第四章物理科技   物理在科技发展的过程中也是占着不可忽视的位置。在现代的生活中,激光的技术可谓是越来越多了,而激光这门科技就是根据物理发明出来的。技术的发展是以自然科学为理论基础的。19世纪末和20世纪初,在物理学方面,由于电子,X射线,放射性元素的发现,以及相对论和量子论的创立,导致了物理学和其他自然科学的革命性变革,在此基础上使物理学,化学,生物学,天文学和地学等基础科学从经典形态发展到现代形态。   物理学的定义   ※闪电所谓的物理就是指事物的内在规律,事物的道理。物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学,简称物理。物理学的主题是寻找各种序、对称性和对称破缺、守恒律或不变性。物理学也是人们对无生命自然界中物质转变的知识做出规律性的总结。生命自然界中的运动和转变应有两种:一是早期人们通过感官视觉的延伸,二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器,实验得出的结果,间接认识物质内部组成建立在仪器使用的基础上。物理学按研究角度及观点不同,可分为微观与宏观两部分,宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果,是最早期就已经出现的。微观物理学随着科技的发展理论也在逐渐地被完善。   ◎物理的起源   欧洲“物理”一词最先出自古希腊,它用古希腊语翻译出来就是“自然”。古希腊时期出现了阿基米德、苏格拉底等一批早期的物理科学家。在古代,欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。“自然哲学”从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问。汉语、日语中“物理”一词则是起源于明末清初科学家方以智的百科全书式著作《物理小识》。   ◎物理组成要素   物理学的领域是研究宇宙的基本组成要素:物质、能量、空间、时间及它们的相互作用;借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。物理最先是由与它极相像的自然哲学的研究所组成的,直到十九世纪物理才从哲学中分离出来成为一门实证的科学。在现代生活中,物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。物理学理论通常是以数学的形式表达出来,然后经过大量严格的实验验证的物理学规律被称为物理学定律。然而如同其他很多自然科学理论一样,这些定律不能被证明,其正确性只能经过反复的实验来检验。物理学与其他许多自然科学之间是息息相关的,如数学、化学、生物、天文和地质等。特别是数学和化学,化学与某些物理学领域的关系深远,如量子力学、热力学和电磁学,而数学是物理学的基本工具,也就是物理学依赖着数学。   ※小孔成像   物理学不仅是一门学科,更是一种智能。现代生活中,物理学已经被广泛应用到了科技当中。诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言:“与其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现,倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学,不仅仅是因为它对客观世界的规律作出了深刻的揭示,并且它在发展、成长的过程中,形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此,物理学才成为当之无愧的智能结晶和文明的瑰宝。   大量的事实已经证明了:物理思想与方法不仅对物理学本身有价值,而且对整个自然科学,乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。曾经有人统计,从20世纪中叶以来,在诺贝尔化学奖、生物及医学奖,甚至经济学奖的获奖者中,有一半以上的得奖人都是具有物理学的背景,这个现象也就意味着他们从物理学中汲取了智能,转而在非物理领域里获得了成功;反过来,却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。总之,物理学是概括规律性的总结,是概括经验科学性的理论认识。   知识窗·物理学在科学技术发展中的作用与地位·   现代科学技术正在以惊人的速度快速发展着,而在物理学中每一项科学的发现都成为新技术发明或生产方法改进的基础。物理学本身就是以实验为基础的学科,物理学中的实验为物理学发展创造了条件,同时也为现代工农业生产技术的研究打下了物质基础。