N

钠灯（sodium vapor lamp） 充有金属钠的钠蒸气放电灯。有低压钠灯和高压钠灯两种。低压钠灯主要是利用低压钠蒸气放电，发射 589.0nm 和 589.6nm 的黄光，具有良好的单色性，发光效率高。小功率的低压钠灯主要用作光谱仪器中的单色光源，45 瓦以上的低压钠灯主要用作港口、码头等处的照明或信号灯。高压钠灯是充有一定比例的钠和汞的高压钠蒸气的放电灯，光效率高于高压汞灯。其灯管用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成，燃点时发出白色光。由于光效高、寿命长、透雾性好，广泛应用于道路、机场、码头、车站、广场及工矿企业的照明。它作为一种理想的节能新光源，在世界各国受到普遍的重视和应用。显色性改进型高压钠灯是通过高压氙气来实现的，它的光效比普通高压钠灯低，但仍是白炽灯光效的 3～4 倍，而寿命为白炽灯的 10 倍。

内力（internal force） 系统内各质点之间的相互作用力。内力的特征是，如果某一力是内力，则此力的反作用力也是内力。根据牛顿第三定律，可知每一对作用力和反作用力的矢量和等于零，而且每一对作用力和反作用力对任一点力矩的矢量和等于零。由此可推论，一个系统全部内力的矢量和以及全部内力对任一点力矩的矢量和等于零。内力的这种性质，对研究质点组和刚体的运动带来很多方便。

不是内力的力，即系统外的物体对系统内的物体上作用的力，称为外力。一个力是内力还是外力，随系统的划分而定。所以，对系统的不同选择来说，同一个力在一种选择中可能是内力，而在另一选择中可能变成外力。例如，在两球的碰撞中，对两球组成的系统来说，相碰的一对作用力和反作用力是内力；而对每个球来说，另一球的碰撞力是外力。

内能（internal energy） 由热力学系统的状态所确定的能量。从微观上看，内能是系统中分子所具有的各种形式的动能、分子内部原子间的振动能和分子之间相互作用势能的总和。

内能是系统状态参量的单值函数。对实际气体，其内能由温度、体积和压强这三个量中的任意两个量确定。对理想气体，内能仅仅是温度的函数。

从 1840 年开始，在长达二十多年的期间内，焦耳进行了多次实验，揭示了内能的物理意义。结果表明，当一个系统经绝热过程由状态Ⅰ变到状态Ⅱ时，外界对系统所做的功 A 仅取决于这两个状态，而与中间经历的过程无关，因而可以用绝热过程中外界对系统所做的功 A 定义一个状态函数U，该函数在状态Ⅱ和状态 I 时的值之差即等于 A∶Un-U1=A。如果系统经历的不是绝热过程，则外界对系统所做的功 A 不再等于 UII-UI，但是有 UII- UI=A+Q，其中 Q 是系统从外界吸收的热量。态函数 U 就称为系统的内能。以上结论表明，内能确实是热力学系统所具有的一种能量形式，做功和传递热量都可以把其他形式的能量转化为内能，这是普遍的能量守恒定律在热运动中的体现，也称为热力学第一定律。

内能作为态函数，在每一个状态下内能的值可以有一个任意的相加常量，这个常量可以视具体问题而选择。内能是广延量，它的单位与功的单位相同，取作焦耳（J）。

内燃机（internalcombustion engine） 参见热机。

能级（energy level） 微观粒子系统处于束缚态（如氢原子中的电子）时所具有的分立的可能能量值。在能量图上可用一系列水平线来表示这些能量可能值，能量值由低到高，显示出阶梯状结构。附图显示了氢原子基本的能级图。能量最低的能级称为基态能级，然后随着能量值的升高， 分别称为第一激发态能级，第二激发态能级，⋯等。当电子处于高激发态能级时，会向较低的激发态能级或基态能级跃迁，跃迁过程中所放出的光的频率决定于两能级能量之差值。当电子处于基态或低激发态能级时，在外界电磁场的扰动下将会向高激发态能级跃迁。此过程中所吸收的光子的频率也决定于两能级能量之差值。此外，并非任何两能级之间都会通过发射或吸收光子而发生跃迁。跃迁过程必须满足各种守恒定律（如能量、角动量、宇称守恒定律等）。只有满足各种守恒定律的能级之间才能发生跃迁过程，并伴随着吸收或放出相应频率的光。所以从能级图上可以清楚地显示出原子的发射光谱和吸收光谱线系结构（参见氢光谱）。

■氢原子能级图

能力（ability） 顺利完成某种活动所需的个体心理特征，是探索与运用知识的本领，是影响活动成效的基本因素。能力是个人智力和知识技能通过实践转化而成的个体素质，它的基础在于人的社会实践即后天形成的心理特征。能力来源于智力而又高于智力，它是比智力活动含义更广泛的概念。能力还包括实践——思维——再实践过程中非智力活动的因素。

能力一般大体上可划分为认识能力与活动能力两大类，又可将认识能力分为观察力、注意力、记忆力、思维力、想象力，而以思维力为中心。此外，还有其他各种分类。知识和方法是形成能力的基础，能力的高低反过来制约着知识掌握过程的速度、深浅和成效。能力一旦形成，就具有了开发新知识、创造新方法的本领，因此能力来源于知识和方法，又高于知识和方法。从能力的培养过程来看，能力具有以下几个特征。①实践性： 一切间接知识和方法只有通过本人的直接实践活动经验才能转化为能力， 能力是本人的直接实践经验的产物。②综合性：任何能力（如思维能力、运算能力）都不是靠单项的知识和方法取得的；反之，任何一种知识、一项活动或方法光靠一种能力也不能完成。③渐进性：学习者的稳固能力只有通过多次实践和综合训练才能形成。培养能力要有一个循序渐进、不断提高的过程。

能量（energy） 物质运动的一种量度，简称能。伽利略时代已出现了“能量”思想，但还没有“能”这一术语。17 世纪由莱尼布兹提出“活力”的概念，它相当于现在动能的两倍。1807 年由托马斯·杨最早提出了“能”这一术语。相应于不同形式的运动，能量可分为机械能、系统内能、电磁能、化学能、原子能等。机械能一般指动能或势能，或两者之和。系统内能是系统内各分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、原子和原子核内能量的总和，但不包括系统整体运动的机械能。电磁能是指电能或磁能，或两者之和，即电场能和磁场能的总和。化学能是原子的外层电子变动，导致电子结合能改变而放出的能量。原子能即原子核能，是原子核结构发生变化时所放出的能量。当物质的运动形式发生转化时，能量形式同时发生转化，如机械运动转化为热运动，则机械能便转化为热运动

能（旧称热能）。

能量与质量虽是不同的物理量，但能量与质量却有密切的联系。爱因斯坦的狭义相对论表明：具有能量 E 的任何物质（包括实物粒子和场）同时具有质量 m，物体的总能量与总质量成正比，并满足下列关系：E=mc2 ， 式中 c 为真空中的光速。人们运用上述的质能关系式成功地解释了原子核的“质量亏损”（原子核的质量小于它所含各核子独立存在时的总质量， 这两种质量的差额称为质量亏损）现象，并发现了核内蕴藏着的巨大能量， 预示了利用原子能的可能性和重要性。

能量可在物质之间传递。能量的传递过程通常要靠做功来实现。而物体对外做功，就必须消耗本身的能量或从别处得到能量补充。因此，一个物体的能量愈大，它对外做功的本领就愈大。储存于系统内的总能量是该系统温度达到绝对零度之前的静态平衡所能做的功的极大值。

自然界中各种形式的能量都服从能量守恒与转化定律，即各种形式的能量在一定条件下，都必然以直接或间接的方式，按照固定的当量关系相互转化；在转化过程中，能量既不能创造，也不能消灭。

能量均分定理（energy equipartition theorem） 经典统计物理学在应用上的一个重要定理。它表明，对于处在温度为 T 的热平衡状态的经典系统，哈密顿量中每一个以独立平方项出现的广义坐标或广义动量对

系统平均能量的贡献都是 1 kT。

2

从能量均分定理可以立即导出许多经典系统的内能表示式和热容量表示式，其中一个典型例子就是固体内能和热容量。固体中的原子可以在其平衡位置附近作微振动。假设各原子的振动是相互独立的简谐振动，每个原子有三个自由度，而在每一个自由度上的能量表示式中有两个平方项

(E =

p + 1

2m 2

mw ²q ² )，因此，按能量均分定理，在温度T时，一个原子的

平均能量为E = 3kT，固体的内能U = 3NkT，定容热容量Cv = 3Nk（N为固体中原子的数目）。这个结果与 1818 年杜隆、珀替由实验所发现的定律相符合。然而实验发现，固体热容量在低温下随温度下降而很快减小，这是因为在很低的低温下，每个粒子所处的能级分立的量子本性将会通过热容量对温度的依赖关系而表现出来，尤其是当温度趋于绝对零度时，按照热力学第三定律，热容量将趋于零。这个事实是经典统计理论无法解释的。爱因斯坦和德拜先后提出了固体比热容的量子理论，成功地说明了固体热容量随温度的变化关系。

能量均分定理不仅适用于微观粒子能量表示式中的广义坐标和广义动量，也适用于哈密顿量中以独立平方项出现的、宏观上可观测的“坐标”。例如，动圈式检流计或其他仪器中用细丝悬挂的反射镜会不断地进行无规

则的扭摆运动。这种系统的哈密顿函数可以写成H =

1 P² + 1 αθ ²，式中

2I ⁰ 2

第一项是系统的动能，I 是转动惯量，Pθ是与偏转角θ共轭的广义动量， 而第二项是偏转角θ引起的势能，α是弹性系数。当该系统处于温度为 T

的热平衡状态时，它的平均动能和平均势能分别都是 1 kT，特别是由

2

1  kT 1/2

αθ ² 可得到宏观上可观测的偏转角θ的方均根值为

2

=  α  。

这个结果表明，由于反射镜的无规则运动，将使仪器的灵敏度受到限制， 可观测的最小电流引起反射镜的偏转必须等于或大于由于无规则运动引起的偏转，否则就无法区分出所记录的偏转出自何种原因。类似的现象还有电子线路中出现的热噪声。

能量均分定理是关于分子热运动动能的统计规律，是对大量分子进行统计平均的结果。对个别分子而言，在每一瞬间它具有的总能量（各种形式的动能和势能）完全可能不符合能量均分定理得出的结果。对大量分子的整体而言，能量之所以按独立平方项均分是依靠分子的无规则碰撞来实现的。在达到平衡态时，分子在各个方向上碰撞的概率均等，各种形式能量的互相转化也均等，于是就出现了能量均分。

能量守恒定律的发现（discovery of conserva-tion law of energy） 19 世纪物理学发展中的一项极其重大的科学发现。该定律是在 5 个国家、

由各种不同职业的 10 余位科学家从不同侧面各自独立发现的。其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹对发现能量守恒定律作出了主要贡献。

迈尔的工作 德国医生迈尔最早是从人体新陈代谢的研究中得出这个重要发现的。1840 年，年仅 26 岁的迈尔在一艘驶往爪哇的船上作随船医生，他在给生病的船员放血时，发现病人的静脉血比在欧洲时的颜色要红些，由此引起他的沉思。他想到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，是机体中食物的燃烧过程减弱的结果。这使他联想到食物中化学能与热能的等效性，由此推测如果人体的能的输入同支出是平衡的，那么所有这些形式的能在量上就必定是守恒的。1842 年，迈尔发表了题为《论无机界的力》的论文，进一步表达了物理化学过程中能量守恒的思想，并提出了建立不同的力之间数值上的当量关系的必要性。

焦耳的工作 英国物理学家焦耳极力想从实验上去证明能量的不灭。1840～1841 年，经过多次通电导体产生热量的实验，他发现电能可以转化为热能。1843 年，他钻研并测定了热能和机械功之间的当量关系，做了一系列的实验，并宣布：自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能， 总能得到相当的热，热只是能的一种形式。1847 年，他做了迄今认为确定热功当量的最好实验。此后不断改进实验方法，直到 1878 年还有测量结果

的报告，那时测得热功当量的平均值为 423.9 千克重米/千卡。这个值比现在人们公认的值 427 千克重米/千卡约小 0.7%，如此精确的实验结果为能量守恒定律的确立，提供了无可置疑的实验证据。

亥姆霍兹的工作 德国物理学家、生理学家亥姆霍兹是从生理学问题开始对能量守恒原理进行研究的。在此基础上，于 1847 年出版了《论力的守恒》一书。在这部篇幅不长的著作中，亥姆霍兹确认“力”的守恒定律在自然界中所起的作用，给出了不同性质“力”的定量表示式，也就是给出了对不同形式的能的数学表示式，并研究了它们之间相互转化的情况， 从而这部著作成了能量守恒定律论证方面影响较大的一篇历史性文献。

能量守恒定律发现的意义 能量守恒定律的发现，在物理学史上是一个非常有教益的事例。因为在该定律发现的过程中，除了上述 3 位物理

学家作出主要贡献外，还有法国的卡诺于 1824 年，德国的莫尔于 1837 年，

法国铁道工程师塞甘于 1839 年，生活在俄国的瑞士化学家赫斯于 1840

年，德国物理学家霍耳兹曼于 1845 年，英国律师出身的电化学家格罗夫于

1846 年，丹麦工程师柯耳丁于 1847 年，以及法国物理学家伊伦于 1854 年，都曾独立地发表过有关能量守恒方面的论文，对能量守恒定律的发现作出了贡献。这就生动地告诉我们，物理学上的历史性突破，个人的努力和才能固然是重要的因素，但客观的历史条件（包括社会、生产和科学的状况）则更为根本。一旦等到条件成熟时，一个重大的课题同时由几个人甚至十几个人去突破它，也就不足为奇了，这也就体现了历史的必然。

能量守恒定律的发现，在物理学史上又是一个非常重要的事情：①这个定律表达了关于运动量不可创造和不可消灭的普遍规律；②这个定律概括了一切物理现象：力、热、电、磁、光的现象，这就有可能用这一定律从同一观点去研究所有这些现象，把它们看成是可以互相转化的运动的不同形式，揭示了这些运动形式之间的统一性，从而达到物理科学的第二次大综合；③这个定律的发现也促进对自然现象认识的辩证观点的发展，自然辩证法认为，自然界中的一切现象都应当是相互联系的。

粘度（viscosity） 量度流体粘滞性大小的物理量，又称粘滞系数。做稳定层流的流体，流速不同的相邻流层的接触面上有与面平行而阻碍相对流动的阻力的存在，这种阻力称为粘滞力或内摩擦力。大多数流体的粘

滞力F与接触面积S及横向（垂直于流速v的方向）的速度梯度 dv

dy

（y 为流层的距离）成正比，即

F = ηS dv ，

dy

比例系数η即为粘滞系数。其数值等于速度梯度为一个单位时，流体在单位面积上受到的切向力的数值。单位为泊（poise）。国际单位制用帕·秒表示。此规律最早由牛顿根据实验发现，因此称为牛顿粘滞定律。

不同流体有不同的粘滞系数。少数液体（如甘油）的粘滞系数可达 15

泊；橄榄油的粘滞系数接近 1 泊。在 20℃时水的粘滞系数为 1.0087×10-

3 泊。粘滞系数显著地依赖于温度，但与压强关系不大。气体与液体的粘滞系数与温度的关系截然不同。对于液体来说，随着温度升高，粘滞系数下降；对于气体而言，随着温度升高，粘滞系数随之上升。

利用各种实验方法可以确定不同温度下流体的粘滞系数。例如，在两个半径不同的同轴圆筒之间，充满待测粘度的液体。当外筒旋转时，最贴近外筒壁的流体也能以相同的速度运动，由于粘性作用，里面的圆筒也随之运动。由于里面的圆筒悬挂在上端固定的金属丝上，所以它在旋转到一定角度后就停止转动。若测得金属丝的扭转角度，就可算出扭力矩。当平衡时，扭力矩与液体切向力所形成的力矩相等，由此可求出切向力和液体粘滞系数的值。

粘度计（viscometer） 测量流体粘滞性的仪器。种类很多，根据测定所用的原理而分有四种类型：①毛细管型。测量迫使流体按一定速度流过一根窄管所需的压力。②落球型。测量小球在流体中下落所需的时间。

③旋转型。用一对同心的圆筒，在两筒之间充满测试的流体，测定使内筒旋转所需的力。④振动型。测定在液体中振动圆盘的振动衰减速度，或测定浸在流体中的扭摆的振动周期。

粘滞力（viscous force） 参见粘度。

粘滞流体（viscous fluid） 参见流体。

粘滞系数（coefficientofviscosity） 参见粘度。

凝固点（solidification point） 参见熔解和凝固。

凝固热（heat of solidification） 参见熔解和凝固。

凝聚态物理学（condensed matter physics） 研究凝聚态物质的微观结构、内部运动状态、物理性质及其相互关系的学科。

物质除气、液、固三种常见的状态外，还有介于液固之间的各种中间状态（如液晶、胶体等）、等离子态以及只有在低温下才存在的特殊量子态（如超流态）等。从物理上说，它们都是由大量粒子所构成的多粒子体系。在物质的这一结构层次中，除稀薄气体外，包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态。凝聚态物质中粒子间存在相互作用。从结构上说，理想气体是完全无序的，理想晶体是十分有规则的周期

性结构，而介于两者之间的其他凝聚态则是部分有序、部分无序的。人们对凝聚态物质的研究是从结构最有规律性的晶体开始的，这是传统的固体物理学的主要研究对象。随着理论和实验技术的不断发展，固体物理学的研究对象也日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓展到低维、高维和具有分数维数的体系，从天然物质发展到各种各样具有独特结构和奇异性质的人工材料等，并进一步深入到非固体领域，所以人们乐于采用含意更为厂泛的“凝聚态物理学”这一名称。从固体物理学演化为凝聚态物理学，当然不仅仅是研究对象的扩大，更为重要的是，在凝聚态物理学的框架内已经逐步建立了不少新的概念和理论。例如，均匀各向同性的气体是完全对称的；而晶体中原子位置的周期则使它对于沿任意方向上的平移变换不再是对称的，因此可以说，晶体是平移对称性破缺的产物。类似地，凝聚态的其他各种有序性质也都可以看作某种对称性破缺的结果。因此，应用诸如对称破缺、序参量、元激发、缺陷、广义刚度以及标度不变性等等一系列新的概念，人们对物质结构的统一性有了进一步认识，从而为建立起一种新的、统一的凝聚态物理学理论体系奠定了基础。

凝聚态物理学是当今物理学中内容十分丰富，应用非常广泛的一个学科。诸如晶体学、金属物理学、半导体物理学、磁学、电介质物理学、低温物理学、高压物理学、发光学、表面物理学、非晶态物理学、液晶物理学、高分子物理学及低维固体物理学等，都是它的分支学科。而且随着研究的不断深入，将不断孕育出新的分支学科。

牛顿（Isaac Newton 1642～1727） 英国物理学家、数学家、天文学家。万有引力定律的发现者、经典力学体系的完成者、近代光学的开创者、微积分的发明者。

生平 牛顿 1642 年 12 月 25 日生于英格兰林肯郡一个自耕农家庭。牛顿出生之前，父亲已去世。贫困的境地使牛顿的母亲改嫁给邻村的一个牧师，刚满 3 岁的牛顿只好随外祖母过日子。由于从来没有得到父亲的教导，又长年得不到母亲的爱护，牛顿自幼形成了特别胆小、腼腆、孤僻的性格。牛顿在小学时，资质一般，学习成绩较差，但与众不同的是他喜欢沉思默想，对许多事物都感到新鲜好奇而乐于去观察体验。如有一天注意到，早晨上学时他自己的影子在左边，晚上放学回家时他的影子却转到另一边去了，由此启发他做了一个日晷——一种测日影以定时刻的器具。他

把这个日晷做好后，安放在村子的中央，给村民们指示时刻。后来村民们怀着敬意称它为“牛顿钟”，并一直被使用到牛顿死后好几年。12 岁时进离家不远的格兰瑟姆中学。他继续发展了对手工和机械方面的爱好。如他经常钻在自己的小屋里给同学们制作各种各样的风筝，他做的风筝，不仅形式美观，而且在拉线的力点和尾巴重量上都很讲究，因而起飞快、飞得高。他还把一只纸灯笼点了火，系在风筝的尾巴上，夜间村民看见以为是慧星出现。再如在格兰瑟姆镇上有一座高大的风车，人们安装它是为了利用风力来磨面粉。他照葫芦画瓢，做了一架小风车。小风车没有风不能转动，他就用铁丝做了一个圆的笼子，里面关着一只老鼠，当老鼠踩动轮子时，磨子飞快地转动，居然也能磨出面粉来。从保留下来的牛顿的青少年时代的几本笔记中，我们还可以看到，牛顿已对日常生活中发生的一些自然现象、有关的一些自然知识有了整理分类的嗜好。这些笔记也证明，早在中学时代牛顿就对调配颜色、几何问题、太阳时钟以及哥白尼日心说感兴趣，这也为他以后的大学学习打下良好的基础。

1661 年，牛顿考入剑桥三一学院。此时三一学院正开始创办自然科学讲座，第一个主持讲座的是被誉为“欧洲最优秀的学者”——巴罗教授。巴罗教授也是最早赏识牛顿才能的人，他发现牛顿对于当时自然科学和数学的尖端成就有着快得出奇的理解力，于是便把自己渊博的学识和精深的专长，悉心传授给他。得力于巴罗的指导，牛顿在剑桥好学不倦，1664 年经过考试被选为巴罗的助手。1669 年巴罗坦然宣称，牛顿的学识已经超过自己，当年 10 月便主动让出自己的讲座。致使牛顿在 26 岁时就成为数学教授，一时传为佳话。1672 年起牛顿被接纳为皇家学会会员。1696 年谋得造币厂监督职位，1699 年升任厂长。1701 年辞去剑桥大学工作，1703 年被选为皇家学会主席直到逝世。

学术成就

万有引力定律的发现者 一提起万有引力定律是怎样建立起来的，人们就会联想起“苹果落地”的故事。这种说法来自牛顿卢卡锡讲座的继任者惠士顿、牛顿晚年的密友斯多克雷和潘伯顿的回忆。伏尔泰也曾从牛顿的继姐妹那里听说过：一天，牛顿躺在苹果树下，忽然看到一个苹果落地， 引起他的思考。牛顿灵机一动，脑中突然形成一种观点：苹果落地和行星绕日会不会是由同一宇宙规律所支配的？在他还没有吃完苹果，扔掉果核时，就悟出了万有引力定律。其实，任何重大的物理发现，从认识论来说， 都要经历一个复杂、曲折的过程。事实表明，牛顿对于万有引力问题的研究，从受伽利略、开普勒的启发不断考虑到初步发现引力平方反比关系， 从确立引力的普遍性到追求精确的定量表述，从实际测得数据去验证到最后正式公布万有引力定律，其间大致经历三个阶段，断断续续长达 20 年之久。所以决不是如人们传说的那样，牛顿一看到苹果落地就悟出一条万有引力定律来（详见万有引力定律的发现）。

经典力学体系的完成者 ①三大运动定律。经典力学体系到了牛顿时代才得以完成，这是因为经典力学体系的核心是牛顿著名的三大运动定律；牛顿是创造三大运动定律的巨匠，然而他的三大运动定律也不是他的匠心独具，而是对伽利略等的研究成果抽象外推，使其带有普遍性，并加以概括和综合的结果。牛顿第一定律：“每个物体保持其静止或沿一直线做等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”这一定律

产生于伽利略、笛卡儿提出的惯性原理，牛顿发现对这个原理可以普遍化， 体现在两个方面：一是任何物体或每一个物体；二是沿一直线。所以第一定律是惯性原理的推广，对于当今的物理学家来说，它几乎自然而然地成了研究力学的基础。牛顿第二定律：“运动的改变和所加的动力成正比， 并且发生在所加的力的

那个直线方向上。”这一定律产生于对伽利略思想的继承和发展，即把力的作用同运动状态变化联系起来。当然，在牛顿的原始表述中是把力的作用同运动的改变联系在一起，而当时“运动的量”是用 mv 来定义的， 所以第二定律的表述为 F=Δmv。第二定律定量地描述了力的效果，即确定了受力物体所产生的速度的改变跟外力和物体的质量的关系；定量地量度了物体平动惯性的大小；当物体的质量不变时，从这个定律可产生经典力学的基本运动方程。牛顿第三定律：“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。”这第三定律是牛顿的创造，它是牛顿自己根据碰撞问题的研究而得出的。马赫认为，牛顿第三定律的建立是牛顿在力学原理方面最重要的功绩。第三定律从本质上说明了每一个存在的力都有其镜像孪生力，从而对力的概念作了完整的阐述并保证了牛顿力学的普适性。牛顿的伟大功绩还在于把三大运动定律作为一个整体提出来，并作为动力学的主要基础。②六大基本概念。牛顿经典力学体系不仅以三大运动定律为核心、为支柱，而且实质上是建筑在一系列物理概念的基础之上的一座大厦。这一系列物理概念是：“质量”、“动量”、“惯性”、“力”、“时间”、“空间”，构成经典力学体系的六大基本概念。③四条推理法则。牛顿在完成经典力学体系中提出的推理法则。法则Ⅰ：“除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界事物的其他原因。”法则Ⅱ：“对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。”法则Ⅲ：“物体的属性，凡既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围内的一切物体所具有者，就应视为所有物体的普遍属性。”法则Ⅳ：“在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的，或者是非常接近于正确的。”牛顿所以能在广泛的自然科学领域内，取得出色的研究成果，以至完成经典力学体系，一个极其重要的原因， 正是他身体力行了这些唯物主义的推理法则。时至今日，这些推理法则仍然是有效的。

近代光学的开创者 单凭牛顿在光学方面的贡献，他就已经可以成为科学史上的伟大人物。①光的色散的发现和颜色理论的提出。牛顿为了改善望远镜镜头去磨制三梭镜，从而于 1666 年发现了光的色散现象。在此基

础上，于 1672 年提出了颜色理论：白光实际上是从红到紫的不同颜色的光线的混合物；光的颜色与光的折射率具有对应性。②反射望远镜的发明和牛顿环实验。就在研究颜色理论的实验过程中，牛顿对改进折射望远镜发生了兴趣，于 1668 年制成了第一个反射望远镜的模型，其关键是采用一个金属凹面镜来代替玻璃物镜，这样既可增大物镜的直径，又可避免色差。牛顿在光学研究中又一项精彩的发现是牛顿环。牛顿的高明之处是：他不仅详细定性描述了实验现象，而且作了定量的测定，得出亮环的半径平方是一个由奇数所构成的算术级数，暗环的半径平方是一个由偶数构成的算术级数的结论。从而可算出透镜的半径和各处的空气层厚度。③对光的本

性研究。牛顿力主微粒说，反对波动说。由于牛顿的威望和拥护者的坚持， 在相当长的时间内微粒说在光的本性争论中占据了统治地位。

微积分的发明者 牛顿在继承前人研究成果的基础上，将两个貌似不相关的问题联系起来，一是切线问题，一是求积问题，从而建立起两者之间的桥梁，称之为“流数术”。1669 年，完成了第一篇微积分论文的初稿：

《运用无穷多项方程的分析学》。1671 年，又写出第二篇微积分论文：《流数术方法和无穷级数》。1676 年，写成第三篇微积分论文：《曲线求积论》。这三篇论文标志着牛顿和莱布尼兹几乎同时发明了微积分，开创了数学上的一个新纪元。

综上所述，牛顿是一位极富创造性的科学家，他完成了经典力学体系而奠定了近代物理学的基础；他由于确立了万有引力定律而奠定近代天文学的基础；他进行了日光分解和揭示颜色之谜而奠定了近代光学的基础； 他还发明了微积分而为高等数学奠定了基础。牛顿作出了如此众多的开创科学新时代的重大发现，在人类发展科学的征途中，建立了永垂万世的功勋。

牛顿第二定律（Newton second law of motion） 参见牛顿运动定律。

牛顿环（Newtonring） 把一个大焦距平凸透镜的凸表面放在一块平面玻璃板上，形成两块玻璃间厚度由零逐渐增大的环状空气光劈。当用单色平行光束垂直照射时，即可在反射光中形成一组同心圆环等厚干涉条纹。这一现象是牛顿在 1675 年首先观察到的，故称牛顿环。设平凸透镜凸面曲率半径为 R，与平面玻璃板的接触点为 O，见图。若 h 为第 k 级亮圆环所在处空气层的厚度，则第 k 级亮环的半径为

rk =

λ

(2k + 1) 2 R，（k = 0,1，2，3， ）

其中λ为光的波长。第 k 级暗圆环的半径为

rk = kλR。（k = l，2，3， ）

在透镜凸面与平面玻璃板的接触点 O 处，空气劈的厚度为零，这里不存在因光束路程不同而引起的光程差，这里的光程差仅仅来源于半波损失，其值为λ/2。所以在反射光中 O 点处为暗斑，称为牛顿黑斑。

在透射光中亦可看到牛顿环。但透射光无半波损失，故 O 点处是亮斑。透射光牛顿环中的亮圆环半径等于反射光牛顿环中的暗圆环半径；反之亦然。

牛顿环可用来精确检验光学元件表面的质量。当透镜和平面玻璃板间的压力改变，引起空气劈厚度发生微小变化时，干涉图样将发生移动。由此可以确定长度或压力的微小改变。

牛顿运动定律（Newton laws of motion） 经典力学的基本定律。牛顿在总结前人研究的基础上，在其著作《自然哲学的数学原理》中，系统地建立了经典力学的公理体系，使力学成为一门研究机械运动基本规律的学科。这些公理体系的基础是关于物体运动的三条基本定律，后人便把这三条基本定律称为牛顿运动定律。其中第一定律又称为惯性定律，第二定律又称为运动基本定律，第三定律又称为作用和反作用定律。

牛顿第一定律 其内容是，任何物体将保持静止状态或匀速直线运动

状态，直到其他物体对它施加力的作用迫使它改变这种状态为止。此定律说明力并不是维持物体运动的条件，而是改变物体运动状态的原因。此定律又说明任何物体都有惯性，即有保持它原有运动状态的属性，所以才称为惯性定律。牛顿在第一定律中并没有说明运动状态是相对于什么参考系来说的。然而，按他的本意是，它只适用于在“绝对空间”中的运动，而“绝对空间”是与任何外界事物无关，是永远不变和静止不动的。他把相对于这个空间的运动称为“绝对运动”，把第一定律中所说的运动状态理解为这种“绝对运动”的状态。这并不符合爱因斯坦的狭义相对论观点。因为相对论观点否定了绝对空间的存在。其实，第一定律中描述运动状态的参考系正需要通过这定律本身来引出。因此，牛顿第一定律还表明，如果不存在力的作用，则可能找到一族参考系，相对于这些参考系，物体的加速度为零，这些参考系称为“惯性系”。所以，牛顿第一定律又是对惯性系的描述，只有对惯性系牛顿第一定律才成立。

牛顿第二定律 其内容是，物体的动量随时间的变化率与该物体所受的力成正比，并与力的方向相同。定律中所指的动量是物体的质量与它的速度的乘积。以 m 表示物体的质量，v 表示速度，p=mv 是此物体的动量。又以 F 表示物体所受的力，第二定律的数学表示式是

F = k dp = k d(mv) 。

dt dt

在经典力学中，m 被理解为常数。又若选取适当的单位，例如采用 SI 单位，这时比例系数 k=1，第二定律写成

F = m dv = ma 。

dt

a 是物体的加速度，m 被理解成为质点。这是牛顿第二定律最常用的表达式，常称为质点动力学的基本方程。牛顿第二定律对物体的机械运动的规律作了定量的叙述，确定了力 F、质量 m 和加速度 a 之间的瞬时关系。对于有限大小的物体，物体中的每一微元部分的运动都满足第二定律，这时 F 是作用在这个微元部分上的合力。第二定律也只对惯性系成立。牛顿第二定律是大量实验观察的总结，它不能由理论推导出来。在该定律中， 如作用力 F≡0，得出质点在惯性系中的加速度等于零，即质点的运动状态保持不变。因此第一定律可以看成为第二定律的特例。但第一定律又是第二定律的基础。由第二定律还可引入惯性质量概念，这是因为，如果赋予每个物体一个量值 m，在两个物体 i 和 j 施加相同的力，则所得加速度大小之比 ai/aj 与 mi/mj 成反比，便可把第二定律写成数学表示式 F=kma。在选定了某一物体的 m 值后，其他物体的 m 值随之确定，m 就是物体的惯性质量。当物体的速度接近于光速 c 时，牛顿第二定律不再成立。这时需根据相对论对它作适当修正。修正后的相应定律取如下形式：

