M

MKSA 单位制（MKSA system of units） 亦称“实用单位制”。在电磁学范围内与现行的国际单位制是一致的。基本量为长度、质量、时间和电流强度。基本单位为米（m）、千克（kg）、秒（s）和安培（A）。其他电磁学量的单位均可根据一定的物理关系式从这些基本单位导出。在这单位制中，真空介电常数ε0=8.854×10-12F·m-1，真空磁导率μ0=4π× 10-7H·m-1。

MOS 场效应晶体管（ metal-oxide-semiconduc-tor field effect transistor） 一种包含金属、氧化物、半导体三层结构的晶体管。它通过外加在金属上的电压来控制在氧化层下面半导体内的沟道宽度和沟道电流。MOS 场效应晶体管包括源、漏、栅三个电极，见图。它的主要特点是栅极 G 和沟道之间被氧化层如二氧化硅隔开，而源、漏之间的沟道电流由金属栅极上的外加讯号电压控制。栅极正电压达到一定值时会使 P 型半导体表面反型（即由 P 型变为 N 型），在漏、源之间形成 N 型导电沟道，这时改变栅极电压就可以控制漏源之间的电流变化，从而达到晶体管的放大等作用。

  • MOS 场效应晶体管

马德堡半球实验（Magdeburg hemispheres experiment） 见真空。

马格努斯效应（Magnus effect） 在不可压缩的粘滞流体中运动的旋转圆柱和圆球受到侧向力的一种现象。这个效应由德国物理学家马格努斯于 1852 年发现，故名。他在研究炮弹飞行弹道时，发现旋转飞行的炮弹有时不能按预计的弹道曲线飞行；经过多次观察试验终于发现了该效应。把转动的圆柱体或圆球，放入粘滞流体中（转动体的转轴与流体的流向垂直），由于流体的粘滞性，转动体产生环流与流体相互作用，使转动体周围的流体速度发生变化，造成流速不均匀。顺着转动方向的流体流速加快； 逆着转向的流体流速减慢，根据伯努利方程可知，流速慢的正压力大于流速快的正压力，因此转动体受到侧向力，此力与转动轴与流体的流向均垂直，故使转动体偏离原来运动方向。马格努斯效应曾被用来借助风力推动船舶航行，用几个高速转动的圆柱体产生侧向力代替风帆推动前进，1926 年成功地横渡了大西洋。但由于各种条件的限制，主要是廉价石油的冲击， 所以未能推广使用。足球、排球、网球以及乒乓球等的侧旋球和弧圈球的运动轨迹之所以有那么大的弧度，也起因于马格努斯效应。

马赫（Ernst Mach 1838～1916） 奥地利物理学家。生于奇尔利茨。1860 年毕业于维也纳大学获物理学博士学位。1864 年任格拉茨大学数学教授、物理学教授。1867 年任卡尔洛瓦大学实验物理学教授，曾两度被选为校长。1895 年任维也纳大学哲学教授。

马赫对物理学、科学史、科学哲学等领域都有研究。曾利用照相法， 确定了以超声速飞行的炮弹附近空气密度的分布。通过大量实验，研究了一系列以前不知道的声学过程。在检验声冲击波的破坏力的过程中，发现了激波，并拍摄了有关激波的清晰照片。测得了气流在运行中的速度与音速的比值，被称为气流马赫数；在流场中如果各点的速度不同，那么某一点的流速与该点的音速的比值，被称为当地马赫数。当地马赫数达到 1 时， 将形成激波。第二次世界大战后，超声速飞行和核爆炸的出现，他的研究

成果就更受到重视。至于以他名字命名的一系列术语：马赫数、马赫效应、马赫波、马赫角等，在空气动力学和现代飞行器理论中得到广泛应用。

马赫作为科学史家，研究了力学史、热学史、光学史以及能量守恒学说发展史。看出了被人认为已十分完善的牛顿经典力学体系中所包含的无法解释的矛盾。批判了牛顿的质量、惯性、绝对时间、绝对空间等概念以及牛顿的力学基本原理的表述，指出一切质量、速度、力、运动都是相对的，惯性本身也是相对的，是无数遥远天体对物体作用的结果，是物体相对众天体有加速运动的结果。

马赫作为科学哲学家，宣称一切存在的东西都是感觉或感觉的复合， 后来又提出用要素代替感觉作为认识论的基础，显然是唯心主义的。著有

《力学及其发展的批判历史概论》（1883）、《热学原理》（1886）、《感觉的分析》（1886）、《认识和谬误》（1905）。

马赫数（Mach number） 流体中质点运动速度 v 同该点声速 c 之比， 通常以 Ma 表示。马赫数反映了该点流动的快慢和在流动中流体密度变化引起的各种效应，如“压缩性”效应。因此是表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数。它是在奥地利科学家马赫的姓氏命名的。1887 年马赫在他的论文中指出，当气体速率大于或小于声速时，弹丸引起的扰动波形是不同的。但直到 1993 年，“马赫数”这个名词才在世界范围内广泛应用。

在不可压缩的流体中，声速c = ∞，M = v = 0；大约从马赫数为0.3起，

a c

就不能忽略流体的压缩性的影响。马赫数越大，流体表现出的可压缩性就越大。此外，马赫数大于 1 或小于 1 时，扰动在气流中的传播情况也大不相同。因此，从空气动力学观点来看，马赫数比流速能更好地表示流动的特点。

马吕斯（Etienne Louis Malus 1775～1812） 法国物理学家。生于巴黎。1796 年毕业于巴黎工艺学校，曾在工程兵部队中任职。 1808 年起在巴黎工艺学校任教授。

主要从事光学方面的研究。1808 年，发现反射时光的偏振，确立了偏振光强度变化的定律（亦称为马吕斯定律）。研究了光在晶体中双折射的理论。1811 年，与毕奥各自独立地发现折射时光的偏振。提出了确定晶体光轴的方法。研制成一系列偏振仪器。

马吕斯定律（Malus law） 描述线偏振光通过检偏器后透射光强变化规律的定律。设起偏器和检偏器的透振方向分别为 P1 和 P2。通过这两偏振片的振动矢量分别为 E1 和 E2，它们的振幅分别为 A1 和 A2，故强度为I1=A12，I2=A22。当 P1∥P2 时，E2∥E1，即通过起偏器的振动矢量全部通过检偏器。所以有 A2=A1，I2=I1。P2⊥P1 时，E1 不能通过检偏器。所以 A2=0。I2=0。当 P2 与 P1 与θ角度时，E2 是 E1 在 P2 方向的投影。所以有 A2=A1cos θ，I2=A22=A12cos2θ=I1cos2θ。

马略特（Edme Mariotte 1620～1684） 法国物理学家。生于第戎。曾任第戎附近的圣马丁修道院院长，巴黎科学院创始人之一。

从事热学、力学、光学方面的研究。1676 年，确立了在恒定温度下一定质量的气体的体积与压强成反比的定律（玻意耳-马略特定律），预言了这条定律的各种应用，特别是根据气压计读数去计算该地的高度。在实验

上证实了托里拆利关于液体的射流速度公式，发现了液体要在一定压力下才能流动，研究了喷泉的上升高度，并编制出上升高度随开孔直径变化的表格。还研究了弹性体的碰撞和摆的振动。1666 年，发现了眼睛中的盲点

（被称为马略特盲点），研究了颜色，特别是太阳和月球的色环。研究了虹、光的衍射和辐射热，指出热射线和光线的区别。著有《论空气的性质》

（1676）、《论物体的碰撞》（1678）、《论水和其他流体的流动》（1686）。他的许多篇论文收载在《巴黎科学院的历史和学术论文》第 1 卷（1733） 中。

麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831～1879） 英国物理学家。位移电流的提出者，电磁场理论的完成者，光的电磁说的奠基者，分子运动论的完善者。

