物理学原理在工程技术中的应用学习资料.doc

物理原理与工程技术内容提纲：本书以通俗的语言介绍了物理原理与工程技术的关系，介绍了力学、热学、电磁学、光学、相对论、原子物理、半导体物理、凝聚态物理等知识及其在工程技术中的应用。特别强调物理知识在现代高新技术中的应用。全书分为15章，涉及：力学原理与工程技术、流体力学与流体机械、机械波与声学技术、热能与动力、电磁理论与电磁技术、电磁波与无线电技术、半导体物理与微电子技术、传统光学技术、现代光学技术、物理效应与传感技术、真空技术及其应用、能源技术、现代测试技术、高能物理与加速器、新型功能材料。本书重要供大专院校各类学生和工程技术人员学习使用，也可作为中学生开展素质教育和一般读者了解物理知识与工程技术关系的参考读物。编辑推荐：本书试图以“从自然到物理、从物理到技术、从技术到生活”为脉络，所讲述的内容既有工程应用背景又与物理学原理相配套，可以使读者拓宽视野，加深其对物理学基本原理及物理学在工程技术领域前沿作用的理解。本书从工程实际出发，避开技术细节，把实际问题抽象成物理模型，并用物理学原理进行分析，提出合理的解决方案，有助于提高读者分析和解决问题的能力；在工程技术应用的具体介绍上，把侧重点放在物理原理和它在生产、生活中的应用上，而不是放在其结构和制造工艺上，并力求做到通俗易懂。重要内容涉及：力学原理与工程技术、流体力学与流体机械、机械波与声学技术、热能与动力、电磁理论与电磁技术等。目录：第一章力学原理与工程技术第一节动量守恒定律与火箭推动原理一、动量守恒定律二、火箭推动原理第二节力学原理与惯性导航一、牛顿力学的基本内容二、陀螺仪三、加速度计四、惯性导航第三节万有引力定律与人造卫星一、万有引力定律二、人造卫星三、同步卫星的发射高度和运营速度四、人造地球卫星的应用五、载人航天六、航天科技产业第四节相对论力学与相对论效应一、相对论的建立二、狭义相对论效应三、广义相对论效应和实证第二章流体力学与流体机械第一节伯努利方程及其应用一、伯努力利方程二、伯努利方程的应用第二节液压传动技术一、液压传动的发展二、液压传动的工作原理三、液压传动的特性四、液压传动的特性五、液压传动的优缺陷第三节水泵、质量流量计、压力表一、水泵二、质量流量计三、压力测量仪表第四节毛细现象一、浸润与不浸润液体二、毛细现象三、毛细现象的应用第五节空气动力学与航空航天技术一、空气动力学二、空气动力学与航空航天事业第六节风洞和风洞实验技术一、风洞二、风洞实验三、风洞实验技术第三章机械波与声学技术第四章热能与动力第五章电磁理论与电磁技术第六章电磁波与无线电技术第七章半导体物理与微电子技术第八章传统光学技术第九章现代光学技术第十章物理效应与传感技术第十一章真空技术及其应用第十二章能源技术第十三章现代测试技术第十四章高能物理与加速器第十五章新型功能材料参考文献1、物理学概览 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而结识这些结构的组成元素及其互相作用、运动和转化的基本规律的科学。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的结识来自于实践，随着实践的扩展和进一步，物理学的内容也在不断扩展和进一步。随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这目的还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。经典力学经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们平常生活直接接触到的并一方面加以研究的都是宏观低速的机械运动。自远古以来，由于农业生产需要拟定季节，人们就进行天文观测。16世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了具体、精密的观测。17世纪开普勒从这些观测结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动现象的初步理论。行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运营离太阳越近则运营就越快，行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律：行星距离太阳越远，它的运转周期越长；运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。牛顿进一步研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的具体天文观测，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在，以后果然在天文观测中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表达。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式(如热运动、电磁运动等)的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表白，任何一个孤立的物理系统，无论如何变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的合用范围已经远远超过了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十提成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工程技术问题经常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才干完全解决。 机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸取的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。热学、热力学和经典记录力学热学是研究热的产生和传导，研究物质处在热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验拟定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不管能量形式如何互相转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。 在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达成各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不也许的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不也许自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增长或保持不变。当熵达成最大值时，物理系统就处在热平衡状态。 进一步研究热现象的本质，就产生了记录力学。记录力学应用数学中记录分析的方法，研究大量粒子的平均行为。记录力学根据物质的微观组成和互相作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的记录规律，是理论物理的一个重要分支。非平衡记录力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包具有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处在无序状态的几率超过了处在有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态，在热力学中，这就相应于熵的增长。处在平衡状态附近的非平衡系统的重要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的重要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近2030年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但尚有很多问题等待解决。在一定期期内，人们对客观世界的结识总是有局限性的，结识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典记录力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典记录力学也发展成为以量子力学为基础的量子记录力学。