物理学概览

物理学概览 2004-10-20 点击:284 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,从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、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。人对自然界的认识来自于实践,随着实践的扩展和深入, 物理学的内容也在不断扩展和深入 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 切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展,但现在离实现这一目 标还很遥远。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 的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直 接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动

物理学概览 2004-10-20 点击: 284 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，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、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。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入， 物理学的内容也在不断扩展和深入。 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 标还很遥远。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。人们日常生活直 接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动

自远古以来,由于农业生产需要确定季节,人们就进行天文观 察。16世纪后期,人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观 察。17世纪开普勒从这些观察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 牛顿深入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 对天王星的详细天文观察,并根据牛顿的理论,预言了海王星的存 在,以后果然在天文观察中发现了海王星。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 和动量表示。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。 物理学的发展表明,任何一个孤立的物理系统,无论怎样变化,其 总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远 超出了经典力学的范围,现在还没有发现它们的局限性

自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观 察。16 世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观 察。17 世纪开普勒从这些观察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。 牛顿深入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 对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存 在，以后果然在天文观察中发现了海王星。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 和动量表示。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。 物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其 总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远 超出了经典力学的范围，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分成熟的分支学 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,工程技术问题常常是综合性的问题,还需要许多 学科进行综合研究,才能完全解决。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 化和吸收的分支学科。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、热力学和经典统计力学热学是研究热的 产生和传导,研究物质处于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,焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系,从

早在 19 世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学 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，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多 学科进行综合研究，才能完全解决。 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 化和吸收的分支学科。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、热力学和经典统计力学 热学是研究热的 产生和传导，研究物质处于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，焦耳等人用实验确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,不论能量形式怎样相互转化,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 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,最后达到各处温度都相同的状态, 也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的,即这个孤立的、内 部各处温度都相等的物体,不可能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,只能增加或保持不变。当熵达 到最大值时,物理系统就处于热平衡状态。深入研究热现象的本质, 就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法,研究大 量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用,研 究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律,是理论物 理的一个重要分支。 非平衡统计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。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说, 系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。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 相应于熵的增加

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，不论能量形式怎样相互转化，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，最后达到各处温度都相同的状态， 也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内 部各处温度都相等的物体，不可能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，只能增加或保持不变。当熵达 到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。深入研究热现象的本质， 就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大 量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研 究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物 理的一个重要分支。 非平衡统计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。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说， 系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。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 相应于熵的增加

处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过 渡。平衡态附近的主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20~30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, 但还有很多问题等待解决。 在一定时期内,人们对客观世界的认识总是有局限性的,认识 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统计力 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 统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。 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。不论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世纪末发现电荷能 够流动,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 线方向相互垂直。不久之后,法拉第又发现,当磁棒插入导线圈时

处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过 渡。平衡态附近的主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 20～30 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， 但还有很多问题等待解决。 在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识 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统计力 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 统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。 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。不论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 世纪末发现电荷能 够流动，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 线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时