生平 麦克斯韦 1831 年 6 月 13 日生于苏格兰的一个律师和机械设计师家庭。其父亲对麦克斯韦的一生有很大的影响。麦克斯韦的童年是没有多大欢乐的，在 8 岁那年，母亲就去世了。10 岁那年，进入爱丁堡中学。在父亲的关心、指导下，他的第一篇科学论文发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，当时还不满 15 岁。1847 年，考入爱丁堡大学。麦克斯韦认为在大学卓有成效地学习除了要虚心求师外，还要做到“三用”：用心、用脑和用手。他说，用心需要充满热情和愿望，用脑需要深入思考，用手需要巨大劳动去经常实践。1850 年，进入剑桥大学。该大学著名教授霍普金斯盛赞麦克斯韦是他教过的出色学生中最出色的一个。

1856 年至 1859 年，任马里斯猜尔大学自然哲学教授。 1860 年起任伦敦皇家学院物理学和天文学教授。伦敦皇家学院和剑桥一样，也是一个闪耀着智慧光芒的地方。伟大的法拉第的科学生涯就是从这里开始的。这次意外的工作调动，又促成了麦克斯韦和法拉第的会见。正是通过这次会见，麦克斯韦到伦敦皇家学院以后的 5 年成了他一生中最富有创造性和最

富有成果的 5 年。麦克斯韦不仅对电磁学理论，而且对经典物理学的其他分支：土星光环的研究、颜色视觉理论、气体动理论以及热力学和统计物理学都作出了重要贡献。

学术成就

位移电流的提出者 1861 年麦克斯韦在推导电磁场的运动学方程中，发现磁场中有运动电荷或电流，这是传统观念所不能接受的。为了解释这一现象，麦克斯韦假设在两个相邻的分子涡旋中间夹着一排微小的粒子，这些粒子的力学作用正如机械中的惰性轮一样，它们的转动使得与它们相邻的两边的分子涡流以相同的方向旋转，这就保证了相邻的磁力线的方向相同。麦克斯韦称这些粒子为介质中的电。他指出：“按照我们的假说，磁介质被一种粒子层形成的壁分隔为许多胞，那些粒子起着电的作用， 当电粒子在任何一方受到推力时，它们将通过作用于胞的弹性物质的正切力使每一个胞畸变，由于胞的弹性而产生一种相等而相反的力，当这种力撤销后，胞就恢复它们的形状，电将返回原来的位置。”这种畸变的大小便称为“电位移”，有了电位移必然会产生位移电流，但是麦克斯韦又提出：“电位移还不是电流，因为它达到一个确定的值时，它就会保持不变， 然而它却是电流的开始，它的变化构成电流。”按照麦克斯韦的这种说法， 位移电流应当是电位移对时间的微商，即等于

dD 。将这个物理量代入到安培定律的微分形式方程中，就意味着位移

dt

电流和传导电流一样产生磁场。因此位移电流的核心思想是变化着的电场激发感应磁场，这一概念的提出是麦克斯韦对电磁理论的一项重大贡献。电磁场理论的完成者 麦克斯韦的最大贡献是建立了电磁场的基本方

程——麦克斯韦方程组，从而完成了电磁场的理论体系。当然，麦克斯韦完成电磁场的理论体系同样不是一步成功的，而是通过不断探索，逐步完成的。①1855 年至 1856 年，发表《论法拉第的力线》。在该篇论文中， 采用的是一种几何观点，即把法拉第力线看作不可压缩的流体的流线，并把电力线比作流管，电场强度比作流速等，这样“我们应该得到一个物理现象的几何图像”。在这个几何图像的基础上，麦克斯韦企图阐明电力线和电力线所在空间之间的几何关系，发现电致紧张状态的几何意义，并证明如何导出在电致紧张状态时磁、电流和电动势之间的数学关系，但未解释物理现象。②1861 年至 1862 年，发表《论物理的力线》。在该篇论文中，采用的是一种力学观点，他写道：“现在从力学观点去检验磁学现象， 去确定一种媒质中那种张力或运动能够产生观察到的力学现象。”又指出： “在这篇论文中，我的目的是从研究某种媒质的张力和运动的某些状态的力学结果，来澄清在这方面的思考，并把这些结果与观察的电磁现象作比较”，从而获得电磁现象的数学理论。就在这篇论文中，麦克斯韦提出了完成电磁场理论体系的两个极为重要的假设：位移电流和涡旋电场，并预言了电磁波的存在。③1864 年，完成了《电磁场的动力学理论》，次年发表在《哲学杂志》上。这篇论文的目的，是要进一步使用动力学的方法全面概括电磁场的运动特征和建立电磁场的方程，所采用的是一种场论观点。麦克斯韦在该篇论文的引论部分写道：“⋯我提出的理论可以称为电磁场理论，因为这种理论必须处理电或磁体周围空间的问题；它也可以称为动力学理论，因为它假设在那个空间存在着运动的物质，我们所观察的电磁现象就是在这种物质中产生的。”麦克斯韦的场论揭示了电磁场的物质性和运动性。在这个基础上，该篇论文中提出了一组联系电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程，后经赫兹和亥维赛和整理和简化，就成了作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。

光的电磁说的奠基者 1856 年，德国的韦伯和柯尔劳斯通过实验测量，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。在此期间，威廉·汤姆孙和基尔霍夫通过计算信号在圆形截面孤立导线中的传播速度，也得出了恰等于电磁单位和静电单位的比值的结果。1861 年，麦克斯韦在给法拉第的一封信中，认为对于上述由实验计算得出的这个比值，虽然测量结果不十分满意，但表明这个比值已十分接近当时光速的测量值，因此这个结果具有很大的意义。在这种量值符合性的启发下， 麦克斯韦提出了光的电磁说，即认为光是频率介于某一范围之内的电磁波；并阐明了电磁波与光波有共同的特性，它以光速在空间传播。这一理论的提出被认为是人类认识光的本性方面的一大进步。也正是在这样的意义上，人们才说麦克斯韦把光学和电磁学“统一”起来。

分子运动论的完善者 麦克斯韦在分子运动论的不断完善方面也做了奠基性的工作。①1859 年发表了题为《气体分子运动论的例证》的论文， 运用建立在概率概念基础上的统计方法对分子运动加以处理，第一次得出

了气体分子的速度分布律，后来被称为麦克斯韦速度分布律。②在考虑分子的相对运动的条件下，推算了分子的平均自由程。③在内摩擦研究方面， 也做了相当突出的工作，得出了内摩擦系数与密度无关的结论。④ 1872 年在他的著作《热学理论》中提出了“麦克斯韦妖”的著名佯谬。所有这些使分子运动论达到比较完善的程度。

麦克斯韦方程组（Maxwell equations） 描述电磁场运动规律的数学表达式。是电磁学的基本方程。由英国物理学家麦克斯韦于 1864 年首先提出。

建立的基础 由于西方工业革命的推动，电磁学在 18 世纪末，特别是 19 世纪以后得到了迅速发展。首先，库仑定律于 1785 年问世，成为电磁学的第一个重要的实验定律。1820 年，奥斯特发现了电流的磁感应，第一次揭示了电现象与磁现象之间的联系，并很快导致又一个重要的实验定律——毕奥-萨伐尔定律的发现。在这两个实验定律的基础上，经过法拉第、安培等多人的工作，静电场和稳恒磁场的规律可用如下方程清晰地表示出来：

∮sD·dS=Σq（静电场高斯定理），

∮E·dl=0（静电场环路定律），

∮sB·dS=0（磁场高斯定理），

∮H·dl=ΣI（磁场环路定律）。

1831 年，法拉第发现了极为重要的电磁感应现象，电与磁的联系进一步被揭示出来，并经法拉第本人和楞次、诺埃曼、韦伯等人十多年的努力， 得出了电磁感应基本定律：

ε = − dφm 。

dt

电磁学连续的重大发现和理论进展，推动了工业社会的电气化。电动机、发电机、电弧灯开始出现，电报也被发明并迅速被应用。到 19 世纪

50 年代，德国首先建立了电工设备工场。生产实际中出现的大量课题又反过来对电磁理论提出了更高的要求。正是在这样的历史背景下，麦克斯韦开始了他对经典电磁理论的最终总结工作。