F = d (

dt

) = d dt

(mv)。

m = m0 / 1 − v / c 称为物体的相对论质量，它随物体的运动速率而

2 2

v<<c 时 m≈m0，m0 就是经典力学中的质量，又称为静质量。

牛顿第三定律 其内容是，任何物体间的作用力和反作用力同时存在，它们大小相等，方向相反，作用在同一直线上。第三定律中所说的物

体也被理解为质点。这个定律的提出，可以说是牛顿对力学发展的一个独创性贡献。虽然笛卡儿和惠更斯等人在对碰撞问题和动量守恒的研究中已触及到了第三定律的内容，但都没有总结出这个规律。牛顿不仅注意到一个机械系统运动总量保持不变的现象，而且更深入一步地分析了系统内部动量传递的关系，从而发现了一个孤立的物体本身完全不能施力也不能受力，只有当两个物体发生相互作用时才产生力的事实。这个定律的确立， 提出了每个力都有其反作用力，从而对力的概念作了完整的概括。第三定律给出两物体之间的相互作用为超距作用的图像。实际上，物体之间的相互作用是通过它们所激发的场来传递的，而场本身具有有限的传播速度。另一方面，根据狭义相对论，同时性是一个相对的概念。在一个参考系中为同时的两事件，在另一参考系中，未必是同时的。所以，原始形式的牛顿第三定律不能不加选择地应用于各种情形，但是在经典力学中，它是研究物体系（或质点系）运动规律的一条基本定理。

由第三定律导出的孤立系统中动量和角动量守恒定律，却从一个方面反映了自然界的普遍规律。

牛顿三条运动定律是一个统一整体，它们奠定了完整的经典力学基础。牛顿定律一方面只适用于低速（v<<c）情形，另一方面，它们是从那些由大量原子和分子组成的宏观形体的运动中总结出来的。事实证明，牛顿定律并不适用于微观粒子的运动。研究微观粒子的运动要用反映微观世界客观规律的量子力学。然而，在一般的工程技术问题中，所牵涉的都是宏观物体的低速（v<<c）运动，相对论效应和量子效应都微不足道，应用牛顿定律所得的结果都很精确。因此，以牛顿运动定律为基础的经典力学， 在工程技术中占有十分重要的地位。

牛顿粘滞定律（Newton viscous law） 参见粘度。

扭摆 （torsional pendulum） 见摆。

由第三定律导出的孤立系统中动量和角动量守恒定律，却从一个方面反映了自然界的普遍规律。

牛顿三条运动定律是一个统一整体，它们奠定了完整的经典力学基础。牛顿定律一方面只适用于低速（v<<c）情形，另一方面，它们是从那些由大量原子和分子组成的宏观物体的运动中总结出来的。事实证明,牛顿定律并不适用于微观粒子的运动。研究微观粒子的运动要用反映微观世界客观规律的量子力学。然而，在一般的工程技术问题中，所牵涉的都是宏观物体的低速（v<<c）运动，相对论效应和量子效应都微不足道，应用牛顿定律所得的结果都很精确。因此，以牛顿运动定律为基础的经典力学， 在工程技术中占有十分重要的地位。

牛顿粘滞定律（Newton viscous law） 参见粘度。

扭摆（torsional pendulum） 见摆。

O

欧姆（ Georg Simon Ohm 1787～1854 ） 德国物理学家。生于埃朗根。少年时跟随父亲学数学和金属加工技能，后来进入埃朗根大学学习。1806 年中途辍学，当家庭教师。1811 年重返埃朗根大学，并获博士学位。

1812 年起在班贝格等地的中学任教。1817～1826 年，在科隆大学预科教授数学和物理学，以后在柏林从事研究并任教。1833 年任纽伦堡综合技术大学物理学教授。1849 年任慕尼黑大学物理学教授。

主要贡献是建立电路定律。1825 年，开始进行这方面的实验研究。1826 年，利用温差电源进行大量关于电流通过导体的有关规律的实验研究，得出：如果导线的长度和横截面成正比，则它们的电导率相同，并于该年 2 月发表了这一结果的论文。两个月后，在另一篇论文中，将上述结果简化为：导体中的电流等于“所有电张力的总和”（即该导体两端的电势差） 除以该导体的“等效长度”（相当于电阻）。这一关系式就是现在闻名的欧姆定律。1827 年，从理论上导出上述定律（对于部分电路和全电路）， 引入“电动势”、“电压降”和“电导率”这些概念。1830 年，最先测量了电流源的电动势。在声学方面，提出关于声的复杂组成的思想。1843 年， 得出声学欧姆定律：人的耳朵仅把简谐振动引起的声感觉为单音，所有其他的声则被感觉为基音和泛音。著有《伽伐尼电路的数学研究》（1827）、

《物理学的基本特征》（1854）。

欧姆定律（Ohm law） 关于金属导体两端电压与导体中电流关系的定律。由德国物理学家欧姆在 1827 年通过实验发现。欧姆定律根据具体电路可表述为以下形式：

1. 部分电路欧姆定律：通过部分电路的电流强度 I 等于该部分电路两端的电压 U 除以该部分电路的电阻 R，即

I = U 。

R

1. 全电路欧姆定律：通过闭合电路的电流强度 I 等于电路中电源的电动势■除以电路中的总电阻（外负载电阻 R 和电源内阻 r 之和），即

I = U 。

(R + r)

1. 欧姆定律的微分形式：表示导体中的电流密度与电场强度之间的关系。用公式表示为

j=σE。

式中σ为导体的电导率，E 为电场强度，j 为该电场在导体中所引起的电流密度。它表明：在各向同性的导体中，电流密度 j 的方向与该点电场强度 E 的方向一致，且两者在数值上成正比。因该关系涉及空间同一点处的物理量（j、σ和 E）之间的关系，所以称为欧姆定律的微分形式。它较为细致地描述了导体的导电规律。它不仅对稳恒情况适用，而且对非稳恒情况也适用。

欧姆计（ ohmmeter） 测量电阻的电表。在中学里没有专用的欧姆计，而用万用电表的欧姆挡来测量电阻器的电阻值。测量电阻的原理有多种，这里就万用电表测电阻值要注意的事项叙述如下。

测电阻前首先将测试表棒短接，即表棒间的电阻为零，如果指针不能

落在零刻度线上，就需调整“调零”旋钮，以补偿电路所需要的电流值。如果测电阻的欧姆各挡拨动时，表棒又短接，电表指针在零刻度线附

近有较大变化，特别在 R×1 挡在调零旋钮旋动时，已不能落在零刻度线上，说明万用表内的电池端电压已下降到不能工作，需更换；如果 R×10k 挡调旋钮不能落在零线，更换的电池是 9 伏，而不是 R×1 挡需要的 1.5 伏电池。

万用表的内阻就是刻度线中间值与 R×？值相乘的结果。例如，欧姆刻度线的中间值，即中心欧姆为 22.5Ω，测阻值的量程选择旋钮，指在 R× 1k 上，则万用表的内阻值

RΩi=22.5×1k=22.5kΩ。

了解万用表内阻的意义是待测电阻值与内阻值越接近，测量的准确度越高，指针越趋于 0 和∞两端，测量值的误差越大，根据这原则可适当调节量程选择的挡位。

万用表的刻度是非线性的，并且读数大小的方向与电流大小方向相反，所以务必认真仔细地反复练习。

万用表的表棒有“+”“-”极，黑表棒的电位高于红表棒，因此测量二极管和 PN 结时要注意极性；此外，非 R×10k 挡，表棒间的电位差不超过 1.5 伏特，R×10k 挡，电位差不超过 9 伏特；在 R×1 挡时，万用表流

出的最大电流为I

max

= 1.5

R

。 要注意有些半导体元器件饱和压降极低，稍

中心

高电压和电流就击穿和变为低电阻，如果测量前没有仔细考虑，会使元器件在测试过程中被烧毁。

万用表测量的电阻器，必需不接在线路中，否则测量结果是待测电阻与并联线路的阻值的相互作用，如果线路中有电流流进或者流出待测电阻，千万不能用万用表测试，可能待测电阻端电压相当高，部分电流进出万用表，测量结果显然是不准确的。

万用表不使用时，功能选择开关最好不要拨在欧姆测试挡，以保证表棒即使短接，电池也不会放电。

P

PC-DOS（ MS-DOS ）操作系统（ PC-DOS （ MS-DOS） operational system）是美国微软件公司为 IBM-PC 个人计算机开发的通用 16 位单用户操作系统。它吸收了 CP/M 操作系统及其长处，结构优良，软件上的互换性强。采用层次模块式结构，由三层程序模块组成：①命令处理模块是用户与计算机沟通的手段，包含内部命令处理程序，批文件处理程序，以及装入和执行外部命令的子程序。主要用于分析键盘命令、中断处理、检测装配程序地址等。②磁盘操作管理模块是 PC-DOS 的核心部分，它由若干个功能子模块组成。它们分别完成键盘输入、控制台和打印机输出、存储管理， 以及磁盘、目录和文件处理等功能，提供了系统与用户程序的高级接口。用户程序可通过发送中断码的方式来调用这些子模块。③输入输出接口模块向打印机发送一字符、从磁盘读入一个记录等最基本的输入输出操作。

这些模块都是以命令文件的形式驻留在磁盘上，当系统启动时，由启动程序将其装入内存。

PN 结（PNjunction） 在紧密相连接的 P 型和 N 型半导体交界面处形成的一个特殊结合。实际中通常是在一块半导体基片上利用杂质补偿原理使原来 P 型（或 N 型）半导体基片的一部分变成 N 型（或 P 型），以形成 PN 结，如图所示。

PN 结剖面图及符号

PN 结是晶体管、集成电路以及超大规模集成电路等半导体器件的基本单元和核心。如晶体管就是由两个紧挨着的 PN 结构成。在大规模集成电路中包含有成千上万个 PN 结。

PN 结具有以下一些重要特性。①整流特性：当 PN 结正向偏置时，正向电流较大；反向偏置时，PN 结中几乎没有电流流过，因此如果有交流电压加于 PN 结，则输出电流基本上只是沿一个方向，于是交流电变成了直流电。这就是 PN 结的整流作用。②反向击穿特性：当 PN 结反向偏置时，其电流很小，但当反向电压加到足够大时，会出现很大的反向电流，结被击穿。这一极限电压称为 PN 结的反向击穿电压，是标志 PN 结的一个重要参量。③电容特性：PN 结像电容器一样能存贮载流子，起到电荷“仓库”的作用。帕斯卡（Blaise Pascal 1623～1662）法国物理学家、数学家。生于克莱蒙费朗。受的是家庭教育。少年时期已表现出非凡的数学才能。16 岁时提出了射影几何学的一个重要定理，后来被称为帕斯卡定理。18 岁时发明了一种二进制的机械计算器，为后来计算机的设计提供了最初的原理。

在物理学方面，主要研究大气压强和流体静力学。1646～1647 年，用水和葡萄酒重做了托里拆利实验。实验前很多人认为酒易挥发，其液柱要比水柱低些，实验结果却相反。这是因为葡萄酒的密度要比水的密度小。所以其液柱比水柱高些，从而证实了大气压力的存在。1653 年，表述了流体静力学的基本定律：对静止液体所加的压力在液体内沿一切方向均匀地传递（帕斯卡定律）。在此基础上提出连通器原理和后来得到广泛应用的

水压机的最初设想。演示了空气的弹性，证明空气有重量，发现气压计读数与空气的湿度和温度有关，由此利用它去预报天气。

帕斯卡原理（Pascal Principle） 流体静力学的基本原理之一。密闭容器中的液体，能对加在其上的压强，毫不改变大小地向各个方向传递到液体内的各处和容器壁上。这一原理由法国科学家帕斯卡首先提出， 故名。按照这一原理，两个带有活塞的内径不同、底部相连的连通器，里面装满液体，在小活塞（面积为 S1）上施加压力 F1，其单位面积上的压力

p = F1 将不变地传到液体的各个部分，这样就可在大活塞（面积为 S ）上

2

1

得到较大的力 F =pS = F S2 ，S 是 S 的几倍，F 也是 F

的几倍。各种液压

2 2 1 2 1 2 1

1

机械，如修理车辆的千斤顶、锻压用的水压机，都是根据这一原理设计的。

拍（beat） 由两个频率都很大但略有差异的同方向振动合成时所产生的合振幅作周期性变化的现象。设两个这种振动的振动方程分别为

x1=Acosω1t，x2=Acosω2t， 其中ω1 略大于ω2，则合振动是

x = x

₁ + x2

= 2A cos( w 1 − w 2 t) cos( w1 + w 2 t)

2 2

式中( w

• w ) << (w + w )。这时2Aco( w 1 − w 2 t)从

1 2 1 2 2

趋势上描写了合振动振幅随时间所发生的周期性变化，图中的包络线反映了合振动振幅变化的趋势。这里，合振幅极大值出现的频率是（ω1- ω2）/2π，称为拍频，或称为单位时间中出现的拍数。两个频率相近的音叉同时发声时，就可听到按一定频率变化的强弱相间的声音，这是声振动合成产生拍的听觉反映，称为拍音。拍音强弱变化的频率，就是合成声振动的拍频。

庞加莱（ JulesHenriPoincaré1854～1912 ） 法国物理学家、数学家、天文学家。生于南锡。1871 年入巴黎工艺学院。1879 年获巴黎矿业学院数学博士学位。1881 年任巴黎大学教授。1887 年当选为巴黎科学院院士，1906 年任院长。

庞加莱对物理学、数学和天文学等多方面有贡献。

1902 年，提出相对性原理作为普适的、严格的原理，并将它推广到电磁学。1904 年，预示了新力学的大致图像：惯性随速度增加，光速会变为不可逾越的极限。1905 年，在题为《论电子动力学》的论文中，从以太概念和麦克斯韦—洛伦兹方程出发，证明不可能发生绝对运动，从而预见了爱因斯坦在狭义相对论中获得的若干结果，阐述了相对论的部分思想，为此被认为是相对论的先驱。

庞加莱在数学方面，几乎对数论、代数学、几何学、拓扑学、概率论等数学分支学科都有开创性的工作。尤其在分析方面，如函数论、微分方程等分支的贡献更为突出。还把数学理论有效地应用到物理学和天文学中去，确立了数学物理积分方法的基本性质，研究了有关热传导、流体动力学、位势理论、电磁振动等许多问题。在天文学方面，提出了天体力学的新方法，即用渐近展开和积分不变量等方法解决三体问题，从而发展了严

格的天体力学计算技术。1885 年，研究了运动稳定性和旋转液体的平衡图形。1899 年，研究了太阳系的稳定性，即多体问题，这些研究在天体力学中具有重要意义。

庞加莱对物理学的发展趋势有独到见解。他认为，世纪之交出现的物理学危机，恰恰是物理学就要出现变革的先兆；要摆脱物理学危机，就要在实验的基础上对经典物理学重新进行改造；然而对经典物理学的价值又必须充分肯定，科学破产论和绝对怀疑论都是站不住脚的。庞加莱在哲学上倾向于马赫主义，是约定主义的创始人。他主张：科学定律和理论只是科学家之间的一种约定和默契；约定是人们精神的一种自由活动的产生， 科学家只要找到各种符号之间的对应不变性，就可以由一种约定转换为另一种约定，同样把宇宙中各部分之间的关系表达出来；约定不是随心所欲， 科学家在不同的定律和理论之间进行选择，不仅要受到无矛盾性要求的限制，还要受到实验事实的引导，实验向人们表明它们是方便的。约定主义既要求摆脱康德的先验论，又要求摆脱马赫的狭隘的经验论，反映了当时科学界自由创造、大胆假设的要求，在科学和哲学上虽都有其积极意义， 但约定主义仍带有一定的唯心主义色彩。

抛体运动（ Projectile motion） 在重力场中具有一定初速度的自由运动，特别是指不存在空气阻力时的这种运动。初速度方向向上的抛体运动称为上抛运动，初速度方向向下的抛体运动称为下抛运动，初速度沿水平方向的抛体运动称为平抛运动，初速度既不沿水平方向，又不沿竖直方向的抛体运动称为斜抛运动。在不存在空气阻力时，无论是什么抛体运动，它们的轨迹形状和速度随时间的变化关系虽然各有不同，但它们的加速度 a 相同：方向竖直向下和大小不变的重力加速度，也就是

a=g。

如果把加速度 a 理解为位矢的二阶时间导数，取 x 轴水平向右，y 轴竖直向上，抛体在初时刻由坐标原点抛出，初速度的大小是 v0，初速度方向与 x 轴夹α角（见下图），则抛体运动的规律是

x = v

cos α，y = v t sinα − 1 gt ²。

0 o 2

由这两式消去时间 t，得出抛体运动的轨道方程是

1 gx²

y = xtgα − 2 v2 cos2 α ，

这是抛物线方程。由这方程可以算出抛高 H 和射程 L（见图）分别是

v² sin² α v² sin 2α

H = ⁰ ，L = ⁰ ，

2g g

a=π/2 时有最大抛高 v20/2g，a=π/4 时有最大射程 v20/g。a=0,π/2，

-π/2 相当于平抛、上抛和下抛运动，a≠0 和 a≠π/2 时相当于斜抛运动。

泡克耳斯效应（Pockels effect） 1893 年德国人泡克耳斯发现的线性电光效应。平面偏振光通过压电晶体时，如果没有在压电晶体上加外电场，便不发生双折射；如果在压电晶体上加外电场，便发生双折射。实验证实，压电晶体两个主折射率之差与电场强度 E 成正比，即 ne-n0=PE， 其中 P 为比例常数。外电场方向垂直于压电晶体两侧面，从而使外电场方向与光的传播方向垂直，这种装置称为横向调制泡克耳斯盒。外电场方向平行于压电晶体两侧面，从而使外电场方向与光传播方向一致，这种装置称为纵向调制泡克耳斯盒。二者都简称电光调制器或电光开关。

泡克耳斯效应的优点是工作物质为压电晶体，当作半波片使用时的电压只有克尔盒的半波电压的 1/10。通常使用的由磷酸二氢钾（KDP）晶体制成的泡克耳斯盒，其弛豫时间约 10-9 秒，在激光技术中用来产生激光短脉冲，在卫星通讯系统中用作电光调制器。

泡利（Wolfgang Pauli 1900～1958） 奥地利物理学家。生于维也纳。1921 年毕业于慕尼黑大学，获博士学位。1922 年在格丁根大学成为玻恩的助手，并结识了玻尔。1928 年任苏黎世联邦理工学院理论物理学教授。1940 年任普林斯顿高级研究院访问教授。第二次世界大战后，回到苏黎世任教。

主要贡献是发现不相容原理，获 1945 年诺贝尔物理学奖。1924 年，为说明光谱线的超精细结构，提出了核自旋的假设。1925 年，通过对光谱实验结果的深入分析，从波函数的对称性出发，提出下列原理：在一个原子中，不能有两个或更多的电子处在完全相同的状态，即它们的四个量子数： 主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数，不能一一相同，被称为泡利不相容原理。按此原理解释原子内部的电子分布状态和元素周期律，获得完满成功。1927 年，把自旋引入量子力学，得出了描述电子自旋而引入的矩阵，被称为泡利矩阵，建立了电子自旋的理论。 1929 年，与海森伯合作引入场量子化的一般方案，从而为场量子化的理论研究开辟了道路。

泡利又一重大贡献是中微子概念的提出。1930 年，在研究β衰变时， 发现一种电子形成的连续光谱，在这个过程中，能量似乎不守恒，由此提出了原子核在β衰变中不仅放出电子，而且还放出一种质量甚小、穿透力甚大的中性粒子的假说。当时他把它叫做“中子”。1932 年后，费米把它改称做中微子。1933 年，表述了中微子的基本理论。1956 年，中微子的存在被实验所证实。泡利在量子场论、粒子物理学、核力的介子理论等方面也都作出了重要贡献。著有《波动力学的普遍原理》（1933）、《量子力学中的连续群》（1956）、《泡利科学论文集》（共 2 卷，1964）等。

泡利不相容原理（Pauli exclusion princi-ple） 简称泡利原理。费米子（自旋为半整数的粒子，如电子）系统所遵循的一个普遍原理， 是微观现象的一个重要规律。由物理学家泡利于 1935 年首先提出。该原理可表述为：全同费米子系统中不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的单粒子状态。多电子原子是一种处于原子核库仑势场中运动的全同电子系统，应遵从泡利原理。泡利原理也是费米-狄拉克统计（参见量子统计） 的基础。

喷气发动机（jet engine） 通过吸入空气，经压缩加热燃烧产生高温高压气体，然后再把燃气高速喷出产生推进力的一种动力装置。

喷气发动机可分为涡轮发动机、冲压式喷气发动机和火箭发动机等。

按工质接收热量的方式，它们应属于内燃机，但其做功方式与内燃机不同。根据动量守恒定律可以得出，当喷气发动机喷出高速气流时，发动机本身会受到一个与气流运动相反方向的作用力，正是这个作用力推动以喷气发动机为动力的各种装置对外做功。

喷气发动机具有体积小、重量轻和工作过程简单等优点，因而适用于航空、航天的飞行。1947 年 10 月 14 日投入飞行的世界上第一架超声速飞机就是由贝尔公司制造的装有火箭发动机的 X-l 研究机，以后英、法两国联合制造出装有火箭发动机的第一架超声速协和式客机，速度达 1920 千米

/小时，1976 年 1 月 21 日投入定期航班飞行。当喷气发动机以空气作氧化剂时，在做功过程中需要机外供应空气，这类发动机只使用于在大气层中高速飞行的喷气式飞机中，而火箭发动机本身携带燃料和氧化剂，不再需要外界供给空气，因此适用于在宇宙中航行的各种飞行器中。

碰撞（collision） 相对运动着的物体或粒子由于相互作用在极短时间内运动状态发生显著变化的过程。例如小球互撞、子弹射入沙袋等。微观粒子的碰撞又称散射。例如α粒子在原子核附近的散射等。宏观物体碰撞时，从宏观上看，它们的表面互相直接接触；微观粒子碰撞时，彼此趋近到一定程度时常发生显著的相互作用而分离。碰撞的过程是相碰的宏观物体或相互作用的微观粒子之间动量和能量传递的过程。碰撞前后的总动量和总能量分别保持不变。若碰撞前后的总动能保持不变，称为弹性碰撞或完全弹性碰撞。碰撞前后总动能发生变化的，称为非弹性碰撞。一般宏观物体之间的碰撞均属非弹性碰撞，这时有部分的机械能转化为内能或其他形式的能量。若两宏观物体在碰撞后不再分离，称为完全非弹性碰撞。微观粒子之间涉及能态激发或粒子的种类或性质发生变化时，也属于非弹性碰撞。

皮托管（Pitot tube） 测量流体流速的一种装置。是 18 世纪法国工程师皮托发明的，故名。用实验方法直接测量气流速度较困难，但气流的压力可用测压计方便测出。因此，皮托管实际上是测量压力，再应用伯努利方程即可算出气流的速度。皮托管由一个圆头的双层套管组成，外套管直径为 D，在圆头中心 2 处开一个与内套管相连的总压孔，连接测压计的一端；同时在外套管侧表面 2 处约 3D 的距离的 1 与 l'处沿周向均匀地开一排与外管壁垂直的静压孔，连接测压计的另一端，见附图所示。测量时将皮托管放在欲测速度的稳定流体中，并使管轴与气流方向一致管子的前缘对着来流，测得两者的压力差 p2-p1，即可得出流速：

v = =

2 gh，

ρ 液

式中ρ为气体的密度，ρ 液为测压计液体的密度。皮托管常用于测量飞机相对于空气的速度，但仅在飞机速率远小于声速时有效。

皮托管

片流（laminar flow） 即层流。

偏振光（polarized light） 电矢量和光的传播方向所构成的平面称为偏振光的振动面。与振动面垂直的平面称为偏振面（为避免混乱，一般不用偏振面；与此类似的还有振动方向与偏振方向）。偏振光有四种类

型：线偏振光，部分偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。线偏振光电矢量振动只限于某一确定的方向。也称为平面偏振光，因为它的振动面不变。部分偏振光电矢量在某一确定方向上的振动占相对优势的偏振光。

圆偏振光 电矢量的端点在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是一个圆。圆偏振光可视为两个存在一定相位差的相互垂直的线偏振光叠加而成。

椭圆偏振光 两矢量的端点在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是一个椭圆。原因与圆偏振光同。

偏振光的作图表示 图(a)表示电矢量在图面内的平面偏振光；(b)表示电矢量垂直于图面的平面偏振光；(c)表示自然光或非偏振光；(d)表示部分偏振光，但图面内电矢量较强；(e)表示垂直于图面方向上电矢量较强的部分偏振光。(f)振动方向垂直入射面的电矢量分量称为 s 分量，平行入射面的分量为 p 分量。

偏振光表示法

偏振度 描述偏振光偏振程度的物理量。它定量表示了线偏振光占全部光的比例。完全线偏振光的偏振度为 1，或 100%。可用检偏器测定偏振度。当部分偏振光通过检偏器时，透射光的强度随检偏器的透振方向而变。如果测得的强度极大值和极小值分别为 Imqx 和 Imin，则偏振度 P 的值为

P = I max − I min

I max + I min

对于自然光，不管检偏器的透振方向设置在什么方向，透射光强度不变，故其偏振度为 0。所以自然光亦称完全非偏振光。部分偏振光的偏振度在 0 与 1 之间。

偏振光干涉（interferenceof Polarizedlight） 偏振光叠加后产生的光学现象。在杨氏实验装置的两束相干光束传播途径上，各放置一块偏振器，分别记为 N1 和 N2。当 N1 和 N2 的透光方向平行时，观察屏上可观察到明暗交替的干涉图样。当 N1 和 N2 的透光方向垂直时，干涉图样消失，观察屏上呈均匀明亮的视场。如果用检偏器作检测，可发现叠加后的光为椭圆偏振光。

用白光做偏振光干涉实验，会出现彩色的干涉图样，此现象称为显色偏振或色偏振。

偏振计（polarimeter） 测定线偏振光经过旋光性物质后振动面所旋转的角度的仪器。又称旋光计。主要由起偏振器和带有圆刻度盘的检偏振器组成。待测物质放在两偏振器之间，由刻度盘读数测出振动面所转过的角度。其结构如图，S 为一单色光源，F 为准直透镜，N1、N2 为两尼科耳棱镜，前为起偏振器，后为检偏振器。N1 固定，N2 可沿光路旋转，旋转角度由刻度盘 R 读出。D 为半荫片，一半为玻璃，另一半为石英半波片，H 是盛放溶液（旋光物质）的容器。T 为短焦距望远镜。旋光计主要用于研究旋光性物质的性质或测定溶液中旋光性物质的浓度。制糖工业中用于测量糖溶液浓度的偏振计称为糖量计。

偏振计

漂移与扩散（ driftanddiffusion） 半导体中载流子运动的两种形式。在电场作用下，载流子的定向运动，即空穴沿着电场方向的运动， 电子逆着电场方向的运动统称为漂移运动。由于热运动而使载流子从高浓度区域向低浓度区域的流动称为扩散运动。描述载流子漂移运动特征的物理量是“迁移率”。

迁称率μ定义为单位电场强度作用下，载流子的运动速度。因此考虑两种载流子后材料的电导率σ可表示为σ=nqμn+pqμp，μn，μp 分别称为电子迁移率和空穴迁移率。描述载流子扩散运动特征的物理量是“扩散系数”D。不同材料的扩散系数是不相同的。

由于两种运动形式的内在联系，因此同一材料的 D 和μ之间有确定的关系，即爱因斯坦关系：

D = kT ，其中 k 是玻耳兹曼常数，T 是温度，q 是电子电荷的绝对值。

μ q

频率计（frequencymeter） 对周期电信号进行频率测量的仪器。周期电信号可以是脉冲信号，也可以是正弦信号、三角波、锯齿波或其他不规则波形的信号，但是周期电信号的最低电平应该是零伏，最高电平必须大于某一仪器所规定的确定值。如果最高电平低于规定明确定值，频率计内的计数器就计不到脉冲输入。如果周期电信号的最低电平高于 0 伏， 即周期信号中含有直流成分，则信号必须先经过 0.1～1.0μF 的隔直流电容，再与频率计的测量输入端连接起来，如果高电平仍大于规定的幅度， 频率计就能进行正常的测试工作。

频率测量的基本原理就是计时器中的“计”时和“停”止间的时间间隔为严格的一秒钟，即一秒钟内周期信号出现的个数就是该周期电信号的频率值，其单位为赫兹。如果周期信号的频率太低，为了增加低频信号的频率值有效数字位数，那么“计”时和“停”止间的时间间隔可由一秒改为十秒钟，这样测到的周期信号重复的次数是该信号频率的十倍，所以将重复的次数除以 10 就是低频信号的频率值。

频闪观测仪（stroboscope） 对旋转物体或振动物体进行间歇照相，以研究物体的运动或确定其旋转速度或振动频率的仪器。早期的频闪观测仪利用间歇目视或断续光线照射的方法，它是用一个旋转的或振动的圆盘，上面沿径向开一条狭缝，使物体只有经过规定的时间间隔才能被看到，或者只有在依次出现的瞬间内才让光线照射物体，即在某个精确的时刻，物体到达其运动的某一预定点时，才让它暴露在光线下。现代电子频闪观测仪是一个充气式闪光灯，产生极短促的、反复出现的、明亮的闪光。闪光灯电路原理如图所示。L 通常是氙气闪光灯，它是有一个外电极和两个内电极并充满氙气的玻璃管。闪光灯直接跨接在主闪光电容器 C 上，它把电容器所存储的电能转变为光能。变压器 T1 的次级获得交流高压，经二极管整流后得直流电压，电容器充电至变压器 T1 的次级的峰值电压。开关S 闭合时（照相机快门的一个触点可以用作这样的开关），电容器 C2 放电， 升压变压器 T2 的次级线圈获脉冲高压加到灯的外电极，启动闪光灯起辉并快速气体放电，发出短暂而又明亮的辉光。闪光持续时间通常为 1 微秒，

频率为每分钟 110 次至 15 万次。采用特殊设备后，闪光频率可达每分钟

50 万次。

电子闪光灯基本电路图

品质因素（qualityfactor） 亦称优值或 Q 值。反映阻尼振动系统能量衰减情况的物理量。定义为：

Q = 2π 振动系统储存的能量 = 2π E ， 振动一周期损失的能量 ∆E

Q 是一个无量纲的物理量。Q 等于系统储存的总能量与系统在振动一周期中损失的能量之比。振动系统的阻尼越大，振动一周损失的能量越多，Q 就越小；反之，Q 越大，损失的能量越小，系统的阻尼就越小。对于受迫

振动系统Q = w 0 ，式中ω 为系统固有频率，ω -ω =△ω为共振曲

w 2 − w 1

线的频带宽度，Q 值与频带宽度成反比。Q 值越大，共振峰越窄越陡。对于不同条件下的不同振动系统，Q 值有不同的具体表示式，因而具有不同的物理意义。对电感或电容等储能元件，Q 值越大，表示用该元件组成的电路或网络（如滤波器等）的选择性越好。因此对于电振动系统，品质因素是反映系统性质的重要参数。常见的几种力学、电学、光学等谐振系统的品质因素，其量级如下表。

平动（translation） 亦称平移运动或平行移动，机械运动的一种基本形式。刚体在平动过程中，连结其任意指定的两点的连线始终保持平行。平动刚体上每一点的运动情况（包括轨道形状、速度和加速度）完全相同，所以平动刚体的运动可以用此刚体上任一点的运动来代表。做平动的刚体，不论其大小如何，可以看成质点。

平方反比律（inversesquarelaw） 两个物体之间的作用力与物体之间的距离的平方成反比。在力学研究中，法国天文学家布里阿德于 1645 年最早提出以太阳为中心并与太阳有关的和取决于物质的力，必定与离这个中心的距离的平方成反比的思想。牛顿在 1665～1666 年间，受布里阿德思想的启发，试图用开普勒行星运动第三定律、落体定律和离心力定律从理论上论证引力平方反比定律，没有取得成功。直至 1684 年，牛顿才发现了椭圆轨道上的引力平方反比定律，并在《原理》中证明了万有引力符合这个定律。胡克在 1680 年也提到“中心引力以与距离的平方反比的关系产生一切距离上的物体由切线或等速直线运动落下的速度”，于是出现对该定律的发现要求优先权的争论。许多史料表明，由于胡克数学能力的欠缺， 未能发现椭圆轨道上的引力平方反比定律，但在用几何图形法证明引力平方反比定律方面，确实对牛顿有所启发。