经典电磁学、经典电动力学经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不管是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷可以流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向互相垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表白，在电和磁之间存在着密切的联系。 在电和磁之间的联系被发现以后，人们结识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。现在人们结识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周边产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周边产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们结识到麦克斯韦的电磁理论对的地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。 由于电磁场可以以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。事实上，发电机无非是运用电动力学的规律，将机械能转化为电磁能：电动机无非是运用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用，从而对社会产生普遍而重要的影响。光学和电磁波光学研究光的性质及其和物质的各种互相作用，光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是早在人们结识到光是电磁波以前，人们就对光进行了研究。17世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上拟定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性，人们在进一步入研究微观世界后，才结识到光具有波粒二象性。光可认为物质所发射、吸取、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线进行的光线来解决；但当研究进一步到现象细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的互相作用时，还要考虑光的粒子性。光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。运用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。近年来运用受激辐射机制所产生的激光可以达成非常大的功率，且光束的张角非常小，其电场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。运用激光已经开辟了非线性光学等重要研究方向，激光在工业技术和医学中已有了很多重要的应用。 现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广已成为传递信息的非常有力的工具。 在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中场的概念已经远远超过了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。狭义相对论和相对论力学在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。 在惯性参照系中观测，电磁波的传播速度应当随着波的传播方向而改变。但实验表白，在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验，可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。 狭义相对论的基本假设是：在一切惯性参照系中，基本物理规律都同样，都可用同一组数学方程来表达；对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。 在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。 相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以互相转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以互相转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。 著名的相对论运动学效应：1）长度收缩： 出手似闪电 长剑变铁钉2）时间延缓： 章鱼保罗高速飞 来年再算世界杯3）同时的相对性：若：x 0 t = 0 则：t 0现场直播好 时间差不少著名的相对论动力学效应：质能关系： 质量亏损一点点 能量释放日炎炎 当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。 狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否认了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的恃殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。 广义相对论和万有引力的基本理论狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。 改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不管行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运营轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。 根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、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营轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的隋况下，就有区别。但是这种区别经常很小，难以在实验中观测到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检查出这种区别。 广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。 原子物理学、量子力学、量子电动力学原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态，以及原子和电磁场、电磁波的互相作用以及原子之间的互相作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为：宇宙间万物都是由原子组成的，原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。 1897年汤姆逊发现了电子，使人们结识到原子是具有内部结构的粒子。于是，经典物理学的局限性进一步的暴露出来了。为此，德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设：光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是，19世纪初被否认了的光的微粒说又以新的形式出现了。 192023，卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量，以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内，这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右，因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、符合实际的概念。在某些方面，原子类似一个极小的太阳系，只是太阳和行星之间的作用力是万有引力，而原子核和电子间的作用力是电磁力。 原子物理学的基本理论重要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的重要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是拟定性的规律，而是记录规律。 