当前我国为了积极跟踪全世界新科学技术,正在努力在生物工程、电子技术、自动化科学、新材料、新能源、航空航天、海洋工程、激光、超导、通讯等等新技术领域取得新的科技发展。这些科技发展都是离不开物理的。   1.使用炉灶烧水或炒菜,要使锅底放在火苗的外焰,不要让锅底压住火头,可使锅的温度升高快,为什么?   中国古代物理学的发展   ※候风地动仪   在中国古代,物理学和哲学是混为一体的。在我国古代关于物质和运动的概念都是物质观,中国古代有多种说法来评论物质的构成,如“五行说”,“八卦说”,“元气说”以及墨家提出的“原子论”等等;在我国古代关于运动的观念,人们把运动理解为一般变化,其中包括产生和消灭,数量增减和性质变化,以及位置移动等。当中对于位置的移动,《墨经》中有专门的论述,并对“运动”和“静止”的观念下了定义:经上:“动,或(域)徙(徙)也。”意思是说,凡物之动,乃其所处的位置的变化。其他我国古代和物理学有关的知识,我国古代的物理学相关的知识主要是从力学、光学和声学等三个方面来讲的。   ◎力学方面   我国现存的有关我国古代手工业技术规范的书籍——《考工记》,这本书大约是春秋时代(前700—前400)末年的作品。《考工记》中记述了许多手工业的工艺制作与设施,汇集了至公元前3、4世纪时的工程技术知识。其中这些工程技术知识都包含力学知识,主要有:关于惯性的记载、滚动摩擦的论述、论箭的飞行与保持稳定,还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些软科学知识。   关于力学的知识在《墨经》中也曾有记载。《墨经》是战国时代以墨翟(前490—前403)为首的墨家的代表作,《墨经》分为“经”与“经说”两大部分。其中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述,而是对力学现象进行了粗浅的概括,并进行了一些推理论证。诸如,关于时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述,以及斜面、滑轮及其应用等等。   侯风地动仪是东汉张衡(78—139)所制的世界上第一台地震仪。《后汉书张衡列传》上有下面一段记载:“(顺帝)阳嘉元年(132),复造侯风地动仪。以精铜铸成,圆径八尺,合盖隆起,形似洒尊,饰以篆文山龟乌兽之形。中有都柱,傍行八道,施关发机。外有八龙,首衔铜丸;下有蟾蜍,张口承之。其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际。如有地动,尊则震,龙机发,吐丸而蟾蜍衔之,振声激扬,伺者因此觉知。虽一龙发机,而七首不动。寻其方面,甩乃知震之所在。验之以事,合契若神。自书典所记,未之有也。当一龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征。后数日驿至,果地震陇西。于是皆服其妙。自此以后,乃令史官记地动所从方起”。显然,这是一种测定震源方向的仪器。   记里鼓和指南车,是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两种利用各种齿轮的复合运动转动的自动机构。其中记里鼓是利用原动齿轮带动大小不同的一套从轮,使车轮转动把车行的里数自动地表示出来的一种装置。指南车是利用一套能自动离合的齿轮系统的定向装置,使得立在车上的一个木制人像的手永远指着固定的方向。关于这两种装置的结构,也都是采用了力学的知识来研究的。   ◎光学方面   光学知识的记载在《墨经》中的经下中的八条最为系统。这一条的内容涉及了影子生成的道理,本影和半影,由物体与光源的相对位置确定影子的大小,光的直线传播实验,光的反射性和平面镜成像,凹面镜成像,凸面镜成像等。它已触及了几何光学很大一部分,从时间上看要比古希腊的科学家注《反射光学》早一百多年,所以,《墨经》中的光学条文,不仅是我国最早的光学著作,也是世界古代科技史上难得的较全面的光学著作。   ◎声学方面   据文献记载和考古的发现,周朝以前就已经有了各种乐器(管、弦和打击乐器),而且很早就制定了有科学根据的乐律,即各音之间有频率的简单整数比的关系,或是说它们之间有一定的音程。乐律说有丰富的物理声学内容,它的产生和发展就是从物理中的声学发展而来的。《吕氏春秋》上记载有“昔黄帝令伶伦作为律,伶伦自大夏之西,乃之阮阝俞之阴,取竹于山介溪之谷,以生空窍厚均者,断两节间,其长三寸九分而吹之,以为黄钟之宫,吹曰舍少。次制十二筒,以之阮俞之下,听凤凰之鸣,以别十二律”,这个是属于传说的东西虽然不能全信,但是无风不起浪,早在公元前六世纪有个叫伶州鸠的乐官曾把十二律的名称一一列举,并把它们的出现和周武王伐纣(前1066)的时间联系起来。