平行光管（collimator） 一种能发射平行光束的光学仪器。是分光计、分光镜等光学仪器的一个组成部分，也用作检测和调整光学机构的

同轴性，又称为准直管。其外形结构是一金属圆筒，为避免光反射，内部涂黑，筒一端袋一物镜，另一端在物镜的焦平面上放置一块分划板（带有十字准线或其他刻线的透明平玻璃板）。分划板通过小电珠经聚光镜再经40°反射透明玻片反射后照明。分划板的发散光束经过物镜后能转换成平行光束发散出去。若平行光管附有目镜，则称为自准直平行光管，它既能发射平行光束，又能接收平行光束，并可用目镜观测形成在分划板上的十字准线像。

自准直平行光管结构示意图

平行力系（systemofparalellforces） 见力的合成。平均速率（meanspeed） 参见麦克斯韦速率分布律。 平面波（planewave） 见波。

普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck1858 ～1947） 德国物理学家。生于基尔。1874 年入慕尼黑大学。三年后转到柏林大学，成为亥姆霍兹和基尔霍夫的学生。1879 年获物理学博士学位。1895 年任基尔大学理论物理学教授。1892 年任柏林大学理论物理学教授。1930 年起任柏林威廉研究所所长。1918 年当选为英国皇家学会会员。

普朗克是量子论的开创者和奠基人，获 1918 年诺贝尔物理学奖。早期， 主要研究热力学。1897～1899 年，发表了总题目为《论不逆的辐射过程》的 5 篇论文，试图通过能量交换而达到平衡的情形入手，研究辐射理论。

1900 年，为克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，提出了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量子）的整数倍的假说， 即著名的量子假说。还第一次测定了能量子的大小，从而发现了自然界一个新的普适常数——普朗克常数。量子假说的提出，对现代物理学特别是量子论的发展起了重大作用，为人类认识微观世界打开了大门，使人们对自然界的认识进入一个更深入的层次。

在相对论方面，普朗克是最先理解和支持相对论的物理学家之一。1905 年，看到爱因斯坦的文章时，立即看出爱因斯坦文章的价值。1906 年，导出了相对论动力学的方程，得出电子能量和动量的表达式，从而完成经典力学的相对论化。同年，是他引入“相对论”这个术语。1907 年，根据新的实验结果，进一步断定狭义相对论的正确性，并在狭义相对论的框架内扩充了热力学。

普朗克的方法论贯串着自发的唯物主义倾向。他认为：我们的思维规律和我们从外部世界获得印象的过程的规律性，是完全一致的，所以人们就有可能通过纯思维去洞悉那些规律性。在这个事实中，具有重要意义的是，外部世界乃是一个独立于我们的绝对东西，而去寻找那些适合于这个绝对东西的规律，是科学生涯的最美好的使命。他主张：要找出不同量度所遵守的共同定律都非常困难，唯一有效的方法就是采用假说。至于如何找到最适当的假说，在这方面并无普遍的规则。唯一可能的办法是直接掌握问题或抓住某种适当的概念。这种智力上的跃进，唯有创造力极强的人生气勃勃地进行独立思考，并在有关事实的正确知识指导下走上正轨，才能实现。著有《关于正常光谱中能量分布律的理论》（1900）、《热力学讲义》（1905）、《热辐射理论讲义》（1906）、《物理世界的统一性》

（1908）、《理论物理学导论》（共 5 卷，1916～1930）等。

普朗克常数（Planck constant ） 物理学中的一个普适常数，具有角动量量纲，常用符号 h 表示。其值可通过各种实验测定，为 6.626176

×10-34 焦耳·秒。1900 年德国物理学家普朗克为了解释黑体辐射的实验结果而首次引入。普朗克常数是微观物理现象的一个特征常数，几乎出现在所有量子力学的公式中。当 h 趋于零时，量子力学公式便化为相应的经典力学公式。

普朗克公式（Planck formula） 普朗克把黑体看成是由许多带电的谐振子组成，每个谐振子发出一种单色波。整个黑体发出连续的辐射。空腔黑体处于热平衡时，腔内的辐射场由各种频率的驻波构成。他假设频率为 v 的谐振子的能量值只取某个基本单元ε0 的整数倍，即

ε=ε0，2ε0，3ε0⋯⋯。

在热平衡态中，能量为ε的状态所出现的概率正比于 e-e0/kT（玻耳兹曼正则分布定律），由此求出每个振子平均能量为

ε = ε0 。

exp(ε0 / kT) − 1

普朗克用ε 代替瑞利—金斯定律中的 kT，即用量子化的能量子取代经典理论的振动平均能量，于是有

E（λ, T） = 2πc

λ4

ε0 。

(ε 0 / kT) − 1

为了得到与实验相符的黑体辐射公式，普朗克不得不再假定ε0=hγ， 即基本能量子与频率成正比。h 是比例常数，是一个与频率无关，也与辐射性质无关的普适常数，称为普朗克常数。现在精确测定的值为h=6.626176×10-34 焦耳·秒。用ε0=hv 代入后得到

E(λ, T) =

2πhc²

λ5

1

exp(hv / kT) − 1

此即普朗克的黑体辐射公式。当 hv 《1 时， exp( hv ) 用级数展开，略

kT kT

去高次项后有 exp（hv/kT）=1+ hv 。这表明在长波区（低频）普朗克公式

kT

与瑞利—金斯定律符合。在短波区，普朗克公式也与实验曲线一致。普朗克用辐射能量的量子性克服了经典理论的紫外灾难，并由此开创了量子理论的新纪元。普朗克也因为这一成就而获得了 1918 年诺贝尔物理学奖。

普通物理学（generalphysics） 通常指高等学校教学中所开设的力学、热学与分子物理学、电磁学、光学和原子物理学等课程的总称。通过有关现象和研究对象的介绍，引进确切的能够描写有关现象和研究对象基本特征和基本性质的物理量及物理概念（常称为运动学描写）；然后从特殊到一般，建立这些物理量之间的联系，总结出这类现象所满足的基本规律。这类课程常常为物理系较低年级的学生或非物理专业的学生开设。这类课程的特点是，注意基本概念、基本知识和基本方法的培养，常采用归纳法，从特殊到一般，并较少使用数学。

图 1 自发电式曝光表

曝光计（exposuremeter） 摄影时用来确定物镜光圈和快门速度的

指示仪器。亦称测光表。它也可用在暗室中洗印或放大照片时确定大致的印影时间，或者通常与摄影机联用以确定胶片的曝光量。现代曝光表基本上分为两类：自发电式（或称光电池式）和可变电阻式（或称光电导式）。在自发电式中，光电池把光子转换成电子并产生电流，其大小与接收到的光照成正比，电流可从灵敏的微安表读出，如图 1 所示。它的特点是：光电池响应速度快，光谱灵敏度非常接近全色胶卷，并有很长的使用寿命。在可变电阻式曝光计中，将硫化镉光敏电阻或硅光电二极管与以电池为动力的线路连接起来，光敏电阻和光电二极管的电阻随光照的强度而变化， 再用毫安表测出电流的变化，由此显示光照度大小，如图 2 所示。它的特点是，功率灵敏度高，表头运转稳定。但受强光照射后，恢复较慢，因此在不用时要完全遮盖好。目前大部分手提式照相机内均装有曝光表。使用半自动照相机时，通过调节曝光控制机构，使取景器中的两个指针重叠一起，以确定正确的曝光。在全自动照相机中，则由机构本身自动调节。

图 2 光电导式曝光表

Q

欹器（Qi qi） 中国古代利用重心调节平衡的器物。它是由民间生活用品——盛水陶罐，又称提水壶，逐步演变而成的一种宫廷贵族的玩物。这种玩物由于重心略近于支点之上，且制作不匀，因此空的时候倾斜；装水不多不少时，重心下降至支点之下，就直立；继续装水时，重心升高到支点之上，就翻倒。这正如《荀子·宥坐》中记载的“虚则欹，中则正， 满则覆”。它作为朝廷的奇物在我国长期传袭，从周直到汉末，经三国之乱而绝。到了西晋，杜预造出新欹器，同时代的刘徽著《鲁史欹器图》， 后者虽已佚失，但说明这一时代又有人掌握了一些关于重心的知识和技巧。

奇异粒子（strange particle） 参见奇异数。

奇异数（strangeness number） 一种描述强子内禀特性的量子数， 常用符号 S 表示。本世纪 40 年代末至 50 年代初，通过加速器实验发现了一批新的粒子（K 介子、Λ、Σ和Ξ超子）。这些新粒子是在π介子—核子或核子-核子碰撞过程中产生的，然后又主要衰变为π介子和核子。在实验中这些粒子显示出某些奇特性质，主要表现在“产生快，衰变慢”，以及“产生的协同性”（如π-+p→Σ-+K+），但另一些协同产生过程如π−+p

→Σ++K−却又从未观察到。

随着实验资料的大量积累，人们发现这些性质可通过引进一种新的量子数作出解释，这种新的量子数称为奇异数。这批新粒子具有非零奇异数， 统称为“奇异粒子”。普通强子，如核子（质子 P 和中子 n）和π介子（π

±、π0），它们的奇异数为零，是非奇异粒子。反粒子和粒子的奇异数互

相反号（见下表）。

在强相互作某些奇异粒子的奇异数

用过程中，奇异数守恒；在弱作用过程中，奇异数不守恒。由普通强子碰撞产生奇异粒子的过程是强作用过程，因此产生速度很快（～10-20 秒），而且必须有两个或几个奇异粒子同时产生，且它们的奇异数之和为零。另一方面，奇异粒子衰变过程（如Λ→P+π−）中奇异数不守恒，因此可判定这是弱作用过程。通过弱作用的衰变过程速度当然慢，因此粒子的寿命长（约为 10-8～10-10 秒）。通过奇异数的引入，使当时一段时间内困扰物理学家的这类粒子的奇异性质得到了很好的解释。

起偏器（polarizer） 使自然光变成线偏振光的器件。同样的器件也可用来对光波是否为偏振光进行检测，这时便称为检偏器。起偏器和检偏器统称为偏振器或偏振片。偏振片中有一个特殊的方向，称为透振方向。当入射光波中的电矢量振动方向（即偏振方向）与透振方向一致时，便可通过偏振片。

天然偏振片 天然电气石晶体呈六角形片状，长对角线方向为其光轴

方向。光波的电振动方向与光轴平行时可以通过，与光轴垂直时不能通过。这种性质叫做二向色性。利用晶体的这种性质，可利用自然光产生线偏振光。

人造偏振片 把具有显著二向色性的碘化硫酸奎宁晶粒蒸镀在聚氯乙烯膜上，再将薄膜加热并拉伸，此时薄膜基片的应力可使晶粒的光轴作定向排列，使之成为具有某一特定透振方向的人造偏振片。

汽车驾驶员前面的车窗玻璃和车灯的玻璃罩如果都改装为人造偏振片，并使它们的透光方向与水平方向成夹角 45°，且向同一方向倾斜，这样，驾驶员将会看到自己车灯射出的光很强，而从对面驶来的汽车车灯光很弱。

渥拉斯顿棱镜 将两块直角方解石晶体棱镜按斜面粘在一起，使它们的光轴互相垂直，便构成了渥拉斯顿棱镜。自然光通过这种棱镜后射出的是两束按一定角度分开的偏振光，它们的振动方向互相垂直。

尼科耳棱镜 1828 年由英国物理学家尼科耳发明。天然方解石晶体有一个锐角是 71°，将它磨成 68°，然后沿钝角的对角线切开，再用加拿大树胶将它们粘起来。它利用双折射性质，将自然光分成寻常光和非常光。然后利用全反射把寻常光反射掉，只让非常光通过，从而获得线偏振光。当自然光连续通过两个尼科耳棱镜时，第一个尼科耳棱镜 N1 作起偏

器，第二个尼科耳棱镜 N2 作检偏器。设两个尼科耳棱镜的主截面之间的夹角为θ，当θ=0 时，由 N1 产生的偏振光能通过 N2。这种装置称平行尼科

π

耳棱镜。当θ= 2 时，由 N1 产生的偏振光完全不能通过 N2。这时称正交尼

科耳。尼科耳作起偏器用时，入射角限制在 14°左右范围内，否则寻常光也将从尼科耳中透出。作检偏器用时，通光孔径角为 28°左右。

玻璃片堆 参见布儒斯特定律。

气垫（air cushion） 在做相对运动的两物体的接触面间充以高压气流，使它们脱离直接接触以减少摩擦的一种装置。广泛应用于力学实验和工程技术中。实验室常用的气垫有两种：①气体由物块本身喷出，叫做气垫滑块；②气体由机械装置喷出，常见的有气垫导轨和气桌。利用气垫装置做力学实验，摩擦力的影响可忽略。

作交通工具用的气垫船，就是利用以上的原理。1959 年出现了世界上第一艘气垫船，当时船速可达 110 公里/小时，用作短途高速的交通工具。气垫船不但可在浅水河流上行驶，还可在沙砾、草原、冻土带和北极的雪地上行驶。70 年代初，在英吉利海峡有 170 吨的气垫运输船，以取代该处的渡轮和航空运输。此外在军事上也有广泛用途，如反潜艇、干扰水雷、运载飞机和发射导弹等。但气垫运载器的研究与发展，还未达到预期目的， 工业上仍未能达到经济实用的地步，有些技术问题尚待解决。

气垫导轨（air track） 是力学实验中研究物体作一维运动时的辅助实验设备。所谓导轨，就是引导运动物体在一维方向上运动的器具；气垫是使运动物体悬浮的方法。若作相对运动的两物体直接接触，其间存在着相互作用，势必产生摩擦力，使实验的内容复杂化。用气垫法，使摩擦力有很大的消除，所以使运动学的规律更加明显。气垫导轨能将压缩机输出的压缩空气从导轨的一端进入，从导轨的表面小孔喷出，喷出的气体把

导轨上运动的滑块托起相当距离，即在导轨表面与

1—导轨 2—光电门 3—气垫滑轨 4—刻度尺 5—进气管 6—计时器 7

—滑块

滑块间形成很薄的气膜，该气膜把滑块和导轨之间的由接触而产生的滑动摩擦变成空气层之间的内摩擦，这就大大地减少了许多力学实验中无法避免的摩擦力影响。

气垫导轨的整体结构由以下四部分组成：导轨、滑块、光电测试系统和供气装置。

导轨通常由一根长 1.2 米或 1.5 米的三角形但中空的铝型材制成。在

导轨表面钻有直径为 0.6 毫米的许多喷气小孔，导轨的一端装有进气嘴， 另一端呈封闭状。导轨上部的两端装有弹簧片，使滑块滑动到导轨边缘时， 与它进行弹性碰撞，改变方向。气垫导轨的上部端部也可装气垫滑轮，“气垫滑轮”的转动惯量，及轮轴间的摩擦几乎可完全忽略，因此气垫滑轮两端的绳

子拉力可以认为相等。整个导轨安装在矩形或者 I 字型横梁上，导轨下面的螺丝适当调整，使导轨的平整度达到无视差。

滑块由长约 20cm 的角铝组成，角铝内表面与导轨的两个侧面精确吻合。滑块的两端装有弹簧片，供弹性碰撞用，滑块上还装有挡光片，附加质量、弹簧挂钩等附件，以适应各种实验的需要。

光电测量系统由光电门和计时器组成。光电门由红外发光二极管和接收红外光的光敏三极管组成。当光敏管受到红外波长的光照射时，在光电门控制电路中输出低电平；不受到照射时，输出高电平。在可见光（不包含红外波长的光）照射时，输出也是高电平。根据这个原理，当运动物体遮盖了红外波长的光时，光电测量系统输出为高电平，没有遮盖时为低电平。用来控制计数器的计数和停止计数，以求得时间的测量。

假定滑块挡片的宽度为 l，遮光时间为 t，由于 l 值非常小，势必 t 也很小，因此取 l/t 为某一点或者某一时刻的即时速度。有时在导轨上设置两个光电门，可测量运动滑块在两光电门间运动通过的时间。如果一个光电门输出的脉冲作为计时器的“计”时操作，则另一个光电门输出的脉冲作为计时器的“停”止计时操作，实现了位移的时间测量。

如果滑块在导轨上做来回振动，可用单个光电门，放在振动的平衡位置附近，调节计时器的功能选择开关，使得完成第一个脉冲开始计时，第三个脉冲停止计时，显示第一、三脉冲间的时间就是滑块做振动的周期。利用这个原理可连续计多次振动的周期，然后除以做全振动的次数，最后得到平均周期。通常由于计时器的时钟频率较高，所以测周期很容易得到三至四位，甚至更多位的有效数字，不必用多次法测平均周期。事实上， 做阻尼振动的滑块，在振幅衰减过程中，周期逐渐变长，因此求平均实际上是不准确的。

气源通常用吸尘器代替，亦可用空气压缩机。前者功率较小，每一架气垫导轨带一个吸尘器；后者功率较大，一个排量为 0.6 米 3/分的空气压缩机可同时带动四架气垫导轨。气源应该压力稳定，振动小，噪声电平低， 效率高。在空气入口处要设置清洁过滤器。风力也不要太大，通常调节阀门控制气体流量，使得滑块托起 10μm～100μm）就可有效消除摩擦力对

机械运动的影响。

气候（climate） 大气平均物理状态及其在空间与时间上的统计变化。具体来说是指某一地区多年的、综合的天气状况。全球气候受到太阳辐射、大气环流和下垫面性质（如海洋、陆地、植被等）三个因子的影响， 但起主要作用的是太阳辐射。

到达地球表面的太阳辐射能与地理纬度有关。一般说，纬度低，得到太阳辐射能多，气温高；纬度高，得到太阳辐射能少，气温低。大气环流是指地球上具有一定稳定性的各种气流运动的综合，通过大气环流使在高低纬度和海陆之间的热量及水汽重新分配。下垫面的特性会影响辐射过程及气团的物理性质，例如由于海洋、陆地对太阳辐射的反射率不同，热容量、热导率不同等，形成了两种不同的气候：海洋性气候和大陆性气候。除了这些自然因素外，人类活动对气候的影响也日益增强，这些活动使得下垫面性质改变，如滥伐森林、海洋石油污染。随着城市工业的发展，大气污染也日益严重，二氧化碳、尘埃等增多，影响了局部气侯。

气体的输运现象（transport phenomena ingases） 处于非平衡状态下的气体各部分之间由于物理性质的不均匀性而引起的宏观变化过程。

气体的输运现象主要研究粘滞性、热传导和扩散。

当气体各部分运动速度不同时，不同速度的相邻两气体层之间将产生互相作用力；这种作用力称为粘滞力，它将使流动慢的气体层加速，而使流动快的气体层减速。由于粘滞力的存在，气体各部分的流动就表现出粘滞性。实验结果表明，相邻两流体层界面上互相作用的粘滞力 f 与该界面

面积 dS 和该处垂直于截面方向上的速度梯度( du )

dz z0

之乘积成正比：

f = η( du)

dz z 0

dS，

这个经验定律称为“牛顿粘滞定律”，式中比例系数η称为粘滞系数

（又称内摩擦系数），它与气体的性质和状态有关，其单位是牛·秒·米

-2。从效果上看，粘滞力的作用使流速不同的相邻两部分气体之间产生动

量传递，传递的方向垂直于流速方向，且从流速大的部分指向流速小的部分。如果以 dK 表示在时间 dt 内通过截面和 dS 传递的动量，则根据动量定理（dK=fdt），有

dK = −η( du)

dz z 0

dSdt，

式中负号表示动量是沿流速减少的方向输运的。

当气体各部分温度不同时，相邻两部分气体之间就会有热量的传递， 这种现象称为热传导。考虑两个温度不同的平行的气流层，如果以 dQ 表示所传递的热量，则实验结果表明，在时间 dt 内 dQ 与该热量传递所通过的

截面面积 dS 以及该处在垂直于截面方向上的温度梯度（ dT ）

dz z0

之乘积成

正比：

dQ = −K（ dT ）

dz

_z0dSdt。

这个经验定律称为“傅里叶热传导定律”，式中比例系数 K 称为导热

系数（又称热导率），它与气体的性质和状态有关，其单位是瓦·米-1·开

-1。式中负号表示热量是沿温度减少的方向输运的。

当气体各部分密度不均匀时，将有气体分子的转移，这种质量传递的现象称为扩散。对同一种气体来说，在温度均匀的情况下，密度的不均匀将会导致压强不均匀，从而出现气体的宏观流动，这时在气体中发生的就不是单纯的扩散现象。对两种不同气体（例如 N2 和 CO）可设想它们起初具有相同的温度和压强，放置在同一容器中，但用隔板分开，容器中总的气体密度处处一样，然后抽去隔板，虽然每一种气体在两部分容器中密度不同，但是不会产生宏观气流，这时每种气体分子的移动就是单纯的扩散。对任一种气体来说，在时间 dt 内通过截面积 dS 迁移的质量 dM 与密度梯度

（ dρ ）

dz z 0

成正比：

M = g℘( dρ)

dz zo

dSdt。

这个经验定律称为“斐克扩散定律”，式中比例系数称为扩散系数， 其单位是米 2·秒-1。式中负号表示质量是沿密度减少的方向输运的。

以上三个实验定律虽然反映了三种不同物理过程的行为特征，但具有同样的规律性。这些现象均起因于气体内部的某种不均匀性以及消除这种不均匀性的内部作用。这种作用最终使气体趋于处处均匀的状态。

气体输运过程的发生从微观上说，首先是由于分子不停的热运动，而影响输运过程进行快慢的另一个决定性因素是分子之间互相碰撞的频繁程度。一般说来，分子间碰撞越频繁，分子运动经过的路线就越曲折，分子运动引起的“搅拌”作用使这种从非平衡态到平衡态的转化过程就进行得越缓慢。

气体放电（gaseous discharge） 又称气体导电。

图 1 气体的导电规律

图 2 辉光放电特性曲线

气体中通过电流的现象。在通常情况下，气体中的自由电荷极少，是良好的绝缘体。但在外界某些因素（如紫外线、X 射线以及放射线的照射， 或者气体加热）的作用下，气体分子可发生电离，气体中出现电子和离子， 这时在外电场作用下，电子和离子做定向漂移运动，气体就导电。通常把气体放电粗分成两种类型：依靠外界作用维持气体导电，且外界作用撤除

后放电即停止的，称为气体的被激导电；不依靠外界作用，在电场作用下能自己维持导电状态的，称为气体的自激导电。

气体的导电规律如图 1 所示。在充有气体的密封玻璃管内装两个电极， 把它们与电源的正负极相连，并逐渐增加电压。当电压 V 较小时，电压 V 与电流强度 I 的关系如图中曲线 OA 段所示，服从欧姆定律。当 V 增加到曲线中的 BC 段时，电流达到饱和值。如果电压继续升高，电流又随着电压的升高而升高，即曲线的 CD 段。在这一阶段中，因为电子与正离子在分别向阳极和阴极运动的过程中获得了较大的动能，当它们与中性分子碰撞时， 足以使中性分子电离，从而产生出新的电子和离子。上述的导电过程都是必须依赖于外界的电离作用而维持的，属于气体被激导电。

当两电极间的电压进一步增加到 VD 时，电流将突然增加，同时极间电压突然下降，即曲线中的 DE 段。这是因为产生了雪崩式碰撞电离。此时即使撤去外界的电离作用，导电过程仍然继续进行，这种现象称为气体的自激导电。

在气体自激导电时，往往伴有发声、发光等现象。当气体由被激导电过渡到自激导电时，我们说气体已被击穿或已被点燃。使气体击穿的最小电压 VD 称为击穿电压。气体击穿后，由于气体的性质、压强、电极的形状和距离、外加电压以及电源的功率的不同，而可能采取辉光放电、弧光放电、火花放电及电晕放电等形式。

辉光放电 低压气体中伴有辉光出现的自激导电。在低压（约 133 帕） 气体放电管中，两电极间电压逐步增加，并控制电流的变化，气体击穿后将会出现如图 2 所示的导电规律。图中的 AD 段就是辉光放电，其中 AC 段称为“正常辉光放电”，CD 段称为“异常辉光放电”。在正常放电时，极间电压几乎不随电流而变。在异常辉光放电时，极间电压将随电流的增加而增加。当电流超过 D 点时，电压会突然下降，这时便从辉光放电过渡到弧光放电。辉光放电时，气体放电管中。从阴极至阳极之间将出现交替分布的几个特殊的亮区和暗区，如图 3 所示。

图 3 辉光放电这区和暗区1．阿斯顿暗区，2．阴极光层，3．阴极暗区，4．阴电辉，5．法拉第

暗区，6．阳电辉，7．阳极暗区，8．阳极辉区

辉光放电的主要应用是利用它的发光效应，可制造荧光灯和霓虹灯等。利用正常辉光放电的稳压特性（特性曲线 BC 段）制造氖稳压管。氦氖激光区就是利用辉光放电的阳电辉产生激光的。

弧光放电 伴有强烈的弧光并产生高温的一种气体自激导电。当电源提供较大功率时，在不高的极间电压（约几十伏）下，两极间的气体或金属蒸气中可以持续地通过较强的电流（几安到几十安），并发出强烈的光辉， 产生几千到上万度的高温。

弧光放电与辉光放电的主要不同，在于弧光放电时阴极产生热电子发射（称为热阴极弧光，如碳弧）或场致发射（称为冷阴极弧光，如汞弧）。产生热阴级弧光放电的方法通常是使两电极接触后随即分开，因短路发热使阴极表面温度大增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，因而两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的重要特性是：当电流增大时，两极间的电压反而下降。在冷阴极弧光放

电中，电极由低熔点的材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离而在阴极表面附近形成空间正电荷层。阴极附近出现的强电场引起场致发射，从而使极间电流剧增，形成电弧。

弧光放电的主要应用有：用作强光源（如弧光灯）；光谱分析中用作激发元素光谱的光源；在工业上用于冶炼、熔化、焊接和切割高熔点金属

（如电弧炉、电弧焊）；医学上用作紫外线源（如太阳灯）；用作将交流电变为直流电的整流器（汞整流器）等。另一方面，在大功率电路的开关电器中，由于触头分开时会引起电弧，这种电弧有烧毁电器触头的危险， 必须采取灭弧措施。火花放电在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压，但电源不能持续输出大功率时所形成的间歇性气体自激导电。火花放电时，碰撞电离并不发生在整个电极间的区域内，而只是沿着狭窄曲折的发光通道进行。火花放电常常伴有爆裂声。由于气体击穿后电流强度猛增而电源功率不够，电压随即下降，放电暂时熄灭，电压恢复后又进行放电。因此，火花放电具有间歇性。雷电就是自然界大规模的火花放电现象。

在其它条件不变时，引起火花放电的击穿电压完全取决于电极形状及其间的距离。当间距相同时，电极的曲率越大，其击穿电压越低；而电极形状一定时，间距越大，击穿电压越高。由此可以利用火花放电时的击穿电压来测量高压。火花放电也应用于金属加工、钻细孔以及内燃机点燃装置等设备中。它也是用作高能粒子探测器的火花室所依据的原理。另一方面，高电压设备则必须设法防止电火花出现，电火花将会引起设备损坏及电能的损耗。

电晕放电 一种气体自激导电现象。在曲率半径较小的导体表面或电极表面（其他导体或电极距离较远），当电场强度升高到某一临界值以上时， 在非均匀强电场作用下，表面附近的气体电离，引起气体导电并发光，从而形成自激导电。

电晕放电常常发生在高压导线的周围和带电体的尖端附近。电晕放电时，气体的电离和发光仅局限在电极表面附近的大气薄层里，这薄层称为“电晕层”。在电晕层外空间，由于电场较弱，不发生碰撞电离。当电极与周围导体间的电压增加时，电晕层逐步扩展到附近的其它导体，从而过渡到火花放电。因此可以说电晕放电是一种不完全的火花放电。

电晕放电时伴有嗤嗤声，产生臭氧，造成能量损耗，影响绝缘性能， 它是高压输电线上漏电的主要原因。利用电量放电，可使积聚在导体或电极上的电荷逐渐消失，这就是避雷针泄放电荷的道理。电晕放电可用于静电过滤器中，以消除气体中的尘粒。

气体分子平均自由程（mean free path of gasmolecules） 气体分子在连续两次碰撞之间所通过的自由路程的平均值。根据气体动理论，气体分子之间存在相互作用力，正是这种相互作用使得气体分子不断地改变运动的速度。作为一种简单的模型，可以把分子看成具有一定体积的刚球，把分子之间相互作用过程看作刚球之间的弹性碰撞。在发生碰撞的短促时间内，气体分子的运动状态发生改变，而在其他时间内，分子做直线运动。在相继两次碰撞间分子走过的路程称为分子的自由程。由于分子数目极大，碰撞频繁，因此在任意两次连续碰撞之间分子通过的自由程的大小具有很大的偶然性，引入气体分子的平均自由程，对于描述气体的

扩散、热传导等气体内的输运过程，可以给出一些与实验近似符合的重要结论。

如果用v 表示分子的平均速率，以 z 表示每个分子平均在单位时间内与

其他分子碰撞的次数，按照定义，气体分子的平均自由程就是λ = vt = v ，

zt z

由此可以得出的平均自由程为λ = 0.7071 ，这里n 是分子的数密度，d 是分

πnd ²

子的有效直径。显然，分子密度越高，分子的碰撞就越频繁，平均自由程也就越小。利用理想气体状态方程，还可以用温度 T 和压强 p 表示λ ：

λ = ，当温度恒定时，压强越高，分子平均自由程越小。在标准状

态下（T=273K，p=1.0 大气压）取分子有效直径为 d=3.5×10-10 米，由上式得出分子平均自由程λ=6.9×10-8 米。约为有效直径的 200 倍。

选定一组 N0 个分子，每个分子的自由程有长有短，然而处于任一给定长度区间 x～X+dx 间的分子数服从分子按自由程分布的规律，特别是，从这个规律中可以得到，在 N0 个分子中，自由程大于分子平均自由程λ的分

子数为 N=N -1=0.37N ，而小于分子平均自由程λ 的分子数为 N’=N -

N=0.63N。

按照气体动理论的观点，加上一些简化的假设，可以得出在扩散过程

中，扩散系数 D= 1 vλ ；在热传导过程中，导热系数 K= 1 ρvλcv （ρ为气体

3 3

密度，Cv 为定容比热）；在粘滞现象中，粘滞系数η= 1 ρvλv 。这三个系

3

数的关系是 k = 1， Dρ = 1。但是实验结果表明， k

介于 1.3 和 2.5

ηc V η ηc V

之间， Dρ 介于 1.3 和 1.5 之间，具体数值视气体的不同而异，因此用平

η

均自由程方法讨论气体内输运过程，可以得到较好的定性结果，但是还不够精确。

气体实验定律（experimental laws of gas） 确定理想气体状态方程所依据的玻意耳定律、盖—吕萨克定律和查理定律的总称。

1. 玻意耳定律 一定质量的气体，当其温度保持不变时，它的压强和体积的乘积是一个常数，即 pV=C，其中常数 C 的大小由气体的质量和温度决定。

2. 盖—吕萨克定律一定质量的气体，当其压强保持不变时，它的体积的绝对温度成正比，即 V=V0avT，或 V=V0（1+avt），式中 V 和 V0 分别是气体在温度为 t℃和 0℃时的体积，av 为压强不变时气体的体胀系数，

av= 1

273

。按盖—吕萨克定律。压强不变时，一定质量的气体的温度每升高

摄氏一度，其体积将增加它在 0℃时体积的 1 。

273

(3)查理定律 一定质量的气体，当其体积保持不变时，它的压强和绝对温度成正比，即 p=p0aoT 或 p=p0（1+apt），式中 p 和 p0 分别是温度为 t

℃和 0℃时气体的压强，a

为体积不变时气体的压强温度系数 a = 1 。按

^{p p} 273

查理定律，体积不变时，一定质量的气体的温度每升高摄氏一度，其压强

将增加它在 0℃时压强的 1 。

273

实验表明，对于通常压强和温度下的实际气体来说，以上三个定律并不精确成立。压强越低，温度越高，实际气体的行为越接近三个定律。

a =a = 1 也是近似的，不同气体的 a 和 a 略有不同，同一气体在不同温

v p 273 v p

度下，它们的值也略有差别。不过，压强越低，温度越高，以上这些差别就越小。

三个定律来自对实验事实的概括和总结，它们是实际气体状态变化的很好的近似规律，在压强趋于零的极限情形下，一切气体状态变化将严格遵循这三个定律。正是依据这三个定律，人们引入了理想气体的模型，建立了理想气体的物态方程。

气体物态方程 （equation of state for gases） 对于质量一定的气体，在平衡态下往往可以用少数独立的参数来描写平衡态的宏观性质，而其他的参数则可以看作是这些独立参数的函数。这种函数关系就称为气体的物态方程。对简单的气体系统，可以选用两个独立的参数，例如用压强 p、体积V 来表征平衡态，这时温度 T 就是 p、V 的函数，可写作 T=T

