技人员将单束多色多偏振光与原子功效布置变成磁强计摄像头计划方案。原子磁强计的发展趋势是集成ic化。科学研究精英团队应用芯片尺寸的微型化原子制动气室获得高灵敏磁敏数据信号,保持了与传统式法拉第旋光效用原子磁强计计划方案同样功效实际效果。因为该计划方案选用单束光取代双束光与原子功效,故可大大的减少摄像头容积,便于保持集成ic化。  原子磁强计是当今最灵巧的电磁场检测设备。在原子磁强计中,做为电极的原子自旋会遭受很多弛豫要素的危害,进而限定电磁场精确测量的精密度和敏感度。因而寻找提升原子磁强计敏感度和精密度的方式
不管对新的科研還是具体的工程项目运用都具备关键的实际意义。  偏振光  是这种无线电波,无线电波是横波。而震动方位和纳米正确方向组成的平面图称为震动面,光的震动面只仅限于某一固定不动方位的,称为平面图偏振光或线偏振光。光的偏振状况能够凭借试验设备开展检验。  芯片尺寸构装  是这种半导体材料构装技术性。做为全新的芯片封装技术性,在TSOP、BGA的基本上,CSP的特性又拥有颠覆性的提高。最开始CSP仅仅芯片尺寸封裝的简称。依据IPC的规范J-STD-012,”ImplementationofFlipChipandChipScaleTechnology”,以合乎集成ic经营规模,封裝务必有个总面积不超出1.2倍,更大的磨具和它务必1个单芯片,立即表层贴片封裝。

物理科学是物理学习的对象,从根本上讲,物理学习的内容主要取决于物理科学的内容。

有人认为物理科学的内容就是物理知识,这是一种片面的理解。这种理解往往导致学生不能学到完整的物理,往往使学生感到学习只是不断往高堆积知识的“积木”而失去对科学的热情。事实上,物理科学的内容除了物理知识之外,还包括重要程度并不亚于物理知识的物理观念、方法和实验基础。只有把知识、观念、方法和实验基础有机结合起来,才是对物理科学内容的完整描述。

我们通过物理科学发展的历史线索,来展示物理知识的体系、物理观念的发展、物理学方法的运用以及相应的实验基础。通过这样的描述,我们将对物理科学的内容是什么这一基本问题获得比较全面、清晰的认识,并以此为出发点去讨论学习中的问题。

物理学是研究物质运动基本规律和物质基本结构的一门科学。最初的物理学是哲学的一部分,直到16世纪末才从哲学中分离出来,成为一门独立的科学。到19世纪末,经典物理学已经发展得相当完善,但同时也发现了一些经典物理学无法解释的物理现象。20世纪初,物理学进入现代物理学的新时代,获得了前所未有的高速发展。下面,我们分经典物理学和现代物理学两个部分,来描述物理科学的基本内容。

一 经典物理学的基本内容

经典物理学包括力学、热学、电磁学、声学和光学五个部分。这些部分还可以合并而总结成三个方面:经典力学、热力学和经典统计力学、经典电动力学。

1.经典力学

伽利略(Galileo
Galilei,1564—1642)是经典力学的奠基人。从16世纪末到17世纪初,他把观察实验、物理思维和数学演绎三种科学方法巧妙结合起来,以确凿的实验事实、严格的逻辑推理和清晰的物理观念,批驳了统治两千年之久的亚里士多德(Aristotle,公元前384—前332)的错误运动观念,阐明了他的运动理论。伽利略的运动理论包括:运动的描写和分类,自由落体定律,加速度的概念,惯性原理,抛体运动轨迹和相对性原理,等等。经典力学的基本理论体系是由牛顿(Isaac
Newton,1642—1727)在1687年建立起来的,因此经典力学也常称作牛顿力学。牛顿先用实验归纳的方法,总结了伽利略等人的研究成果,建立若干最一般、最明白的定义、公理,然后用严谨的推理建立起一个完整的演绎结构,最后又将这种演绎结果与实验事实相比较。牛顿对经典力学的伟大贡献主要包括:严格定义了质量、动量、惯性、外加力、向心力等基本概念,总结出机械运动的三个基本定律,得出了力的合成分解、运动叠加原理、动量守恒原理、相对性原理等重要推论,发现了万有引力定律,等等。在牛顿之后,18、19世纪的物理学家继续发展、完善牛顿的力学理论,最终完成了自洽的经典力学体系。这个期间,确立了三大守恒原理:质心运动守恒原理、动量矩守恒原理和活力守恒原理。同时,矢量描写和运算的困难促使物理学家寻找牛顿力学新的表述形式,从虚功原理、最小作用原理发展为变分方法,逐步形成了分析力学的理论体系。