因此,根据这个推断在这之前肯定就有了系统的乐律了。在声学方面除了乐律之外,还有关于共鸣的知识也是值得提出的。我国古籍中多次记载了物体的共振和声音的共鸣现象。《墨子·备穴篇》记述了利用空气柱的共鸣作侦破敌军挖洞攻城的方法。   知识窗·中国古代物理学的发展特点·   中国古代物理学发展是持续的,它不像西方的物理学有古希腊的繁盛也有中世纪漫长的沉寂以及文艺复兴后的一尘崛起。但是与其说是中国古代物理学的发展是持续的,倒不如说是在中国历史上有些价值的物理知识是能够借助于典籍保存下来的。中国古代物理学发展的物点:(1)中国古代的物理学的成就在于首创性、历史连续性、全面多样性等,这些都是受世界瞩目的;(2)具有经验性、描述性、实用性与本土化是我国古代物理学的一个突出点;(3)与农业关系密切的学科更多地得到发展是我国古代物理学中又一个突出特点;(4)其整体观与西方科学注重分析不同,中国传统物理重整合,重从整体上把握事物,重事物的结构、功能和联系。   1.往保温瓶灌开水时,不灌满能更好地保温。为什么?   2.列举出利用物理学发明的科技产品?(3种)   西方古代物理学的发展   ※亚里士多德   公元前8世纪在欧洲诞生了光芒四射的古希腊文明,随着古希腊文明的兴起,物理理论也有了很大的发展,例如对宇宙的认识,对光学的认识等等。   (一)对世界本原的认识   朴素元素论:米利都学派创始人泰勒斯(约前624—前547)认为万物本原是水,万物生于水又复归于水。其学生阿那克西曼德(约前610—前546)提出一种“无限者”(或“无定”、“不固定者”)作为万物本原。后者的学生阿那克西米尼(约前585—前525)则以实实在在的“气”作为万物本原。之后的赫拉克利特(约前540—前475)又把富于变化的“火”作为万物本原。   也有学者认为万物的本原是多种元素。恩培多克勒(约前490—前430)提出了“四根说”,即土、水、气、火四种元素。这四种本原以“爱”和“恨”相吸或排斥而结合成万物,万物的变化就是这四种元素的分离与重新组合。米利都学派的泰勒斯认为地像一个圆盘或圆桶浮在水上。   古希腊的元素论到了亚里士多德(约前384—前332)时期才算有了定论。亚里士多德认为地上万物由轻重不同的土、水、气、火四种元素组成,天体由神圣纯洁的以太组成。并且他还提出元素由冷、热、干、湿四种基质结合而成。正是由这四种元素的不同的结合才构成了世界万物。   古代原子论:米利都学派的留基伯(约前500—前440)和他的学生德谟克利特(约前460—前370)创作了原子论。一百年后,伊壁鸠鲁(约前342—前270)又在其基础上把原子论的思想延伸了。   公元前6世纪至公元前5世纪,毕达哥拉斯(约前584—前497)创建了古希腊哲学中很独特的一个学派,这是一个研究数学与宗教的秘密结社,公元前5世纪分裂为科学派和宗教派。毕达哥拉斯学派反对物质元素是万物本原的观点,认为数是独立于物之外的实质,数是万物本原,“万物皆数”,“数支配着世界”,“万物的本原是一”。他们认为1是同一,是普遍的由1可以产生2,产生出各种数;2是意见,是1的对立物;3是实在与圆满,所有的一切都由3决定;4是主义;10是灵魂与理性,10=1+2+3+4,包括了数的全部本性。由数可以产生几何上的点、线、面、体,有了体才可以产生火、气、水、土元素,从而产生万物,数在物之先,数是事物的终极原因。   (二)对宇宙的认识   在西方古代物理学的发展过程中,也兴起了好多学派和他们的说法。   柏拉图学派:柏拉图(前427—前347)认为永恒神圣的天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动,或者是沿着复合的圆周运动。他的学生欧多克索和亚里士多德提出了同心球层模型:太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。   地心说:古希腊后期的阿波罗尼(约公元前247—205)为了克服同心球层模型的困难,提出了“本轮—均轮”结构模型:行星沿着本轮做圆周运动,本轮的中心在以地球为中心的均匀轮上做圆周运动。   太阳中心说:阿里斯塔克(约前310—前230)提出了与众不同的见解,认为地球不是宇宙的中心,太阳才是宇宙的中心,地球和行星都围绕太阳做圆周运动,恒星在远处,是不动的。   毕达哥拉斯学派企图用“数的和谐”来建立关于宇宙的理论。毕达哥拉斯学派认为球体是最完美的几何形体,所以他们断言,宇宙是球形的,当中是中心火团,各种物体都围绕中心火团做均匀圆周运动;恒星紧系在天的最高圆顶,这个圆顶三万六千年绕中心火团转一周,下面是同心运动的球体(水、金、火、木、土星、太阳、月亮和地球)。   (三)对光学的知识   欧几里德和希隆是古希腊国对光的反射的研究贡献最大的科学家。