应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸取、散射光的过程，以及电子、光子和电磁场的互相作用和互相转化过程非常成功，理论结果同最精密的实验结果相符合。 微观客体的一个基本性质是波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念，它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。 现在看来，需要粒子和波动两种概念互相补充，才干全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理：不也许同时测准一个粒子的位置和动量，位置测得愈准，动量必然测得愈不准；动量测的愈准，位置必然测得愈不准。 量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是它们起作用的范围远远超过原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，固此不仅应用于原子物理，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。 量子记录力学量子力学为基础的记录力学，称为量子记录力学。经典记录力学以经典力学为基础，因而经典记录力学也具有局限性。例如：随着温度趋于绝对零度，固体的热也趋于零的实验现象，就无法用经典记录力学来解释。 在宏观世界中，看起来相同的物体总是可以区别的，在微观世界中，同一类粒子却无法区分。例如：所有的电子的一切性质都完全同样。在宏观物理现象中，将两个宏观物体互换，就得到一个和本来状态不同的状态，进行记录时必须将互换前和互换后的状态当作两个不同的状态解决；但是在一个物理系统中，互换两个电子后，得到的还是本来的状态，因此进行记录时，必须将互换前和互换后的状态当作同一个状态来解决。 根据微观世界的这些规律改造经典记录力学，就得到量子记录力学。应用量子记录力学就能使一系列经典记录力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热窖、固体中的电子为什么对比热的奉献如此小等等，都得到了合理的解释。 固体物理学固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，由于晶体的内部结构简朴，并且具有明显的规律性，较易研究。以后进一步研究一切处在凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。 固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子(离子、分子)有规则地排列，形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。 在晶体中，原子的外层电子也许具有的能量形成一段一段的能带。电子不也许具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础。 电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质(如力学性质、光学性质、电磁性质等)经常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发。 晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响。例如192023发现的低温超导现象；1960年发现的超导体的单电子隧道效应。这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关。 晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处在不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却也许不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处在能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。 点阵结构完好无缺的晶体是一种抱负的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会具有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(涉及力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能，经常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中，控制和运用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域。 非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。 固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在平常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。 原子核物理学原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反映过程的学科。 在原子核被发现以后，曾经认为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们结识到原子核也许具有更复杂的结构。 质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子互相吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本互相作用强互相作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强互相作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。 原子核重要由强互相作用将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反映时，要吸取或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸取一个中子以后，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。 粒子加速器的发明和裂变反映堆的建成，使人们可以获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和互相作用过程的研究。 重核分裂为轻核时会产生质量亏损，释放能量。这种释放能量的方式称为裂变。哈恩（Otto Hahn）的实验铀核裂变反映235U + n 144Ba + 89Kr + 2n + 200 MeV钚的产生和钚核裂变反映238U + n 239Np + 239Np 239Pu + 239Pu + n mX + mY + 2n + E链式反映和临界体积易裂变核吸取一个慢中子后发生裂变，裂变产生的中子又引起易裂变核产生新的裂变。这样一个使裂变反映连续下去的反映过程称为链式反映。纯粹的235U体系中，若体积很小时，裂变中子大部分会逸出体系外，不能实现链式反映；若体积很大，大部分中子能再引起裂变，链式反映会进行得十分剧烈。 刚好能实现链式反映的体积称为临界体积。纯 235U的临界体积为半径为2.4cm的球体。临界质量约为1kg。高能物理研究发现，核子尚有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域，目前，已有的关于原子核结构，原子核反映和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相称成功地反映了原子核的客观规律。 一公斤铀裂变时所释放的能量，相称于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量，一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程，就是太阳几十亿年来的能量来源，也是热核爆炸的能量来源。假如能使重氢的聚变反映有控制地进行，那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应，因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。 1kg的TNT炸药爆炸时释放的能量约为4200 kJ。等离子体物理学等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处在等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处在等离子体状态。