经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律。宏观,是相对于原子等微观粒子而言;低速,是相对于光速而言。经典力学的时空观建立在欧几里德几何学的基础上,空间向四方延伸,与时间无关;时间从过去流向未来,与空间无关。物体的长度是与测量参照系无关的绝对量,任何两个事件的同时性是绝对的。

经典力学的基本理论有三种表述形式:牛顿运动方程形式、拉格朗日的微分形式和哈密顿的积分形式。

经典力学包含质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等。理论的基本部分还可分为运动学、静力学和动力学。

2.热力学和经典统计力学

18世纪初蒸汽机的出现,促使人们对热现象进行深入的研究。系统的计温学和量热学的建立,标志着对热现象的研究走上了实验科学的道路。这时,一些人根据片面的实验事实,认为热是一种没有质量的流质,提出了当时颇为流行的热质说。与热质说相对立,另一些人认为热是物质运动的一种表现,以摩擦生热的事实沉重地打击了热质说。到了19世纪中叶,1842年迈尔(Julius
Robert
Mayer,1814—1878)提出能量守恒学说。迈尔认为热是一种能量,可以与机械能相互转化。同时,焦耳(JamesPrescott
Joule,1818—1889)用许多实验比较准确地测定出热功当量,给予能量守恒定律以坚实的实验基础,从而建立起了表明能量转化和守恒的热力学第一定律。紧接着,克劳修斯(RudolfClausius,1822—1888)和开尔文(Kelvin,1824—1907)分别在1850年和1851年各自独立地发现了热力学第二定律,指出了热力学过程的不可逆性。此后,人们在应用的过程中发展了热力学的数学理论,找到了包括熵在内的反映物质各种性质的热力学函数。1906年,能斯脱(Walther
Nernst,1864—1941)根据低温下化学反应的许多实验事实总结出热力学第三定律,指出绝对零度是不能达到的。这个定律的建立,使热力学理论更臻完善。

随着热力学第一定律的建立,热质说被彻底否定,研究热现象微观理论的分子运动论得到了迅速发展。在19世纪后半期,人们开始用统计方法研究由大量分子组成的系统,找出微观量与宏观量间的关系。这方面的主要工作包括:推导出理想气体的压强公式,引入平均自由程的概念,得出气体分子速率分布律,从微观角度解释热力学第二定律,建立非理想气体的状态方程,等等。气体分子运动论使用的几率统计法,为统计力学奠定了基石。1902年吉布斯(Josias
Willard
Gibbs,1839—1903)大大改进和发展了分子运动论的统计方法,提出了完整的系综理论,建立起经典统计力学的理论体系,其适用范围也扩展到固体、液体、气体等任何微观粒子的体系。

热力学和经典统计力学研究物质热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。热力学是热运动的宏观理论,是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的。它的研究方法是,根据由观察和实验所总结出的基本规律,用逻辑推理的方法,研究物体的宏观性质及宏观过程进行的方向和限度等。经典统计力学是热运动的微观理论,它从宏观物质系统是由大量微观粒子所组成的这一事实出发,认为物质的宏观性质,是大量微观粒子运动的平均效果,宏观物理量是微观量的统计平均值,用统计的方法研究物体的宏观性质。统计方法不一一考虑个别微粒的运动,而是运用力学定律研究极大数目微粒的综合作用,直接推求极大数目微粒运动的一些统计平均值。经典统计力学认为,单个微粒的运动遵从力学规律,大量微粒的整体遵从统计规律。