（p，V）或 f（p，V，T）=0，这就是物态方程。

理想气体物态方程 根据玻意耳定律、理想气体温标的定义和阿伏伽德罗定律可以得出，理想气体的物态方程是

p = M RT 。

V η

式中 M 是气体的质量，μ是气体的摩尔数，R 是气体普适常数。对于同一质量的某种气体，当它分别处于 A、B 两个不同的平衡态时，由上式得到理想气体物态方程的另一种形式

pA VA TA

= pB VB

TB

实际气体物态方程 在实际应用中，利用理想气体物态方程得到的结果往往与实验结果存在偏离，因此必须进行修正。目前对实际气体已建立起许多物态方程，其中应用较广泛的是一类经验的和半经验的物态方程，这类方程仅在某一特定的温度和压强范围内适用，它们有较高的精确性，但也存在一定的局限性。

1. 范德瓦耳斯气体物态方程

(p +

a ) (V-b)=RT（对一摩尔气体）。

V 2

这是以理想气体物态方程为基础进行修正而得到的。其中 a 是考虑到分子之间相互作用力而引入的一个参量，b 是考虑到气体分子的固有体积而引入的另一个参量，对一定的气体，a、b 都是常量；V 是摩尔体积。实验表明，例如对氮气在 0℃时，压强一旦超过 1.013×107 帕即 100 个大气

压，理想气体状态方程就不再适用，但即使压强增大至 1.013×108 帕即

1000 个大气压，利用范德瓦耳斯方程所得的结果与实际测量所引起的误差

还不到 2%。

1. 昂尼斯方程。对一摩尔气体，可用下列 p 的幂级数或 1 的幂级数形

V

式作为物态方程

pV = A + Bp + Cp² + Dp³ +

或 pV = A'+ B' + C'

V V²

+ D' +

V3

式中 A、B、C、D 和 A'、B'、C'、D'都是温度的函数，分别相应地称为第一、第二、第三和第四维里系数，它们之间的关系里

A'=A，B'=AB，C'=A2C+AB2， D'=A3D+3A2BC+AB3。

当气体压强很小或气体的体积很大时，昂尼斯方程的形式就和理想气体物态方程的形式相近。昂尼斯方程不但在实际问题中有着广泛的应用， 而且在统计物理学中可以严格在推导出这个方程，因此它在理论上也有重要意义。

无论理想气体物态方程，范德瓦尔斯物态方程或昂尼斯方程，都是只有两个独立变数的物态方程。对于处在外场中的气体系统以及液体或固体，往往需要更多的独立变数才能描写平衡态的性质，因此物态方程的函数形式也比较复杂。

气象卫星（meteorological satellite） 携带各种大气遥测仪器，从空间对地球进行气象观察的人造地球卫星。大部分气象卫星用于常规分析，提供天气资料、情报，其他的则用于研究和开发。

按照不同的运行轨道，气象卫星分为极轨气象卫星和地球同步气象卫星两大类。极轨气象卫星的运动采用近极地太阳同步轨道，卫星轨道平面和太阳光线保持固定的相对取向，这样卫星在同一地方时通过每一纬度两次。极轨气象卫星的轨道接近圆形，飞行高度约为 600～1500 公里，卫星轨道所在平面与赤道平面的夹角约为 81°～130°，每条运行轨道都经过极地附近。从极轨运行的卫星上可获得全球的气象观察资料，并且由于轨道高度较低，图象的空间分辨率较高。

地球同步气象卫星又称静止卫星，它的轨道平面与地球的赤道平面重合，运行周期与地球自转周期相等，运行高度约为 36，000 公里。静止卫星的有效观测视野为南纬 60°到北纬 60°、经度横跨约 140°的近圆形范围。如果沿地球赤道均匀地设置五个静止卫星，就可以对全球的中、低纬度地区进行观测。因此，极轨卫星与静止卫星的配合使用，能组成比较理想的空间气象观察系统，从而获得全球范围的气象资料。

气象卫星上携带的大气遥感仪器有电视照相机、辐射扫描仪等。利用这些多通道、多波段的仪器，可以拍摄彩色图片、可见光云图和红外云图。在红外云图上，不同的亮度代表不同的温度，而对流层大气的温度是随着高度降低的，因此由云顶的温度可以判别云顶高度，这可以弥补可见光难于区分在阳光照射下的云顶和白雪的不足。气象卫星携带的红外探测器可通过滤光或分光设备测量地球和大气向卫星发射的红外辐射强度，从而计算各地晴空大气温度的垂直分布。微波辐射仪可以探测云上和云下的大气温度及其分布、云中含水总量、雨强的分布和推算海面风速的分布。太阳发射的质子、α粒子和电子的通量密度也可以用空间环境监测器来测量，

这为高层大气物理和日地空间物理研究提供了资料。

气象卫星资料的发送方式现已由过去的模似信号传送变为数字资料传送，这些资料输入供收集和绘图用的高速计算机，对那些拟在示波管上照相的图片还叠加经、纬度线和海岸线，使分析人员能及时获得气象图像资料，可以监视刚产生的强气旋以及其他天气扰动，这对于天气预报是极为重要的。地球静止卫星对云型的变化所进行的连续监视可以对早期的风暴进行检测，以便及时发出警报。

我国于 1988 年 9 月发射了第一颗试用型气象卫星风云一号（FY－1－ A），1990 年 9 月又发射了风云一号的第二颗卫星 FY－l－B。这两颗卫星都采用太阳同步轨道，高度约 900 公里、倾角约 99°，偏心率小于 0.005。卫星上装有可见光和红外波段的扫描辐射计，共有五个通道，详见下表。

气压计（barometer） 测量大气压强的一种仪器。主要有以托里拆利实验为基础的水银气压计和借助于金属弹性的无液气压计两类。水银气压计中，大气压强与水银柱的重量（高度）相平衡，由水银往高度可算出大气压强，而水银柱高度可测量得非常精确。水银气通道\波段（微米）\
主要用途

压计的种类很多，其差异主要在于测量水银柱高度的方法不同。无液气压计又称为空盒气压计，它用易弯曲的金属盒组成，金属盒的外形随气压变化而变化，这种变形同一个校正过的指针相连结。由于这类气压计体积小，携带方便，被广泛用作手提式测量大气压的仪器以及飞机上的测高度的仪器。

汽化（vaporization） 参见蒸发和沸腾。

汽化热（heat of vaporization） 参见蒸发和沸腾。

汽轮机（steam turbine） 参见热机。

汽油机（gasoline engine） 参见热机。

潜热（latent heat） 单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相所吸收或放出的热量。有时称相变潜热。物质三态变化都是相变，固相、液相之间的相变潜热称为熔解热（或凝固热），液相、气相之间的相变潜热称为汽化热（或凝结热），固相、气相之间的相变潜热称为升华热（或凝华热）。

潜望镜（periscope） 在隐蔽处所观察外界情况时常用的光学仪器。最早由我国发明。西汉时，刘安的《淮南万毕术》中载：“高悬大镜，坐见四邻。”注曰：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”就基本原理而言，已与开管潜望镜很相似。该镜在后世有相当的流传与影响。北周廋修《咏镜诗》有“试挂淮南竹，坐堪见四邻”之句。到宋代，在《感

应类从志》中则载：“以大镜长竿上悬之，向下便照耀四邻。当其下以盆水，坐见四邻出入也。”

钱三强（1913～1992） 中国物理学家。浙江省吴兴县人。1936 年清华大学物理系毕业。1937 年赴法国留学，在约里奥—居里夫妇指导下从事原子核物理学的研究。1940 年获法国国家博士学位。1944～1947 年任法国国家科学研究中心研究员、研究导师。1948 年回国后，任清华大学物理学教授和北平研究院原子学研究所所长。中国科学院成立后历任近代物理研究所（后改名为原子能研究所）副所长、所长，计划局副局长、局长， 学术秘书处秘书长，副院长，并短期兼任浙江大学校长。1955 年受聘为数学物理化学部学部委员。1951 年当选为中国物理学会副理事长，1982 年被选为理事长。1986 年当选为中国科协副主席。

主要贡献在原子核物理学方面。1939 年，重核裂变现象发现后，他与约里奥—居里合作，对铀和钍受中子打击后得到的放射性镧（半衰期约为

3.5 小时）的同位素的β射线谱进行比较研究，结果发现在实验误差范围内它们是一样的，说明它们是同一种放射性同位素，这一实验表明铀与钍用不同方式裂变可得到同样的裂变产物，从而对解释当时发现不久的裂变现象是有力的支持。1946～1948 年，与何泽慧合作，首先发现铀的三分裂和四分裂现象，并根据实验继续分析能量与角分布等关系，发表了关于铀核三分裂机制的解释，为各国物理学家所接受。1951 年起，和王淦昌、彭桓武等，培养了一批从事研究原子核科学的人才，经过全面筹划，建立起中国研究原子核科学的基地。1960 年起，接受委托适时地组织了一批理论物理学家，对热核反应机理进行探索性研究，探讨了不少关键性概念和机制，为中国氢弹研制工作做出了贡献。

强子（hadron） 参与强相互作用的粒子。迄今发现的基本粒子中绝大多数都是强子。强子按照自旋可分为两大类，自旋为半整数的强子称为重子；自旋为 0 或正整数的强子称为介子。重子如核子（质子 p 和中子 n）、“超子”（如Λ、Σ、Ξ、Ω超子）。介子如π介子、K 介子等。上述列举的强子中，质子是稳定粒子，其他粒子都是不稳定粒子，通过弱作用发生衰变，平均寿命约为 10-10 秒（＞10-16 秒）。其他绝大多数重子和介子主要是通过强作用发生衰变。由于强作用比电磁作用和弱作用强得多，所以主要通过强作用衰变的粒子的寿命极短，约为 10-20～10-24 秒。这类寿命极短的强子也称为“共振态”粒子。

迄今的理论和实验表明，强子在 10-13cm 线度上具有内部结构。构成强子的更基本的组份粒子称为夸克，夸克之间通过交换胶子而产生强作用， 这种强作用是一种吸引作用，从而使夸克束缚在一起而构成强子（参见强子结构）。

强子结构（hadronic structure） 发展简史 强子（如质子 P、中子 n、π介子等）曾被看作是“基本”粒子。但是随着物理学的进一步发展，人们认识到这些粒子是具有内部结构的，它们由更为基本的组份粒子所构成。

费米和杨振宁于 1949 年提出了一种强子结构模型，该模型将核子（p、n）和它们的反粒子（p、n）作为基础粒子，而将介子作为复合粒子，如

π⁺ = (pn)，π ⁰ =



(pp − nn)，π⁻

= (np) 。本世纪 50 年代初发现了大量新

的奇异粒子。1955 年，日本物理学家坂田昌一将“费米—杨模型”推广为“坂田模型”。该模型将质子 p、中子 n 和Λ粒子以及相应的反粒子作为基础粒子，其他强子都是由这些基础粒子构成的。这些模型预言了过多的新粒子，而且对粒子的某些性质的描述也不正确。

强子具有内部结构最早的实验证据来自1956 年关于核子电磁形状因子的测量（参见核子的电磁结构）。实验结果表明，质子和中子并非点状粒子，在其半径为 0.84×10-13cm 范围内存在电荷和磁矩的分布。

幺正对称性 20 世纪 60 年代初，已发现的强子数目猛增至一、二百种， 大大超过了元素周期律发现前夕已知的化学元素的数目。在这种情况下， 透过这许多粒子之间的千差万别，发现其间的内在联系和内在规律性，然后再进一步探求它们的共性和内在联系的根源就显得非常重要。1961 年， 美国物理学家盖尔曼和奈曼首先发现，强相互作用和强子系统具有一种特殊的对称性，称为“幺正对称性”或“SU(3)对称性”。

正如忽略质子和中子的质量差别后，核力和核子系统将显示出“同位旋对称性”一样，他们发现如果忽略 8 种重子（p、n、Σ+、Σ0、Σ-、Ξ

0、Ξ+、Λ+）之间的质量差别，或者忽略 8 种介子（K-、K0、π-、π0、π+、π+、K+、K0、η0、）之间的质量差别，则它们在强相互作用过程中将显示出非常相似的性质。在这种对称性下，这 8 个重子和 8 个介子可分

别用图 1 和图 2 表示。这 8 种重

图 1 自旋为 1/2 的重子八重态图 2 自旋为 0 的介子八重态 图 3 自旋为 3/2 的重子十重态

子可以看作是某种强子的 8 种不同的状态；这 8 种介子是某种介子的 8 种不同的状态。只是由于除了纯粹满足 SU(3)对称性的强作用外，还存在某种次强作用和电磁作用，这 8 种重子态或 8 种介子态之间才显示出差别。在 SU(3)对称性中，除上述八重态外还允许存在重子十重态（图 3 所示）。在幺正对称性建立初期，图 3 的重子十重态表示中最上端的Ω−粒子尚未发现。但根据对称性理论，对这种粒子的性质，如电荷、自旋、超荷，以及质量和寿命等作出了预言。1964 年，人们根据预言所提供的线索终于通过加速器实验发现了这个粒子，实验中所测得的该粒子的性质和理论预言很好相符。幺正对称性获得了很大的成就，对长期积累起来的丰富实验资料给出了系统的分析，对数百种粒子进行了分类，对这些粒子的基本性质作出了解释。从这个意义上说，强相互作用的 SU(3)对称性在粒子层次上的地位与化学元素周期律在原子层次上的地位相当。

夸克模型 1964 年，美国物理学家盖尔曼和茨韦格发现，强子性质的幺正对称性可通过如下观念得到解释：所有强子由更基本的组分粒子构成。这种组分粒子称为“夸克”，有 3 种，分别称它们为 u、d 和 s。夸克的自旋为 1/2，但却带有分数电荷（见下表）。在夸克模型中，所有强子都是由夸克和反夸克构成的。重子由三个夸克或反夸克构成，如质子 P=（uud）， 中子 n= （ udd ）。介子由一个夸克和一个反夸克构成，如π

π⁺ = (ud)，π ⁰ =



(uu − dd)，π⁻

= (ud)。 夸克模型对强子的基本性质以

及高能强子碰撞过程中的许多实验结果给出了满意的解释。

三种夸克的性质

夸克 电荷（ e ） 同位旋 奇异数

s -1/3 0 -1

夸克模型的发展 1974 年，丁肇中和里希特领导的实验小组分别独立地发现了一种新的粒子，称为“J/ψ”粒子。这种粒子独特的性质显示出它不能由上述三种普通的夸克和反夸克构成，而需要引进第四种夸克，称为

“粲夸克”（c），它的电荷为 2 e。J/ψ小粒子是这种粲夸克和反粲夸克

3

所构成的介子，即 J/ψ=（c c ）。1977 年另一族介子（称为γ粒子）的发现表明，还存在第五种夸克，称为“底夸克”（b），其电荷为— 1 e e。1984

3

年，从高能加速器实验中又发现了可能存在第六种夸克的迹象，这种夸克称为“顶夸克”（t），电荷为 2 e。因此目前物理学家普遍认为，自然界

3

中存在 6 种夸克（u、d、s、c、b、t）及其相应的反夸克，一切强子都是

由这 12 种夸克或反夸克构成。其后又进一步发现，夸克带有色或色荷，这种色荷是强作用的源。色荷在其周围空间将激发一种场，这种场称为胶子场。带有色荷的夸克之间的强作用是通过胶子场传递的。正是这种强作用使夸克紧密地束缚在一起而构成强子。描写这种强相互作用的理论称为“量子色动力学”。

强子内部结构的实验验证 强子具有内部结构已为大量的加速器实验所证实。强子的夸克模型对强子的性质作出了很好的解释。对于大量的高能粒子碰撞实验也可用夸克模型作出解释。但是至今所有实验都没有观察到自由夸克的存在，这一结果目前常用夸克囚禁来解释。强子结构是由强相互作用决定的，而这种相互作用的性质比决定原子结构的电磁相互作用复杂得多，所以对强子结构的研究无论从实验上还是从理论上要比对原子结构的研究困难得多，至今还有许多问题需进一步探索。

轻子（lepton） 不参与强相互作用的粒子。包括三种带负电荷的粒子（电子、μ子和τ轻子），和与此相应的三种呈电中性的中微子（e 型中微子 ve、μ型中微子 vμ和τ型中微子 vτ），以及相应的反粒子，共 12 种，它们的自旋都是 1/2。电子是 1897 年汤姆孙最早发现的。μ子是 1946 年从宇宙射线实验中发现的，其质量为 207me，即为电子质量 me 的 207 倍。τ轻子是 1975 年从高能加速器实验中发现的，其质量为 3540me。中微子的存在是物理学家泡利于 1933 年首先从理论上预言，直到 1956 年才从高能加速器实验上观察到。由于中微子不带电，质量为零，与物质的相互作用非常微弱，所以需要高度技巧和精密探测才能从实验上观察到。后来又

进一步发现，实际中存在三类中微子以及相应的反中微子。通过大量实验发现，在轻子参与的一切过程中，正反轻子的代数和保持不变。为了描述这一特征，对所有轻子可赋予被称为“轻子数”的量子数，一切轻子的轻子数为+1。反轻子的轻子数为-1，非轻子（如质子、中子等）的轻子数为0。在任何基本粒子过程中，轻子数是守恒的。后来又发现，还需进一步区分电子轻子数、μ子轻子数和τ轻子数，任何过程中这些轻子数是分别守恒的。

迄今的实验尚未发现轻子具有内部结构，或者更确切地说，迄今的实验在 10-16cm 线度上尚未观察到轻子具有内部结构。

氢光谱（ bydrogen spectrum） 氢原子的发射光谱。所谓光谱， 是指光的频率成分和强度分布的关系，它是研究原子结构的一个重要途径。按照普朗克的量子理论，光的频率与构成光的光子的能量成正比。所以通过对原子发射光谱的考察，可以得到关于原子内部所存在的能量状态的信息。正如牛顿早在 18 世纪初就指出，要了解物质的内部情况，只要看看它的光谱。

氢原子是最简单的原子。它的光谱规律性最简单，也最能反映出原子内部能级结构的基本规律。1853 年埃格斯特朗首先从氢放电管中发现了第一条氢谱线（λ=656.3 纳米）。至 1885 年，人们已观察到 14 条氢谱线，

其中 4 条在可见光区。这一年，瑞士科学家巴耳末首先对可见光区氢谱线的波数 k（即波长λ的倒数）归纳出一个经验公式（称为巴耳末公式）：

k = 1 =

λ

4 ( 1

B 2²

− 1 )，( n = 3，4，5 ) n2

式中 B=364.56 纳米，是一个经验常数。这组可见光区的氢谱线就称为巴耳末系。

1889 年，里德伯将巴耳末公式推广为如下形式：

k = 1 = R ( 1

λ H m2

− 1 )

n 2

这称为广义巴耳末公式，或里德伯公式。氢光谱的所有简单谱线都可用这个公式表示。RH 称为里德伯常数，m 取一定值时，n 可取比 m 大的一系列整数。氢光谱的六个线系是

m=1，n=2，3，4，⋯

（赖曼系，紫外区，1914 年发现） m=2， n=3，4，5，⋯

（巴耳未系，可见光区，1853 年发现） m=3，n=4，5，6，⋯

（帕邢系，红外区，1908 年发现） m=4， n=5， 6， 7，⋯

（布喇开系，近红外区，1922 年发现） m=5，n=6，7，8，⋯

（芬德系，远红外区，1924 年发现） m=6， n=7， 8，9，⋯

（汉弗莱系，远红外区）

巴耳末公式和里德伯公式使看起来非常复杂的氢光谱显示出明显的规律性。从里德伯公式还可以看出，氢的任一谱线均可表示为两个“谱项”之

差。这个见解常称为里德伯—里兹组合原则。氢光谱的上述规律性以及里德伯—里兹组合原则在玻尔的氢原子模型和其后建立的量子力学中都能得到解释（参见玻尔模型）。

如果用分辨率更高的分光仪观察氢原子的光谱，将会发现它们又由若干非常靠近的谱线组成，这称为氢原子光谱的精细结构。由于电子运动的相对论性效应（它引起例如电子自旋磁矩与轨道磁矩的相互作用），电子自旋磁矩与原子核磁矩的相互作用，以及真空极化效应等都会引起氢原子能级的分裂，正是这种能级分裂导致氢光谱的复杂结构。

球面波（sphericalwave） 见波。

球面反射（spherical reflection） 光线经两种媒质的分界面返回到原媒质中的现象称为光的反射，分界面为球面时称球面反射。球面的中心点 O 称为顶点，球面的球心 C 称为曲率中心，半径称为曲率半径，顶点和曲率中心的连线称为主轴，通过主轴的平面称为主截面。

在讨论球面反射问题时常采用一种与球面折射问题中相同的符号法则，只是反射线的方向为从右到左，与球面折射时折射线的方向相反，故对像距的规定现在应改变为：若像点 P′在顶点 O 之左，为实像，则像距 s

′＞0；P′在 O 之右，为虚像，则 s′＜0。球面反射成像的物像公式为：

1 + 1 = −2 ，

s' s r

焦距公式为

f = f ' = − r 。

2

球面反射成像的横向放大率公式为

β = − s' 。

s

球面折射（spherical refraction） 光线经两种媒质的分界面进入第二种媒质中的现象称为光的折射，分界面为球面时称球面折射。在近轴光线条件下，可以近似地认为每一个物点都是唯一的一个像点与之对应。

为了讨论球面折射的成像，可采用一种符号法则，规定出各个量的正负号。这种规定并不是唯一的，不同的作者可以有不同的规定。设入射光从左到右传播，通常规定：①若物点 P 在球面顶点 O 之左，为实物，则 P 与 O 之间的距离称为物距 s，且 s＞0；若 P 在 O 之右，为虚物，则 s＜0。

②若像点 P′在 O 之左，为虚像，则 P′与 O 之间的距离称为像距 s′，且s′＜0；若 P’在 O 之右，为实像，则 s′＞0。③若球面的球心 C 在 O 之左， 则曲率半径 r＜0；若 C 在 O 之右，则 r＞0。④物方焦距 f 和像方焦距 f′ 的正负号规定分别与 s 和 s′相同。

在上述符号法则下，单个折射球面的物像公式为：

n' + n = n'−n ，

s' s r

其中 n 和 n′分别为球面左、右两边媒质的折射率。球面的物方焦距 f 和像方焦距 F′分别为：

f = nr n'−n

，f' =

n' r

n'−n 。

用焦距表示的物像公式为：

f ' + f

= 1，

s' s

球面折射成像的横向放大率为：

β = − ns' ，

n's

β＞0 表示像是正立的，β＜0 表示像是倒立的。

曲线拟合和关连系数 （ curve fitting and corelation coefficient） 是用统计方法检验变量间是否存在线性关系，并计算出拟合直线的截距和斜率中的两个重要概念。在物理实验中，经常遇到两个物理量间存在线性关系，即使是非线性关系，也可经过变换变成线性关系。例如在函数表示式 y=f（x）中，y 与 x 间不存在线性关系。将 y 变换成η， x 变换成ξ，变换后的两变量，却存在线性关系，即η=A+Bξ。现要检验η与ξ间是否存在线性关系，如果回答是肯定的，则还要提出 A 和 B 的计算公式。

例如一根金属棒两端分别搁置在两个不同温度的热源上，高温热源将会将热量通过金属棒传送到低温热源，如果已达到热平衡，那么金属棒上各点的温度都稳定下来，现要研究棒上各测量点的距离与该点的温度关系。

假定 x1，x2，⋯，xn 表示金属棒上的 n 个温度测量点的位移坐标，相应的温度值为 y1，y2，⋯，yn。将测量结果作 x—y 图，由作出的曲线可知， x 与 y 间存在着线性关系。因此可写出关系式：

y=A+Bx。

由于作图的精确度有限制，所以用计算法来确定方程中的 A 和 B 以及线性关系的检验。

令实验观察值（x1，y1），（x2，y2），⋯，（xn，yn）共有 n 个，用

^

yi = A + Bxi，I = 1,2, , n

表示由 A 和 B 定的估计值，如果测量值没有误差，完全符合线性关系， 则 y∃i=yi，i=1，2，⋯，n，显然这是不可能的，为此取下面的表示式：

v = ∑ ( yi − y∃i) ² ,

i=1

适当选取 y∃i 式中的 A 和 B，使 v→min。因此属于多变量求极值的方法，所以对 A 和 B 分别求偏导，并令导数为零，即

6v ⁿ ∃

化简后，得到：

= 2 ∑ (yi − yi)( − 1) = 0

i = 1

n n

nA + ∑xi ·B = ∑ yi. ①

∂v =

i =1

n

i=1

∃

化简后，得到：

2∑( yi − y i )(−xi ) = 0,

i=1

n n n

∑ x ·A + ∑ x² ·B = ∑ x y . ②

i=1

i i

i=1

i i

i=1

解①和②方程组，可得到

n εx

∆ =

= n∑x² − (εx)² = nl ,

式中 l xx

εx εx^{2 xx}

= ∑x² − (∑ )² / n,

A = ∆

εy·εx² − εx·εxy

= ,

n·l xx

B = − ∆

= + l xy ,

l xx

式中 l xy

= εxy −

εx·εy

n .

将 A 化简，可得到：

因此计算步骤可综合成：

A = y − xB.

第一步计算累加值：∑x,∑x2,∑y,∑y2,∑xy,∑； 第二步计算 l 值：lxx=∑x2-(∑x)2/n,

lxy=∑xy-∑x·∑y/n, lyy=∑y2-(∑y)2/n；

第三步计算 B 值：B=lxy/lxx；

第四步计算 A 值：A=∑y/n-(∑x/n)×B；

第五步计算辅助值： s² =

1

n − 2

• ∑(yi − y∃i) ² ;

i =1

n·s²

第六步计算B的标准差：σ²

= = s² / l ;

∆ xx

s²εx ²

第七步计算A的标准差：σ²

第八步计算相关系数r∶r =

= ;

xx

l xy

.

当 r＞r0 时，说明 x 与 y 存在线性关系，反之不能认为有线性关系。r0 称为相关系数的起码值，可查阅下面的相关系数起码值表。

实际计算时，可将第八步放在第二步的后面，因为γ的计算只依赖于lxx，lyy 和 lxy；如果 r＜r0 就不必再计算 B、A、σB 和σA。

为了便于读者练习，举具体实验结果来分析。若金属棒搁置在 0℃和100℃两个热源间，棒长为 10.0 厘米，位移间隔为 1.0 厘米处测量温度，

共测了 9 个点，数据如下表所示。

第一步计算累加值：

∑ xi = 45,

i=1

εx ² = 285,

εy = 466.6,

εy ² = 29828.65,

εxy = 2898,

ε = 9.

第二步计算 l 值：

l = ∑ x² − (∑ x) ² / n = 285 − 452 / 9 = 60,

l = ∑ y² / n = 29828.65 − 466.62 / 9

= 5627.66,

l xy = ∑ xy − ∑ x·y / n = 2898 − 45×466.6 / 9

= 564.5,

γ = l xy =

564.5

= 0.971.

由于γ0（9）=0.748，因此γ＞γ0，说明 x 与 y 存在线性关系。

第三步计算B值：

B = lxy / lxx = 564.5 / 60 = 9.4083.

第四步计算A值：

A = ∑ y / n − ∑ x / n·B = 466.6 / 9 − 45 / 9·9.4083 = 4.81406.

第五步计算辅助值：

s² =

1

9 − 2

(1.921+ 37.381+Λ +88097) = 4524

第六步计算B的标准差：

σ² = s² / l = 45.24 / 60 = 0.754, σ

= 0.87.

B xx B

第七步计算A的标准差：

s² ∑ x ²

nl xx

= 45.24×285

9×60

= 23.877,σA

= 4.9.