前者是把几何学运用到光现象的研究上,并且开创了几何光学。他著有《反射光学》,确立了光的直进性并建立了反射定律,确定了凹面镜的聚焦点在球心或球心与球面之间。希隆(约前150—前100)也著有《反射光学》一书,其主要内容是关于镜子的理论和实际应用。   古希腊时期曾对磁和声也有一定研究。柏拉图在《蒂迈欧》中,亚里士多德的学生泰奥弗拉斯托斯在《论石》中都指出磁石和琥珀吸引他物的能力。卢克莱修在《物性论》中曾用原子论来解释磁石吸铁现象,而且他是第一个记述磁力相吸现象的科学家。   古希腊人在制造乐器的过程当中也积累了一些声学知识,毕达哥拉斯学派还最早创立了“五度相生律”。亚里士多德认为声音是靠某种介质来进行传播的,空气和水都可以传播声音。他还认识到声的反射可以产生回声。古罗马的建筑师重视剧场建筑的声学问题,维特鲁威的名著《论建筑》开创了建筑声学的研究。   知识窗·西方古代物理知识——力学知识·   在西方,古代对物理中力学知识最有研究的就是亚里士多德和阿基米德。   1.亚里士多德对力学研究   1)关于空间:他认为空间即意味着不动。提出了空间位置的相对性,如“同一位置可以是右也可以是左,可以是上,也可以是下。”但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的。   2)关于时间:他认为时间就是描述运动的数。他说“时间是使运动成为可以记数的东西”“我们不仅用时间计量运动,也用运动计量时间,因为他们是相互确定的”。他认为时间不同于运动,运动有快有慢,而时间的流逝则是均匀的。   3)关于运动:他认为运动就是变化,并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。   自然运动是指由于物体在“内在目的”的支配下寻找其“天然位置”的运动,与物质所含元素有关,如重物的垂直下落和轻物竖直上升。含土元素的重物的天然位置在地心,由火元素构成的轻物的天然位置在天空等。物体越重,下落就越快;物体越轻,上升就越快。   强迫运动指借助外力进行的运动,撤去外力,运动停止。物体的运动速度与施加的外力成正比,与在介质中受到的阻力成反比。   对抛体运动的解释:自然界害怕虚空,填补空虚推动物体。   对自由落体速度越来越快的解释:物体越接近其天然位置,其奔向倾向就越强;上方空气柱的重量越来越重等。 4)  意义:亚里士多德能够摆脱神的意志,并能形成一套自圆其说的体系,在当时是有非常重要意义的。在科学史上,他是一个重要的开拓者,尽管其许多观点是错误的,但其历史作用不可否定。   2.阿基米德对力学的研究   阿基米德是古希腊最著名的物理学家,数学和力学大师。后人称他为“物理学之父”。著有《论平面的平衡》、《论浮体》,其数学研究在之后达到那个时代的顶点。   1)杠杆原理:用了7条假设,论证表述了15个命题。   2)浮力定理(阿基米德定理);   3)证明了正圆柱内切球体的体积与该圆柱体积之比为2.3;他采用了两种方法:   ①实际制作了两个材料相同的模型,称其重量;   ②从数学上推导论证。   4)提出了重心的概念和物体重心的求法;   5)计算了π的数值在3又10/71和3又1/7之间;   6)发明了滑轮组;   7)发明了阿基米德螺旋提水器等。   1.毕达哥拉斯学派是如何运用“数的和谐”思想建立宇宙体系的?   2.煮食物并不是火越旺越快。因为水沸腾后温度不变,即使再加大火力,也不能提高水温,结果只能加快水的汽化,使锅内水蒸发变干,浪费燃料。正确方法是什么呢?   中世纪欧洲的物理学   中世纪的欧洲随着罗马帝国的灭亡、宗教的残酷统治而进入黑暗的中世纪,那一时期科学、文化等都受到了极大摧残。中世纪的欧洲分为了黑暗时代、阿拉伯文化时代和经院哲学时代三个时期。   1)中世纪欧洲——黑暗时代(5—8世纪):欧洲在这一时期战争频繁、社会动荡,并且古希腊学术也随之终结了。在这一时期最具有代表性的就是公元6世纪亚历山大里亚的斐劳波诺斯的冲力学说。斐劳波诺斯说天体的运行并不是神灵推动的,而是上帝在初始创造时赋予天体的一种“冲力”,并且靠着这种冲力来维持天体的永恒运动,而且这种冲力也是永恒的。   2)中世纪欧洲——阿拉伯文化时代(8—11世纪):在西方文化处于黑暗之时,东方中国的智慧之光却照亮了整个世界。地处于东西方贸易交流纽带的阿拉伯,成为沟通东西方科学文化的桥梁,为世界科学做出了重大贡献。   穆斯林是阿拉伯帝国时期在物理学方面取得最大成就的物理学家之一,主要集中在光学与力学方面。物理学家金迪(801—873)同时也是数学家、天文学家、哲学家、化学家和音乐理论家,他一生至少著有265部学术著作,但是只有15部拉丁文译本传入了社会。