热力学最基本的规律是热力学第一、第二、第三定律,经典统计力学的最基本定理是刘维定理。

3.经典电动力学

经典电动力学,从广义上看,也包含了电磁学和波动光学的内容。

对电磁现象的系统研究始于18世纪中叶。1785年,库仑(Charles Auguste de
Coulomb,1736—1806)用扭秤实验发现电荷之间相互作用所遵从的定律——库仑定律,使电学进入科学的行列。随后伽伐尼动物电流的发现以及伏打电堆的发明,使欧姆(Georg
Simon
Ohm,1787—1854)在1826年用实验得到后来以他的名字命名的导体中电流的定律。差不多同时,奥斯特(HansChristian
Oersted,1777—1851)在1820年发现了电流的磁效应,揭开了电现象和磁现象的内在联系。同年,安培(André
MarieAmpère,1775—1836)得出电流元之间相互作用的规律,接着他又提出分子电流假说,把磁现象归结为单一的电流的作用。1831年,法拉第(Michacl
Faraday,1791—1867)发现了电磁感应现象,并在进一步的研究中建立了电磁感应定律,把电现象和磁现象进一步统一起来。

19世纪前半叶,物理学界仍然倾向于以粒子为核心的中心力思想,认为电磁作用是一种瞬时超距作用。法拉第的思想却是远为卓越的,他坚信,电和磁的作用不是没有中介地从一个物体传到另一个物体,他认为,是电场和磁场起到了这种媒介作用,从而第一次提出了场的近距作用的观念。法拉第还引入了力线的概念,给电磁场描绘出一幅形象的图画。麦克斯韦(James
ClerkMaxwell,1831—1879)进一步发展了法拉第的场和力线思想,他认为变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场,他还引入位移电流的概念,认为位移电流与电流一样在周围空间激发涡旋磁场。麦克斯韦利用数学对电磁现象的基本规律进行了理论总结,于1865年提出了电磁场的普遍规律——麦克斯韦方程组,最终完成了完整的、统一的电磁场理论。麦克斯韦还由此预言电磁波的存在,提出了光的电磁学说。1888年赫兹(Heinrich
Hertz,1857—1894)通过实验证实了电磁波的存在,给予麦克斯韦的理论以决定性的证明。

经典电动力学本身并没有正确解决场和电的物质基础这个最基本的问题。麦克斯韦仍然借助于“以太”来描述真空场的概念。对电的认识也没有深入到物质结构的微观领域。直到20世纪初创立了狭义相对论,才抛弃了“以太”,正确认识了电磁场的物质性。直到1897年,汤姆逊发现电子,人们才对电的物质基础——电子获得了具体的认识。这些基本问题的解决,使经典电动力学的理论得到了完善。同时,人们从麦克斯韦方程组出发,发展了对电磁场的数学描述,研究了电磁波的传播和辐射以及带电粒子和电磁场的相互作用等问题。

作为经典电动力学组成部分的波动光学在一开始是有其独立发展线索的。我们知道,可以把几何光学看成是波动光学的极限情况,而波动光学是以几何光学为先导发展起来的。在古代,人们就发现了光的直线传播原理和反射定律,在17世纪初又发现了折射定律。17世纪中叶,牛顿做了著名的色散实验,同时人们发现有与光的直线传播不完全相符的事实,观察到了衍射、干涉和双折射现象。这一时期,形成了光的微粒说和光的波动说,两派就光的本性问题展开了争论,微粒说占了上风。由于多数科学家赞成微粒说,在整个18世纪,光学几乎没有什么发展。19世纪是波动光学的辉煌时期,光的波动说得到了复兴和发展。1801年,托马斯·杨(Thomas
Young,1773—1829)最先用双缝显示了光的干涉现象,成功地测出了光的波长,用波动理论解释了牛顿环现象,并且提出了光是横波。1815年菲涅耳(Augustin
Jean
Fres-nel,1788—1827)用杨氏干涉原理扩展了惠更斯原理,运用这个原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播,同时也能解释光的散射现象。菲涅耳还进一步论证了光的横波性质,比较系统地研究了光的偏振现象。至此,波动光学的理论已基本形成,在与微粒说的斗争中获得了阶段性的胜利。1849年和1862年,人们两次在实验室中测定了光的速度,为波动光学通向电磁理论架起了桥梁。