结论：金属棒上温度的梯度为常数，即 x 与 y 存在线性关系。根据σA 和σB，确定 A 和 B 的有效数字位数：

A=4.8±4.9，B=9.41±0.87，

写成 x 与 y 的关系式应为：

y=4.8+9.41x，（γ=0.971＞0.748）

这就是变量间关系研究的整个计算过程。

曲线运动（curvilinear motion） 轨迹是曲线的运动。例如，质点沿着圆周的运动就是曲线运动。在曲线运动中，质点速度的方向是时刻变化的，所以这种运动具有加速度，即曲线运动是变速运动。速率大小不变的曲线运动称为匀速率曲线运动，例如匀速率圆周运动。

屈光度（dioptry） 光焦度的单位。若透镜的物方和像方的折射率分别为 n 和 n′，则光焦度定义为

P = n' = n ,

f ' f

其中 f 和 f′分别为物方焦距和像方焦距。折射球面的光焦度定义为

P = n'−n ,

r

其中 r 为球面的曲率半径。光焦度表征透镜或球面的光学特性，对于一定的媒质和一定形状的表面来说是一个常量。置于空气中的薄透镜的光焦度等于焦距的倒数。复合透镜的光焦度是组成透镜光焦度之和。当透镜的焦距以米为单位时，光焦度的单位称为屈光度。凸透镜的光焦度为正值； 凹透镜的光焦度为负值。通常眼镜的度数等于透镜屈光度的 100 倍。例如焦距为 50 厘米的凹透镜，度数为-200 度。

趋肤效应（skin effect） 亦称“集肤效应”。导体中的高频电磁波以及由它所引起的高频电流趋向于分布在导体表面薄层内的现象。按照麦克斯韦电磁场理论，导线中的高频电流实质上是沿导线传播的电磁波所引起的。这种电磁波主要在导体以外的空间或介质中传播，但也要与导体表层内的自由电荷发生作用，引起高频电流。由于这种电流的存在，使一部分电磁波向空间反射，一部分则透入导体内部，形成随深度按指数衰减的电磁波，最后通过传导电流转化为焦耳热。因此电磁波很难透入导体深

处，其透入能力随电磁波的频率和导体的电导率不同而不同，常用趋肤深度表示。交流电频率越高，导体的电导率越大，趋肤效应越显著，趋肤深度也越小。与此同时，电流集中地分布在导体表面附近，等于减小了导体的有效面积，增大了电阻。故常用有效电阻（交流电阻）表示这时的电阻值，以区别于欧姆电阻（直流电阻）。在高频电路中，常用空心导线代替实心导线以节约铜材。为了提高高频交流电的传输能力，常采用多股绝缘细导线编织成束的辫线以减小趋肤效应的影响，或者在铜线表面镀银以减小导线的有效电阻。在工业上还利用趋肤效应进行金属表面的热处理。通以适当频率的交流电，就能在所要求的深度上淬火或熔炼，使处理的工件内芯较柔韧，而表面却坚硬耐磨。

去磁（demagnetization） 亦称“退磁”。使已具磁性的磁介质失去磁性的过程。顺磁质和抗磁质的磁性在外磁场撤去后就会立即消失而自动退磁。铁磁质由于有剩磁效应，当外磁场撤去后仍保留一定的磁性。要使它去磁，必须加上适当的反向外磁场。但当这一反向外磁场撤去时，它又会有剩磁。为此，通常采用逐渐减弱的交变外磁场。此时由于涡电流和磁滞效应的作用，磁滞回线不同于缓慢磁化时的情形，是一种逐渐缩小的动态回线，最后退缩到原点而使铁磁质完全去磁。此外，还可使用加热或锤击方法，使磁畴受到破坏且取向混乱，以退去铁磁质的磁性。

全反射（total reflection） 光从光密媒质（折射率为 n1）射到光疏媒质（折射率为 n3）时，折射角大于入射角。折射角为 90°时相应的入射角称为临界角，或称全反射角，其值由折射定律决定，为θc=arcsin

（n2/n1）。当入射角等于或大于临界角时，不再有光射入第二媒质（即光疏媒质），折射光线消失，入射光被媒质界面全部反射回光密媒质。这个现象称为全反射，亦称为内反射或内全反射。全反射在光学技术中有广泛的应用，例如潜望镜和光导纤维就是利用全反射原理制成的。如果以空气为光疏媒质，光学玻璃为光密媒质，其折射率为 1.5，则临界角为 42°； 若以水为光密媒质，其折射率为 1.33，则临界角为 48°36′。

全国中学生物理竞赛（national physics com- petition for students ofsocondaryschool） 由中国物理学会主办，各省、市、自治区自愿参加的群众性课外学科竞赛活动。目的是促进中学生提高学习物理的主动性和兴趣，改进学习方法，增强学习能力，促进学校开展多样化的物理课外活动，活跃学习空气，发现具有突出才能的青少年，以便更好地培养他们。竞赛命题从我国目前中学实际情况出发，但题目内容不拘泥于现行大纲和统编教材。竞赛分预赛、决赛二部分。预赛又分二试：第一试是笔试，由全国竞赛委员会统一命题。所有在校中学生均可报名参加。第二试主要考查实验方面能力，由各省、市、自治区竞赛委员会命题。预赛中成绩优秀者，由各省、市、自治区竞赛委员会推荐参加全国决赛。决赛分笔试、实验、口试三部分，由全国竞赛委员会命题和评奖。设一等奖

（约 5 名）、二等奖（约 15 名）、三等奖（约 45 名）和四等奖（发给其

它参赛者）。此外还设特别奖。自 1984 年首届竞赛在北京举行以来已连续

举行八届，累计参赛人数已逾 30 万人。中国物理学会举办的全国中学生物理竞赛起了很大作用，它广泛地激发了中学生学习物理的热情和兴趣，促进了中学对培养特别优秀学生的重视，并为选拔参加国际奥林匹克竞赛的

代表队提供了非常广阔而坚实的基础。

全息照相（holography） 记录物体上各点处发出的光波的振幅和相位等全部信息的一种照相技术。普通照相只记录景物反射光波的光强。光强正比于光波振幅的平方，故也可以说只能记录光波的振幅，而不能记录光波的相位信息。记录光波振幅和相位全部信息的全息照相原理早在1948 年就已由伽柏提出，但直到激光问世后，才有可能实现这一技术。

全息照相分记录和再现两个步骤：图 1 中（a）示意记录步骤，（b） 是摄得的全息图，（c）示意再现步骤。记录时将来自物体的物光波 O 和参考光波 R 同时照在感光底板上。如果物光波和参考光波都是相干性较好的激光，例如氦氖激光，则感光底板上记录到的是它们的一组明暗相间的干涉条纹，经冲洗后成为全息图。再现时，用同样的激光作照相光波 R′， 照射在全息图上，这时全息图起着一个光栅的作用。O 级衍射波是照明光波 R′的几何光学透射波。+1 级衍射波相当于物光波 O 的再现。-1 级衍射波是物光波的共轭波。实际上的物光波是从物体各点发出的球面波，即使参考光波仍是正入射的平行光，在记录底片上形成的干涉条纹也不是简单的光栅条纹。但是在照明激光的照射下，仍旧有+1 级和-1 级衍射像。前者是发散光波，形成虚像；后者是会聚光波，形成实像。由于激光干涉条纹中包含了物光波的振幅和相位，因此再现像将会与物体一模一样，是立体的像。观察者甚至只要改变观察方向，还可以从照片上看清物体背后的细节，如果全息图破碎了，其中任何一块碎片仍可以在照明激光照射下呈现出物体的实像和虚像，只是分辨率会降低。因为全息图上每一点都记录了被摄物体各部分的信息，全息图的缺损不会使再现像失真。

全息照相图

全息照相有广阔的应用前景，如科技上的应用，有全息显微，全息干涉，全息照相存储，红外及超声全息等等。近来已有白光全息问世，就是可以用白光来再现全息像。

群速度（group velocity） 一组频率差别不大的简谐波，在相当长时间的传播过程中总的波形仍将维持一个整体，并以一定快慢运动的波包的速度。单一频率的波其传播速度就是它的相速度，但实际存在的波不是单色的，若介质对这个波又是色散的，那么各单色波以不同的相速度传播，波包形状随时间而变化，可选定波包上的某一特殊点（如振幅极大点） 在空间的传播速度代表整个波包的传播速度。由于波包形状的改变，所选定的这一特殊点在波包中也将不断改变其位置，因而该点的速度与任何一个作为组成部分的单色平面波的相速度将有所不同。群速度是波包的能量传播的速率，也是波包所表达信号的传播速度。

R

RS—232C 传输的方式（transmissionformof RS—232C） RS 表示“推荐标准”（RECOMMEN-DEDSTANDARD），是指美国电子工业协会（EIA） 正式公布的标准，该标准规定了异步串行通讯接口的电气连接方式，这些方式的数据传输格式是一样的，下图表示了数据传输的格式，对所传输的数据规定，开始是一位起始位，以发送一个逻辑“0”表示，接着表示这个数据的数据位，数据位可以是 5 位、6 位、7 位或 8 位，再加一位奇偶校验

1位，然后是 1 个、1 个或 2 个停止位，停止位以逻辑“1”表示，传输中，

2

各位的持续时间是相同的。

数据传送格式

串行通讯每秒传送的位数即波特率可以是 19200、9600、4800、2400、1200、600、300、150、110、75、50 等。PC 机没有 19200 的传送波特率。传送时先发送数据的最低位 D0，然后是次低位 D1，⋯，最后才是最高位， 图中传送的波形是 10100010，如果传送数据是 ASCⅡ码，那么 D7 就是奇偶校验位。很明显，当 D7=0 时，D0—D6，有 3 个“1”，所以属于奇校验。换言之，D0—D7 中只允许奇数个“1”，如果D0-D6 有偶然个“1”，则 D7=1， 保证 D0-D7 中始终有奇数个“1”。

逻辑“1”表示电平在-3V～-15V 之间，逻辑“0”表示电平在+3V～+15V 之间。高于+15V 或低于-15V 认为无意义，介于-3V 和+3V 间的电压也无意义。上述电平称为 EIA 电平，这样高的电压主要是为了防止干扰，一般在30 米的距离内可以安全地进行信号传输。

RS—232C 传输线接口（transmission interfaceof RS—232C） 在 RS—232C 的连接系统结构中，须有 25 端引脚的连接器连接数据终端设备和数据通讯设备。其中 21 个信号线，主要引脚如下：

说明：TD 和 RD 是交叉连接的，即一个计算机或终端数据输出是另一个终端或计算机的输入，或者反过来；RTS 和 CTS，在近程通讯不要调制器的情况下两端相连，表示“请求发送”返回作为清除“发送信号”，使得发

送请求总允许的，CD 和 RI 与电话连接有关，在直接通讯的情况下并不需要。在实际应用场合，最简单的办法是采用三条线，即接收和发送数据线及一条信号地线，如图 1 和图 2 所示。

图 1 直接相接的 RS232C 图 2 一般相接的 RS232C

燃料电池（fuel cell） 将燃料的化学能直接转换为电能的一种装

置。与蓄电池不同，它不是通过充电，而是通过从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂，以达到重复使用的目的。其结构如下图所示。

燃料电池原理图

它由燃料（如氢、甲烷等）、氢化剂（如氧、空气等）、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。

在氢氧燃料电池中，电解液是氢氧化钾水溶液。在电池的负极进行氢的氧化反应：

H2+2OH−→2H2O+2e

在电池的正极进行氧的还原反应：

O2+2H2O+4e→4OH−,

总的化学反应是 2H2+O2→2H2O。这就是氢氧的燃烧反应，所以叫做氢氧燃料电池。

燃料电池具有能量利用率高、单位重量输出电能高、设备轻巧、没有

噪音、很少污染、能连续运行等优点。但由于燃料电池系统较复杂，成本高，目前仅限于一些特殊的用途，如载人飞船、无人气象站、军事通信设备等。

染料激光器（dye laser） 用有机染料作为工作物质的激光器。已在若丹明等数千种染料中实现激光运转。一般采用调 Q 激光作激励源，使染料分子的有关能级间形成粒子数反转，实现激光振荡。优点是输出激光的波长可调。在谐振腔中如果安置棱镜、光栅或标准具等分光元件，还可使染料激光器输出的激光波长在某一范围内作连续改变。缺点是染料容易分解，输出激光的线宽大，相干性差。

饶毓泰（1891～1968） 中国物理学家。江西省临川县人。1913 年赴美留学，1922 年获普林斯顿大学哲学博士学位。同年回国，应聘到南开大学创建物理系，担任系主任。1933 年起任北京大学物理系系主任，后又任理学院院长。抗日战争时期任西南联合大学物理系系主任。1944～1946 年去美作研究工作，回国后继续担任北京大学理学院院长和物理系系主任，1952 年起只任物理系教授。1955 年受聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员。

饶毓泰的重要贡献是在中国开拓实验物理学方面的工作。1922 年，他的博士论文是研究低压电弧的电子发射率的实验成果，所设计的电弧光源的电压，比通常的低，这是当时气体导电研究的一项新成就。30 年代初期， 他从事碱金属原子的斯塔克效应的研究，这一工作丰富了量子力学领域的

实验数据。40 年代，他在美国和他的合作者进行分子光谱的研究，他的实验测定为研究同位素气体分子的振动-转动光谱开辟了道路。

热岛效应（thermal island effect） 人类活动影响城市热环境的综合效应。使得城市与周围农村之间形成温度梯度，在区域上空形成“热岛”。在大城市，由于人口与工业的集中，大量烟尘和废气排放到大气， 这不仅使大气混浊度增加，而且还促成烟雾和云的形成。烟雾和云长时间滞留在城市上空，城市发出的热能就不能逸散到上层大气，使地表及低层大气温度增高。再则，现代城市特别是工业城市的大部分地面已失去大自然的本色，建筑物密集，高层建筑迅速发展，人造设施不断增加，这些都影响了大气与地表之间的热交换。此外，大城市中所消耗的燃料，其中很大部分成为城市的环境热源。

热的唯动说（mechanical theory of heat） 种关于热的本质的理论。该理论认为热是物质的一种运动形式，是分子无规则运动的表现。俄国物理学家罗蒙诺索夫在《论热与冷的原困》一文中指出，热是分子运动的表现，肯定了运动守恒原理在分子运动中的正确性，建立了现代分子运动论的基本概念。1798 年朗福德实验和 1799 年载维实验都证明：热是物质的一种运动，从而有力地支持了热的唯动说。随着能量守恒和转化定律的发现和热功当量的测定，进一步确立了热的唯动说。现代科学证明， 热是物质运动的一种表现，具体地说是构成物质系统的大量微观粒子无规则混乱运动的宏观表现。热运动不仅表征分子的无规则运动，而且也表征原子、离子、电子等微观粒子的无规则运动。就物质系统的单个粒子而言， 其运动是无规则的，具有极大的偶然性；但物质系统总体所表现的宏观性质是整个粒子系的集体行为，存在着确定的规律性。

热电子发射（thermoelectron emission） 固体中电子受热而克服表面处势垒跑到固体外真空中去的现象。为使电子从固体表面逸出，必须使电子运动的动能在数值上等于该固体的逸出功。当固体受热而温度升高（例如一般当固体的温度达到 1000℃以上）时，固体中电子热运动能超过逸出功的电子数目将急剧增多，于是大量电子由固体表面逸出。在无外电场时，这些发射出来的热电子将在靠近固体表面的真空中积累，成为空间电荷，它将阻止固体中热电子继续向外发射。只有在固体表面近处加一个带正电的阳极来收集发射出的热电子时，才能使作为阴极的固体表面热电子发射不断继续而形成电流。

热电子电流的大小与温度有关，温度愈高，发射的热电子愈多，因而热电子电流愈大；也与固体材料的逸出功有关，逸出功愈小，热电子电流愈大。其定量关系为

j=AT2e-W/kT,

式中 j 为热电子电流密度，W 为固体的逸出功，T 为固体的绝对温度，k 为玻耳兹曼常数，A 为里查孙常数。

热电子发射是现今电子管、示波管、显像管等元器件获得电子流所采用的最普遍的一种方法。

热功当量实验 （ experimentonmechanicaleq-uivalent of heat） 测量功和热量传递两种不同的方式在引起系统宏观状态发生变化时互相转化的等当数值关系的实验，它证明了包括内能在内的能量守恒定律。

在做功过程中，外界与系统之间产生能量的交换。在热学中，不仅有机械功，还有电场功，磁场功等。每一种单一的做功过程（例如机械功） 既可以引起系统机械运动状态的改变，也可以引起系统热运动状态的改变。

在热量传递过程中，外界与系统之间发生能量的交换。热量并不是某种看不见的没有重量的所谓“热质”的量，而是由系统内大量粒子无规则热运动在宏观上表现出来的一种能量形式。热量传递的结果使外界和系统的热运动状态或其他运动状态发生改变。

历史上最早把热和功联系在一起的人是卡诺，但是他起初认为热量是某种物质的量。后来他放弃了原来的观点，并且定性地得到了大体精确的热功当量。不过他的这些光辉思想直到他逝世后的 1878 年才公布于世。

1798 年，英国人本杰明·汤姆孙（后来因重组德国军队而获伦福德伯爵爵位）仔细观察了用钻头加工炮筒时的摩擦生热现象。他发现，热可以在摩擦过程中产生出来，而且用钝钻头加工炮筒得到的热量比用锐利钻头加工时得到的热量更多，但切削出的金属碎屑却更少。他还发现，大块金属块的热容量与相等重量的金属碎屑的热容量完全一样，热物体重量与完全冷却时的重量也完全一样。这一切使他摒弃了“热质说”，并得出结论： 热只能来自钻头克服摩擦力而做的机械功。他还通过实验数据证明，摩擦产生的热近似地与钻孔机所做的机械功成正比。

继汤姆孙以后，1842 年德国医生梅耶设计了一个搅拌纸浆的实验，搅拌机械的动力来自一匹绕着圈子走动的马。只要测出纸浆温度的升高，就可以把纸浆得到的热量和马所做机械功进行比较。然而梅耶因医务繁忙而没有进行精确测量。

焦耳认为应以大量确凿的科学实验来建立热现象的正确理论。从 1840

年到 1879 年，焦耳进行了各种实验，精确地测定了功和热量互相转化的等当数值关系。图 a 和图 b 是焦耳测定热功当量的两个主要实验示意图。在图 a 所示的实验中，重物下降带动叶片转动，叶片搅拌水使水温升高。盛水的容器与外界没有热量交换，因此水温的升高（即水的状态的改变）完全是重物下降做功的结果。1843 年焦耳发表了他的研究成果：在曼彻斯特

（北纬 53.27 度）使 1 磅水（0.4536 千克）升高华氏 1 度需要做功 772 英

尺磅。这相当于 1 卡=4.157 焦耳。目前热功当量的国际公认精确值是 1 卡

=4.1868 焦耳。在图 b 所示的实验中，电流通过电阻器 R 使水温升高。盛水的容器与外界没有热量交换，因此水温的升高完全是电源做功的结果。实验发现，用以上两种不同的绝热过程使水升高相同的温度，所需的机械功和电功在实验误差范围内是相等的。焦耳还进行了其它实验，例如使叶片搅拌水银使之升温，外力做功使空气压缩并升高温度等等。所有实验结果在误差范围内是一致的。焦耳的热功当量实验完全否定了“热质说”， 证实了热量是传递的能量，做功和热量传递是使系统宏观状态发生变化的两种不同方式，它们以热功当量关系互相转化，这种转化正是普遍的能量守恒定律在热运动中的一种表现。

焦耳测定热功当量的实验示意图

现在，国际单位制规定热量的单位为“焦耳”，“卡”暂时仍作为与焦耳并用的单位，一旦卡不再作为热量单位被使用，热功当量这个词也将

被弃之不用。但是热功当量实验在热学发展过程中的重要历史地位将是永存的。

热机（heat engine） 把从高温热源吸收的一部分热量转换为机械能并对外做功的机器。在热机运转过程中，从高温热源输入的另一部分热量必然会通过低

图 1 热机运转示意图温热源（冷却装置）向外界放出（图 1）。

热机的基本原理 在热机中实现的能量转换过程是由热机的工作物质

（工质）经过周而复始的循环过程来完成的。图 2 所示的闭合实线 abcd 就是在 p～V 图上热机的工质完成的某一准静态循环过程。如果工作物质

（例如某种燃料）从状态 a 出发，经过状态 b、c 和 d 仍回到状态 a（如图所示），就称工质完成了一个顺时针的正循环，反之称为逆循环。在正循环过程中，从 a→b→c，工作物质对外界做正功，数值等于 abcefa 包围的面积；而从 c→d→a，外界对工作物质做正功，即系统对外界做负功，数值等于 cefadc 包围的面积，在完成一个循环中，系统对外界所做的净功为正，数值上等于 abcda 包围的面积。从热力学第一定律可知，由于工作物质恢复原来状态，内能不变，因此系统从外界吸收的热量必然大于放出的热量，其差值就是系统对外界做的功。

图 2 准静态循环过程

在逆循环过程中，工作物质依靠外界输入的功从低温热源吸取热量， 并将外界输入的功和这部分热量通过高温热源向外界放出，这就是致冷机的工作过程。

衡量热机效能的一个重要标志就是热机的效率。在热机工作过程中转变为有用功的那部分热量与工质从高温热源吸收的热量之比称为热机的效

率，也称热效率。通常用η表示，η定义为η= A

Q1

，A 为有用功，Q1 是工

质从高温热源吸收的热量。在 Q1 相同情况下，热机输出的有用功越多，热机的效率越高。若热机向低温热源放出的热量为 Q2，于是有用功 A=Q1-Q2，

因而热机效率又可表示为η = Q1 − Q 2

Q1

= 1 − Q 2 ，显然，η始终小于 1。

Q1

在致冷机工作过程中，从低温热源抽取的热量与外界输入的功之比称

为致冷系数，用ηc 表示，ηc= Q2 ，A 为输入功，Q

为工质从低温热源吸

A 2

取的热量。在输入功相同情况下，抽取的热量越多，致冷的效果越好。热机的分类热机的种类很多，大致可分为内燃机和外燃机两种。

内燃机。燃料在气缸内燃烧，产生的气体作为工质将能量转变为机械功。使用最广泛的内燃机是汽油机和柴油机。

1. 汽油机：在汽油机中，工作物质经历的循环过程包括两个等容过程和两个绝热过程，这种循环称为奥托循环。图 3 就是在 p～V 图上的奥托循环。图中从 0 点开始，相当于汽缸的活塞处于冲程的顶端。从 0→a 过程中， 空气和汽油蒸气的混合物被吸入到气缸中，这就是进气冲程。进气冲程结

束后，进气阀关闭，活塞上升，对混合气体进行绝热压缩，这就是图中 a

→b 的过程，这称为压缩冲程。此冲程到达顶端时，火花塞产生电火花， 点燃混合气体，使其迅速燃烧。在等容情况下，气体的压力和温度同时上升，这就是图中 b→c 的吸热冲程，QH 就是在该加热过程中吸取的热量。以后点燃的气体在绝热情况下推动活塞向下运动，而活塞则通过曲柄机构带动飞轮对外做功，这就是图中 c→d 做功冲程。做功冲程结束后，排气阀打开，气缸内压

图 3 奥托循环的 p～V 图图 4 狄塞尔循环的 p～V 图

力迅速下降到大气压力，这就是图示的 d→a 的排气冲程，Qc 就是在排气冲

程中放出的热量。汽油机经历这四个冲程而完成一个循环，因而又称为四冲程内燃机。A 就是在奥托循环中，工作物质对外输出的有用功，A=QH-Qc。

V1 和 V2

分别表示在气缸内混合气体的最大体积和最小体积，而 V1 称为压

V2

缩比。普通汽油机的压缩比约为 4～10，采用特殊燃料时，压缩比会更大

些。利用压缩比，可将汽油机效率表示为η=1- 1

，这里γ为定

(V / V ) ^γ−1

1 2

压比热容 cp，与定容比热容 cv 之比，r=cp/cv，若取 V1/V2=10，γ=1.4， 可得效率为 0.6。一般汽油机热效率约为 0.4 左右。

1. 柴油机：在柴油机中，工作物质经历的循环过程由一个等压过程、

一个等容过程和两个绝热过程组成。这种循环称为狄塞尔循环。图 4 就是p～V 图上的狄塞尔循环。图中从 0 点开始，空气被吸入气缸。0→a 为进气冲程。a→b 为绝热压缩冲程。在该过程中空气温度升高，一旦达到柴油燃点时，由喷油嘴喷出雾状柴油，在气缸内自行燃烧。b→c 为在等压下燃烧冲程，在该过程中吸取的热量为 QH。c→d 为做功冲程，最后是等容排气过程，放出热量 QC，完成一个循环。A=QH-QC 为循环过程中输出的有用功。

V1 称为压缩比， V3 称为膨胀比。利用这两个比值可将柴油机效率表示为

V2 V4

η = 1 −

 V  γ

 ³  − 1

 V₂  ,

 V  V

 γ −1

γ ³  ¹ 

 V₂  V₂ 

这里γ=c /cv。若取 V1 =15， V3 =3，γ=1.4，可得效率为 0.56。一般

^p V2 V4

柴油机热效率约为 0.4 左右。

外燃机。燃料在气缸外燃烧，将工作物质加热后再引入气缸，推动活塞或叶片对外输出机械功。使用广泛的外燃机是蒸汽机和汽轮机。

1. 蒸汽机：在蒸汽机中，工作物质经历如下一系列过程：先在锅炉内使水加热至蒸汽，再使蒸汽过热后在定压下引入气缸，关闭进气阀在绝热

条件下蒸汽膨胀推动活塞对外做功。经绝热冷却后再使蒸汽进入冷凝器凝结为水，重新将水压入锅炉，进行又一次循环。图 5 就是 p～V 图上蒸汽经历的循环过程，称为兰金循环。其中 b→e 过程是水加热并转变为水蒸汽的过程，吸收热量 QH，f→a 是冷却凝结过程，放出热量 QC。蒸汽机的热效率约为 10～15%左右，但由于构造简单工作可靠，在目前的铁路、水路运输部门中，蒸汽机仍作为一种动力被使用着。

1. 汽轮机：在汽轮机中，由锅炉产生的过热蒸汽经过固定喷嘴喷射到叶轮的叶片上，驱动叶轮转动，对外做功。汽轮机是一种广泛应用于冶金工业、化学工业的大型动力设备。几乎所有烧油、烧煤和使用核反应堆

图 5 兰金循环的 p～V 图

的大型发电厂都将汽轮机与发电机同轴连接，以提高发电效率。

热机效率（efficiency of heat engine） 参见热机。

热寂说（theory of heat death） 一种将热力学第二定律推广到整个宇宙时，认为宇宙最终将处于热平衡的死寂状态的学说，由开尔文和克劳修斯先后提出。1862 年，开尔文在《论太阳热的年纪》一文中写道： “热力学第二定律包括了自然界中某种不可逆作用原理。它指出机械能虽然是不可毁灭的，它却产生了热量的逐渐增加和扩散、运动停止和整个宇宙的势能竭尽。如果宇宙是有限的和服从现有的定律，不可避免的结果是宇宙的静止和死亡状态。但是，对宇宙中的物质广延设想一个界限是不可能的，所以科学宁愿指出一个含有势能转变成可感知的运动，并因之转变成热的遍及无限空间的无限进程，而不是转变成像一座运转衰减下来，并永远停止的时钟那样的唯一限定的机构。”从开尔文这段话的本意来看， 他提出的热寂说是有条件的，即设想宇宙是一个有限的孤立系统，和假设热力学第二定律用于这个宇宙是正确的。1867 年，克劳修斯在《关于机械热理论的第二定律》一文中写道：“在一切自然现象中，熵的总值永远只能增加而不能减少。于是到处不断进行的变化过程，可用下面的定律简短地表述：宇宙的熵趋于极大。”“宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了。这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”从克劳修斯这段话来看，显然忽视了所提出的热寂说的前提条件，因而引起了至今学术界的争论，并被宗教神学和各种唯心主义所利用。

热力学（thermodynamics） 物理学的一个重要分支学科。它和统计物理学一起构成物质热运动的理论。热力学是以直接概括宏观现象所得出的某些最普遍规律为基础来研究热运动的，因而是热运动的宏观理论； 统计物理则是从组成物质的分子和原子等微粒的运动中所存在的统计规律性来阐明热现象的，因而是热运动的微观理论。

发展简史 热力学诞生于 19 世纪上半叶。在此以前，蒸汽机的出现及其在工农业生产上的广泛应用不但标志着人类文明的进步，而且极大地推动了人们对于水和蒸汽以及其他各种物质热运动性质的研究。其中最出色的工作是法国物理学家卡诺关于热机效率的研究。他论证了可逆循环过程和不可逆循环过程的效率，提出了最大效率的概念，建立了著名的卡诺定理。他是热力学的创始人之一。

1. 世纪中叶，德国医生迈尔和英国物理学家焦耳等人建立了热力学第

一定律，从热现象上丰富了人们对能量守恒和转化定律的认识，打破了企图制造出第一类永动机的各种设想，指导人们去研究自然界中能量转化的具体条件，更有效地利用自然界的能源。继热力学第一定律之后，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文等人又建立了热力学第二定律，它揭示了一切与热运动有关的宏观过程自发进行的方向，是独立于热力学第一定律以外的又一普遍的实验定律。根据热力学第二定律，第二类永动机也是不可能制造出来的。

1. 世纪以来，热力学理论和统计物理学理论相结合，深化了人们对热运动的认识。1912

   年，德国物理化学家能斯脱创立了热力学第三定律，即绝对零度不能达到原理。在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。20 世纪 40 年代前后，为了研究与物质扩散和液体流动等有关的不可逆过程的热现象规律，人们创立了不可逆过程的热力学理论。60 年代以后，不可逆热力学又从起初只涉及近平衡区（又称线性区）的非平衡现象扩展到远离平衡区（又称非线性区）的非平衡现象，与此同时，非平衡态统计物理学也有了很大的发展。目前，非平衡态热力学和统计物理学已经成为一个新兴的领域，它对于人们认识和掌握实际存在的物理、化学以及生命演化过程的规律有着重要的意义。

热力学的理论体系热力学从大量实验事实出发，概括总结成热力学的基本定律——热力学第一、第二、第三定律。有时还把几个物体互为热平衡时具有相同的温度这样的经验事实称为热力学第零定律。在这些基本定律中分别引入了三个基本的状态函数——温度、内能和熵。从这些基本定律和状态函数出发，经过科学的逻辑推理，就可以得到热力学的全部内容。热力学作为一个完整的理论体系，具有高度的普遍性和可靠性。但它不涉及物质分子原子结构的细节，因而不能反映出不同物质的具体特性。此外， 它还忽略了实际宏观系统在测量中存在的物理量的涨落行为，而这些涨落行为在相变和临界现象中会显示重要的作用。热力学理论的这些不足之处由统计物理学加以补充，因此热力学和统计物理学是热学理论的两个相辅相成的组成部分。

热力学第二定律（second law of thermody- namics） 热力学的基本定律之一。它对自然界中各种自发发生的不可逆过程的进行方向给出了判据。热力学第二定律可以有多种表述方式，它们都是等价的。其中最常见的是以下两种表述。

克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生任何影响。

开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为有用功而不产生任何影响。

克劳修斯的表述指出了热量自发地从高温热源传到低温热源的过程是不可逆的；而开尔文表述则指出把功转变为热量的过程是不可逆的。可以证明，这两种表述是等价的，而且如果其中一个表述不成立，则必然导致另一种表述也不成立。

热力学第二定律是独立于热力学第一定律之外的又一基本定律，每一个与热现象有关的宏观过程必须同时满足热力学第一定律和热力学第二定律才能发生。

热力学第二定律的重要意义在于它揭示了自然界中不可逆过程进行的

方向和条件，反映了各种不可逆过程的共性。这种共性的存在使人们有可能找到一个态函数，并根据这个函数的数值变化来判断某种过程是否允许自发地发生。这个态函数就是该系统的熵。利用熵可以将热力学第二定律表述为更一般的形式：在任何自发发生的实际过程中，一个绝热系统的熵决不会减少，对可逆绝热过程，熵保持不变，对不可逆绝热过程，熵总是增加。这个表述又称熵增加原理。

热力学第二定律还表明，如果只有一个热源，利用它驱动热机往复不断地对外做功是不可能的。例如海水中蕴藏着巨大的热能，但如果只利用这个热源，人们就无法造出一台热机能从这个单一热源吸取热量而源源不断地输出有用功。历史上把这类从单一热源吸取热量并全部转变为功的机器称为第二类永动机，因而热力学第二定律有时可表述为，第二类永动机是不可能造成的。

热力学第二定律不但适用于由实物组成的各类系统（如气体、液体和固体），也适合于场（如电磁辐射场）。但是，它对少量原子和分子组成的系统不适用，也不能将它无限外推到整个宇宙。

热力学第零定律（zeroth law of thermody-namics） 又称热平衡定律。它反映了互为热平衡的物体具有的共同特征。该经验定律为导出温度这个重要的物理量以及利用温度计测量温度提供了理论依据。

实验表明，两个处于不同热平衡状态的非孤立系统互相热接触后，会达到一个新的共同的热平衡状态。类似地，对于三个处于热平衡状态的系统 A、B 和 C，如果首先使 A 和 B 达到共同的热平衡，再使 B 和 C 达到热平衡，而且在后一种热平衡情况下，B 的状态不变，那么实验事实也证明， 最后当 A 和 C 再接触后，A 和 C 的平衡状态并不发生改变，处于同一共同的热平衡态。这些实验事实可以简明地概括为：与第三个系统处于热平衡的两个系统，彼此也必定处于热平衡。这个表述称为热力学第零定律。这个定律表明，每个处于热平衡状态的系统一定存在一个物理量可以用于表征它的宏观状态，当两个系统同为热平衡时，这个物理量取相同的数值， 这个物理量就是温度。

热力学第三定律（third law of thermodyna- mics） 热力学的基本定律之一。它给出了温度趋于绝对零度时系统的热力学行为。

1906 年德国物理化学家能斯脱在研究低温下的化学反应时发现，一个化学上均匀系统的熵在等温过程中的变化随绝对温度降低而减少，即温度越低，等温过程中的变化越小，温度趋于零度，熵的变化也趋于零，这个结论称为能斯脱热定理。后来，能斯脱又得出一个推论：不可能通过有限手续使一个物体冷却到绝对零度，这个结论又称为绝对零度不能达到原理。后来的研究证实，能斯脱定理只适用于晶体，而绝对零度不能达到原理具有普遍意义。因此热力学第三定律就以绝对零度不能达到原理作为它的标准表述，而把能斯脱定理作为这个原理的推论。

热力学第三定律的表述与热力学第一定律、第二定律的表述在形式上很相似，都指出了有些事情是不能实现的。但是热力学第一、第二定律明确表明，第一类和第二类永动机是无法制造出来的，第三定律虽然指出了绝对零度不能达到，但并不排斥人们不断努力，尽可能地去获得越来越接近绝对零度的低温。

热力学第三定律不可能通过实验进行证明，它的正确性是由它的一切

推论与实际观测相符合而得到证明的。

在热力学第三定律建立以前，对熵函数的计算只能确定到具有一个任意附加常量的准确度。1911 年普朗克提出可选择绝对零度时的熵常量为零，于是在任何温度下熵的数值中不再包含任意常数，这称为绝对熵。有了绝对熵，由热力学第三定律可以得到在趋于绝对零度时，热力学系统的定容比热和定压比热也趋于零，热膨胀系数也趋于零，因此只要从实验测得热容量，不需要物态方程就可以完全确定熵函数。

热力学第一定律（first law of thermodyna- mies） 热力学的基本定律之一，是能量守恒和转化的普遍规律在热力学上的表现。热力学第一定律指出了热量是两个物体之间交换的能量或传递能量的一种形式。该定律表明，外界传递给系统的热量等于系统内能的增量和系统对外做功的总和。如果外界传递的热量为 Q，以ΔU 表示系统从某一状态变到另一状态时内能的改变，以 A 表示在该过程中系统对外所做的功，则热力学第一定律可以表示为

Q=∆U+A。

在这个公式中，当系统从外界吸取热量时，Q 为正；系统放出热量时，Q 为负。若系统对外界做功，A 为正；反之，外界对系统做功，A 为负。严格说来，热力学第一定律仅涉及到内能和其他形式能量的相互转化关系。有时也将热力学第一定律理解为普遍的能量转化和守恒定律，作这样理解时，式中的ΔU 表示系统所包含的一切能量（热能、电磁能、化学能等） 的改变，而 A 则表示广义的功（机械功、电磁功、化学功等）。

热力学第一定律表明，系统内能的改变既可以通过做功来实现，也可以通过热传递来达到。传热和做功一样，都是能量交换的一种形式。热量和功都是与过程有关的量，热量不是什么“热质”的量。焦耳的热功当量实验证实热量和功的当量关系是 1 卡=4.18 焦。此外，热力学第一定律还表明，如果一个系统不与外界交换热量。Q=0，那么该系统不可能循环往复地对外做功。因为对于循环过程，ΔU=0，因而必然导致 A=0。历史上人们把这种不消耗外界任何形式的能量而能不断输出功的机器称为第一类永动机，因而热力学第一定律有时也表述为，第一类永动机是不可能造成的。热力学平衡态（ thermodynamic equilibriumstate） 热力学