这15本学术著作主要是关于气象、比重、潮汐、(几何)光学,以及音乐理论等方面的论述,许多内容也都是与物理息息相关的。   阿勒·哈增(965—1040)在光学研究中不仅说明了光在同一物质中是沿直线传播的,而且还研究了光的反射和折射。他在实验中不但研究平面镜、球面镜、柱面镜和抛物面镜,而且研究球面像差和透镜的放大率。大气折射也是他研究的范畴。在光学研究中哈增首先应用数学方法解决几何光学的问题。他关于球面像差、透镜的放大率和大气折射方面的发现通过开普勒等人的介绍,对欧洲科学的发展有很大的影响。   哈增的另一项重要贡献是对视觉原理的阐释,在哈增以前,人们一直坚信古希腊学者柏拉图(前427—前347)和古希腊提出的“视觉是由于眼睛发射出光线照射于物体上而产生的”这一错误观念,而哈增的观点是——视觉是反射光线射入眼球所致。   3)中世纪欧洲——经院哲学时代(11~12世纪)。经院哲学是封建统治阶级为了统一人们的思想而发展起来的官方哲学,因为它产生在教会的学院里所以才被称为是经院哲学时代。在这一时期哲学成了神学的婢女,自然科学也失去了自己的声音,自由的科学精神被彻底地禁锢起来了。   哈兹尼是这一时期物理学上最具有代表性的人物。哈兹尼设计一种奇妙的“智慧秤”,这种称在没有砝码的情况下也能测量物质的重量和比重。为此他在1137年还写了一本书《智慧秤的故事》。另外,哈兹尼对比重的研究也卓有成效。他发现空气其实是具有重量的,使得阿基米德的浮力定律在空气中也能适用。哈兹尼还发现并证明越接近地心水的密度越大,他知道物体在不同高度测量重量是不同的,进而提出了一种重要的物理学思想——物质的(质)量不同于重量,而且二者之间的关系是正比关系。   物理学在欧洲中世纪虽然停滞了一段时间,但是对亚里士多德力学的重新思考和新研究方法的孕育,为新物理学的产生作了许多准备。“于无声处听惊雷”,近代物理学革命的暴风骤雨即将到来。   知识窗·中世纪欧洲·   中世纪的欧洲,科学文化没有提高,技术却缓慢而扎实地前进。农业技术提高了生产率,促进了手工业和商业的发展。而航海技术的发展,促进了对外贸易。随着欧洲与伊斯兰世界的贸易兴盛,伊斯兰文化和以伊斯兰文化为媒介的古希腊著作传入欧洲。   在十三世纪,欧洲出现了经院哲学。它是希腊和阿拉伯哲学与基督教信仰冲突的结果。是由托马斯·阿奎那(1225—1274)在对亚里士多德的形而上学研究的基础上集大成而得。经院哲学是以为神辩护为目的的哲学。经院哲学一词本义指中世纪学校中遵循的教学和学术方法。这就意味着它是非常系统的,也是极其尊重权威的。中世纪学者认为希腊人精于自然知识,而所有自然启示都见于《圣经》,经院哲学便是二者协调一致的产物。   中世纪在经过漫长的700年之后,到公元1300年的时候,欧洲出现了神学与哲学方面的信仰危机。这种怀疑并不涉及对上帝及其超自然力量的是否存在的问题,而是对人类是否有能力领会这种超自然力量产生了怀疑。14世纪的洪水泛滥、霜冻、战争和瘟疫消除了人们对人类理解大自然能力的信心。他们发现宇宙随心所欲,难以预测。从十四世纪开始人们对从前的神学和哲学观念进行彻底的重估。于是,一场新的思想变革开始了,这便是文艺复兴。   1.用砂锅煮肉或烧汤时,当汤水沸腾后从炉子上拿下来,则汤水仍会继续沸腾一段时间,而铁、铝锅却没这种现象,这是为什么?   近代著名物理学家   物理对科技的发展起着至关重要的作用,在物理学界中有很多著名的物理学家,他们的努力和成就推动了科学的发展,科技的进步。   ◎居里夫人   ※居里夫人   居里夫人(1867—1934),法国籍波兰科学家,主要研究于放射性现象,并发现镭和钋两种放射性元素,居里夫人在一生中曾两度获诺贝尔奖。作为杰出科学家,居里夫人因为是成功女性的先驱,她的典范也激励了很多人,所以她有着其他科学家所没有的社会影响。   ※爱因斯坦   ◎爱因斯坦   阿尔伯特·爱因斯坦(1879—1955),是世界十大杰出物理学家之一。爱因斯坦是现代物理学的开创者、集大成者和奠基人,同时他也是一位著名的思想家和哲学家。爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职,在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任大学教授。1913年返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1933年爱因斯坦在英国期间,被格拉斯哥大学授予荣誉法学博士学位(LL·D)。因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高级研究所教授,之后开始从事理论物理研究。爱因斯坦在1921年,因发明的“光电效应定律的发现”而获得了诺贝尔物理学奖。