两个基本假说除上述实验定律外，麦克斯韦还提出了两个基本假设， 作为他的电磁场理论的基本出发点。这些假设后来都被实验所证实。

  1. 涡旋电场假说。麦克斯韦把法拉第电磁感应定律表述成如下形式：

∮E·dl = d ∫

dt

sB·dS，

式中的非静电性场强 E 被称为“涡旋电场”或“感应电场”。该定律被赋予了新的解释：“变化磁场将产生感应电场”。这样，电场不仅有静电场，而且出现了第二个新成员——涡旋电场。

  1. 位移电流假说。为了把安培环路定律推广到非稳恒的情形，并且又与电荷守恒定律不发生矛盾，麦克斯韦提出了崭新的与变化的电场相当的位移电流概念，从而形成了一个完全属于他本人的假说：与传导电流或运流电流所产生的磁效应完全相同，位移电流也在周围空间激发磁场。

于是，变化的磁场激发电场（电磁感应现象），变化的电场激发磁场

（位移电流假说），两个对称性的假说形成了一套完整的理论，即麦克斯韦电磁场理论。按照这个理论，变化的电场和磁场互为因果，形成一个统

一的物质客体——电磁场，而且它一经产生，便会向四周按光速 c 传播。麦克斯韦方程组 1864 年，麦克斯韦用数学方程式表达了他的电磁场理

论。这些方程在 1873 年出版的他的《电学和磁学论》一书中得到最系统的概括，它们是

∮sD·dS=Σq，

∮sB·dS=0，

∮E·dl = − d

dt

∫s B·dS，

∮H·dl = ∫ j + ∂D ·dS。

 ∂t 

式中的各个场强矢量系指实际存在的所有的场，它们既是空间的函数，也是时间的函数。这组方程是麦克斯韦方程组的积分形式，描述了电磁运动的普遍规律。通过数学变换，还可将麦克斯韦方程组写成下列形式：

∇·D = ρ，∇·B = 0，

∇×E = - ∂B ，∇×H = j + ∂D 。

∂t ∂t

这称为麦克斯韦方程组的微分形式。麦克斯韦方程组构成了一个完整的理论系统，它们与描述介质状态的方程以及边界条件、初始条件等联立起来，可描写各种电磁运动的特征。

伟大成就与经典缺陷 以麦克斯韦方程组为核心的麦克斯韦电磁场理论是经典电磁学的最高成就，“是自牛顿以来物理学上经历的最深刻和最有成果的一次变革”。它不仅能全面说明当时已知的所有电磁现象，还成功地预言了电磁波的存在，指出光是某一频率范围内的电磁辐射，这些预言也很快为赫兹实验等证实。以麦克斯韦方程组为标志，经典电磁学达到了它最系统最完美的形式。以这一理论为指导，电磁学的各个分支学科迅速发展，相关学科也受到巨大推动。人类社会开始以前所未有的速度向电气化迈进，生产技术和日常生活都出现了深刻的变化。当然，物质世界是不可穷尽的，人类的认识也是没有止镜的。上世纪末叶麦克斯韦理论的成功所激发起来的关于电磁以太问题，黑体辐射能谱分布问题，线光谱起源问题，以及光电效应问题的讨论，又进一步导致了爱因斯坦的相对论以及量子论、量子力学的建立，为 20 世纪物理学的飞速发展作出了巨大的贡献。

麦克斯韦速率分布律（Maxwell speed distrib-ution law） 英国物理学家麦克斯韦在 1859 年得到的关于气体分子速率分布所遵循的统计规律。

按照气体动理论，气体分子以不同的速度沿各个方向作无规则运动， 而且由于相互碰撞，每一分子的速度都在不断的改变。因此，如果在某一瞬间去考察某一特定分子速度的大小和方向，所得到的结果完全是随机的。然而，就大量分子整体而言，在一定的条件下，处于某一速度值区间内的分子数与气体分子总数的比值都服从确定的统计规律。

基本假设 在近代测定分子速率的实验获得成功以前，麦克斯韦和玻耳兹曼等物理学家就从理论上得到了气体分子速率分布的规律。他们首先根据分子运动的无规则性提出了两个基本假设。

  1. 每一分子速度在某一空间方向上的分量（例如沿 x 方向的速度分量

vx）处于某一速率区间内的可能性与在其它方向上处于同一速率区间内的可能性相同，且相互独立。

  1. 每一分子速度在某一空间方向上的速度分量（例如

    vx）处于某一速率区间内的可能性与在其相反方向上（例如-vx）处于同一速率区间内的可能性相同，且相互独立。

速率分布 基于上述假设，麦克斯韦发现在热平衡状态下，当气体分子间的相互作用可以忽略时，分布在任一速率区间 v→v+dv 内的分子数 dN 与气体分子总数 N 的比率为

dN = f（v）dv = 4π

m  3/ 2

mv2

e 2 kT v2dv，

N  2πkT

式中 T 是绝对温度，m 是一个分子质量，k 是玻耳兹曼常量。其中 f（v） 称为气体分子的速率分布函数，它表示在速率 v 附近单位速率间隔内的分子数百分比。在一定温度下，根据 f（v）与 v 的函数关系可画出速率分布曲线（见图 1）。图中在任一速率区间 v～v+dv 内速率分布曲线下的窄条面积的大小表示在该速率区间内分子数百分比。从图 1 可以看出，虽然每个分子的速率可以取从零到无穷大的任意值，但是 v 很大或 v 很小的分子数百分比实际上很小，而具有中等速率的分子数百分比很大。

■图 1 气体分子速率分布曲线

三种速率 ①最概然速率：在图 1 中与 f（v）极大值对应的速率称为最概然速率。通常以 vp 表示之。在最概然速率附近单位速率间隔内分

子数百分比最大。最概然速率为v = 2kT 。②平均速率：所有分子速率

p m

的算术平均值称为平均速率，通常以v表示，v =

8kT。③方均根速率：

πm

利用求平均值的方法可以得到速率平方的平均值，为v2

= 3kT ，方均

m

根速率即为

= 3kT 。上述三种速率的大小依次为m

> v > v

p 。这

三种速率都是大量分子速率分布的统计行为，但在不同的情况下需应用不同的速率。例如，在讨论速率分布如何随温度而改变时，要利用最概然速率 vp，当温度 T 升高时，vp 相应增大，气体分子中速度较大的分子数所占比例就增多；讨论分子运动的平均自由程时，要用

到平均速率v；而在讨论分子平均平动动能时，则要利用方均根速率。

实验验证 麦克斯韦速率分布律可直接由分子束实验进行验证。典型的实验装置如图 2 所示。O 为金属蒸气源，产生金属蒸气。S 为狭缝，金属蒸气通过狭缝后形成定向射线。B、C 为两个共轴圆盘，以同一角速度ω转动，圆盘 B 上开一狭缝，作为射线入口；圆盘 C 上也开一狭缝，作为射线出口。这两个狭缝与垂直方向形成的夹角错开一个角度Φ，BC 之间的距离为 l。D 是检测器，接收原子射线并测定其强度。整个实验装置安放在高真空容器中。圆盘转动一周，分子束就通过 B 的狭缝一次。由于分子具有不同的速度，因此能通过 B 狭缝的分子不一定能通过 C 狭缝。只有

满足下列条件的速度为v的分子才能从B进入并从C射出： v = ω 。

l φ

由于狭缝有一定的宽度，实际上能被检测器 D 收集到的分子不是严格精确的速度为 v 的分子，而是处于 v～v+△v 区间内的分子。调节圆盘转速，就可以测出在不同的 v 附近小区间内的分子数，从而得出分子速率的分布。实验结果与麦克斯韦分布律的理论结果完全相符。

