物理，物理

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物理世界的美科学家从事科学活动的内驱动力是什么？物理学中是否存在美？物理科学活动与审美活动有什么关系？… 对这些问题的回答，有助于我们欣赏物理世界的美。自然界本身以及它的变化是多彩的、复杂的，也是和谐的、美妙的。科学家从事科学活动的兴趣是探索自然界的奥秘，寻找引起各种变化、变迁的起因和机理，以使自然有效地服务于人类。当科学家的工作取得成就的时候，不仅他们自己感到极大的喜悦和满足，同时也为人类文明创造了宝贵的财富，推动了社会的进步还发展。可以说:“对美的追求是科学家从事科学活动的内驱动力之一。”彭加勒就表白过：追求自然科学美是激励自身和他人的巨大的精神力量。

“物理”源于希腊字“Physics”，意为自然哲学。研究物质的结构和性质为物，研究物质的运动和变化规律为理。于是说，物理学是研究物质的基本结构、基本相互作用和基本运动规律的科学。物理学是自然科学的重要领域，是定量研究自然规律的实验科学。“终极设计者只会用美的方程来设计这个宇宙！”物理学家总是在大量观测和实验基础上，试图用最生动的语言和最简洁的公式来描绘事物变化的实质和内在联系。“美是探求理论物理中重要结果的一个指导性原则。”

自然界是美的，物理学也是美的。人们常常赞叹大自然中的绮丽风光为鬼爷神工，赞美文学艺术家们的诗琴书画是千古绝唱。同样也赞叹物理学中简单、和谐和美的赏心悦目，赞美科学家描述的物理世界之美。

对物理科学美的了理解和追求，在科学认识的发展中有积极的、深远的意义：它可以完善和提高主体的创造才能；可以以美启真，由求美而达真，以美示真，由求美而促真；可以以美传真，由接受美而接受真，促进科学理论的社会承认、发展和传播。

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对称性与对称破缺

诺贝尔物理奖获得者斯蒂芬 温伯格在他的“终极理论之梦”一文中写到：“物理学在20世纪取得了令人惊讶的成功，它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然界的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法，在这个新的宇宙观中，物质已失去它原来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。引起这场思想革命的原动力，是探索自然界的终极规律--即对我们的问题--为什么世界是这个样子--的最终回答”。在现代物理学中，对称性是一个很深刻的问题。在粒子物理、固体物理、原子物理等许多领域里，对称性都是一个重要的问题。

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量纲分析简介

量纲是物理学中的一个重要问题。它可以定性得表示出物理量与基本量之间的关系；可以有效地应用它进行单位换算；可以用它来检查物理公式的正确与否；还可以通过它来推知某些物理规律。

一个物理理论通常由以下几个部分组成:

概念,通常是抽象的,不能直接感知的；
关于这些概念的数学表示（物理量）的假定
一个或一组方程，表示物理量之间的关系。
在这后两部分中，量纲扮演着重要角色。

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探问宇宙

古诗云：“星汉灿烂，日出其中，日月之行，日出其里。”从古至今，面对茫茫宇宙，人们对它由表及里、由浅入深、由片面到更多方面的认识，经历了漫长的历程。从意大利科学家伽利略用光学望远镜观测星空算起，大体经历了四个阶段。

第一步，伽利略的天文发现向人类展现了一个前所未有的广阔宇宙。虽然他自制的折射望远镜非常简陋，放大倍率也只有30来倍，但他先后发现月球表面地形是那样凹凸不平，太阳有自转，日面有黑子，木星至少有4颗卫星绕着转，水星和金星有盈亏现象，银河原来是由密密麻麻的恒星组成。随着光学望远镜口径的增大、仪器威力的增强，以及观测方法的增多和观测质量的提高，改变了人类对宇宙的认识。

第二步，天体光谱学的诞生和天体物理的飞速发展使人们得到了天体的本质信息。1859年德国科学家、物理学家基尔霍夫和化学家本生发现处于炽热状态物体的能量辐射和吸收之间的关系，进而正确解释了天体连续光谱背景上暗线的真相。从此，科学家不仅可以从光谱分析中得出一个天体的化学组成，还可以推出该天体的距离、大小、运动特征、元素丰度、大气成分以及密度、温度、压力、磁场等物理特征。