他还发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗动动理论和狭义相对论这四篇重要论文。   ◎邓稼先   中国著名的核物理学家——邓稼先。邓稼先在1924年6月25日生于安徽怀宁,祖父是清代著名书法家和篆刻家,其父是著名的美学家和美术史家。七七事变后,全家滞留北平,16岁随其姐来到四川江津念完高中。※邓稼先雕像1941~1945年在西南联大物理系学习,受业王竹溪、郑华炽等著名教授。1945年抗战胜利后,迁返北平,在北大物理系任教。1948年到美国印第安州普渡大学念研究生,被选入“留美科协”总会干事会。新中国的诞生促使他决定要尽早回到祖国的念头。1950年8月,在他取得学位后的第九天,冲破重重险阻登上了回国轮船。1950年10月在中国科学院近代物理研究所任助理研究员,从事原子核理论研究。1958年8月调到新筹建的核武器研究所任理论部主任,负责领导核武器的理论设计,后历任研究所副所长、所长,核工业部第九研究设计院副院长、院长,核工业部科技委副主任,国防科工委科技委副主任。邓嫁先是我国核武器研制与发展的主要组织者和领导者,他在我国的物理学史上占有很重要的地位。   ◎钱学森   ※钱学森   钱学森(1911—2009),中国科学家,火箭专家,1911年12月1日生于上海,3岁时随父来到北京,1934年毕业于上海交通大学机械工程系,1935年赴美国研究航空工程和空气动力学,1938年获加利福尼亚理工学院博士学位。后留在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。1950年开始争取回归祖国,受到美国政府迫害,失去自由,历经5年于1955年才回到祖国,1958年起长期担任火箭、导弹和航天器研制的技术领导职务。   ◎霍金   ※霍金霍金(1942年1月8日—),出生于英国牛津,是英国著名的物理学家。霍金的贡献就是对黑洞性质的研究和提出了量子引力论,他在论证的重要程度上虽赶不上牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的两个相对论,但是也让他在科学名人堂中留下一席之地。霍金在其贡献之中,最为重要的就是他的量子引力论,当中整合了现代物理学的两大领域,自成体系,使他能与创立分子生物学(生物学与量子力学的成功结合)的科学家平起平坐。1971年,霍金指出,宇宙大爆炸时间可能产生像质子那么小(半径10~13厘米)的重约十亿吨的“太初黑洞”,它们的寿命大约和宇宙年龄相同。1973年霍金、卡特尔(B·Carter)等人严格证明了“黑洞无毛定理”。“无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)惟一确定”。即当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了。“黑洞”的命名者惠勒(J·A·Wheeler)戏称这种特性为“黑洞无毛”。   知识窗·著名的物理学家——伽利略·   伽利略是意大利国著名的物理学家、天文学家和哲学家,是近代实验科学的先驱者。伽利略发明了温度计和天文望远镜,是近代物理学的开拓者,还被称为是“近代科学之父”。伽利略是第一个把实验引进力学的科学家,他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后,他经过长久的实验观察和数学推算,得到了摆的等时性定律。伽利略还提出了运动基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究,并给出了严格的数学表达式。伽利略还提出过合力定律,抛射体运动规律,并确立了伽利略相对性原理。伽利略在力学方面的贡献是多方面的。1642年1月8日,凌晨4时,为科学、为真理奋斗一生的战士,科学巨人——伽利略离开了人世,享年78岁。在他离开人世的前夕,他还重复着这样一句话:“追求科学需要特殊的勇气。”伽利略的一生都奉献给了社会,奉献给了科学,他是人们公认的著名的物理学家。   1列举出其他著名的物理学家,并说明其主要成就?(2个物理学家)   2冻肉解冻用什么方法最好?   原子核物理学   ※原子核   原子物理学属于物理学分支,主要研究原子核的结构和变化规律,获得射线束并将其用于探测、分析的技术,以及研究同核能、核技术应用有关的物理问题,简称核物理。   1896年,贝可勒尔发现天然放射性,也是人类首次观测到核变化,这一发现被称为是核物理学的开端。在经过漫长的一百年之后,核物理学现在已经是硕果累累。探测、记录射线并测定其性质,一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。   