系统在完全孤立即不受外界影响的条件下所达到的其宏观性质不再随时间改变的状态。

一个孤立系统处于热力学平衡态时，描述系统状态的宏观参量都不随时间改变，在该系统内部可以允许存在某种不均匀性（例如气—液两相平衡共存），但不允许出现某些“流”，如粒子流、热流等。

如果系统处于不变的外界条件下，经过一定的时间以后，系统也会达到一个宏观上不随时间改变的状态。例如，取一金属杆，两端分别与两个保持不同温度的热源相接触，相隔一段时间以后，杆的宏观状态不随时间改变，但是杆上各处的温度并不相同，杆从高温热源吸取热量，并沿金属杆传递到低温热源。与此同时，金属杆还通过侧面与周围环境交换热量。按照上述定义，金属杆此时并不处于平衡态，而属于一种稳恒态。

热力学平衡态也不同于单纯静止的力学平衡态，这是因为虽然平衡态的宏观性质不随时间改变，但从微观上看，组成热力学系统的大量分子原子仍在做不停的无规则运动，只是这种运动的平均效果不随时间变化。因

而热力学平衡态是一种动态平衡，又称热动平衡。

热力学平衡态是对实际状态的一种近似和理想化。与非平衡态相比， 对它的描述要简单得多，通常只需要用一组最少的独立的状态参量就可以完全确定平衡态的性质。

热力学温标（thermodynamic scale） 参见温标。

热力学系统（ thermodynamical system） 热力学的研究对象， 由大量微观粒子（分子或其它粒子）组成的宏观客体，简称系统。

热力学系统在时间与空间上具有宏观的尺度，包含有极大数目的力学自由度，它总是宏观的、有限的。与热力学系统存在相互作用的周围环境， 称为系统的外界或简称外界。在热力学中，系统的选取常常是从一个存在相互作用的大的物体系中根据具体研究对象而划分出来的某一部分，其余部分就称为外界。根据系统与外界相互作用的情况可以对系统进行分类： 与外界没有相互作用的系统称为孤立系；与外界没有物质交换但允许能量交换的系统称为封闭系；与外界既有物质交换又有能量交换的系统称为开放系。热力学系统也可以按其性质是否均匀进行分类：各部分性质完全一样，处处均匀的系统称为单相系；如果整个系统不是均匀的，但可以划分为若干个均匀的部分，这类系统称为复相系。热力学系统还可以根据所构成的化学组分进行分类：只由一种化学组元构成的系统称为单元系，由两种或两种以上化学组元组成的系统称为多元系。一个热力学系统可以由不同的分类而归属于某一类系统，例如由绝热壁包围处于封闭容器中的一个气液平衡共存系统，是一个孤立系，也是一个单元两相系。而作为两个可分离的均匀部分——液相和气相，则都是开放系。

热质说（caloric theory of heat） 又称“热素说”。一种关于热的本质的理论。该理论认为热是一种看不见的、没有重量的物质，叫做热质；物体的冷热是由于所含热质的多少决定的；热质既不能产生也不能消灭，只能从较热的物体向较冷的物体传递；在传热过程中热质总量保持不变。到了 18 世纪，经过英国物理学家布莱克的努力，使热质说形成比较系统的理论。这个理论在历史上曾经起过一定的作用：①解释热学的简单实验；②说明混合量热法规则；③瓦特根据该理论与潜热的理论改进了蒸汽机；④卡诺在该理论的基础上研究了热力学。然而到了 18 世纪末这个理论遇到不少难题：①热质是否有重量？②如何解释某些物体的热缩冷胀现象？③为什么摩擦能源源不断产生热？④为什么物体通过撞击也会产生热？1798 年朗福德的钻炮膛生热的实验，证明了所产生的热量与所做的功成正比，从而沉重打击了热质说，但未能彻底推翻它。直至蒸汽机的广泛使用，特别是在能量守恒和转化定律被公认是自然界的普遍规律之后，热质说才最终被彻底否定。

人造卫星运动（motion of the artificial satel- lite） 人造天体围绕地球或太阳系中的行星或卫星的运动。主要指人造天体围绕地球的运动。人造卫星由于其质量远小于地球或行星质量，因此可忽略太阳、月球和其他星球的影响，其运动可近似地看成是质点在以地球的质心为力心、场力为万有引力的辏力场中的运动。根据辏力场理论，人造卫星在通过行星质心 O 所构成的平面中运动。在一般情况下，运动轨道是以地球的质心为焦点的椭圆，在特殊情况下是以地球质心为圆心的圆。在以地球质心为极点和轨道所在固定平面为极坐标平面时，以（γ，ϕ）为极坐标的

轨道方程是

p

γ = 1+ e cos(ϕ − β)

对地球来说，p、e 和ϕ由入轨时的运动初始条件决定。设 g 是重力加速度，

（r0，ϕ0）是卫星入轨时的位置，以θ0 表示入轨时的速度矢量 v0 和此时卫星关于 O 点的位矢之间的夹角，以 R 表示地球半径，则 p、e 和β的值分别是

r ²v ² sin ² θ

p = 0 0 0 ,

gR²

 2( ⁰ −

gR²

)r ²v ² sin ² θ

1/ 2



 2 r 0 0 0 

e = 1 + ⁰ ,

 g² R⁴ 

 

 

β = ϕ0

1 p

• arc cos[ e ( r

− 1)].

同时要求 0≤e＜1，以及这样的 r0、v0 和θ0，使轨道曲线不穿越大气层，以便人造卫星不受大气层阻力作用的假定成立。在上述运动初始条件下，人造卫星椭圆轨道的长半轴 a 和短半轴 b 是

r ²v² sin² θ r ²v² sin ² θ

α = 0 0 0 , b = 0 0 0 ,

gR² (1− e ² )

人造卫星的运行周期是

gR ²

T = 2π .

此周期和地球自转周期相等、轨道在赤道平面上的圆轨道卫星称为同步卫星。同步卫星离地面高度约为 35800 千米，从地面上看，它是静止不动的。实际上，影响人造地球卫星运动的还有诸如大气阻力、地球的非球形对称、太阳和月球的引力和光压的长期作用等，所以精确计算人造卫星的运动是一件相当复杂的工作。

牛顿运用万有引力定律曾于1687 年首先提出了人造地球卫星绕轨道飞行的设想。3 个世纪后，前苏联于 1957 年 10 月 4 日发射了第一颗人造地球卫星。三个月后，美国也发射了一颗卫星。1969 年，美国成功发射了“阿波罗” 11 号宇宙飞船，首次把宇航员送上月球。1970 年 4 月 24 日，我国成功地发射了第一颗人造地球卫星。1975 年发射第一颗返回式卫星，卫星在空中运行三天后成功回收。1981 年又成功发射了一组空间物理探测卫星，这是我国首次用一枚运载火箭发射三颗卫星成功。中国发射的第四、第七、第八颗人造卫星都成功地返回了地面，迄今只有前苏联、美国和中国三国掌握了这种回收技术。此外，我国又掌握了卫星定点技术，我国的火箭已进入国际市场，为其它国家发射卫星。

熔点（melting point） 参见熔解和凝固。

熔解和凝固（fusion and freezing） 物态的转变过程。物体从固态变成液态的过程叫做熔解，反之从液态变成固态的过程叫做结晶或凝

固。

在熔解和凝固现象中，晶体和非晶体有很大区别。在晶体中，原子呈规则排列，形成空间点阵，点阵离子只能在它的平衡位置附近做微小振动。在熔解过程中物质需要吸收热量，加剧晶体点阵的热振动，最终使晶格离子由规则排列转变为不规则排列。晶体在熔解过程中的温度保持不变，这个温度称为熔点。单位质量的晶体物质在熔点时从固态全部转变为液态所需吸收的热量，称为熔解热，它的单位是焦/千克或焦/摩尔。对晶体来说， 熔解热也就是破坏晶体点阵结构需要的能量，因而可用于衡量晶体点阵中结合能的大小。物质从液体变为固态也是在一定的温度下发生的，这个温度叫做凝固点。在凝固过程中放出的热量称为凝固热。同种物质在相同条件下，熔点和凝固点相同，熔解热在数值上等于凝固热。在熔点（或凝固点）时，液态与固态可以并存。非晶体物质（如玻璃、树脂，塑料等）是在一定的温度范围内连续地由固态逐渐变成液态的，即有一个从固态软化成液态的温度范围（称为软化温度），因此非晶体没有确定的熔点，也没有确定的凝固点。

元素的熔点是原子序数的周期性函数。无机物的熔点一般较高，并随化合价的增加而升高；有机物的熔点一般较低，同族化合物的熔点与其分子量有关。

熔点还与熔解时的压强有关。一般情况下，如果固体熔解时体积膨胀， 则其熔点随压强增大而升高。如果熔解时体积收缩，则其熔点随压强增大而降低。例如冰熔解时体积缩小，则压强增加约 130 大气压，可使冰的熔

点下降 1 度。一个大气压下的熔点称正常熔点。

熔点还和物质的纯度有密切关系，有时在某种物质中加入很少一点杂质，就可以显著地降低熔点。

大多数物质熔解时体积膨胀，凝固时体积缩小。但也存在反常情况， 如水、灰铸铁、锑、铋等物质，在熔解时体积缩小，凝固时体积膨胀，这是由晶体结构的特殊形状决定的。

熔解热（heat of fusion） 参见熔解和凝固。瑞

利干涉仪（Rayleigh interferometer） 一种测量折射率的分波阵面干涉仪，又称瑞利折射计。两束相干光分别通过两个相互平行且长度相等的长玻璃管。首先使这两支玻璃管内充满折射率（n′）相同的气体， 此时接收屏上显示出某种干涉条纹。然后将一根长玻璃管中的气体抽去， 充以待测气体（折射率为 n）。由于折射率的变化，使通过这两根玻璃管的光的程差改变（n-n′）l，这里 l 为管长。如果使用波长为λ的光，这种光程差改变所引起的条纹移动数为Δm，则待测气体的折射率可从如下关系式中求出：（n-n′）l=Δmλ。若瑞利干涉仪的玻璃管长度为 1 米，使用可见光的波长为 0.5500 微米，则折射率的变化能测准到 10-8 量级。

瑞利盘（Rayleigh disk） 精确测定声场中质点速度的装置。由于它的测量原理是根据瑞利于 1882 年发现的一种现象得到的，故名。瑞利盘是一个用细丝悬挂的刚性薄圆盘，圆盘的半径 r 甚小于声波的波长，在声波的作用下，根据圆盘的偏转角，圆盘的半径、厚度和密度，媒质的密度及悬挂系统的周期等，可算出质点的速度和传声器表面处的声压，由此可绝对校准传声器的声压灵敏度。本方法由于装置复杂、操体繁琐，一般情况下已不采用。

润湿（wetting） 液体和固体接触处的一种表面现象。当液体和固体接触时，如果在界面处液体一侧附着层沿固体表面扩展并附在固体表面上，这种现象便称为液体润湿固体。反之，如果液体附着层沿固体表面收缩甚至完全不能附在固体表面上，则称为液体不润湿固体。同一种液体， 对某些固体是润湿的，而对另一些固体可能是不润湿的。润湿和不润湿是由固、液分子间的相互吸引力（附着力）与液、液分子相互吸引力（内聚力）的作用大小决定的。在附着力大于内聚力的情况下，液体附着层的分子受到这两种作用力的合力，方向垂直于附着层表面，从液体指向固体内部，这时附着层内分子趋于紧密排列，液体分子之间出现排斥力，从而使附着层扩展开来，并附在固体表面上，形成了润湿现象。反之，当内聚力大于附着力时，附着层内分子趋于稀疏排列，出现与表面张力相似的收缩力。使附着层与固体表面的接触面积缩小，形成了不润湿现象。润湿

润湿和不润湿液体的接触角

和不润湿的程度可用接触角进行描述。在液体和固体接触的交界处分别作液体表面和固体表面的切线，两切线所形成的包含液体的那部分夹角θ称为接触角（见图）。对润湿液体，θ为锐角（图中（a）、（a′）），θ 越小，湿润程度越大；对不润湿液体，θ为钝角，（图中（b）、（b′））， θ越大，不润湿程度越大。

S

萨拉姆（ Abdus Salam 1926～） 巴基斯坦物理学家。生于占格。14 岁就入旁遮普大学，18 岁以第一名成绩毕业。1946 年再以第一名成绩获硕士学位。同年剑桥的圣约翰学院授予奖学金。1949 年获该院数学、物理学双第一的荣誉学士学位。1951 年任拉合尔管理学院教授。1952 年任旁遮普大学数学系系主任。同年获剑桥大学数学和物理学博士学位。1957 年任伦敦帝国学院理论物理学教授。1959 年当选为英国皇家学会会员。1964 年在意大利里雅斯特，创立了国际理论物理学中心，一直任这个中心的负责人。1983 年任第三世界科学院第一任院长。

主要贡献是对电弱统一理论的研究，获 1979 年诺贝尔物理学奖。1962 年，和温伯格经过多年的研究，在统一弱相互作用和电磁场的理论方面， 各自取得了重大进展。萨拉姆的研究成果表现在规范场理论和黑格斯机制，并预测了中性流的存在。1964 年提出了关于中性流的理论。温伯格也曾提出过这一理论，被称为温伯格—萨拉姆模型。这一模型是第一次建立了弱相互作用和电磁相互作用联系的电弱统一理论。在此之前，1951 年发表的博士论文中，已包含了对量子电动力学的基础性研究，即重正化理论。1952 年提出两种中微子理论。1957 年提出在中微子的静止质量为零与弱相互作用中宇称不守恒这两者之间存在着直接的联系。1961 年与沃德合作共同提出基本粒子的强相互作用也应当符合整体对称。预言了同一自旋介子的八重态，在强相互作用中所起的作用与光子在电动力学中的作用相类似。1962 年对戈德斯通定理给出了一般性证明，揭示了相对性场论中连续对称性自发破缺如何导致零质量粒子的出现。1964 年提出了通过黑格斯机制使中间玻色子获得静止质量的电弱统一理论。此后在 1973 年合作提出了统一描述夸克和轻子的帕提—萨拉姆模型，预言了质子的衰变。这项工作为大统一理论开了一个头。萨拉姆十分热心于理论物理学方面的国际交流，并把所得诺贝尔奖金捐作培养发展中国家的物理学家的费用，为加强和促进第三世界科学家之间的联系与合作作出了重大贡献。

三角形联接（delta connection） 亦称“△形联接”，简称“△ 接”。一种典型的电路联接方式。因其示意图形状而得名。

三相电源的三角形联接 三相交流电源联接方式之一。将三相交流发电机中的三个单相绕组依次首尾相接，形成一个闭合电源回路的接法。参见“三相三线制”。

三相负载的三角形联接 当每相负载的额定电压与电源的线电压相同时所采用的联接方式（图 1）。这种负载可以是对称的，也可以是不对称的。

图 1 三相负载的三角形联接

图 2 电阻的△接变换为接

电阻的三角形联接 亦称“三角形网络”。复杂电路中常见的一种电阻联接方式，如图 2 中虚线部分所示。它可以等效地变换为星形联接，如实线部分所示，变换式为

R = Rab R ca ,

^a R + R + R

ab bc ca

R = Rbc Rab ,

^b R + R + R

ab bc ca

R = Rca + Rbc .

^c R + R + R

ab bc ca

三相点（triple point） 参见相和相变。

三相交流电（three-phase altermating current） 由三组频率和振幅相同而位相彼此相差 2π/3 的正弦交流电组成的供电方式。三相交流电动势可表示为

• A (t) =

• B (t) =

• C (t) =

• sinwt, 2■sin(wt - 2π / 3), 2■sin(wt - 4π / 3).

式中■是交流电动势的有效值，■（t）等则是各电动势的瞬时值，其波形

如图 1 所示。由三相交流电源在电路中产生的三相交流电压和三相交流电流也都有完全相似的表达式和波形。

图 1 三相交流电动势波形

三相交流电通常是由三相交流发电机产生的。这类发电机的转子一般为转动的电磁铁，定子则由三个完全相同的线圈构成，放置方式有两种： 一种是三个线圈与转子共轴放置，各线圈的输入端相互相隔 120°电气角。如图 2（a）所示。另一种是三个线圈的轴与转子轴垂直，且都通过转子的轴，相互间隔 120°，如图 2（b）所示。电磁铁转子在其他动力机械带动下做匀速转动，从而在三组定子线圈中产生按正弦规律变化的感生电动势。它们的频率和振幅都相同，但由于放置位置互相间隔 120°，因而达到同一瞬时值的时间依次相差三分之一周期，其位相依次相差 2π/3。把这三组对称的交流电动势作星形联接或三角形联接，便成为三相交流电源。

图 2 三相交流发电机结构示意图

三相交流发电机充分利用了转子产生的交变磁场空间，能形成较大的发电能力。通过不同的联接方式，可适合不同的用电需要，还能直接启动感应电动机。因此，工业和民用交流电几乎都是由三相交流发电机提供的。民用的单相交流电通常也是由这种三相交流电中的一相提供的。

三相三线制（three-phase three-wire system） 三相系统中使用三根导线实现三组交流电传输的联接方式。有三角形接法（图 a）和不引出中性线的星形接法（图 b）两种。适用于供电给对称负载，如电动

三相三线制

机、三相电炉等。若负载不对称，各相负载的相电压不相等，则这种联结方法将影响负载的正常工作。例如，灯泡照明负载，若某相电压低于额定电压，灯泡亮度就不足；若某相电压高于额定电压，灯泡寿命就缩短，甚

至烧毁。特别是在不用中性线的星形接法中，一相负载断路，即相当于两相负载串联的单相电路。电源电压在两相负载上按阻抗分配，将出现异常或危险的情况。因此，采用不引中线的三线制星形联接必须确保负载对称。否则，应采用三相四线制。

三相四线制三相四相线（three-phase four-wire system） 三相系统中使用四根导线实现三组交流电传输的联接方式（奴图）。即引出中性线的星形联接。发电机各相线圈的始端（或末端）联接点 N 和各相负载的联接点 N′都称为“中点”，联接 N 和 N′的导线称“中性线”或“中线”联接各相线圈末端（或始端）与各相负载另一端间的导线都称为“相线”或“火线”。中线较相线为细。三相四线制既能给对称负载供电，也能给不对称负载供电。既能用相电压（Vϕ）供电，又能同时用线电压

（V= 3Vϕ ）供电。由于这些优点，故被广泛采用。我国供电系统采用的是相电压为 220V、线电压为 380V 的三相四线制供电。其中 220V 供民用，380V供动力用。民用电实际上是三相四线制中的一相，故有两条输电导线，一

条为相线，一条为中线。工业上的动力装置大多使用线电压，可以通过两

条相线供电，也可以通过三条端线为三角形联接的对称负载供电。

扫描隧道显微镜（ scanning tunneling micro- scope ） 利用电子隧道效应原理工作的用于表面研究的新一代显微镜，亦简称 STM。当两个电极间隙很窄（几个原子直径）时，将有少量电子流过绝缘介质，这就是电子隧道效应。在扫描隧道显微镜中，一个电子做成尖锥形的探针， 被观测的样品表面作为另一个电极。将原子线度的极细针尖在接近样品处

（针尖与样品的距离小于 1 纳米）扫描，通过检测隧道电流随距离的变化， 而得到样品表面的形貌。

STM 首先由瑞士的罗赫尔和德国的宾尼于 1981 年发明。由于该项杰出贡献，宾尼等人荣获 1986 年度诺贝尔物理奖。我国于 1988 年 4 月由中国科学院化学研究所研制成功一台 STM，据测得的数据表明，该仪器垂直于表面方向的分辨率高达 0.01 纳米，横向分辨率为 0.1 纳米。该仪器由计算机、高分辨图像显示终端、电子控制线路和扫描隧道显微镜主体等四部分组成。由于它具有原子分子水平上的高分辨率，并且实验可以在真空、大气、常温、低温甚至水溶液条件下进行，因此在表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术等领域都有着重大的意义和广阔的应用前景。它的问世，为人类认识微观世界的奥秘又提供了一个有力的工具，被国际科学界公认为表面科学和表现现象研究技术的一次革命。

色（colour） 亦称色荷。是夸克的一个基本属性。与通常“颜色” 一词的含义完全无关。色或色荷是强相互作用的源，可与电荷是电磁相互作用的源类比。夸克之间所以存在强作用，就是因为夸克带有色或色荷。带有色荷的夸克周围空间存在“色场”，夸克之间的强相互作用是通过色场传递的。构成色场的量子称为胶子，所以也可以说夸克之间的强作用是通过胶子传递的。

尽管可以将色荷和电荷相比拟，色场与电磁场相比拟，胶子与光子相比拟，但是色荷之间的强相互作用与电荷之间的电磁相互作用具有根本区别。这种区别主要表现在三个方面。首先，迄今的实验已经证实，每种夸克可以带有三种不同的色，例如可称它们为“红、蓝、绿”，也可称为“红、蓝、黄”。因为它们并非通常含义下的颜色，所以其符号可以任意选用。

其次，传递电磁作用的光子本身不带电，但是传递强作用的胶子本身却带有色荷，且胶子的色荷有 8 种。由于胶子带有色荷，所以由它传递的强相互作用的性质比电磁作用复杂得多。最后，色荷的作用是一种短程力作用， 完全被“禁闭”在强子线度（～10-13cm）以内的微观世界中。一切强子都不带有色，或者说一切强子都是白色的。所以，构成强子的所有夸克的色必须互补，从而使整个体系无色。例如质子 P 是由两个 u 夸克和一个 d 夸克构成的，因此这三个夸克必须分别为红、蓝、绿，以致它们所构成的质子系统无色。π+介子由一个 u 夸克和一个反夸克d 构成，因而若 u 夸克带红色，则反夸克d 必须带有反红色，以致π+介子的色荷为零。夸克和胶子带有色这个结论已为许多实验所证实。

色心（colour center） 是一种重要的点缺陷。把碱卤晶体如氯化

钠放在碱金属气氛中加热，然后让其自然冷却到室温，这时原来透明的氯化钠晶体变成了淡黄色。这个过程又称为增色过程，而色心就是在这种增色过程中形成的。

碱金属卤化物、碱土金属氟化物等透明的离子晶体中，电子的导带和价带之间的带隙（禁带）较宽，从红外直至紫外波段的各种能量的光子都不足以使价带电子激发到导带，因此它们不能被这些晶体所吸收。但离子晶体中的点缺陷本身是个带电中心。例如碱卤晶体中的卤素负离子空位是个带正电荷的中心，由于库仑作用它会吸引一个电子在它的周围运动，这被俘电子能吸收某一波段的可见光，从而原来透明的晶体呈现出相应的颜色。这种光吸收中心就是色心。色心可分为电子中心和空穴中心两大类。最简单的电子中心是 F 心，它由负离子空位俘获一个电子组成，碱金属卤化物晶体中的 F 心的特征吸收带通常在可见光波段，例如它使氯化钠

（NaCl）呈黄色，溴化钾（KBr）呈紫色，氟化锂（LiF）呈红色等。最简单的空穴中心是 V 心，它由金属离子空位俘获一个空穴组成，它的吸收带一般在紫外波段。色心的存在会对某些固体电子器件带来危害。但利用色心也可实现高密度信息存储，制造可调谐激光器等，因此在许多技术领域有着广泛的应用。

熵（entropy） 描述热力学平衡态性质的一个重要态函数。在一定条件下利用熵函数的变化可以判定系统内部自发过程进行的方向。

克劳修斯在研究可逆卡诺热机时首先注意到，当一个热力学系统从平

衡态Ⅰ变化到另一平衡态Ⅱ时，不管经历什么样的可逆过程，积分值∫II dθ

I T

是一个确定的值（式中 dθ表示温度为 T 时系统在一无穷小过程中所吸收

II dθ

的热量）。根据上述特性，可以引入态函数熵 S，它的定义是 SII-SI= ∫ T ，

这里 SI 和 SII 就是系统分别处于平衡态Ⅰ和Ⅱ时的熵。在实际的热力学问题中，可以选定任意一个初态Ⅰ的熵值为某一常量，再由上式得到系统处于其他平衡态时的熵。因此，由上式所定出的熵 S 包含了一个任意常量。为方便起见，有时规定初态的熵为零，从而定出其他态的熵值。例如在热工学中制定水蒸气性质表时，通常取 0℃时饱和水的熵值为零。在热力学第三定律建立以后，普朗克提出可以选绝对零度时热力学系统的熵值为零。以此为初态，由上式得到的熵不再包含任意常量，这就是绝对熵。熵的量纲是能量量纲与温度量纲之比，它的单位是焦/度（J/K）。熵是一个

可加物理量。

当系统经历不可逆过程从平衡态Ⅰ过渡到另一平衡态Ⅱ时，熵的改变

SII - SI ＞∫

II dθ

T 。由于初态和末态确定以后，熵的差值也相应确定，因而上

I

式表明，沿不可逆过程从Ⅰ到Ⅱ的过程中到Ⅱ过程的积分值。

dθ 的积分值小于沿可逆过程从Ⅰ

T

SII - SI ＞∫

II dθ

T 是热力学第二定律数学表述的积分形式，其中等号对应

I

于初态和末态均为平衡态的可逆过程情况；不等号对应于初态和末态均为平衡态的不可逆过程情况。

对于无限小变化的过程，ds≥

dθ ，这是热力学第二定律数学表述的微

T

分形式，等号指可逆过程，不等号指不可逆过程。

上述关于平衡态熵函数的定义可以被推广到非平衡态。当热力学系统处于非平衡态时，可以把系统分为许多小系统，每一小系统可以近似地看作处于某个平衡态，这种平衡态称为局域平衡。对每个处于局域平衡的小系统给出熵的定义，再根据熵函数是可加量的性质，把整个系统处于非平衡态时的熵表示为所有局域平衡态的熵之和，这种非平衡态的熵称为广义熵。对于初态和末态都不是平衡态的过程，广义熵的变化也满足ΔS≥

∆Q

T ，其中等号对应可逆过程，不等号对应不可逆过程。

对于一个孤立系统内部发生的各种过程，由于系统不与外界交换热量，ΔQ=0，因此不论初态和末态是否平衡，都可以得出ΔS≥0。它表明， 在可逆的绝热过程中系统的熵不变，而在不可逆的绝热过程中熵总是增加，这个结论称为熵增加原理。任何自发的不可逆过程（例如气体向真空的自由膨胀或热量从高温物体向低温物体的传递等）都可以在不受外界影响的条件下发生，而且总是伴随着从非平衡态向平衡态的逐步趋近。从熵增加原理可知，系统越接近平衡态，熵（或广义熵）越大，直至到达稳定的平衡态，系统在不受外界影响下状态不再变化，这时熵函数出现极大值。由此可见，熵函数的变化给出了判断自发不可逆过程进行的方向和限度的依据。

以普里戈金为代表的比利时布鲁塞尔学派提出，在允许与外界交换热量和物质的非孤立的开放系统中，除了因内部的各种不可逆过程（如热传递、物质扩散等）引起的熵增加 diS 以外，还存在着由热量和物质的交换引起的熵流动 deS，因而总的熵改变是 ds=diS+deS。根据熵增加原理 diS≥ 0，但是 deS 却可正可负，一旦存在负熵流使 diS=-deS，就会导致 dS=0， 即这个开放系统处于总熵不变的非平衡定态。由热量和物质交换引起的负熵流绝对值越大，该系统将越偏离平衡态，且非平衡定态的熵比平衡态的熵越小，这就使远离平衡的非平衡开放系统可能出现一种稳定的新的宏观有序结构，这就是“耗散结构。”

从分子运动论的观点看，熵增加表示系统内部分子运动的混乱程度增大，每个分子在空间运动的可允许范围增加，分子速度取较大数值的可能性也增大，从而处于一种更“无序”的状态。统计物理学进一步建立了熵

函数和系统可出现的微观状态数（热力学概率）的关系。熵越大，对应的微观状态数越多，宏观状态就显得越“无序”。因此，熵函数是微观粒子热运动无序性的一种量度。从这个意义上说，孤立系统从非平衡态趋于平衡态的过程就是走向无序的过程，而开放系统在远离平衡的一定条件下出现耗散结构，则是从无序到有序的演化。

熵增加原理（principle of entropy increase） 参见熵。

摄动（perturbation） 一个天体绕另一个天体按二体问题规律沿一定轨道运行时，因受其他天体吸引或其他因素的微小影响，使天体运动偏离原来轨道的现象。例如月球绕地球运行时受到太阳和其他行星吸引以及地球的影响，偏离按二体问题规律运行的轨道，而发生摄动。影响天体运动的摄动因素很多，有万有引力引起的保守力，有介质阻尼引起的耗散力，有连续作用的力，也有如辐射压引起的间断力等等。影响大行星运动的主要摄动因素是行星间的相互吸引；地球大气的阻尼使卫星陨落于地面；太阳辐射压决定着彗尾的形状；潮汐摩擦则是卫星轨道演化的主要动力。只有准确掌握各种摄动因素，才能正确无误地计算天体的运动，解释各种壮观的天象。

为解决摄动问题，发展了一套近似方法，称为“摄动方法”或“摄动理论”，即把体系未受摄动作用的解作为近似解，再用近似方法考虑摄动作用对解的影响，对解作一定的修正，这种方法最早由英国物理学家瑞利提出，有时称为“参量改变法”。近年有些天文学家认为处于太阳系外边的几颗大行星都受到摄动作用，这是由于冥王星之外的某些天体的引力引起的，因此激发了人们寻找太阳系第十颗行星的兴趣。

在物理领域内，类似摄动的概念称为“微扰”，相应的方法称为“微扰方法”或“微扰理论”，微扰法在量子力学中有重要应用。

摄氏温标（Celsius thermometric scale） 参见温标。

射流技术（ fluidics） 利用射流运动原理制成器件来实现自动控制的一门技术。射流技术一词由“流体”（fluid）和“逻辑”（logic） 两词组合而成。所谓射流是气体或液体从孔口或管口高速喷射成束的流体。如药水从注射器针头喷出，空气从打气筒中压出等。射流在流动中具有以下特性：①空吸作用：根据伯努利方程，高速流动的射流使压力减小， 周围流体就会流向该处。利用空吸作用可制造各种设备与仪器，例如喷雾器、水流抽气机等；②附壁效应：在射流两侧加两块平行挡板，若它们到射流束的距离不等，则射流两侧会出现压力差，射流将向着距离较近的挡板弯射过去，最后会贴着此板喷射出去；③偏转效应：两股相互垂直的射流同时从喷嘴中射出，汇合之后的射流将偏转一个角度，而偏转角度的大小与原来两股射流的动量有关。

利用射流的上述物理特性，可制成各种不同性质的元件，如附壁式元件，动量交换式元件，以及湍流式、涡流式和混合式元件，再与一些相应的附件组成控制系统，应用于工业生产中进行自动控制，这就是射流技术。按工作物质分，有气动和液动两类；按工作方式分，有数字式和模拟式两类。数字式流控元件多由附壁式元件组成，可制成“非门”、“或门”、“与门”和“或非”等元件，以及计数触发器、振荡器等，这些元件的任一输出孔只有两种状态：有气流输出或无气流输出，相当于电子元件中的“开”与“关”。由此组成比较、检测、逻辑运算、程序控制等线路；模

拟式流控元件多由动量交换式或流控元件构成，可制成流量放大器、压力放大器和功率放大器等，可用来控制温度、流量、压力等物理量的连续变化。

射流技术具有结构简单、工作稳定可靠、耐用、操作安全、工效高、不受各种辐射、电磁波和温度的影响，并能抗腐蚀、抗震、抗爆等优点， 因此在机械、化工、轻工、交通、导弹、原子反应堆、宇航技术等部门有着广泛应用。但它也有缺点：与电子元件相比，它的反应动作较迟缓，不适应高速动作的要求；它对流体的净化要求极高（否则会污染元件孔道而改变几何形状产生误动作），这影响射流技术的推广。

沈括（1031～1095）北宋科学家、政治家，字存中。杭州钱塘（今浙江杭州）人。至和元年（1054）出仕任沐县（今江苏省沐阳县）主簿。嘉祐六年（1061）任宣州宁国（今安徽省宁国县）县令。参加了万春圩水利工程的修筑。嘉祐八年（1063）中进士，不久入京编校昭文馆的书籍。熙宁五年（1072）兼提举司天监。沈括积极参与了当时的王安石变法，曾赴两浙考察水利，巡视新法的实施。熙宁八年（1075）出使辽国进行边界谈判，驳斥了辽国的无理要求。次年拜翰林学士，任权三司，掌管全国的经济和财政。元丰三年（1080）改任祐延（今陕西北部）路经略安抚使，抗击西夏侵扰。元丰五年因徐禧失陷永乐城，连累坐贬。晚年居润州，筑梦溪园（今江苏省镇江东），举平生见闻撰《梦溪笔谈》，绍圣二年（1095） 病卒。