地球高空的电离层也处在等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了运用轻核聚变反映解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。 等离子体内部存在着很多种运动形式，并且互相转化着，高温等离子体尚有多种不稳定性，因此等离子体研究是十非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。 粒子物理学目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学，又称为高能物理学。在20世纪2023代末，人们曾经认为电子和质子是基本粒子，后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来运用高能加速器进行的实验研究中，又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性，所以现在将基本两字去掉，统称为粒子。 研究这些粒子，发现它们都是配成对的。配成对的粒子称为正、反粒子。正、反粒子一部分性质完全相同，而另一部分性质完全相反。另一个重要发现是，所有粒子在一定条件下都能产生和消灭。例如：高能光子在原子核的电场中能转化为电子和正电子，电子和正电子相遇，就会同时湮没而转化为两个或三个光子。 在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强互相作用的离子，统称为轻子。另一类是参与强互相作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。实验发现，强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。由于他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只但是是物质结构无穷层次中的一个层次而已。 虽然层子在强子内部可以相称自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处在自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强互相作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。 弱互相作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。弱互相作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱互相作用中的不守恒。 在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表达，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和相应关系或反相应关系。量子场的确既能反映披粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。 对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：假使物理基本规律在任何时间都同样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。 假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本互相作用。目前已经通过实验严格检查的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力互相作用、电磁互相作用和弱互相作用都来源于定域对称性。 物理学同其他自然科学和技术之间的关系物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。随着学科的发展，这种联系逐步显示出来。物理学也和其他学科互相渗透，产生一系列交叉学科，如：化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。 数学对物理学的发展起了重要的作用，反过来物理学也促进数学的发展。在物理学的基础性研究过程中，形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实行手段和精密的测试方法，已成为其他许多学科的重要组成部分，并产生了良好的效果。这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学都是如此。 物理学研究的重大突破导致生产技术的奔腾已经是历史事实。反过来，发展技术和生产力的规定，也有力地推动物理学研究的发展，固体物理、原子核物理、等离子体物理、激光研究、现代宇宙学等之所以迅速发展，是和技术及生产力发展的规定分不开的。 目前在物理学前沿进行研究工作，必须使用尖端技术，否则就无法使实验研究工作达成一定的深度，也很难开辟新的研究领域。因此理论和实践，基础理论和尖端技术的关系将日益密切、互相促进，并一日千里地向前推动。2、专题一 车辆的运动问题A、压强问题车辆行驶在地面,受到重力P作用车辆通过轮子或履带对地面有压力F地面对轮子或履带有支持力F因车辆可静止于地面根据牛顿第二定律： 通常情况下： 故： 压力F和支持力F互为作用力与反作用力根据牛顿第三定律:压强的概念式中：F为车辆对地面的压力 S为压力对地面的作用面积在实际计算中，S为轮胎或履带接触地面的面积由于： F = P故： 压强的单位：kgf/cm2 kPa( kN/m2) 坦克履带对地面的压强w履带接地面积：S=2wl二战初期的坦克对地面的压强德国：三号坦克（Panzer III)重量：2180022700kg履带接地长度：l=286cm履带宽度：w=25.1cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=1.5181.581 kgf/cm2=148.76154.93 kPa苏联：T-34型坦克（1940年1945年）重量：26300kg32023kg履带接地长度：l=368cm385cm履带宽度：w=40cm50cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=0.8930.831 kgf/cm2=87.5181.44 kPa苏联：KV-1型坦克重量：43500kg履带接地长度：l=448cm履带宽度：w=65cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=0.747 kgf/cm2 =73.21 kPa从以上计算可以看出：在苏德战争（俄罗斯称为卫国战争）初期，德军坦克比苏军坦克轻得多。但由于德军坦克履带宽度较小，所以德军坦克对地面的压强却更大。现代坦克对地面的压强在战争中，坦克设计者逐渐意识到火力、防护、机动的重要性和三者的均衡。坦克机动性设计的组成部分就是履带和对地面的压强。战后各国根据自己国家的国情，设计了不同类型的坦克。德国：豹II型坦克重量：55000kg履带接地长度：l=494.5cm履带宽度：w=63.5cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=0.8758 kgf/cm2=85.83 kPa苏联：T-72型坦克重量：41000kg履带接地长度：l=413cm履带宽度：w=58cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=0.8558 kgf/cm2=83.87 kPa美国：M-1型坦克重量：54500kg履带接地长度：l=440cm履带宽度：w=63.5cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=0.9753 kgf/cm2=95.58 kPa以色列：梅卡瓦型坦克重量：60000kg履带接地长度：l=465cm履带宽度：w=64cm计算履带接触地面的面积SS=2wl计算压强p=P/S=1.008 kgf/cm2=98.78 kPa讨论：现代轻型坦克的压强w 现代轻型坦克重要用于两栖作战、空降作战w 由于作战用途的不同，现代轻型坦克的质量在20吨以下，以便于江河海滩浮渡和机载运送。w 曾经广泛使用的现代轻型坦克重要有：w 苏联：PT76式两栖坦克w 美国：M551式空降坦克w 中国：63式两栖坦克1）PT76式坦克重量：14000 kg 履带接地长度：l = 408 cm 履带宽度：w = 36 cmw 计算履带接触地面的面积SS = 2wlw 计算压强p = P/S= 0.4766 kgf/cm2= 46.70 kPa2）M551式坦克重量：1583