北京天文台60厘米反射式望远镜
第三步，射电天文学的建立在探测宇宙方面做出了杰出贡献。二十世纪六十年代天文学四大发现（星际有机分子、类星体、3K微波背景辐射和脉冲星）无不与它相关。不仅如此，利用高能物理、核物理、原子物理学的探测技术，科学家很快探测到天体的各种辐射，也促使紫外天文学、X射线天文学、γ射线天文学、红外天文学迅速发展起来。科学家们正越来越深刻认识天体的红外、紫外、X射线和γ射线图像和相应的宇宙图景。

第四步， 探测宇宙的最新阶段是 从人造卫星发射上天开始的。广阔无边的宇宙空间实验室中为科学家提供了地面实验室难以想象的物理条件，如超高密、超真空、超高压、超强磁场、超高速等等，从此天文学名副其实地成为实验科学。著名地哈勃太空望远镜1990年升空后，已使我们认识的宇宙扩大了五倍。

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潮汐的形成和应用

凡是到过海边的人们，都会看到海水有一种周期性的涨落现象： 到了一定时间，海水推波逐澜，迅猛上涨，达到高潮；过后一些时间， 上涨的海水又自行退去，留下一片沙滩，出现低潮。如此循环重复， 永不停息。海水的这种有节奏的周期性的涨落运动就是潮汐，法国文学称之为“大海的呼吸”。 潮汐现象的特点是每昼夜有两次高潮，而不是一次,“昼涨称潮，夜涨称汐”。 科学地讲，潮汐是海水在月球和太阳引潮力作用下所发生的周期性运动。 我们把海面周期性的涨落叫潮汐，海水周期性的水平流动称为潮流， 潮流与海流不同之处就在于潮流具有严格的周期性。对潮汐现象的解释，是非惯性系中应用牛顿力学的典型例子。

有下面这样一个事实：在任何时刻，围绕地球的海平面有两个突出的部分， 在理想的情况下它们分别出现在地表面离月球最近和最远的地方。 如果说潮汐是月球的引力造成的，在离月球最近的地方海水隆起是可以理解的，但为什么在远离月球的地方海水也隆起？如果说潮汐是万有引力现象，似乎应该与质量成正比，与距离平方成反比。太阳的质量比月球大2.7×10[5]倍，而太阳到地球距离的平方只比月球到地球距离的平方大1.5×10[5]倍， 两者相除，似乎太阳对海水的引力比月球还应该大180倍，为什么月球对潮汐起主要作用？这些通过分析计算来加以说明。

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潮汐是怎样使地球自转速度变慢的

本文认为 ,地球(此处只指海水以外的固体部分，以下同)─海水系统间的内摩擦力是改变系统角动量、从而使地球自转速度变慢的原因。

海水的隆起与地-水系统的减速

潮汐（以下以太阴潮为例）主要是月球对地球表面各处海水以及地球实体的引力差引起的。下面利用地心参考系加以分析。已知底纬度处的引潮力和高纬度处的“压潮力”如图1所示。如果地球没有自转，则海水隆起高峰将在地-月的连线EM上。

由于地球的自转，海水受海底的摩擦力Fw将带动海水和地球一起转动。AC部分的海水所受的引潮力和摩擦力方向成锐角, 所以这一部分海水速度将变大。CB部分的引潮力与摩擦力方向成钝角,所以这一部分海水速度将变小。这就是说，AB和CB部分海水随地球自转的速度是不同的(这是在地心参考系内观察的结果。相对于地球表面观察，则AC和CB部分的海水都向C处流动而引起海水上岸的潮汐壮观)。由于这速度的不同，在相同时间内AC部分向C涌进的海水量将超过CB部分从C处流出的海水量。这就招致海水在C处隆起，而且由于拥进海水的惯性，隆起的最高峰将不再位于EM直线上，而移向C处海水流动的前方。同理，ADB半球的海水也将隆起而且隆起的最高峰也偏向D处的海水流动的前方，如图2所示（其中高峰移前的角度大大地夸大了）。在地面上观察，高潮不出现在月球天顶的时刻而是稍晚一些，就是这个原因。

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图1

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图2

由于隆起部分不在地月连线EM上，月亮对隆起部分海水的引力也不在此连线上。如图2所示，由于D处距月亮较近，所以, 因此月亮就使海水、也就是使转动着的整个地-水系统受到一合外力矩 ，方向和地球自转的方向相反。这就是地球对地-水系统的制动力矩，它将使地球的自转速度减小。