■图 2 麦克斯韦速率分布实验装置

麦克斯韦妖（Maxwell demon） 由麦克斯韦提出的一个著名的理想实验。1871 年，麦克斯韦在他的《热理论》一书中提出设想存在一个能识别和控制冷、热分子运动方向的小生物（小妖），于是设计了这样的理想实验：“现在让我们假定这一容器被一个带有一个小孔的间隔分成两部分， A 和 B，并且能看见单个分子的一个小生物打开和关闭这个小孔，以至于仅仅允许较快的分子从 A 通到 B，和仅仅允许较慢的分子从 B 通到 A。于是， 它将不消耗功便能提高 B 的温度和降低 A 的温度，而与热力学第二定律矛盾。”麦克斯韦妖的提出不仅促进了对热力学第二定律的正确程度和应用范围的研究，而且促使西拉德发现了分子运动信息与熵变化的关系，还导致香农指出以某种符号定义的熵，恰巧与热力这定义的熵相反，在某些不可逆过程中，信息的熵不是增加而是在减小。布里渊在西拉德和香农工作的基础上，对麦克斯韦妖问题做出新的论证和解释。他提出用带奇异眼的自动装置代替小妖，用电池或灯泡作为电炬，小妖只能借助电炬提供的辐射来检测分子运动，它虽然看不到分子，然而能凭借从分子散射得到的信息，操纵隔壁上的活门，以使快、慢分子分离在两个室中。可见这装置与麦克斯韦的设计是等效的。当辐射提供给小妖时，属于熵增过程；当小妖得到信息操纵活门使快、慢分子分离时，属于熵减过程。布里渊发现包括这两个过程的整个过程的总熵还是增加的；至于熵减过程则是由于信息对小妖的作用而引起的。于是他指出：“信息应该看作系统的熵的负项，即信息是负的熵。”正是由于这个负熵的作用，才使系统的熵增减，但总熵仍然还有所增加。由此表明，麦克斯韦妖的假想实验只能而且必须是一个可以从外部引入负熵的开放系统，正因为这样，它并不违背热力学第二定律，也说明麦克斯韦所说的它“与热力学第二定律矛盾”并不成立。

迈尔（Julius Robert Mayer 1814～1878） 德国医生、物理学家。生于符腾堡的海尔布隆。曾在蒂宾根大学学医。1838 年获得医学博士学位后，在海尔布隆等地行医。

迈尔是第一个发表能量守恒和转化定律的科学家。1840 年 2 月至 1841

年 2 月，他在一艘远洋船上当随船医生，在去爪哇的途中，发现病人的静脉血比在欧洲时的颜色要红些，由此引起注意和反复进行研究。根据拉瓦锡的燃烧说，迈尔认为，热带地区人的静脉血所以红些，是由于其中含氧量较高的缘故，而氧所以多出来，是由于提供体热燃烧掉的食物减少的结果。这使他联想到食物中化学能与热能的等效性。他还听到海员们说，海水在暴风雨时比较热，由此又联想到热与机械运动的等效性。回到德国后， 进一步深入研究了这个问题，1842 年，发表了题为《论无机界的力》的论文。该论文运用“因等于果”的命题，认为力（即能）是自然界运动变化的原因，而因等于果，自然力在量上是不灭的，只是质发生变化。又运用“有不变无”的命题，指出运动在许多情况下，只不过产生热效应，因而

热的来源只不过是由于运动。再运用热与气体的体积的关系，以及当时已有的气体比热的实验资料得出：物体从 365 米高的地方下落相当于把同等量的水从 0℃加热到 1℃，即 1 千卡=365 千克·米，但文中没有阐明推导过程。因此迈尔是历史上第一个提出能量守恒和转化定律并计算出热功当量的人。

由于他是个医生，在物理学界并不出名，这篇重要论文当时未引起注意。1845 年，发表了《论有机体的运动以及它们与新陈代谢的关系》的论文。在该文中列举了物理能的 5 种形式：①落体力，②简单运动与振动，

③热，④电流，⑤某些物质的化合、分解；并指出这些能量相互转化的 25 种方式。迈尔的理论为后来热力学的发展奠定了基础。

迈克耳孙（Albert Abraham Michelson 1852～1931） 美国物理学家。生于普鲁士的斯特雷诺。两岁时全家移居美国。1873 年毕业于安那波列斯国立海军学院。1880 年赴欧洲进修，1882 年回国后任开斯应用科学学院物理学教授。1892 年起任芝加哥大学教授，第一任物理系主任。1910～ 1911 年任美国科学促进协会主席。1923～1927 年任美国科学院院长。1900 年被选为法国科学院院士，1902 年当选为英国皇家学会会员。

主要贡献在于光谱学和基本度量学，获 1907 年诺贝尔物理学奖。1879

年，通过改进傅科的方法，获得光速值为 299910±50 千米/秒。访欧归来

于 1902 年和 1923 年，多次进行光速的精密测量，最后利用多面镜反射法，

获得光速值为 299798±4 千米/秒，与现代真空光速的可靠值 299793±0.3 千米/秒十分接近。1880 年，在柏林期间，发明了利用干涉条纹精确测量长度或长度改变的仪器，被称为迈克耳孙干涉仪，它在现代物理实验中， 具有重要地位。1887 年，与精通物理学和数学的化学家莫雷合用，利用迈克耳孙干涉仪，通过改进实验装置，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。该实验主要是以光在以太中的速度和地球运动速度的叠加作用，来探测地球的运动。实验结果未发现条纹有任何移动，也就是无法测出地球的“绝对运动”。这是物理学发展史上一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。后经多人的反复实验，证明以太是根本不存在的，从而为爱因斯坦建立狭义相对论准备了思想基础。

迈克耳孙干涉仪（Michelson interferometer） 迈克耳孙于 1880 年最早设计并制作的一种分振幅干涉装置。

结构 迈克耳孙干涉仪主要由四块玻璃板组成，见图。H 为半透明分束镜，G 为全透明补偿板。H 和 G 平行，二者厚度和折射率都相同，且与水平线成 45°夹角。H 的第二平面上镀以半透半反射膜，以便能将入射光分成振幅（或光强）相等的两部分。其中一部分反射光垂直投射到平面反射镜 M1，另一部分透射光经过补偿板 G 投射到平面反射镜 M2。M1 和 M2 如图安置在相互垂直的两臂上，其中 M1 可沿臂轴方向移动。

从 H 镀膜面上反射和透射的两束光分别标记为(1)和(2)，它们受到 M1 和 M2 的反射，分别沿原路返回。光线(1)透过 H 板两次，然后到达 E 点， 补偿板 G 的作用是使光线(2)也两次透过与 H 板同样

■迈克耳孙干涉仪

厚度的玻璃板而到达 E 点。M′1 是 H 板对 M1 形成的虚像，与 M2 的间隔为 d。于是在 E 点处观察到的干涉图样可以认为起源于厚度为 d 的空气平

板 M1M′2。

干涉图样 M1 与 M2 相互垂直，M′1 与 M2 相互平行，于是迈克耳孙干涉仪中将呈现等倾干涉效应。干涉图样为同心圆环。当 d 逐渐增大时，中心圆环向外长出。且每当 d 增加λ/2 时（λ为波长），将长出一个圆环。当 d 由大逐渐变小时，靠近中心的圆环将没入中心。且每当没入一个圆环时，d 的缩小量必定为λ/2。

若 M1 与 M2 并不严格垂直，M′1 与 M2 形成空气劈，于是产生等厚干涉

效应。干涉图样为等距离分布的亮暗相间的直线条纹。

应用 迈克耳孙干涉仪的两束相干光的光路完全分开，便于在光路中安插其它器件。用这类仪器既可观察等倾干涉，又可观察等厚干涉。迈克耳孙干涉仪的精确度和灵敏度都很高，可应用于多种精密测量。迈克耳孙最早利用这一装置测量了地面上的光速，他的高精度实验结果表明，沿地球运动方向和垂直于地球运动方向上传播的光的速率相同，从而为相对论的建立提供了实验基础。迈克耳孙也因发明这种干涉仪并对光速的精确测量而获得了 1907 年诺贝尔物理学奖。1895 年，迈克耳孙曾用此干涉仪测量了镉红线的波长，并将光的波长与标准米进行了比较。1920 年又用这类仪器测量了远方星体的直径。迈克耳孙干涉仪也是近代许多干涉仪如泰曼干涉仪和傅里叶分光计的原型。

脉冲技术（Pulse technique） 脉冲信号的变换、产生和应用的技术。脉冲信号的波形在某一时间内有突发性和断续性的特点，常用的脉冲信号有方波、矩形波、锯齿波、三角波、阶梯波和尖顶脉冲波等，波形如图 1 所示。脉冲波形种类繁多，因此表明其特性的参数也较多。矩形脉冲的主要参数有（参见图 2）：周期 T、宽度 tw、前沿 tr、后沿 tf、幅度