1845年法拉第发现光的振动面在强磁场中旋转,揭示了光和电磁的内在联系。1865年麦克斯韦电磁场理论的建立,说明电磁波以光速传播,所以光现象是一种电磁现象,光波是波长在一定范围内的电磁波。这样,就把波动光学统一到经典电动力学的理论之中。为了研究产生高达光的频率的电振子的性质,也为了从物质结构的角度研究物质与光相互作用的过程,1896年洛仑兹(Hendrik
Antoon
Lorentz,1853—1928)创立了经典电子论。经典电子论不仅可以解释物质发射和吸收光的现象,还能解释光在物质中的传播以及折射率随光波频率而变的色散现象。不过,这些解释是极具局限性的。

经典电动力学研究电磁场的基本属性、它的运动规律以及它和带电物质之间的相互作用。物质的电结构是物质的基本组成方式,电磁场是物质世界的重要组成部分,电磁作用是物质的基本相互作用之一。

经典电动力学的表述形式与经典力学的表述形式有很大不同。经典力学要描述的是物体在任一时刻的位置和动量,其中只有时间是独立参量。而经典电动力学刻画任一时刻的场,不是指明它在三维空间上处于什么位置,而是指明它在空间每一点的值,即给出场函数,经典电动力学的基本理论可以由麦克斯韦方程组中的四个方程加以表述。

二 现代物理学的基本内容

现代物理学以相对论和量子力学为基础,它的研究范围已经扩展为从基本粒子到宇宙天体的各个领域,形成了许多分支学科和边缘学科。

1.相对论

澳门新蒲京娱乐诚,爱因斯坦(Albert
Einstein,1879—1955)创建的相对论主要是时空的理论,它放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间,建立了相对论时空观,使物理观念发生了一场根本的变革。在相对论中,局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论,推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。

狭义相对论。

1905年,爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论有两个基本假设:


相对性原理:所有惯性参考系都是等价的,物理规律对于所有惯性参考系都可以表述为相同形式;


光速不变原理:真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c,并与光源运动无关。

爱因斯坦从这两个假设出发,推导出两个惯性坐标系的时空变换关系即洛仑兹变换。从而彻底否定了“以太”的存在,并导出了运动刚体的“长度收缩”、运动时钟的“时间延缓”、同时的相对性及新的速度合成法则等。狭义相对论的时空观表明:第一,时间、空间和物质的运动是有密切联系的,时间和空间的特性是相对的,时间间隔和空间间隔的量度并不具有不变性,而是随物质运动状态的变化而变化的;第二,时间和空间存在着不可分割的联系,它们不能分割开来而独立存在,一切物理现象和过程都是在X、Y、Z和t的统一的四维连续区中存在着。

爱因斯坦把狭义相对论用于电动力学,证明了麦克斯韦方程组符合相对性原理,建立了相对论电动力学。在这里,电场和磁场已不再各自是一个矢量,而是一个反对称的四维张量,这个张量在不同的惯性系里按一定的规律变换。电场和磁场是这个统一的张量的不同分量,它们对于不同的惯性系表现出来的效应是不同的。在某一个惯性系中表现出的是一个纯粹的电场或磁场;在另一个惯性系中将同时表现出电场和磁场。这就是说,电磁场划分为电场部分和磁场部分,只具有相对意义,它与观察者所在的惯性系有关。