这种解释已涉及了地球和海水之间的摩擦力的作用。如果没有这种摩擦力，即地球只是海水的光滑载体，隆起部分将沿着EM连线，将没有制动力矩产生，地球的自转速也就不会改变了。

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陀螺的旋进

绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。

在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。

人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。下面将首先利用角动量定理分析陀螺旋进的成因，再对几种陀螺仪的原理进行简要的介绍。

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从单摆到混沌

物理学家伽利略观察比萨大教堂吊灯的摆动，发现了单摆定律：摆动的周期与摆幅无关。

惠更斯利用摆的“等时性”发现了钟表，直至电子表出现前，摆始终是计时装置的心脏，均匀韵律的象征。在高中，大学的物理教材中没有不讲单摆定律的，在物理实验中，没有不做单摆实验的。这是经典物理中的典型内容。

混沌理论-物理学的前沿课题。它是如何和经典内容“单摆”联系起来的呢？

如果我们注意到：单摆的等时性不是严格的定律，仅是小振幅下的近似。除了关心在小振幅下如何近似的，还去想一想在这些近似条件不成立时，情况又会如何？那么一个丰富多彩的物理世界就会展现在我们面前。

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超声、次声和噪声

我们生活的空间，充满着各类声音，有些声音弱如虫鸣；有些则强如炮轰；有些声音尖如汽笛；有些又沉如闷雷；有些声音悦耳动听；有些却吵闹难忍。声音的性质是如何确定的呢？原来声音的大或小，与"声压"有关；声音的尖或沉，与"音频"高低有关；声音是悦耳还是吵杂，与"音调"是否和谐有关。

音频就是声音的频率。一般地说，振动频率在20Hz到20000Hz之间的波动人类是可以听到的，因此称为声波，20Hz以下和20000Hz以上分别属于次声和超声的范围，人耳是不能听到的。在声波范围内，随着频率的增加音调由低变高，但是在不同频段，人耳的感受力并不一致。一般情况下，音频在1000Hz以下，随着频率的降低，听觉会逐渐迟钝。因此，人耳对低频噪声较容易忍受，而对高频噪声则感觉较敏锐，耐受力差。若长期生活在偏高频率的巨响环境中，会引起耳朵部分或严重失聪。

声音在空气中能够传播出去，是由于振动物体通过振动造成周围空气的局部压强变化，这个压强变化使周围空气产生局部的密度变化，局部密度变化又造成较远部分空气压强的变化，如此下去，就把这个压强变化向更远的部分传递出去，这样就造成了声音的传播。在声音传播过程中，空气压强相对于大气压强的压强变化，称为声压，其单位为帕(Pa)。人类的听觉领域相当广阔，平均大约是从2×10-5 ~ 20Pa左右。也就是说，我们能听到一个最强声源的音量，有可能是一个最弱声源的20万倍。一般是用声压级来表达声量的大小，其单位为分贝(dB)，即 ，其中。我们日常生活中所听到的声音，其声压级在0 ~ 140dB左右。

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物态与相变

众所周知，世界是由物质组成的，物质科学的研究成就向我们展示了一个大到总星系、星系团、银河系、太阳系、地球、月球，小到分子、原子、原子核、粒子的结构层次。从空间尺度上讲，已知的物质世界在以米为单位的尺度上，至少跨越了42个数量级（）。以时间表征物质运动的持续性，物质时间尺度的数量级从粒子寿命的到宇宙年龄的，跨越了43个阶梯（如图2所示）。在以千克（kg）标准单位对物质惯性和万有引力强度性质进行描述时,物质的静质量尺度的数量级梯度是如图3所示的87个数量级。

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现代科学已经证实,在这千姿百态、变化多端的物质世界中, 一切物质都是由大量微观粒子组成的。它们在特定温度和压力下相互集聚, 构成一定的稳定结构, 这就是物质的一种状态,简称物态。一般说来, 任何一种物质在不同温度、压力以及外场(如引力场、电场、磁场等)影响下将呈现不同的物态。有时一种物质在某种温度、压力下可能有几种不同状态同时存在。在一定条件下, 物质的各种聚集态可以相互转化。物质中具有相同化学成分和晶体结构的部分被称为相。相与相之间的转变叫相变。