Vn 和脉冲空度D(=

T )。

t

ω

脉冲电路的特点有：①抗干扰能力强：有脉冲电

■图 1 几种常用脉冲信号波形

■图 2 矩形脉冲参数

路中，信号是靠脉冲的有无、脉冲宽度或脉冲的重复频率来表达的， 而干扰往往反映在对输出幅度的影响，因而脉冲电路比较容易地把信号和干扰分开。②精确度比较高；在脉冲数字电路中，代表信号的数码是靠脉冲的个数来表达的，而控制脉冲的个数可以作得非常精确。③功耗小、便于控制：在脉冲电路中，晶体管主要工作在饱和和截止两个状态，这两种状态功耗都小，而且这两种状态是很易控制的。④允许脉冲功率大：在脉冲电路中，元件反承受的功率是瞬时的，因此元件可以承受比额定平均功率大许多的脉冲功率。

脉冲电路一般含有晶体管和电容或电感器。晶体管用作开关，它的通、断可以改变电路的工作状态。电容、电感用作惰性元件，可以形成电路中的暂态特性。由此它们可以完成诸如同步、分频、计数、移位寄存、电压比较、延时、扫描、模-数和数-模转换、选通、脉冲编码等功能。

脉冲技术已广泛应用于电子计算机、通信、雷达、电视、自动控制、遥测遥控、无线电导航和测量技术等领域。

脉冲星（Pulsar） 具有短周期脉冲辐射的天体。这种辐射脉冲周期

最短约为 0.033 秒，最长的也只有 4 秒。脉冲本身的持续时间更短。脉冲星和辐射频谱除极少数外均集中在高频无线电波波段，故又称脉冲射电星，它可通过射电望远镜发现。1967 年，英国天文学家休伊什与贝尔在作射电望远镜巡天观测时发现了第一颗脉冲星。这一发现是天体物理学史上的一个重要里程碑。

至今已发现数百颗脉冲星。目前普遍认为脉冲星就是中子星。恒星演化到晚期，在一定条件下将塌缩成中子星。在这种塌缩过程中，恒星的半径从约 100 万公里收缩到仅约 10 公里左右，同时释放出大量引力势能，星体自转速度急剧增加，磁场也大大增强（可达 1012 高斯）。电子在磁场中将作螺旋运动，同时发出方向性很强的同步辐射。在磁场高达 1012 高斯的中子星表面，电子的螺旋轨道半径极小，其运动轨迹几乎被磁场拉直。在星体磁场最强的两极处，高速电子将沿磁力线向远处喷射，它们所产生的同步加速辐射也沿磁力线方向射出，形成为一束细射束。一般中子星磁轴与它的自转轴不重合，因而当中子星自转时，这细束像探照灯一样扫过空间，因而射电望远镜收到的是脉冲信号。中子星转动一周，同步辐射电磁波也在空中扫过一圈，因而脉冲信号周期反映了中子星的自转周期。理论曾经预言，中子星的角速度约为 1 周/秒，这与观测到的脉冲星周期数据一致。但更详细的理论尚待进一步建立。

脉冲星具有超高密度、超强磁场以及超高温、超高压和超强辐射等特性，因此对于研究高密态物理学具有重要意义。

毛细现象（capillarity） 把内径很小的管子插入液体中，润湿管壁的液体在细管里升高，而不润湿管壁的液体在细管里降低的现象。能够发生毛细现象的管子叫做毛细管。润湿管壁的液体在毛细管中升高，液体面呈凹状；不润湿管壁的液体在毛细管中降低，液面呈凸状，这是由表面张力和接触角所决定的。

由于管中液面弯曲而在液面下产生的附加压强叫做毛细压强。管中液面为凸状时，附加压强为正；液面为凹面时，附加压强为负。若毛细管的内径为 r，管壁与液体的接触角为θ，液体的密度为ρ，表面张力系数为α，则管中液面上升（或下降）的高度 h 为

h = 2α cosθ

ρgγ

式中 g 为重力加速度。可见 h 与α成正比，与 r 成反比。因而，管子越细，液面上升或下降就越明显，反之管子越粗，就越不易观察到毛细现象。

毛细现象在自然界中普遍存在。纸张、纺织品、粉笔等物体能够吸水， 就是由于水能润湿这些多孔性物质产生毛细现象。农作物正是通过根和茎的毛细管的毛细作用把土壤中的水和养分吸收到机体中来才能生长。有的土壤毛细管结构不好，影响了农作物的产量，在农田管理中常常通过增加腐殖质来改善土壤的毛细结构，增加毛细管内水的储量。在石油开采中， 控制和克服毛细管压力也是一个重要课题。由于储存石油、地层水和天然气的多孔砂岩的孔道都是极细小的毛细管，而在这些毛细管中，石油和水在和天然气接触处形成的弯曲液面所产生的附加压强阻碍着石油在地层中流动，在油田开采时就要把具有表面活性物质的热水或热泥浆打入岩层， 使石油的表面张力变小，从而减小了由弯曲液面而产生的附加压强，使石

油易于流动，以此提高石油的开采量。

媒质（medium） 见介质。

门电路（gate circuit） 又称开关电路。用来对数字脉冲信号起开关作用的一种最基本型式的数字电路“门”是对数字电路基本单元的功能的一种形象化的比喻。当这种电路工作时，其输入端和输出端只取“高”、“低”两种确定的电平状态。在集成电路中，由于这两种状态的实现和变换的物理过程好像是电子的开关，所以形象化地把这种电路称之为门电路。在进行二进制数字运算中，人们人为地取门电路的高低电平状态代表“1”和“0”。只要把门电路进行适当的组合，就可以实现二进制的各种数字运算。门电路实现控制的基本条件有两个：一个是信号的时间；另一个是电路和信号的条件。

常用的门电路有：“与”（AND）门、“或”（OR）门、“非”（NOT） 门、“或非”（NOR）门与及“与非”（NAND）门等。

蒙特卡洛方法（Monte-carlo method） 适用于所有利用随机数的各种各样过程的一种名称。该方法的基础是一组看来像从一特定的概率分布中随机抽取出来的数列。例如在 0 到 1 区间内的均匀概率分布，其分布密度函数为

p（x）10≤x≤1

在 BASIC 语言里，已有产生上述随机数的命令，即 RND（0）和 RND（1）， 前者每次运行含有需要求随机数的程序时，所产生的随机数序列是完全相同的，后者却不相同，即产生的随机数没有序号。在 FORTRAN 语言里，有专门产生随机数的子程序，需要时可以调用。

如果需要产生在区间[a,b]内的随机数，可写成：

a+（b-a）*RND（0）。如果要产生 1～6 的随机整数，可写成形成：

K=1NT（l+6*RND（0））。

蒙特卡洛方法主要用于随机游动问题、统计模拟、积分、偏微分方程等多个方面。但蒙特卡洛方法精确度较低，速度较慢，如果要提高精确度， 运算的循环次数将大量增加，不但费时，占的内存空间也会相应增加。只有在较为复杂的问题中，其他数值计算有一定的困难时，蒙特卡洛法反而简单和方便。目前正在进一步研究如何提高使用该法的效率。

《梦溪笔谈》中的物理知识（Physics knowledgein Menxi Bitan）

《笔谈》是沈括晚年所撰的一部笔记文学体裁的百科著作。沈括是我国宋代著名的科学家。其中《笔谈》二十六卷，《补笔谈》三卷，《读笔谈》一卷，共三十卷，计 609 条。此书集沈括一生研究和见闻之精华，内容涉及天文、地理、地质、生物、医药、物理、历法、军事、史学、音韵、文字、考古等。英国科技史家李约瑟称赞它是“中国科技史上的坐标”。

磁学方面。《笔谈》记录了当时指南针的四种装置法：水浮法、指甲旋定法、碗唇旋定法和缕悬法，并指出，前三种方法“不若缕悬为最善。”