沈括知识渊博，治学严谨，注重观察、实验和实地考察，并在此基础上“原其理”或“以理推之”。在天文上，他力主在实测日、月、五星行度的基础上改进历法。为了测验极星与北天极的确切位置，他连续观测了三个月，作图两百余幅，最后得出了极星“离天极三度有余”的结论。他还重视观测仪器的改进，熙宁七年（1074）新制浑仪、浮漏等，多有创新。在历法上，他提出《十二气历》，以立春为岁首，大尽 31 日，小尽 30 日。大月和小月相间，每年两个小月相并。这历法比现行的公历——格利高利历还要合理。在数学上，他创立了“隙积术”（二阶等差级数的求和法）、“会圆术”（已知圆的直径和弓形的高，求弓形的弦和孤长的方法）。在地质上，他由雁荡山的地形，认识水的侵蚀作用，从太行山岩石中的生物遗迹，推论冲积平原形成的过程。他在物理学上，发现了地磁偏角的存在， 阐述了凹面镜成像原理，对共振现象也进行了研究（详见《梦溪笔谈》中的物理知识）。

他很重视人民的实践经验和创造发明。他说：“至于技巧、器械，大小尺寸、黑黄苍赤，岂能尽出于圣人！百工、群有司、市井、田野之人， 莫不预焉”。他亲自推荐布衣卫扑修成《奉元历》，水工高超、木工喻皓、发明活字印刷术的毕昇，在《梦溪笔谈》中都有记述。他十分留意当时的技术生产情况，炼铜、炼钢、采盐、造船、水利工程，凡有所见，无不详为记录。他还为石油命名。他精究药用植物和医学，留心收集有效的方药。著有《灵苑方》已佚。又有良方十卷（附入苏轼的医药杂说中，改称《苏沈良方》）。除《梦溪笔谈》外，著述传世的尚有《长兴集》41 卷（残）。使辽所撰《乙卯入国奏请》、《入国别录》，在《续资治通鉴长编》中还保留一部分。

渗透压（osmotic pressure） 在加入溶质的稀溶液（例如少量糖

溶于水中的糖水溶液）中所出现的高于同温度下纯溶剂（例如纯水）的那部分附加压强。

糖溶液的渗透压实验装置示意图

显示渗透压的实验装置如上图所示。取一杯水，将一根两端开口的细玻璃管插入水中，这时玻璃管中的水平面显然与杯中的水平面一样高。然后，用一片很薄的半透膜包住玻璃管的管底，它的作用是只允许溶剂（水） 分子通过，而不允许其他溶质（例如糖）分子通过。再将管子插入水中， 并在管中加入少量糖，于是从半透膜通过的水在管内形成了稀糖水溶液， 而杯内没有糖溶入，依然是水。此时可以发现，管中糖溶液的水平面高于杯中水平面。这表明在达到平衡后半透膜一边糖溶液的压强高于另一边水的压强，这个附加压强的大小是π=ρsgh（ρs 是糖溶液密度，g 是重力加速度，h 是高度差），这个附加压强就是渗透压。

在很稀溶液的情况下，渗透压π与溶液体积 V、溶质摩尔质量 n 之间存在着类似理想气体状态方程那样的关系：π V=nRT，这个关系式称为范霍夫定律。从这个定律可以得出，溶质分子量越小，渗透压越大。反之，一旦在实验中测得渗透压以及溶液的浓度，就可以由范霍夫定律确定溶质分子的分子量。

声（sound） ①在弹性介质中传播的压力、应力、质点位移和质点速度等的变化或几种变化的综合，简言之，是机械振动在弹性介质中的传播过程。②指上述变化作用于人耳所引起的感觉。为清楚起见，前者最好称为声波，后者称为声音（或声觉）。严格说声与音是有区别的，不能混淆。现在把“声”作为总称，音是有音调的声。

一个物体振动时，会激励周围空气质点振动，由于空气的可压缩性， 在质点的相互作用下，四周空气就产生交替的压缩和膨胀过程，并向外传播。一般来说，凡是有弹性的物质，如液体和固体等都能传播声波。潜在水里的人能听到声音，附耳在铁轨上可以听到远处的火车声就是一例。声波的频率范围相当宽，从 10-4～1012 赫。但一般人耳听到的声波频率为 20～ 20000 赫，低于 20 赫的称为次声，高于 20000 赫的称为超声。而人耳听觉能量范围却要宽得多，人耳能忍受的最大声强约为 1 瓦/米 2，比刚可听到的同频率的声强（约为 10-12 瓦/米 2）大 1012 倍。

声波（sound wave ） 在弹性介质中传播的一种机械波。在弹性介质中，质点间有弹性作用，当质点偏离其平衡位置时即发生应变，在弹性力作用下来回振动，又引起周围质点的应变与振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为惮性波。由于空气具有可压缩性（即具有弹性）， 在质点的相互作用下，周围空气就产生交替的压缩与膨胀，空气质点的振动方向与波传播方向一致，所以空气中的声波是纵波。在液体中的声波也是纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波（即质点振动的方向与声波传播的方向垂直），有时还有纵横波。

振动的物体就是声源，一定频率范围和能量范围的声波传入人耳时， 能引起鼓膜振动，刺激听觉神经而产生声的感觉。一般来说，频率低于 20

赫的声波（称为“次声波”）和高于 20000 赫的声波（称为“超声波”） 都不能引起鼓膜的振动，因而不能引起人的声觉。只有频率介于这两者之间的声波人才能听到，因而这一频率范围内的声波称为“可听声”。从能

量范围来说，声音强度小于 10-12 瓦/米 2 的声波不能为人所感觉；而大于 1

瓦/米 2 的声波只能引起人的痛觉而不能引起声觉。

声波中的扰动，一般都非常小，以致在运动方程的二次方项及以上各项，都可忽略，这类声波称为线性声波（或称小振幅声波）；否则称为非线性声波（或称有限振幅声波）。两者在性质上有很大差异。线性声波早就进行大量的研究，且人类日常生活中遇到的大多数情况，几乎都是线性波。

声成像（acousticimaging） 用声波或超声波照射物体，再将从物体反射和散射回来的声波收集并记录下来，以得到该物体的图像的技术。声成像技术可以用来了解物体内部的情况。由于很多物体具有不透光而能透声的特性，因此要了解这些物体内部的细节，必须用声（超声）的方法。有些物体虽然能透光，但光学反差远比声学反差小，利用声成像来了解这些物体的内部情形，效果更好。近一二十年来，随着尖端技术（核反应堆、潜艇、载人空间飞船等）的发展，对无损检验的方法要求更高。为了保证其可靠性，必须检测出各种部件和结构中的缺陷与杂质，而声成像技术能很快地推断金属内部的缺陷与杂质。在医学诊断中，应用声成像的方法， 可使胎儿、被阻塞的静脉和动脉，以及早期肿瘤等成为可见。声成像虽然不能说完全能替代 X 射线，但在避免 X 射线的积累损伤效应方面，却是十分优越的。

声成像的研究已有几十年的历史。在第一次世界大战中，人们首先使用声呐系统的脉冲回波技术来探测水下敌人的潜艇，以后发展成横截面成像，现在已发展成纯粹全息式到纯粹透镜成像新系统。在声成像技术中， 把不可见的声波记录下来并转换成可见像，最常用的是利用电声效应和声光效应。声成像的工作频率一般约为数兆赫至数十兆赫。声成像在医疗诊断、工业无损检测、海洋勘测、地震预报和超声显微等方面的应用日益广泛。声成像技术的最近发展尚有下述两个方面：①近年来发展的超声显微镜和光声显微镜都采用了极短的波长，达到与光波可比拟的分辨率；②光全息成像技术的成功，促进了声全息这一新成像方法的研究。有人预言， 总有一天声成像技术能发展到“使人体变为透明”、“使海水变为透明” 的地步。

声发射（ acoustic emission） 又称声放射、应力波发射或简称为 AE。由于应力的存在，材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时迅速释放能量而产生弹性波的一种声波发射现象。它的频谱可从声频直到超声频，它的波形或发射规律与材料的性能、受应力的情况等有关。利用材料受负载时产生声发射的能量、频谱和频度，可研究材料破坏过程和机理， 判断材料或构件的抗断裂性能，由此形成了声发射技术。

声发射技术可应用于：①固体材料的研究。材料在相变过程中产生声发射，声发射则表征着材料的特性，从而可以研究单晶、多晶和复合材料的形变，还可以用来研究材料中裂缝处破裂的机理。研究岩石中的形变和破裂过程，可用于矿山的崩塌和滑坡、塌方等的预报；根据接收到的地震波（应力波和声波）来推知地震发生的地点和强度。②结构安全程度的检测。当结构材料中出现裂缝或结构被加载时，通过声发射现象的变化，可以监测结构物的安全程度、发现裂缝和估量裂缝的严重程度。现已形成一门无损检测方法，如检测核工业、石油工业中的压力罐、火箭发动机罩、

建筑结构、桥梁、管道等，也可用声发射技术来检验焊接的质量等。

声辐射计（acoustical radiometer） 由测定声波行进时对障碍物施加的稳恒声辐射压力来量度声强的仪器。对测量较高频率（一般在50kHz 以上）的超声声源的总声功率特别有效，可达到较高精度。其结构原理如图所示。内外容器内分别盛有密度为ρ0 和ρ1（ρ0＞ρ1）的液体。声源发射头浸没在密度为ρ1 的外容器的液体中，用玻璃制成的浮沉子浮在密度为ρ0 的内容器的液体中。当声源向液体内辐射声波时，沉浮子受到声辐射压而下沉。根据液体密度ρ0、ρ1、浮沉子的结构参数及浮沉子沉降的高度可算出声功率，再除以声源的辐射面积，就可测出声源的声强。用声辐射计测声源的声功率时，声源的功率越大，测量误差越小。

声辐射计原理图声干涉仪原理图

声干涉仪（acousticinterferomter） 利用驻波原理测量声波在

媒质中的传播速度的仪器。它的工作原理是，靠辐射压电晶体在被测媒质中发射一个超声波束，以便在发射晶体和反射器之间得到一个驻波系，反射器与晶体之间的距离可用螺旋调节，如图所示。振荡器接在晶体上，而且调谐在晶体共振频率上。当晶体和反射器之间的距离改变时，引起振荡器输出电流变化。在半波长的位置上，输出电流出现急剧降落，这表明此时在晶体表面和反射器之间的驻波系对振动晶体的端面施加了一个很高的机械阻抗。根据测出的反射体与晶体之间的距离 l 上的半波长数 n 及晶体的振动频率，可求得被测媒质中声的传播速度 v：

v = 2lf ，

n

衰减则可按输出电流的最大值和最小值随距离的变化率求出。用干涉仪测量速度的准确度在万分之一以内，测量衰减的准确度在百分之几以内。

声级计（soundlevelmeter） 参见声压。

声量（volume） 即响度。

声呐（sonar） 利用声波对水下物体进行探测和定

位识别的技术和设备的总称。它是英文 sonar 一词的音译，sonar 一词由 soundnavigationandranging 的缩拼字组成，原意是“声音导航和测距”。在陆地上可用雷达探测千里以外的物体，这是运用电磁波遇到物体将被反射回来的原理而实现的。但是电磁波在水中传播时，其能量将很快被水吸收，因而不能传播较远的距离。而声波在水中却很少被吸收，传播距离可达几千公里。声波在水中传播的速度约为 1500 米/秒。声波是目前已知的唯一能在水中远程传播的波，所以声呐便成为水中深测目标、传递信息的有效工具。

声呐可分为主动式与被动式两大类。①主动声呐（回声定位声呐）： 本身发射声波，然后当声波遇到被测物体时便反射回来，再由接收器接收， 并经过声电转换及信号放大等步骤显示在荧光屏上。根据发射声波的方向以及来回所经历的时间间隔，就可计算出物体的方位和距离。主动声呐可

用于侦察潜艇和海底障碍物等。②被动声呐（噪声测向或测距声呐）：本身并不发射声波，但能接收其他物体在水中发出的声波，从而发现各种舰艇的马达声以及其它发声物体。

声呐通常是在超声波段工作的，因为超声波在水中传播时损耗小，且波长较短，易聚成细束。再则目前技术上已能制造功率很强的超声波源。声呐一般由振动器、收发控制器、发射器、接收器和距离指示器等部分组成。

声呐技术最早出现于第一次世界大战时期，以后随着科学技术的进步，声呐技术得到了很大的发展，目前已能制造分辨率和准确度都很高的声呐系统，利用这种系统甚至可以分辨出远距离的一小块铁块。声呐在军事上很有用，它不但是探测潜没在水中的潜艇的主要手段，也是潜没在水中的潜艇了解周围环境的主要工具，常常被喻为舰艇的水下“耳目”。一艘现代的潜艇上通常装置十余部各种类型的声呐装置。此外，声呐还被用于探雷、制导、导航以及航道测量等方面。在民用方面，声呐常应用于捕鱼、海底地质勘探、水下定位、石油开发和海洋研究等工作中。声呐还可用来制造供盲人使用的定向仪器。

声能（acoustic energy） 介质中由于有声波存在而具有的附加能量。声波由声源向四周传播到介质中的某一位置时，该处原来不动的质点开始运动，因而具有动能；同时该处的介质也发生形变（疏密有变化）， 因而具有势能。这样，介质由于有声波存在而有了一定的附加能量，这就是声能。声能与声波振幅的平方、声波频率的平方以及介质的密度成正比。

声强（intensity of sound） 声强度的简称

声强度（intensity of sound） 简称声强。在空间某点指定方向上的声强，就是单位时间内通过与指定方向相垂直的单位面积的声能。单位为瓦特/米 2（W/m2）。声源的振幅大、频率高，声波的振幅也大，频率也高，单位时间内传出去的声能也大，因此声强与声波所传播的能量密切相关。点声源发出的声波在向各方向传播时，声强与离开声源的距离平方成反比。

声强级（sound intensity levd） 声场中某点的声强度与基准声

I

强度之比的常用对数乘以 10。单位是 dB。其公式为 LI=10lg I 。式中 I 是

某点的声强度，I0 是基准声强度，其值为 10-12 瓦/米 2。由于声学中常见的声强范围与声压范围非常大，为方便起见一般都用对数表示。先选一个基准值，一个强度等于其基准值的 10，000 倍的声，声强级为 40dB，强度为基准值的 1，000，000 倍的声，其声强级为 60dB。

由于在声学测量中功率不易直接测量得到，所以常用易于测量的声压表示。在空气中，某点的声强度与该点声压级在数值上几乎相等，虽随着环境温度和大气压强的变化而有微小差异，但一般可予以忽略。

声强计（sound intensity meter） 一种能直接测量空气中声和噪声的声强的仪器。它的基本原理是：采用两传声器测量，设 A、B 两处的声压为 PA 和 PB，两处间隔为△r（△r<<λ），则声强为

I = 1 (P + P )·(− 1

PA − PB dt),

r 2 A B

ρ ∫ ∆r

式中ρ0 为媒质的密度。

声全息（acousticalholography） 利用干涉原理来获得被观察物体声场全部信息（振幅分布和相位分布）的声成像技术。即将全息原理引进声学领域而产生的一种新的声成像技术和信息处理手段。它一般包括获得声全息图和声全息图重建物体可见像。其原理与光全息成像相似，不同之处是用超声波代替光波。它用一声频振荡器所激发的两束分开的声波（一束为物波束与物体相互作用；另一束为参考波束），在空间相遇后产生相位干涉，得到物体相位干涉图像，并用一点状接收器在某一平面上扫描检测，将其信息存储在磁带或计算机内。要使全息图重现，可将检测到的与扫描平面中干涉图案相对应的信息去调制一点光源的强度，此点光源作为一支“笔”，在荧光屏面上或照相机的焦平面上扫描出全息图，最后得到可见像。

声全息

声全息是 20 世纪 60 年代发展起来的一种成像技术。它可检测与显示可见光及 X 射线不透明的介质中的结构，近年来在原理方法和实验技术上作了大量研究，使声全息在医疗诊断、无损检测和水下显示等方面都有应用的可能，但由于声波波长较长、分辨率低、待测目标的散射比较复杂、重建像畸变较严重等缺点，使声全息在推广应用方面受到一定限制。

声速（speed ofsound） 声波在介质中的传播速度，又称音速，用c 表示。从本质上讲，声速是介质中微弱压强扰动的传播速度。在各向同性均匀介质中，声速与介质的密度与弹性性质有关，其公式为

c =

其中 k 为介质体积弹性模量，ρ为其密度。对于液体和固体，k 和ρ随温度和压强变化很小，主要随介质不同而异，故在同一介质中，声速基本上是一常数。在液体中声速在 1000～2000 米/秒；在固体中声速为数千米每秒。对于气体，k 和ρ随压强和温度变化均很大，由于声波传播很快，来

不及与外界交换热量，可视为绝热过程，其声速 c 可表示为 c= 。其

中 T 为热力学温度，R 为普适气体常数，γ为比热比。气体的声速每秒约数百米，如 0℃时空气中声速为 331.4 米/秒，且随温度升高而增大，温度每升高 1℃，声速约增加 0.6 米/秒。对于各向异性介质，声速随传播方向而异。在很多情况下，声速还与声波的频率有关，称为声频散。

声透镜（acousticlens） 利用声音在不同介质中传播速度不同而发生折射，使声音发生会聚或发散的透镜状装置。它可以是固体（如超声波中常用铝或塑料做成声透镜）或流体（如装在薄壁容器中的液体或气体做成声透镜）。其原理与光学透镜相似，所不同的是光学中常用的是玻璃透镜。由于光的玻璃透镜中的速度往往小于在周围介质（如空气）中的速度，而声音在声透镜材料中的速度通常大于在周围介质中的速度，因此声透镜外形与其所起的作用关系恰恰与光学透镜相反。光凸透镜起会聚作用，而声凸透镜却起发散作用，例如超声中常用凹形固体声透镜把超声波会聚在一起。除图为一装在普通扬声器口上的声透镜，它是利用狭片宽度的变化产生声波发散作用，使声音以较大角度向四周扩散，从而展宽扬声

器的高频指向性。

声透镜

声学（acoustics） 研究声波的产生、传播、接收和效应的一门科学。属物理学的一门分支学科。声学研究控制各种声源振动方式的规律和声源辐射的声波经各类媒质（固体、液体或气体等）传到人耳或其他一些需要声音地方的传播机理。

发展简史声音是人类最早研究的物理现象之一，从古代直到 19 世纪一直把声音理解为可听声的同义语。西方也是如此，“acoustics”的词源是希腊文“akoustikos”，意思是“听觉”。世界上最早的声学研究是在音乐方面，公元前 11 世纪中国商代已能制造石磬和成套的铜铙，这表明当时

已具有十二音律中的九律，并已有了五度谐和的观念。公元前 16 世纪古希

腊哲学家毕达哥拉斯已认识到音调和物体振动频率有关。公元前 5 世纪， 古希腊哲学家恩培多克勒曾把声设想为是由非常细致的物质构成的，它由声源发出，传入人耳，从而引起听觉。之后，古希腊的亚里士多德则认为， 发声物体会使空气产生压缩和疏稀，从而使声音传播开去，并根据反射的原理来解释回声。他还区分了音调、音强度和音色等概念。我国的《吕氏春秋》记载的“三分损益法”就是把管（笛、箫）加长或缩短 1/3，听起来都很和谐，这是最早的声学定律。

西方对声学的系统研究始于 17 世纪，伽利略发现了弦振动的规律，以后经过伽桑狄、牛顿、欧拉、伯努利、达朗伯和拉普拉斯等人的工作，终于建立了声学理论。可以说从那时到 19 世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对物体振动和声的产生原理作过研究。1738 年巴黎科学院用炮声测量声速，其值为 332 米/秒，与目前最准确的值 331.45 米/秒只差 1.5‰。

1687 年牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中阐明物体的振动要靠介质来传播，并且推导出声速等于大气压与密度之比的平方根的结论。1759 年欧拉用更清晰的分析方法求得牛顿的结果。1747 年达朗伯首次导出了弦的波动方程，并预言可用于声波。1816 年拉普拉斯指出，只有在声波传播中空气温度不变时，牛顿的结论才是正确的，而实际在声波传播过程中。空气密度变化很快，不可能是等温过程而是绝热过程。因此声速之平方应是大气压乘以比热比γ（定压比热与定容比热之比）与密度之比，由此计算出的声速理论值与实验值完全吻合。

19 世纪以前大量声学研究成果的最后总结是由瑞利作出的。他于 1877 年出版两卷《声学原理》，用统一的观点系统总结了声学的有关振动、传播、辐射等内容，可说是集经典声学之大成，开现代声学之先河。因此该书至今特别在理论分析方面常被人们引用。20 世纪以来，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生和接收、利用任何频率、任何强度的声波，使声学研究得到了迅速的发展。

学科内容 声学的研究内容十分广泛，除了经典声学外，现代声学以建筑声学、电声学以及相应的电声测量开始，后来随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的不断完善，人们进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；随着对语言和通讯广播的研究，发展了语言声学。20 世纪以来，特别是近 40 年来，由轻工业、交通事业的迅速发展， 噪声对环境的污染问题日益严重，促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲

击的研究。随着国民经济中大功率超声、高速喷气发动机等强声源的不断出现和日益广泛地应用，非线性声学便相应产生并得到很大发展。此外还有音乐声学、生物声学等分支学科，这些就构成了完整的现代声学体系。现代声学的特点 到 19 世纪末，人们逐渐形成了一种看法，认为声学

作为物理学的一个分支，已经很完善，故对它的研究兴趣逐渐下降。进入20 世纪以来，由于电子器件的出现和放大器的应用，声学又有了新的发展。现代声学研究主要涉及声子的运动、声子与物质相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性，所以现代声学既有经典性质，也有量子性质。另外，现代声学的基础理论方面均比较成熟，并已在经典声学中得到比较充分的发展。目前来看，它非常广泛地渗透到物理学其他分支或其他科学技术领域（包括工农业生产方面），甚至涉及到文化艺术领域，可以说人类的活动几乎都与声学有关，声学的边缘科学性质十分明显，而边缘科学是科学的生长点，因此有人认为声学将是物理学的一个最好的发展方向。

声学显微镜（acoustical microscope） 利用声波来获得微观世界物质结构的可见图像的技术。它是集声学、压电学、光学、电子学、精密机械、薄膜材料、图像信息的采集、存储、处理、显示以及计算机控制等研究成果于一身的高科技仪器设备。它能把显微尺度的物体形态、结构放大到眼睛可清楚观察的尺度，达到显微成像的目的。目前最高分辨力已经超过了光学显微镜。

声学显微镜是本世纪 70 年代初研制成功的，根据其所采用的不同技术和原理，一般可分为激光扫描声学显微镜、机械扫描声学显微镜、光声显微镜和电子束声学显微镜等。这些不同类型、不同原理的声学显微镜各具特色，可应用于不同的领域。近 20 年来的发展中，机械扫描声学显微镜尤为突出，成为诸多类型声学显微镜中的佼佼者。声波是弹性振动在媒质中传播时所产生的波，声频范围是 10-4～1014 赫兹。声波可以透过很多不透光的物体，利用声波可以获得这些物体内部结构的声学特性的信息，通过声成像技术，可将其变换为肉眼可见的图像，使用不同频率的声波就可以获得不同图像的分辨力。

要实现声学成像，必须将声信号转换为电信号或将电信号转换为声信号，这通常是由成像压电换能器来完成的。声学显微镜中通常是使用铌酸锂和氧化锌薄膜完成声-电转换，再利用扫描技术和声透镜技术，从而完成显微成像。附图为机械扫描声学显微镜原理图。发射单元的电信号激励发射换能器，产生一平面声波传入声透镜，该声波被声透镜聚焦到水中一个细小的焦点处，被观察样品放在通过焦点的焦平面上，再用另一共轴共焦放置的结构相同的声透镜接收透过样品的声波，并变成平面波，接收换能器把带有焦点处样品材料声学性质的平面声波变为电信号送至接收单元， 这样在显示屏上得到仅一个点的像。如果使声束对焦平面上的样品作二维机械扫描，则可逐点逐行地将样品的声学性质取出，再通过电子技术，便可在显示屏上得到样品在声束扫描区的声学性质显微图像。这种显微图像反映了样品材料的声学参数变化，如材料的密度、声速、声衰减等，不同的声学性质，获得不同的图像灰度。

机械扫描声学显微镜原理图

声学显微镜的出现为人们提供了新的观察工具，目前在各方面得到广泛的应用。如在生物医学领域不需梁色观察活组织，从而为该领域提供了全新的生物组织信息；在金相畴结构观察中，不必腐蚀就可提供对比度优于光学显微像的声学显微像；还可观察不透光材料内部的结构及缺陷等。目前以检测陶瓷发动机材料及其部件为目的的固体内部声显微成像及检测研究已获成功，内部分辨力达 20 微米。

声压（soundpressure） 介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之间的差值。用来描述声波在介质中各点的强弱。因为声波是疏密波，它通过介质时使该处的介质时而变疏，时而变密，从而使该处的压强随之变大变小。声压越大，声音越强；声压越小，声音越弱，一般以声压来衡量声音的强弱。由于介质中各点声振动有周期性变化，声压也随之有周期性变化，实际测量到的是它的有效值。声压单位为帕斯卡，即牛顿/ 米 2（N/m2）。

声压级（简称声级） 声压的绝对值变化范围很大，从听阈到痛阈相差一百万倍以上，因此用声压的绝对值来表示声音的强弱很不方便，而用声压强度的相对大小，即用成倍比关系的对数值——“级”来表示声音的强弱，这就是声压级。它与风按级分成风级、地震按级分成震级相类似。声压级的单位是“贝尔”。它是英文 bel 的音译，用电话发明人贝尔

的姓氏命名。贝尔数表示两个声压之比的常用对数乘以 2 的数值，表示式为

P

L_p = 2 lg

0

式中 P 为声压，P0 为基准声压，一般取 2×10-5 牛顿/米 2，是一千赫听阈的声压（人耳所能听到的声音的最低声压）：Lp 为声压级的数值，单位为贝尔。贝尔的单位太大，常用其十分之一即“分贝”（dB）作单位。

声级计 测量以声级来表示声强弱的仪器。声级计用传声器接收所测声场的声波，传声器的电输出与被测声场的声压成正比。这声压的大小最后在声级计的电表或数字显示器上以声压级的形式表示。用声级计可测量各种可听声范围内的声级，主要用途是测量噪声的大小。由于人的听觉对不同频率的声音灵敏度不一样，对频率低和频率高声音的灵敏度都较低，如声级为 60dB 的 100 赫声音听起来与声级为 20dB 的 1000 赫声音的响度是一样的。为使声级计能反映出人听觉对响度的频率关系，声级计的频率特性应与这种关系相对应，因此在声级计中有 A、B、C 三种计权的频率特性（见图）。A 计权是为测量低声级声用的，中等声级声用 B 计权特性，非常响的声音用 C 计权来测量。后来又引入 D 计权的频率特性，专为测量飞机的噪声用。但现在已不完全按照原来的意义使用这些计权特性。在噪声测量中，不论声级的大小，常用 A 计权来测量，称为 A 声级。

A、B、C 计权的频率特性

声压级（soundpressurelevel） 参见声压。

声源（acousticsource） 能在弹性介质中激发起声波的振动体。通常是振动面或振动的空气柱。例如人喉的声带和各种乐器、扬声器都是常见的可听声声源。声源可以是固体（如音叉），也可以是气体或液体。

笛子是空气柱的振动发声的；汽笛是靠蒸汽通过汽笛时振动发声的：海水的波浪声是液体振动的结果。海豚、蝙蝠等动物能发生超声波；地震、核爆炸常产生较强的次声波。

各种类型的供发声用的换能器是人工制造的声源。把电能转化为声能的声源称为电声换能器，常用的有压电式、磁致伸缩式、电动式、电磁式和静电式等。把流体动能转化为声能的声源称为流体动力式换能器，常用的有旋笛、哨等。

生产仿真技术（simulant technology in pro- duction） 用电子计算机程序模拟生产过程或工程设计方案的特种技术。仿真技术能解决许多数学分析方法难以解决的问题。是一种软科学，有极大的潜在力。在企业管理活动中，许多实际问题往往非常复杂，而且还夹杂一些不

确定因素，因而难以建立准确的数学模型并进行求解。例如，要评价一项工程计划的投资效果，将会受到市场规模大小，产品价格，产品成长率， 设备成本，研究开发费用，产品的可变成本，设备的经济寿命等多种因素的影响。而且其中许多因素是不确定因素，因此很难建立准确的数学模型。对于这样一类问题，采用电子计算机模拟的方法却能得到令人满意的结果。

仿真过程如下：首先提出问题：其次构造仿真模型，再次编写计算机仿真程序，并上机实现；最后分析仿真结果。常用的生产仿真方法有时间步长法仿真和事件步长法仿真。

生理光学（physiological optics） 研究光进入眼以后所发生的各种问题的光学分支。主要是光与色的问题，包括单眼与双眼的视觉，以及眼球范围内和从网 膜传到脑以后的各种问题。

生态平衡（ecological balance） 又称自然平衡。生态系统在一定时间内结构和功能的相对稳定状态。在这种状态下，物质和能量的输入和输出接近相等，在外来干扰下，能通过自我调节恢复到原来的稳定状态。当外来干扰超过生态系统的自我调节能力而不能恢复到原来状态时，称为生态平衡被破坏。

在一个正常的生态系统中，能量流动和物质循环不断地进行着，生产者、消费者和分解者之间都保持着一种平衡状态。一方面是太阳辐射能和无机物通过植物的光合作用被转化为有机物存留于生态系统中，供给一切生命的需要；另一方面是生态系统中的有机物被各级消费者摄取，并在转化、呼吸和排泄等生理过程中不断地消耗掉。分解者又将动、植物残体分解和转化为无机物，回归周围环境。生态系统能保持动态平衡是由于它本身具有一种自我调节能力，这种能力取决于系统成分的多样性以及物质循环和能量流动途径的复杂性。一般说来，系统成分多样、营养结构复杂、协调能力强，就较易保持系统的稳定。这是因为能量流动和物质循环可通过多渠道进行，某一渠道若受阻，其它渠道可起作用。反之，系统成分组成单调、营养结构简单、协调能力小，就易使生态平衡破坏。例如北极地区的所有生物都直接或间接地依赖于地衣，若地衣的生长受到损害，整个生态系统的结构和功能就会遭到破坏。

生态平衡的破坏有人为原因和自然原因两种。自然原因主要是由于自然界发生的异常变化，例如火山爆发、地震、水旱灾害等。人为原因主要是指人类对自然资源不合理的利用、环境污染所导致的生态平衡的破坏

等。

生态系统（ecosystem ） 由生物群落及其生存的环境共同组成的、相互进行物质和能量交换的、相对稳定的系统。

生态系统的概念是在 1935 年开始提出的，它在生态学及有关领域中有着与日俱增的重要性。所有的生物群落或共同生活、相互作用的有机集合体都与它们的环境紧密相关，因此将群落和环境考虑为一个单独而又复杂的整体是合适的。例如，森林可被看作为一个具有统一功能的综合体。在森林中，有乔木、灌木、草本等植物，有昆虫、鸟、兽等动物，细菌、真菌等微生物，还有土壤、阳光、空气等非生物的环境条件。这些生物群落之间、生物与非生物的环境之间有一定的相互关系和相互作用，组成了一个实在的森林生态系统。生态系统是生态学研究的基本单位，也是环境生物学研究的核心内容。

基本组分 生态系统的范围大小不一，小至花丛、草地、有样品的培养皿、暖房，大至森林、海洋直至生物圈。每一生态系统都有一定的基本组分，即生产者、消费者、分解者和非生物的环境。“生产者”是指绿色植物，它具有叶绿素，能在阳光下进行光合作用，把环境中的无机物合成为自身的有机物，是生态系统的基础。人类和动物是“消费者”，它们以现成的有机物为食，如动、植物。其中直接以植物为食的属第一级消费者， 以食草动物为食的为第二级消费者。“分解者”指肉眼看不见的细菌和真菌，它们能把动植物的遗体分解成植物所需的无机养料，它对生态系统中的物质循环有贡献，是生态系统必不可少的成员。非生物环境则为生产者、消费者和分解者提供立足之地和能源、原料。