1919年,卢瑟福等人发现用α射线轰击氮核时释放出质子,这一发现也是首次实现人工核反应的实验。此后用射线引起核反应的方法就继承了研究原子核的主要手段。核物理在初期的时候取得最大的成果就是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的制备。原子核是由中子和质子组成的。中子的发现不仅为核结构的研究提供必要的前提,还因为它不带电荷,不受核电荷的排斥,容易进入原子核而引起中子核反应,成为研究原子核的重要手段。30年代中,人们还从对宇宙线的观测发现正电子和“介子”(后称μ子),这些发现是粒子物理学的先河。   20年代后期,物理学家开始对加速带电粒子的原理进行研究。30年代初,静电、直线和回旋等类型的粒子加速器已具雏形,在高压倍加器上实现初步核反应。物理学家也发现了利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束,大大扩展了核反应的研究,使加速器逐渐成为研究原子核、应用核技术的必要设备。   在现阶段社会中,随着重离子加速技术的发展,已经可以有效地加速从氢到铀全部元素的离子,能量也达到每核子1×109eV,因而也扩充了变革原子核的手段,使重离子核物理研究有全面的发展。强束流的中、高能加速器不仅提供直接加速的离子流,还能提供诸如π介子、Κ介子等次级粒子束,从另一方面扩充了研究原子核的手段,加速了高能核物理的发展。超导加速器的研究大大缩小加速器的尺寸,降低造价和运转费用,并提高束流的品质。   现代社会中,核物理实验方法和射线探测技术也有了新的发展。微处理机和数据获取与处理系统的改进,影响深远。在过去,核过程中同时测定几个参量就很困难,现在,一次记录几十个参量都变得非常的普遍。对一些高能重离子核反应,成千个探测器可同时工作,一次记录和处理几千个参量,以便对成千个放出的粒子进行测定和鉴别。另一方面,一些专用的核技术设备都附有自动的数据处理系统,简化了操作,并推广了使用。   在原子核物理学诞生、壮大和巩固过程中,核技术的应用使核物理基础的研究获得了更广泛的支持,后者也为前者不断开辟新的途径。这两方面的需要推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展,而这两门技术的新发展,又有力地促进了核物理的基础和应用的研究。这种相互推动、共同发展的趋势,使核技术的应用将在核物理的新阶段中发挥日益巨大的作用。   ◎核能的用途   核能的应用有很多的用途,如原子能发电站。1945年6月27日,前苏联在莫斯科附近首先建成原子能发电站,到目前为止已经有40多个国家拥有400多座核电站。核电站建造时虽然投资很大,但是在建造成之后核电的成本却很低,比火电成本低30%左右,核电站还具有运行安全、环境污染小等优点,现在在美、法、日、德、俄等国已经被广泛采用。核能还可以运用到农业方面:螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐,能在家畜中产卵,害死家畜,繁殖极快。美国采用了以毒攻毒的方式,将螺旋虫用核辐射处理,使之无生育能力,但能交配,18个月内,每星期播放5千万只这样的虫子,整个地区的螺旋虫被消灭了。   知识窗·原子核的基本性质·   原子核的基本性质:1)原子核的电荷。原子核带有正电荷,原子核中的电荷由质子数z决定,质子数z等于核外电子数,它决定了原子在周期表中的位置与次序,因此z又称为原子序数。2)原子核的质量。原子核的质量等于原子的质量减去核外电子的质量,由于核外电子的质量极小,原子核的质量与原子的质量相差极小。3)原子核的形态及组成。原子核是一个球体,质子和中子统称为核子,原子核是由z个质子和A~Z个中子构成的。   1.在运动的汽车尾部看到卷扬的尘土形成原因是什么?   2.冬天,为防冻坏水箱,入夜时要排尽水箱中的水,为什么?   3.小汽车的后窗玻璃板中嵌有一道道的电热丝,它的作用是什么?   4.油罐车的尾部通常要挂一条铁链直达路面,为什么?   物理学的科技成果——激光   ※激光器   20世纪以来,激光是继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光的亮度非常的高,约为太阳光的100亿倍。“莱塞”是它的英文名称LASER的音译,意思是“通过受激发射光扩大”。1964年我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”,之后,人们就把它称为了“激光”。激光应用的范围很广泛,主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。   ◎激光的起源   激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦。1916年,爱因斯坦提出了原子中处于高能级的电子,受外来光子的作用,当外来光子的频率与它的跃迁频率一致时,原子中的电子就会从高能级跳到低能级,并会发射出一个光子,新光子与原光子频率、发射方向、相位等都相同,这样一个光子变成了两个光子,在条件合适的情况下,光子就会像雪崩一样,得到加强和放大,这种放大的光就被称为是激光。   ◎激光的发明   1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象:当他们将钠光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们又提出了“激光原理”,即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光——激光。为此肖洛和汤斯还发表了一篇重要的论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。   1960年5月15日,美国加利福尼亚洲休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为06943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。   终于,梅曼在1960年7月7日研制成功世界上第一台激光器。梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石色水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。   激光可以定向发光,激光器发射的激光,都是朝一个方向射出,并且其光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将整个月球都覆盖了。   激光的亮度极高所以它能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球,产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯,人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因也是因为它可以定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然就会增高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的,而且它是人类创造的。   激光的颜色特别地纯,由光的波长(或频率)决定。一定的波长对应一定的颜色。激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米,是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见,激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。   激光的能量密度极大:激光能量并不算很大,但是它的能量密度却很大因为它的作用范围很小,一般只有一个点,短时间里聚集起大量的能量,所以可以用做武器。   知识窗·激光打印机的原理·   激光打印机的核心技术就是所谓的电子成像技术,这种技术融合了影像学与电子学的原理和技术以生成图像,核心部件是一个可以感光的硒鼓。激光发射器所发射的激光照射在一个棱柱形反射镜上,随着反射镜的转动,光线从硒鼓的一端到另一端依次扫过(中途有各种聚焦透镜,使扫描到硒鼓表面的光点非常小),硒鼓以1/300英寸或1/600英寸的步幅转动,扫描又在接下来的一行进行。硒鼓是一只表面涂覆了有机材料的圆筒,预先带有电荷,当有光线照射时,受到照射的部位会发生电阻的变化。计算机所发送来的数据信号控制着激光的发射,扫描在硒鼓表面的光线不断变化,有的地方受到照射,电阻变小,电荷消失,也有的地方没有光线射到,仍保留有电荷,最终,硒鼓表面就形成了由电荷组成的潜影。   1.汽车在夜间行驶时,车内一般不开灯,为什么?   2.汽车前的挡风玻璃通常都不直立(底盘高大的车除外),为什么?   3.挂在壁墙上的石英钟,当电池的电能耗尽而停止走动时,其秒针往往停在刻度盘上“9”的位置,为什么?   4.有时自来水管在邻近的水龙头放水时,偶尔发生阵阵的响声,为什么?

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