《笔谈》记录了人工磁化方法：“方家以磁石磨针，则能指南，然常微偏东，不全南也。”后两句是关于磁偏角的最早记载，比西方的记录早四百年左右。当时沈括常在江、浙一带，那时该地区的磁偏角仅 3°～4°，能发现如此小的偏角实属不易。

声学方面。《笔谈》卷五、卷六中记述他关于乐律、古琴制作、古代扁形乐钟的发声等方面的见解；对声的共振现象研究尤多。他写道：“古法以牛革为矢服（盛箭器），卧则以为枕，取其中虚（空的），附地枕之， 数里内有人马声，则皆闻之。盖虚能纳声也。”还记录了他做的共振实验： “琴瑟弦皆有应声：宫弦（弦的名称）则应少宫（弦的名称），商弦（弦的名称）即应少商（弦的名称），其余皆隔四相应（隔四根弦的两根弦都能应和）。今曲中有声音，须依此用之。欲知其应者，先调诸弦令声和， 乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”这比西方同类实验早了五个多世纪。

光学方面。《笔谈》记录了凹面镜成像实验：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”这里所谓“过此”的“此”指的是凹面镜的焦点，沈括又称之为“碍”。在焦点附近不成像，故“无所见”。《笔谈》还对焦点作了十分形象的描述：“阳燧面凹、向日照之， 光皆聚向内，离镜一、二寸光聚一点、大如麻菽，着物则发火，此腰鼓最细处也。”

《笔谈》中对我国古代的光学杰作——透光镜也作了研究，认为“文虽在背面鉴面隐然有迹，所以光中现。”并解释这是由于铸镜时冷缩不均匀而引起的。

密度（density） 通常指单位体积的质量或物质的质量与体积之比。在国际单位制中，单位是千克/米 3。

对于质量均匀分布的物质，以上两种定义均可；对于质量分布不均匀的物质，一般用“质量与体积之比”来表示其平均密度。某种物质的密度与水的密度之比称为这种物质的相对密度。以前，习惯上把重量与体积之比称为比重。根据国际单位制的定义，比重应是相对密度，即指某种物质的密度与标准物质（如水）的密度之比值，它是一个无量纲的值。为了与国际上使用一致，现不再用重量与体积之比这一比重概念，而用密度概念。一般地说，某物理量在空间、面上或线上分布的密集程度也用密度表示， 分别称该量的体密度、面密度和线密度。如电子数密度表示单位体积中的电子数。

密立根（Robert Anderws Millikam 1868～1953） 美国物理学家。生于莫里森。1891 年毕业于奥伯林学院。在此之前，读完二年级时，便被聘为初级物理班的教员，他很喜欢这项工作，也增加了对物理学的兴趣。1895 年获哥伦比亚大学博士学位。1910 年任芝加哥大学教授。1916～1918

年任美国物理学会会长。 1921 年任加利福尼亚工学院布里奇实验室主任。从而使该校成为世界上最著名的科学研究中心之一。

主要贡献是对电子电荷进行精密测定，获 1923 年诺贝尔物理学奖。

1906 年，提出用液滴法，对单个电子的电荷进行测定。1910 年，发明了油滴法，次年设计了十分巧妙的油滴实验装置：让一个很小的带电油滴，在电场中使处于所受电场力与重力平衡的状态。根据油滴的半径、电场强度和油的密度，计算出油滴上的电荷。1913 年，对电子电荷进行多次精密测定，得到电子电荷的数值为

e=（4.774±0.009）×10-10esu。

与此同时，证明了电荷是一个孤立的常数，即电荷的不连续性。1914 年，在可见光和紫外区验证了爱因斯坦的光电效应方程。1916 年，在证实

爱因斯坦光电效应方程的基础上，测出当时最好的普朗克常数 h。

密立根对宇宙线也进行了大量研究。1921～1922 年，用气球进行实验，载有自动记录的验电器的气球上升高度达 15500 米。1925～1929 年， 证明了宇宙辐射的致电离作用随着深度的增加而减少，并发现了宇宙线中的α粒子、高速电子、质子、中子、正电子和γ量子。

密立根油滴实验（Millikan oil-drop experim-ent） 第一个直接测定电子电荷的物理实验。由美国物理学家密立根于 1911 年完成。他设计了一种直接测量附在油雾中许多油滴上的微量电荷的方法。实验装置的原理如图所示，雾状小油滴由喷雾器小嘴喷到两块平板上面的空间，上板有一小孔，实验时使小孔开启足够长的时间，让小油滴穿过该孔而漂移到两板之间的空间。平行板接有可调直流电源。侧面有显微镜通过玻璃窗口观察油滴的运动情况，并首先由此测出在两板间没有电位差时油滴下降的速率，从斯托克斯定律算出油滴的质量 m。然后，再用 X 射线照射两板间空间使空气电离，从而使油滴带上微小的电荷 q，调节两板之间电压，使油滴停止在两板间的某点处。这时根据作用于带电油

滴的电场力等于油滴重力的力平衡方程a V = mg，便求得油滴的电荷q。

d

式中 V 为平衡时平行板上的电位差，d 为两平行板间的距离。

■密立根油滴实验图

重复运用这种方法测定各个油滴的电荷数值，可以发现，这些数值并不是连续分布的，而是分成若干组，每组分别是一个最小电荷值（基本电荷）的某一整数倍。密立根从实验中发现并断定这一最小电荷值就是电子电荷，数值为 1.602×10-19C。

摩擦（friction） 两相互接触的物体之间具有相对速度或具有相对运动趋势时，在它们接触面上所发生的阻碍其相对运动的现象。两相互接触的固体之间的摩擦称为干摩擦，其中若两固体之间只存在相对滑动趋势而未发生相对滑动时的干摩擦称为静摩擦；两相对滑动固体之间的干摩擦称为动摩擦。伴随着液体或气体内部各部分相对移动而发生的摩擦称为湿摩擦。当固体在液体或气体中运动时，液体或气体也将在固体表面上产生阻碍运动的摩擦力，这种摩擦实际上是固体表面所带走的一薄层流体与外侧邻近一层流体之间的湿摩擦。

摩擦的机理 一般说来，固体之间的摩擦出于两种原因，其一是两固体表面粗糙不平，两接触面上凹凸不平的部分互相啮合，阻碍了两物体之间的相对运动。其二是两固体表面或表面上凹凸不平处互相挤压，使两表面上分子之间的距离进入了分子引力作用范围之内，产生了表面之间的粘合现象，因而阻碍了两物体之间的相对运动。上述两种产生摩擦的原因可能同时存在，也可能以其中一种为主。例如木材之间的摩擦以啮合作用为主，金属之间的摩擦则以粘合作用为主。液体或气体各相对运动部分的摩擦主要可以用分子之间通过碰撞和渗透而产生的动量传递来解释。由于摩擦的产生原因还牵涉到不少其他因素，所以，摩擦作用的一般规律直接由实验决定。

摩擦力 两固体表面相互接触时在表面之间所产生的阻碍彼此之间相对运动的切向作用力称为外摩擦力，也简称为摩擦力。如两表面之间尚未发生相对运动，此摩擦力称为静摩擦力；如两表面存在相对运动，则称

为滑动摩擦力。气体和液体内部各部分发生相对运动而引起的阻碍这种相对运动的力称为内摩擦力。

一个物体所受静摩擦力的大小由此物体所受的其他外力和接触面之间没有相对运动的条件共同决定。特别是，静止物体所受的静摩擦力总是与使物体有相对运动趋势的其他外力平衡。在外力和摩擦力的共同作用下， 如物体在接触面上趋于滑动，这时静摩擦力达到它可能有的最大值，称为最大静摩擦力。实验表明，最大静摩擦力 fsm 与物体在接触面上的正压力 N 近似成正比：

fsm=MsN。

Ms 称为静摩擦系数，由物体和与之接触的另一物体的材料性质决定。实验也表明，滑动摩擦力 fk 也与正压力 N 近似成正比：

fk=μkN。

μk 称为滑动摩擦系数，也由物体和与之接触的另一物体的材料性质决定。当液体或气体各层之间存在速度梯度时，一层和另一层之间存在阻碍彼此相对运动的切向力称为内摩擦力。实验表明，单位面积上的内摩擦力f 和层与层之间的速度梯度成正比：

f  △v

= η 。

 △x 

△v 是相距为△x 的两层之间的速度差，比例系数η称为内摩擦系数， 也称粘滞系数，由液体或气体的性质决定。

摩擦的作用 摩擦是一切现实运动中不可避免的现象，它的作用是减小物体之间的宏观的总体运动，通过摩擦力做功把机械能转化为分子无规则运动的内能。人类的祖先正是利用摩擦生热原理，发明了钻木取火，才得以生存和发展。在日常生活、生产和工程技术中，摩擦力时时、处处都在起作用，离开了摩擦，人类的衣食住行都将发生不可设想的困难。因此， 利用摩擦的有利方面和避免它的不利方面，始终是人们关心和研究的一个重要课题。