爱因斯坦还把相对论用于力学,建立了相对论力学。相对论力学能够正确地描述高速运动的规律,并且,当速度v<<c时,相对论力学能够过渡到经典力学。在相对论力学中,动量守恒和能量守恒这两条定律被统一成一条定律,给出了物体质量随速度增长的关系式以及质能关系式E=mc2,后者反映了质量与能量的等效关系。

广义相对论。

从1907到1915年,爱因斯坦提出并建立了广义相对论。这个理论的出发点是引力质量和惯性质量相等这一事实,由此可以提出等效原理的假设:引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。根据广义相对论,万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现。空间、时间的弯曲结构,决定于物质的能量密度与动量密度在空间、时间中的分布;而空间、时间的弯曲结构,又反过来决定物体的运行轨道。爱因斯坦由广义相对论作出的谱线红移、光线弯曲、行星轨道近日点运动的预言,已经被一些实验证实。

2.量子力学

量子力学是研究微观粒子基本运动规律的理论。1923年,德布罗意(Louis de
Broglie,1892—)提出物质波理论,开创了量子力学的时代。德布罗意认为,不仅光有波粒二象性,实物粒子也有波粒二象性。他还把描写物质粒子性的物理量与描写物质波动性的物理量联系起来,写出了以他的名字命名的关系式。1926年,薛定谔(Erwin
Schr

量子力学的基本方程——薛定谔方程,还进而建立了微扰理论,详细计算了散射等问题,完成了波动力学的创建工作。

差不多同时,海森伯(Werner Karl
Heisenberg,1901—1976)等人从量子化条件出发建立了矩阵力学,并成功地解决了氢原子能级、斯塔克效应、氢原子在电场和磁场中能级的移动等问题。波动力学和矩阵力学是从两个不同的方面研究一个共同的问题,它们的效果是相同的,可以通过数学变换从一个理论转换为另一理论。人们把波动力学和矩阵力学合在一起,统称为量子力学。1925—1930年,狄拉克(Paul
Adrien Maurice
Dirac,1902—1984)对量子力学理论作了全面总结,还建立了相对论量子力学。

3.现代物理学的各个领域

量子光学和现代光学。

1900年,普朗克(Max
Planck,1858—1947)在解释黑体辐射时提出了能量子假说,认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射,能量子是不连续的,其大小只能是电磁波的频率与普朗克常数乘积的整数倍。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设,把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中,提出了光量子理论,圆满解释了光电效应。其后的康普顿效应进一步证明了光量子理论。

量子力学的理论表明,光既具有波的性质,也具有粒子的性质,即波粒二象性。但光子不同于17世纪微粒说中的粒子,光子是和光的频率联系着的。

20世纪60年代前后,激光器的问世、全息摄影技术的应用、光纤通讯的发展、红外技术和遥感技术的出现,使光学进入现代光学的新时代,形成一些新的分支学科或边缘学科,如傅里叶光学、非线性光学、激光光谱学、集成光学等。

原子物理。

1911年,卢瑟福(Ernst
Rutherford,1871—1937)通过实验提出原子的有核模型,但在经典物理下,该模型同原子的稳定性发生了矛盾。1913年,玻尔(Niels
Bohr,1885—1962)将量子观念引入原子系统,通过定态假设和频率假设两个假说建立了他的原子结构理论,并成功地解释了氢原子光谱规律。后来,人们又提出空间量子化的概念,研究了原子的壳层结构,发现了电子的自旋,不断修正了原子结构理论。

这种在量子力学之前形成的原子理论,是有很大局限性的,其关键在于未能用波粒二象性去考虑原子问题。在这个理论中,研究范围每扩大一步,一般都要附带进若干新的假设或某些经验公式,因此它不是一种完整的理论。只有以量子力学为基础对原子结构进行研究,才能得到原子结构的精确描述。