摩擦力（frictional force） 参见摩擦。

摩擦起电（triboelectricity） 用摩擦方法使物体带电的过程。古代就已发现了摩擦起电现象。后来发现存在两类电荷后便规定，用丝绸摩擦的玻璃棒带的电荷为正电荷；用毛皮摩擦的硬橡胶棒所带电荷为负电荷。现代科学指出，从物质的原子结构层次来说，原子由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子构成，通常原子核所带的正电荷与电子所带的负电荷数量相等，原子呈电中性，整个物体也不带电。摩擦起电实质上是物质中的电子从一个物体转移到另一个物体的结果，失去电子的物体带正电；获得电子的物体带负电。由于电荷守恒定律，原来不带电的两个物体互相摩擦起电后，它们所带的电量必定数值相等，符号相反。

模式识别（Pattern recognising） 又称图像识别，以研究某些对象或过程的分类与描述为主要内容的一门技术科学。它主要涉及数学、生物学、心理学、语言学和计算机科学等，是多学科综合的产物。模式识别技术现已在天气预报、生产控制、质量检验、疾病诊断、遥感监测、文字识别、地震探测、指纹分析、细胞分类、遗传工程等方面得到广泛应用， 并将在对计算机视觉、机器人和第五代智能计算机的研制工作中起重要作

用。目前，具有识别功能的智能产品正逐渐步入国际市场。

模式是对所研究的物理对象或过程的定量或者结构的描述。具有某些共同特征的模式的集合称为模式类。数字、声音、文字、各种黑白与彩色图像、遥感图片、手写汉字、指纹图案、空间物体等属于不同种类的模式。用计算机对图像、声音、文字、物体等模式进行分析、分类，对模式或模式类间的结构加以描述和理解，这一过程称为模式识别。模式识别就是用计算机代替和扩展人类的识别功能，解决人类生理器官所不能识别的问题，如自动装配线中零件质量的检测，复杂事故的查寻，人体内病灶和疾病潜伏期的诊断，货物标签、帐单、邮政编码的自动识别等。模式识别过程可分为模式输入、模式鉴别和结果输出三个阶段。下图为模式识别流程图。在模式输入阶段，由光电装置或声电装置等输入设备将模式（图像、图形、声音等）数字化后转换成电信号，再经 A/D 接口变成数字图像送入计算机。计算机对图像进行处理后提取模式特征或对图像基元的结构特征描述，完成模式的分类和判断，然后用一定的文法规则将图像基元连成各类“树”和“链”将结果输出。模式识别的方法有统计模式识别和句法模式识别。统计模式识别以统计决策理论为基础，建立统计学识别模型。句法模式识别又叫结构模式识别，它立足于分析模式的结构，以形式语言理论的概念为基础。

判断 结果

模式识别流程图

模式识别技术虽然只有 20 多年发展历史，但已在各个领域得到广泛的应用。起步较早的字符识别最先用于大量票据的自动处理、商品包装上条码的识别与自动记帐等。在银行系统用于支票上字符识别，便于自动处理各种票据。在邮政系统用于信函的自动分拣，既可减轻人们的劳动强度， 又可极大地提高分拣速度，达到准确迅速的目的。近年来，模式识别技术已广泛应用于工业生产，如用于电子、机械制造行业中的自动检验、质量检查等，产品的自动检验已成为模式识别的一个重要分支。在空间技术中， 模式识别常用于处理由卫星、飞船等空间探测器发送回的数字图片，对各种影像模式进行分类和判别等。模式识别目前已成为人与机器、社会科学与自然科学、基础理论与应用技术之间的接口区域。随着模式识别技术科学的进一步发展，人们正致力于研制具有听、说、看文字图形能力的机器人和具有思维和联想能力的新一代智能计算机。

模-数转换器的基本原理(fundamentalPrin-ciple of ADC) 模-数转换器的功能是把模拟信号转换成某种代码的数字信号，因此它又称为编码器。实现 A/D 转换的基本思想是以某一参考量 R 为单位去度量模拟信号A，从而得到数字量 D，用数学形式表达这一过程可以写成下式

D≡ A ，

[ ]

R

式中≡和[]表示一种舍零取整的过程。由于多数情况下 A 不能被 R 整除，实际上计算机或数字系统也只能读取有限位数的数字量，因此转换结果所得数字量 D 只是 A/R 的一个近似值，近似的程度取决于数字量 D 的位

数。这个过程可用天平称量物体质量的过程来类比。天平称量结果所得数字量是最小砝码的整数倍，小于最小砝码质量的零头被舍去。下图是基于天平称物原理而设计的一种 A/D 转换器原理结构。它用一套比较器将输入模拟电压与一组参考电压Ri(i=1,2,⋯,n)同时进行比较，比较器的输出 Voi 只有两种逻辑电平(取 0 或 1)，分别代表 A＜Ri 和A＞Ri 两种幅值大小关系。各比较器输出逻辑电平 Voi 经过适当编码，即可得到与 A 等效的数字量 D。如果参考电压 R1-Rn 符合二进制关系(即 R2=2R1，R3=22R1，⋯，Rn=2n-1R1)， 则 D 为二进制数。比较器在这里担任着模拟电路

■用于天平秤的 A/D 转换器原理结构

和数字电路之间接口的任务，它的输入是模拟量，输出是开关量，比较器的分辨力和精度对 A/D 转换器的分辨力有着决定性的影响。ADC 的过程实质是将模拟信号进行幅值整量化的过程。量化过程中的取整舍零所产生的误差称为量化误差，这是 A/D 转换的原理性误差。减少这一误差的唯一途径是缩小度量单位 R1（又称量化单位），但要受到比较器分辨力的限制。膜振动(vibration of membranes) 周界张紧的弹性薄膜受到横向扰

动后发生的横向振动。当张紧的弹性薄膜中的一部分受到横向扰动，膜的张力总是企图使它返回平衡位置，而它在返回平衡位置时，由于惯性运动， 继续向反方向运动，反复如此，就形成了膜的振动。膜振动的频率和具体振动方式由膜的张力 T、厚度 h、面密度ρ以及膜的周界形状决定。对周界固定的圆形膜来说，振动的最低频率（基频）是

a 为圆形薄膜的半径。圆形薄膜以上述基频振动时，整个膜面同相地振动，最大振幅发生在膜的中心。其他各种可能的振动频率并不是基频的整数倍，其中有这样的振动频率存在，它们与基频之比分别是 2.295， 3.60，4.90 等。当膜按这些频率振动时，膜面上将出现一个或多个节圆（见图），在各节圆的相邻两侧，膜上各点振动的位相相反。利用膜振动发声的乐器有鼓、芦笛等，这类乐器统称为膜鸣乐器。

■膜振动

《墨经》中的物理知识(physics knowledge in Mojing) 《墨经》是战国时期墨家著作的总集《墨子》中的一部分。计有《经上》、《经下》和《经说上》、《经说下》 4 篇共 179 条。有人认为《墨经》是后期墨家的著作，也有人认为《经》是墨家创始人墨翟主持编定或自著，《经说》则为其弟子们所著录。

力学方面。《经上》分别用“久，弥异时也”与“宇，弥异所也”来定义时间和空间，即综合具体的“时”与“所”，形成“时间”（“久”） 与“空间”（“宇”）的观念。并用“动，或（域）徒也”与“止，或（域） 久也”来定义运动和静止，即认为“运动”（“动”）就是物体位置的迁移，“静止”（“止”）就是物体在某处停留有一定的时间。由于有了类似于“瞬时”（“无久”）的观念，因此对运动的分析就比较深刻。《经》还最早提出：“力，刑之所以奋也。”即力是使物体由静而动、动而愈速或由下而上的原因。《经说》指出物体的重量也是力，物体之能下落，或被上举。都是基于重力的作用。对于力的平衡，《经》以头发悬物为例，

分析了材料是否断裂，决定于材料的内力与外力是否平衡。对于杠杆的平衡，《经》借桔■和秤为例，用“本”、“标”、“权”、“重”等术语， 比较完整地表达了不等臂杠杆的科学知识。

光学方面。《经下》中有相互联系的 8 条论述了几何光学的知识。从

头 5 条看，首论影的成因，次述光和影的关系，第 3 条以针孔成像论证光

的直进，接着又说明光的反射，最后讨论了光、物、影三者的关系。后 3 条分别论述了平面镜、凹面镜、凸面镜的成像规律。其中关于凹面镜成像的情况，《经》云：“鉴洼，景（影）一小而易，一大而正，说在中之外、内。”按钱临照说，这里“中”指球面镜的中心和焦点之间的一段空间。当人从远处向镜走来，在球心之外时，见到自己缩小的倒像；走在球心和焦点之间，因像在人的背后，故无所见；过了焦点又见到自己放大的正像。这种观察是以人体、人目代替今人用灯烛、白屏的实验方法。在《经说》中与此条相应的一段，还有些难解的文句尚待探索。

墨子（约公元前 468～前 376） 中国先秦思想家、政治家。名翟， 相传原为宋国人，长期住在鲁国。曾学习儒术，因不满其繁琐的“礼”， 另立墨家学派，聚徒讲学。他博览经典古籍，四处奔走游说，虽一度做官， 终不被重用，后来他举荐弟子到各国去推行他的政治主张。墨家成员大多来自社会下层，生活刻苦朴素，喜欢“摹万物之然”以对人们的生产劳动有所帮助，研究科学技术的风气极盛。墨家以兼爱、非攻、尚贤等为中心， 与儒家展开一系列的学术和思想斗争。前期墨家以墨翟为代表，其学说对当时思想界影响很大，与儒家并称“显学”。后期墨家发展了该学说中的唯物主义倾向，克服了其中有关宗教迷信的部分。

据汉书《文艺志》著录《墨子》共 71 篇，现存《墨子》53 篇，是研究墨子和墨家学说的基本材料。其中《兼爱》、《非攻》、《尚贤》、《尚同》、《节用》、《节葬》、《天志》、《明鬼》、《非乐》、《非命》10 篇是他的思想精华。《墨子》中的《墨经》是后期墨家进一步发展他的思想的著作，内容包括《经上》、《经下》、《经说上》、《经说下》、

《大取》、《小取》6 篇，一说后 2 篇除外。《墨经》概括了墨家关于认识论、逻辑学以及自然科学的研究成果，其中包含有我国最早的关于原子论、力学和光学等多方面的知识，是对世界古代原子论、力学和光学发展的杰出贡献。《墨子》中的《备穴》等篇还载有固体传声和共鸣现象应用的声学知识。

目的论（teleology） 用目的或目的因解释自然的一种学说。它分外在目的论和内在目的论。苏格拉底是外在目的论的早期代表，他否认事物发展的客观因果性和规律性，认为自然界的事物之所以成为它们存在的那个样子，是由于神的有目的的安排；事物都是由理智产生的，并为某种有用的目的而存在。亚里士多德是内在目的论的奠基者，他把目的规定为自然事物本身的内在决定性，认为自然界的事物的存在有其必然性，但它们又是有一定目的的；事物不是由于必然性才存在，目的才是事物存在的真正根据和推动者，目的是比必然性更高的原则。马克思主义的唯物论彻底驳斥了目的论，但是现代的新活力论等唯心主义学派，仍然以不同的方式宣扬目的论。

目镜（eyepiece） 光学仪器中用于观察物镜所成实像的放大镜。在组成光学仪器的透镜中，目镜最靠近人眼。一般的放大镜也可以说是目镜。

和放大镜一样，目镜成虚像于明视距离，有的目镜也成像在无穷远，以便眼睛在最松弛的状态下工作。目镜的第二个作用是形成一个合适的眼位距。

组合目镜 由两个或多个透镜组合而成的目镜，具有较高放大率和较大的视场，且可以校正像差。在这组合器件中，靠近眼睛的一个透镜称为视镜，或称接目镜；靠近物镜所成实像的透镜称为场镜，又称向场镜。从视镜到出射点（即出射光瞳与光轴相交的点）的距离称为眼位距。眼睛的瞳孔或眼的转动中心应放在出射点，以便接受视场各方的光，看见明亮广阔的视场，否则将发生部分光束被光阑割截的渐晕现象。眼位距对各种不同的光学仪器来说是不同的，但至少需 10 毫米，以避免眼睫毛的妨碍。组合目镜能提供一个合适的眼位距。

负目镜 光焦度是负值的目镜。在天文观察中，像的正立或倒立没有什么影响，故天文目镜没有正像作用。具有正像作用的目镜称“正像目镜”， 或称地面目镜。负目镜具有正像作用。

冉斯登目镜 由两块相同的平凸透镜、凸面相对且相隔一定距离组成的目镜。物镜的像平面位于目镜的场镜前，与目镜的物方焦平面重合。故物镜所成的实像经场镜成放大的虚像，再通过视镜成一虚像。这种目镜校正了彗形像差和像散，像场弯曲也较小，但不能校正球差和色差。其最大优点是在焦面上放置叉丝或透明的刻度板，以便于测量观察物。这种目镜也可当作一般放大镜用来观察实物。

惠更斯目镜 由两块相同材料制成的平凸透镜，凸面都朝向物镜且相隔一定距离组成的目镜。场镜与视镜的焦距之比为 3∶1，两者之间的距离约为焦距之和的一半。物镜所成的像对于场镜是虚物，经场镜成实像，再经视镜成虚像。主要优点有两条，一是放大率色差改正得较好；另一是目镜的物方焦面在场镜和视镜之间，因而使仪器镜筒长度缩短。缺点是使用刻度板有困难，不能测量观察物，也不能单独做放大镜观察实物。

穆斯堡尔效应（M O&&ssbauer effect）原子核无反冲γ发射和共振吸

收现象。德国物理学家穆斯堡尔于 1958 年首先发现，并从理论上作了解释。原子核从激发态 E2 跃迁到基态 E1 时将发射γ光子。对于自由核，当它发射γ光子时将受到反冲，在跃迁过程中所释放的能量 E2-E1 这时并不全部转换为γ光子的能量，其中一部分将变为发射核的反冲动能 E2/2mc2，这里 E 为光子能量，m 为原子核质量，c 为光速。这种光子不能为另一处于基态的同类核所吸收。如果将发射核固定而吸收核可自由运动，则吸收核将会受到γ光子的碰撞而发生反冲，这时光子的部分能量将转化为吸收核的反冲动能，所余下的能量也不足以使吸收核激发。如果将发射核和吸收核都固定，例如将它们都制备在固体晶格点阵上并置于低温下，这种无反冲γ光子发射和共振吸收才能实现。因为这时原子核发射或吸收γ光子时受到反冲的是整块固体，反冲动能公式中的 m 应代以整块固体的质量，反冲动能因此极其微小。这种方法具有极高的分辨率，可用于观察原子核能级的超精细结构，并由此探知物质的微观结构和微观相互作用。穆斯堡尔效应目前已广泛应用于原子核物理、凝聚态和固体物理、化学、生物学以及医学等领域。20 世纪 60 年代，利用穆斯堡尔效应在地面上测量了源与吸收体在高度上相距 22.5 米时的γ光子能量位移，在 1%的精度内证实了这个能量位移恰好等于光子的重力势能之差值，从而验证了重力场中光子

频率移动的效应。通过类似的实验还可测量光子频率随温度移动的效应（热红移）。