结构 生态系统的结构，可分为营养结构、空间结构、时间结构等几种。生态系统的营养结构就是上述四个基本组分的营养联系。这种营养联

系可用食物链和食物网来表示（见图）。食物链中的每一环节称为营养级。如某一环节发

生产者

食物链示意图生产者：草本植物；一级消费者：兔、鼠、麻雀、蚱蜢； 二级消费者：狐锂、鼬鼠、蟾蜍；三级消费者：蛇；四级消费者：隼

生变化，就可能影响到整个生态系统的营养结构。例如为防止稻田中的害虫而大面积地喷洒农药，蝗虫等果然减少，但飞虱类却明显增加，这是由于农药也同时杀死了大量的蜘蛛，而它恰好是飞虱类的天敌。在自然生态系统中，食物链的营养级一般只有 4～5 级，这是由于当物质和能量通过食物链流动时只有部分能量被利用，构成生态金字塔。食物链越短，营养级之间的能量消耗越少。此外，污染物质也会通过食物链而被浓缩，即处在食物链上层的动物体内的污染物浓度较高，例如从海水到银鸥，DDT 的浓度提高了 150 万倍。

生态系统的空间结构是指大多数群落都有分层现象，如热带雨林生态系统中的几十米高的望天树等为最高，其次是椰子树等，再次是 1～5 米高的灌木，最后是草本植物。这种分层有利于植物充分利用阳光、水分、养料和空间，研究分层现象也有益于指导生产实践。

生态系统的时间结构是指系统的结构和外观随时间的变化，如温带落叶林的景象在冬夏两季截然相反。

功能 生态系统主要功能有能量流动、物质循环和信息流通三方面。

生态系统的能量流动是单向性的，并且层层递减，例如贮存在碳水化合物中的能量，它被呼吸作用所消耗，变成热能而散发掉，就再也不能被其他生物重新利用。地球上的一切能量都来自太阳，一般植物只能固定 1% 左右的太阳能。而能量通过食物链流动，并且在通过各营养级时被部分地消耗掉。所以，生态系统要维持正常的生命功能，就必定要依赖于太阳能量的转入。

生态系统的物质循环，包括由一种化合物转变为另一种化合物时，物质可被反复利用。例如进入人体内的碳原子，可能被结合为一个二氧化碳分子，以后又随着呼吸返回大气中，最后又可能重新固定到某株植物中去。生态系统的物质循环，需要多种元素，重要的有碳、氢、氧、氮、磷等。物质循环和能量流动有紧密联系，生态系统中的各种生物通过物质循环和能量流动而成为一有机的整体。

生态系统的信息流通包括营养信息、物理信息、化学信息和行为信息。物理信息和化学信息的传递较易观察和理解，如冬眠、迁徙和昆虫分泌某种化学物质借以传递信息等，属于较为简单的联系形式，而营养信息和行为信息的流通则属于高级联系形式。它们在沟通生物群落与其生活环境之间、生物群落内各种生物群之间的关系上有着重要意义，对生态系统的调节起着特殊作用。

生态系统处于不断变化、不断发展的运动之中，自身具有相互适应、恢复调节的功能。

生物磁学（biomagnetism） 研究和应用物质磁性和磁场与生命活动和生物特性间相互联系和相互影响的一门学科。其研究内容主要包括：

①恒定磁场对于生物和人体的影响；②交变磁场对于生物和人体的影响；

③生物磁场和生物磁性的研究和应用；④生物磁技术和生物磁工程；⑤应用生物磁学。

自 1970 年Cohen 等人第一次用SQUID 系统测出了高质量的人体心磁图起，在 20 余年里，生物磁性的研究已涉及脑、心、肺、肝、四肢等各部分， 揭示了大量有意义的生物磁现象及规律，并得到临床应用。在测量仪器和技术方面也取得快速进展。①应用生物磁学原理，可以测定肝中铁的贮量。人体中铁的含量是健康状况的重要标志，而铁主要集中在肝区，铁是铁磁性物质，其质量磁化率 xp=1.6×10-6m3/kg。设肝中含铁的浓度为η，则整个肝组织表现出来的磁化率由下式决定：

x=（1+η）-1（-9+1.6η×103）×10-6。

正常人肝中铁的浓度η=3×10-4，由此得到的磁化率 x 为负数，它表示正常人肝中铁的贮量使肝组织呈现抗磁性，一般比其他组织小约 5%，但当η≥5.6×10-3 时，肝区就呈现顺磁性。在临床上，若是贫血症则反映铁的浓度偏低，若有血色素沉积淀则反映铁的浓度过高。大多数肝癌病人都有高铁的症状，所以准确地确定肝中铁的贮量有很大的临床价值。美国生物磁技术公司已生产了专门为测肝磁用的 SQUID 系统。磁测结果与肝穿刺分析结果二者基本符合。②对电焊工、铸工及矿工等的职业病的早期防治。一般长期在富含磁性粉尘环境中工作的人员，肺部易受污染而得职业病， 当采用 X 射线透视检查发现时往往已是晚期。而利用这些粒子的铁磁性和SQUID 系统对磁信号的高灵敏度，即可检测出肺中很少的污染量，从而做到早期发现早期治疗。③对生物体表面磁场分布的测定。科学家们将测到

的头皮表面的磁场分布，用于研究大脑中的神经活动；在脑磁测量中根据电与磁的对应关系，可精确定出电流源的位置，从而为人们认识自己的大脑提供了一条有效的途径。

近年来，生物磁学在国内外的研究十分活跃，且发展迅速，应用广泛。主要有以下几个方面：①核磁共振成像，可以把生物体和人体内各部分的元素分布和不同状态显现出来；②人体磁场和磁性；③高梯度磁分离；④ 磁疗，即应用磁场治疗，利用永磁片贴敷或旋转磁场、交流磁场或脉冲磁场加到病人患处或一定穴位以治疗疾病；⑤农业上应用，较多的是磁水浸种育苗、磁水灌溉，可促进作物生长，达到增产的效果。

生物力学（biomechanics） 运用物理力学方法和理论研究生物和人体在宏观与微观水平上的力学性质和行为的一门学科。它主要分析发生在生命活动过程中的各种力学现象和过程，了解生物和人体一部分相对另一部分以及整个机体在空间和时间上发生位移和运动的力学规律。早在解剖学和生理学启蒙时代，便开始了生物力学的研究，到本世纪 70 年代，生物力学发展成为一门独立的学科。它的研究领域大体上包括人体运动学、骨骼的力学性质、各种软组织及血液等的流变性质、血液在血管和微血管中的流动规律、脉搏的传输规律、心肺、肾和头颅的力学模型等。在生物学领域，生物力学的研究还包括：生物材料及结构特点、生物材料的结构与功能、动物的各种运动与能量消耗、关节滑液及各种生物粘液流变学、细胞力学、植物营养物质及水分的运输、种子的产生与落下等。通常用数学模型、本构方程表达其力学变化。生物力学与应用力学、理论力学、生理学、生物物理学、生物学、数学等学科有着紧密的联系。生物力学的发展正在改变传统生理学、病理学、病理生理学的某些观点和理论，并促进了这些学科的发展。

生物物理学（biophysics） 运用物理学的理论、方法和技术研究生命物质的物理性质和生命现象的物理运动规律的一门学科。物理学同生物学的关系源远流长。17 世纪以来，就已经陆续开始了对生物的物理现象和物理性质的研究。如 1667 年英国的波意耳研究了鱼类的发光现象；1786 年意大利的伽伐尼研究了肌肉的静电性质，1845 年德国的亥姆霍兹将能量守恒定律应用于生物系统，认为物质世界包括生命在内都可以归结为运动。并研究了肌肉收缩时热量的产生、神经脉冲传导速度等等。“生物物理”这个名词最早出现于 1899 年英国物理学家皮尔生的著作《科学的方法》中。他列举了血液流体动力学、神经传导电现象、表面张力和膜电位、发光和生物功能等问题，并将其归结为“作为物理定律的特异事例来研究生命现象的生物物理和生物物理学”。1935 年，德尔布吕克、蒂莫维也夫

—里索夫斯基及齐默发现了突变的物理本质。1945 年，薛定谔发表名著《生命是什么？活细胞的物理学观》，有力地推动了生物物理学的进展。与玻尔不同，薛定谔认为，对生命现象进行普遍的物理解释是可能的。他把生命现象归结为少数几个基本的物理问题，并且明确地解释了其中的一些问题，另外几个问题后来又由分子生物学作出了回答。当前生物物理学正在蓬勃发展，通常分为三个分支：①分子生物物理学；②细胞生物物理学；

③复杂系统的生物物理学。

从历史和未来看，以下六个方面是生物物理学的主要研究课题：①揭示非平衡开放系统的主要规律，也就是找出生命的热力学基础；②从理论

上解释进化和个体发育的现象；③解释自身调节和自我复制的现象；④从原子、分子的水平上揭露生物过程的本质，也就是找到活跃在细胞内的蛋白质、核酸及其他物质的结构和生物功能的联系；此外还要研究生命体在更高的超分子水平、细胞水平及在构成细胞的细胞器的水平的物理现象；

⑤设计出研究生物功能物质及由这类物质构成的超分子结构的物理方法和物理化学方法，并对利用这种方法所得到的结果提供理论解释；⑥对神经脉冲的发生和传播、肌肉收缩、感觉器官对外部信号的接收及光合作用等高度复杂的生理现象，提供物理的解释。可以预见，随着生物物理学这门学科的不断发展和壮大，在揭示生命现象的本质中必将发挥越来越大的作用。

升华（sublimation） 物质由固态不经过液态而直接转变为气态的过程。升华仅在蒸发压强低于物质的三相点压强时才能发生。升华只发生在固体的表面。在升华的过程中，固体内的分子直接由点阵结构转变为气体分子，此时，一方面要克服分子间的结合力做功，另一方面还要克服外界压强做功，因此升华时要吸收热量。单位质量物质升华时所吸收的热量叫做升华热。在三相点，升华热等于熔解热和汽化热之和。

许多物质如碘、碘化钾、硫、磷、樟脑等在常温下即有显著的升华现象发生。

与升华相反的过程叫做凝华。

升力（lift force ） 亦称举力。飞机飞行时气流作用于机翼的方向向上的力。这种升力也叫动升力，以区别于静升力（即浮力）。升力与机翼形状有关，通常机翼被制成上侧面凸出、下侧面微凹、上下边不对称的形状，这样当机翼相对空气运动时，机翼上方的空气流速增大，下方流速减小（附图中表现为机翼上方流线较密，下方流线较疏），根据伯努利方程，机翼下面的压力大于上面的压力，从而产生升力。飞机在空中飞行时，竖直方向上的升力与重力相平衡。

升力

失重与超重（weightlessnessandoverweight） 在非惯性系中所称得物体的重量（视量）与原有重量（在地面称得物体的重量）不一致的现象。如视重小于原有重量称为失量：视重大于原有重量称为超重。当我们乘升降机以加速度 a 下降时，会感到重量好像在减轻，这是“失重”。而当升降机以加速度 a 上升时，会感到重量好像在增加，这是“超重”。这些现象可解释为：由于升降机有向上或向下的加速度 a，在升降机中的物体就受到惯性力-ma，m 是物体质量。视重为 W=|mg—ma|，这里 g 是重力加速度。若升降机以加速度 a=g 下降，则视重 W=0，物体处在失重状态如升降机以加速度 a 上升，此时 a 与 g 方向相反，W＞mg，物体处于超重状态。当人造卫星沿轨道自由飞行（不处于推进状态）时，以卫星舱为参考系， 则舱内物体的离心力与重力平衡，物体的视重等于零，物体处于失重状态； 当火箭竖直向上加速推进时，有很大的向上加速度，舱内宇航员要经受很大的向下惯性力，视重大大超过宇航员本身原有重量。为避免这种明显超重而带来的不良生理反应，例如局部压强太大和全身血液下沉而使脑部和胸部缺血，宇航员必须穿上特殊服装并采取仰卧姿态。

施汝为（1901 ～1983） 中国物理学家，中国磁学研究的奠基人。1925 年毕业于南京大学物理系，后在清华大学任教。1930 年赴美国留学，

1932 年获伊利诺大学物理系硕士学位。1934 年获耶鲁大学物理系博士学位。同年回国后，先后被聘为中央研究院物理研究所研究员，同济大学物理系教授，中国科学院物理研究所研究员、所长，同时担任中国物理学会副理事长等职。1955 年当选为中国科学院数学物理学化学部学部委员。毕生致力于磁学研究。1931 年发表《氯化铬及其六水合物的顺磁磁化率》的论文。1934～1936 年完成关于铁—钴和镍—钴合金单晶体的磁晶各向异性的研究。1939～1940 年对坡莫合金和磁铁矿晶体的磁畴粉纹图的研究，开创了我国磁畴的实验研究工作。1951 年研究了铝镍钴永磁合金的热处理问题，并发表《永磁铁合金热处理的初步报告》等论文。此外，在我国科学事业发展规划的制订、中国科学院物理研究所的科研组织领导和科学人才的培养等方面，也作出了重要贡献。

实践型试题（Practical work） 要求考生通过实际动手去解决一个较简单的实际问题的试题。不同于学生实验，实践型试题要求学生完成的一般都是比较简单但又是没有正式做过的“非正规小实验”。学生必须在动手实验的基础上，给出书面形式的解答。每个实践型试题给出一组简单的实验装置，要求学生按规定操作、观察、记录并分析实验结果。由若干道实践型试题组成一次实验测试。这种测试使考生置于较紧张的手脑并用状态，显然这是书面形式的“模拟实验题”无法代替的。以下是一道较简单的实践型试题的实例：用一把带刻度的直尺，一架天平，一块置于离桌面 1.5 米高处与桌面平行的硬纸板，求出一根橡皮筋的弹性系数。（提示：将橡皮筋在直立的尺上拉伸至一定读数处，使其恰好弹射至桌面上方的纸板。）

实践型试题主要测试以下几方面的评价目标和技能：①能按规定的要求和步骤进行实际操作，仔细正确地观察现象。②正确地使用仪器和装置进行测量（包括能用所给器材设计简易可行的测量方法），能按仪器的精度读数。③能用贴切的科学语言（文学、草图等）正确描述所观察到的现象，记录测量结果。④能估测某些未知物理量的数值，能根据实验数据进行简单运算并正确作出图线。⑤能运用基本物理原理简洁地解释所观察到的现象和处理分析实验结果。⑥能看出实验器材安装和使用中的错误并加以纠正。

实物（real object） 物质存在的一种基本形式。指由具有静止质量的分子、原子组成的，有定域特征的物质。实物粒子的质量、能量等定域在一定体积内，且呈分立的状态。实物粒子所占据的空间不能同时为另一个粒子所占有。实物区别于物质的另一种形式——场，但实物与场又是不可分割的，任何实物粒子都不能脱离有关的场而独立存在，一切基本粒子都可以看作是相应场的最小单位，如电子联系电子场，光子联系电磁场， 介子联系介子场等。

实验及数据分析试题（experiment and dataanalysis work） 测试实验能力和实验数据分析、处理能力的试题。实验及数据分析试题所给出的问题情景一般是考生做过或没做过的实验。有关的实验或测量原理必须是考生运用已有的物理知识能进行分析或解释的。试题主要测试以下实验能力：①要求学生能应用已有物理知识分析、推导问题中所涉及的某些公式，解释实验原理、步骤和现象，画出实验装置（或在电学实验考查中， 会画电路图，并根据图用画出的线表示导线，将仪器连接起来），或指出

装置中的错误，知道注意事项。②能分析题目中以数表和图线方式给出的数据，掌握以各种基本函数形式表述的公式与图线之间的互相转换的技巧。例如能将所给非线性关系数据转换成用线性图像来表征的关系。能正确选取坐标轴的标度，构设适当的坐标轴和作出图线。③能认识和描述图线所表征的某种规律，能正确应用外延和内插的技巧，能对图线进行分析， 诸如找到物理量的最大、最小值，理解物理量的变化率、截距和图线下面积的物理意义，并进行演绎计算（或估算）。④能分析有关物理量的有效数字、量纲和单位，能对所给数据和实验信息中的误差作出分析。⑤能根据给出的指定实验器材，自己设计某些较简单的物理实验来测定某些物理量，如测定某些电器的电功率。

实验课题研究（Project work） 又称实验课题测试。一种开放型的评价方式，即要求学生在某阶段中（若干周或若干月）用实验手段独立完成某一个课题的研究，所研究的课题涉及物理知识的广泛应用。这种测试手段着眼于过程评价而不强调成果评价，即并不局限在纯物理知识范围内去评价课题的价值，而是评价学生发现问题、解决问题的能力、探索和研究的能力、形成和检验假设的能力、克服和处理障碍的能力。实验课题研究要求学生完成以下几方面的工作，并最后以研究报告的形式给出：① 提出课题并对所要解决的课题进行初步分析。②收集有关资料、信息。③ 设计实验研究步骤。④选取（包括设计、自制）有关装置、器材。⑤实施实验研究计划，保持观察记录，必要时对原计划进行修改。⑥对实验结果进行分析评价。

实验课题研究不仅仅是一种各项科学能力的综合评价手段，更具意义的是通过这种评价方式让学生初步体会一个简单但又完整的科学研究过程，使他们有机会能较集中地展示在学习中所获得的各种技能。这是一种对教育目标进行较全面评价的综合性过程评价技巧。但缺点是评分带有明显的主观判断因素，而且评分人员（或教师）必须具有相当的水准。

实验能力（abilities of performing experiment） 一种有目的的操作性能力，是指对实验技能和方法的掌握。中学物理教学中，学生应初步具备的实验能力是指会正确使用仪器进行观察、测量和读数，会分析处理实验数据并得出正确的结论，了解误差概念，会设计一般的数据记录表格，会写简要的实验报告。教学中对学生实验能力的基本要求是：

1. 能规范地使用基本测量仪器，这包括：①明确仪器的测量范围和精密程度；②对某些仪器如电表、游标卡尺等，在使用前，必须调节零点， 或记下有无零点误差；③按使用规则和程度进行操作；④正确读取、记录数据，了解读数的误差及减少的方法。

2. 正确、熟练的操作技能，即能按实验的目的要求，将有关设备、仪器、部件等实验用具组装起来，做到装置正确，布局合理，便于操作观察。实验前进行必要的检查和预备性调节，实验时能按一定步骤正确、协调地进行操作、调节和记录。

3. 具有处理实验数据的能力。处理实验数据的方法主要是公式法和图像法。①公式法是将直接测量得到的一些数据，填入所设计的表格中，根据一定的原理公式进行计算，得出正确结论。②图像法是根据所取得的实验数据，描绘出图线，由图线总结出一般规律并求出未知量。

实验能力的较高要求是独立地制订实验方案的实验设计能力，即根据

目的，提出实验原理，明确需要直接测量的物理量，提出需要的仪器和设备，制订出合理的实验步聚，设计出记录数据的表格，进行独立操作。在实验中，能找出和排除实验中的一般故障（实验中的某些故障排除不单是一种操作技能，而是一种综合运用理论知识和实验技巧的能力），选择合适的方法处理实验数据，以完成预期的目的。

实验中的观察（observation in experiment） 贯穿于实验过程的始终，有目的、有计划地搜集材料、发现问题的感知过程。例如，法拉第在电磁学中的很多重大发现，是与他在实验中敏锐细致的观察分不开的。在物理学发展的初期，观察主要依赖于人自身的感官。例如开普勒就是依赖于眼睛对行星运动的直接观察总结出行星绕日运动的三定律的。随着对物理现象研究的深入和发展，人们自身的感官早已不能胜任。在实验中往往从两个方面解决观察问题。一方面是用间接的方法使某些物理现象和过程以更加具体的形式显示出来，例如用云雾室观察带电粒子的径迹。更重要的方面就是改进和研制先进的直接进行观察的仪器设备。例如电子显微镜和射电望远镜。从本质上来说，这些仪器设备都可以看作人的感官的延长和扩大。

宏观物理现象和微观物理现象有着不同的特性和规律，这就决定了对它们的观测有不同的特点和内容。第一，对于宏观物体来说，观测它在任一时刻的位置和速度是必要的，也是可行的。对于微观粒子来说，这样做既没有必要也没有可能。因为微观粒子既有波动的特性，也有粒子的特性， 经典物理中一个具体客观实体在某一时刻的位置和速度的概念已不适用。微观粒子本身有它许多特有的量需要观察测量，如自旋、半衰期、衰变方式等。第二，就是仪器对所观察对象本身的影响。观察仪器对测量宏观物体各个物理量不会造成什么影响，但对微观粒子则有相当大的影响。第三， 在微观物理领域，微观粒子的数目极大，不可能设想在一个系统内所有的粒子都具有相同的运动特征。但在一定的条件下，又存在着某种平均的、稳定的趋势。所以，对于微观物理现象的观察，还存在着统计的观念。

实验中的机遇（ chances in experiments ） 由于偶然的因素， 物理实验过程中有时会出现实验者并未意料到的、有重要科学价值的新现象。如果已知的物理理论不容易解释这类新现象，就常常预示着物理理论有新的发展，是新理论产生的先兆。

物理实验中的机遇，虽然向人们透露了物理运动的某些信息，但是人们能不能把握这些信息，进而探索到新的物理特性和规律，还有赖于人们的主观因素。“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑”。实验者要有丰富的知识积累和思想准备，才能迅速整理实验中的新发现，探索有价值的新东西，奥斯特发现电流磁效应就是一个典型的例子。而查德威克发现中子的过程则生动地说明了不同知识积累和思想准备的人对机遇会有不同的解释，而问题的关键正在于对机遇的解释，即使能捕捉到的机遇也不是每个人都能从中得到有价值的科学发现的。物理学中很多有意义的研究课题和重大的研究领域，都是以某些机遇作为前导而发展起来的，例如整个电磁学领域是以奥斯特对电流磁效应的发现为前导而发展起来的。时间（time） 物质运动过程的持续性和顺序性，被用以描述事物之

间的顺序。时间的物理性质主要通过它与物体运动的各种联系中表现出来。牛顿认为：“绝对的、纯粹的、数学的时间，就其本性来说，均匀地

流逝而与任何外在情况无关。”反映在伽利略变换中，时间与参照系无关， 与空间位置无关。

在狭义相对论中，爱因斯坦否定了绝对时间的存在，指出不同惯性系的时间之间遵从洛伦兹变换，根据这种变换，同时性不再是绝对的，相对于某一参照系为同时发生的两个事件，相对于另一参照系可能并不同 时发生。时间间隔也成为相对量，运动的钟相对于静止的钟变慢。在量子力学中，对时间的概念提出了更根本的问题，即对时间的连续性提出了质疑， 并提出了最短时间间隔的观点，认为时间间隔的最小单位（称为时量子） 是至今测察到最大辐射频率的倒数，等于 4.5×10-24 秒。时间的测量一般以稳定的周期性运动为基础，以选为标准的周期运动的周期的某一倍数或分数为时间单位。

时空观（outlook of timeand space） 关于时间和空间的根本看法或根本观念。古代时空观以直观经验和思辨为基础，具有朴素的特点。如我国古代后期墨家已提出“宇，蒙东西南北”，“久，合古今旦莫”， 认为宇（空间）指一切具体场所的总和，久（时间）指一切具体时刻的总和；还认识到空间、时间与具体实物运动的一定联系及空间与时间的一定联系。

近代时空观是在自然科学发展的基础上形成的。哥白尼日心说的创立，为揭示时空的客观本质和特性创造了条件。布鲁诺、伽利略在捍卫日心说的斗争中，坚持时空是物质运动存在的形式，并提出了时空是无限的思想。牛顿在创立经典力学体系中，承认空间、时间的客观实在性，但又提出“绝对空间”、“绝对时间”的观点，从而把时空与物质运动割裂开来，并认为空间、时间是绝对不变的。这种形而上学的时空观是当时机械力学的产物。

爱因斯坦在狭义相对论中否定了牛顿的绝对时空观，揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，以及空间、时间与物质运动的联系，从而引起了时空观的一场革命。在广义相对论中，揭示了现实的物理空间不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间：空间弯曲的程度

（曲率）取决于物质分布状况，空间曲率体现了引力场的强度。于是进一步表明四维时空与物质的统一性，指出空间、时间不能离开物质运动而独立存在，这就在更深的意义上否定了牛顿的绝对时空观。

示波器（oscillograph） 是最常用的电子测量仪器。可用来观察各种电信号的波形；测量波形的有关参数。例如，测量正弦波的峰—峰值、周期、频率、位相等。示波器与有关部件组合成为多种专用的测量仪。例如晶体管特性图示仪、材料的伏安特性测定仪和电路网络的幅频、相频测量仪等。

示波器的基本组成部分是阴极射线管（CRT）（图 1），或者称为电子束管。“阴极射线管”名称来自早期气体放电管，因为气体放电管内的“射线”来自可观察到的阴极。阴极射线管内电子束由电子枪形成，首先由阴极灯丝加热并发射电子，通过几千伏电位差将电子加速并聚焦成一束射线，经偏转板使电子束偏转，最后电子束撞击荧光屏发出可见光斑。

为了使光斑组成各种波形，阴极射线管还需垂直和水平偏转板。如果偏转板不加任何电压，电子束不会偏斜，一直打到荧光屏的中心。当电压信号加到水平偏转板时，电子束受水平力而在水平方向偏转，不变的直流

电压加到水平偏转板上时，电子束射出的光斑将停留在屏的水平方向固定的位置。交变的电压加到水平

图 1

图 2

偏转板上，会使电子束来回偏转，许多光斑变成一条水平的虚实相间的直线。如果交变电压的频率足够高，水平的直线成为一条实直线。这是由于荧光屏的亮度衰减相对于人们眼睛的视觉暂留时间更慢的缘故。同样地， 电压信号加到垂直偏转板会形成垂直的实直线。不论在水平还是垂直方向，对电子束偏转所加的电压值都与电子束的光斑离开屏中心的距离成正比。

为了观察交变的电压波形，通常总是希望显示电压随时间的变化（即电压—时间图线）。研究的信号加在垂直偏转板，示波器内部有垂直放大器可放大输入的弱信号，还有垂直衰减器可减小输入的强信号，因为偏转电压太大或者太小都使显示的波形不完整或者分辨不出；示波器内部还有水平放大器和衰减器，作用与垂直相同。但是水平线性的时间轴（x=vt） 需要随时间线性增加的偏转电压，称为扫描电压，扫描电压的波形应是锯齿状的，所以也称为锯齿波，如图 2 所示。当电压匀速增加时，光斑匀速地在荧光屏上由左向右扫描，即移动。当电压突然降到零时，电子束瞬间飞回到初始位置，并且开始另外一次水平扫描即锯齿波的下一个扫描开始。当慢扫描速率锯齿波电压加到水平偏转板时，光斑从左到右周期性地运动可以看得非常清楚，当快速扫描时，只能看到连续的轨迹即是一条水平的直线，因为眼睛跟不上光斑的移动，示波器内部还设有可变扫描速率的锯齿波发生器作为水平信号。

假设正弦信号的形式为 V=V0sin2πft，作为垂直偏转板的偏转信号， 根据前面讨论，电子束上下运动，在屏上出现一条垂直线。如果扫描电压加到水平偏转板，扫描的速率取得适当，即扫描频率与 f 相同，那末作用在垂直板上的正弦信号随时间的变化轨迹图就出现在荧光屏上，图 3 画出了两种信号作用的合成波形。

正弦波轨迹的反复出现，如果波形是稳定在荧光屏上，我们就说信号已经“同步”。同步时输入正弦电压的频率等于扫描频率，对于每一个扫描，在屏上出现一次正弦波形；如果正弦信号的频率是扫描频率的两倍， 那末两个正弦波出现在荧光屏上，若垂直输入信号的频率是扫描频率的倍数，在屏上会出现相同倍数的重复波形个数。一般而言，扫描频率和输入电压信号的频率是整数或者半整数倍时，在屏上就会出现稳定的波形。如果波形一个周期所占的水平长度为 4.0div（分度），则周期就是 4.0 与扫描速率单位的乘积，若扫描速率为 3.0ms/div，则周期就是 4.0×3.0=12.0

毫秒，待测波形的频率是周期的倒数，即频率为 83.3 赫兹。

图 3

图 4

正弦电压的频率也可以用另一个校正过的正弦信号与之比较来测定。

若两个正弦信号频率和位相都相同，例如 x=Asin2πft，y=Asin2πft，那末屏上看到的是一条如图 4 所示的倾斜直线。若 y 信号频率是 x 信号的三倍，那末得到如图 5 所示的利萨如图形。

假定两个正弦信号有相同的频率而不同的位相，

图 5

即 x=Asin2πft，y=Asin（2πft—δ），δ为初位相或者位相差，则屏上将会出现椭圆，如果位相差为 90°，则椭圆变为一个圆。

世界时（universaltime） 由格林威治子夜算起的太阳时，即通常所说的格林威治时间，也就是在格林威治子午线上测得的地方时间。这样的选择对于天文和航海部门是适宜的，但对于一般人来说并不方便。由于世界时以地球自转为标准，通过天文观测来确定，因此受到地极移动和地球自转季节性变化的影响，严格说它是不均匀的。

室内声学（roomacoustics） 一门研究室内声音的传播过程和特性以及听音效果的学科。室内听音效果是否良好，取决于是否满足使用者的听觉要求，它主要涉及：①合适的响度，语言和音乐的声级均应高于环境噪声，合适的 A 声级为 70～80dB，对于音乐则要求更高些；②高的清晰度， 语言和音乐均要求声音清晰，而语言则要求更高；③足够的丰满度，它的含义是余音悠扬（或称活跃），坚实饱满（或称亲切），音色浑厚（或称温暖）；④声音不失真，无回声和噪声的干扰。为了达到上述要求，首先要有合适的混响时间。室内的声源停止发声后，声能继续在各个界面之间反射，每反射一次，能量被界面吸收一次，声能逐渐减弱，这个现象称为混响，声级衰变 60dB（声强降低到百万分之一）所需的时间称为混响时间。短的混响时间可保证语言清晰，但会带来降低声音强度的后果，也会使听音乐感到干涩。适当长的混响时间可增加活跃气氛，使声音丰满，但最佳混响时间的选择还与人们的主观感觉有关。一般来说，供讲演用时要求短些，供歌唱和演奏音乐用时要求长些。对最佳混响时间频率特性则要求中频平直，低频上升，高频稍下降或平直，其次还要考虑声场分布和噪声场等因素。

室内声学设计中，除了要考虑上述混响时间的合理选择诸因素外，还应注意房间的体积、形状以及界面吸声材料等。①房间的体积：由于人的自然声功率是十分弱的，房间过大时，将不能保证足够的响度。因此，当不用扩声系统时，报告厅容积不应大于 3000m3；当用扩声系统时，作为音乐厅容积可达 2000m3。②房间的形状：设计时原则上要充分利用直达声， 尽量争取和控制前次反射声，避免回声和声聚焦的产生。③界面吸声材料的处理，是解决音质和噪声控制的重要措施之一。主要采用诸如玻璃棉、矿棉等多孔吸声材料，还可采用共振腔吸声结构和薄板吸声结构。设计时还应考虑建筑隔声，主要包括对空气声和撞击声的隔绝。

势能（potential energy） 又称位能。物质系统内各物体之间或物体各部分之间由于存在保守力相互作用而具有的能量。物体相对位置发生变化时，保守力做功只与系统的初位置和末位置有关，所以势能只是系统内各部分相对位置的函数。对这个函数的要求是，系统内各部分相对位置发生变化而使这个函数值获得的增量，正好等于外界在这个变化过程中克服保守力对系统所做的正功，这个函数称为势能函数。一般情况下，只

能确定势能的差值，若欲定出势能的对绝对值，就必须首先规定一个作为标准的零点。例如，对于地球与地面附近的物体，往往以地面作势能零点。按系统内相互作用性质的不同，势能可分为重力势能、弹性势能和引力势能等。①重力势能。重力是保守力，把物体沿任一路径升高 h 时，外力克服重力做了正功 mgh，这应该是势能函数值的增量，取 z 轴竖直向上，于是势能函数可取为 mgz+c。令 c=0，这相当于假设 z=0 的水平面上重力势能值为零，物体离水平面高度为 z 的重力势能就是 mgz。②弹性势能。最简单的例子是在轻质弹簧作用下具有的势能。取物体在平衡位置的弹性势能

1 2

等于零，弹簧伸长或缩短△l 时，弹性势能是 2 k（△l） ，k 为弹簧的倔

强系数。③引力势能。两个以万有引力相互作用的质点系，规定它们相距无穷远时的引力势能值为零，则它们相距 r 时的引力势能是—Gm1m2/r，G 是万有引力常数，m1 和 m2 分别是两个质点的引力质量。

守恒定律（conservation law） 物理学中通过长期研究并从大量实验结果中总结出来的一类重要定律的总称。迄今发现的守恒定律可分为两类，一类是普适的守恒定律，它们对于任何相互作用现象都成立；另一类是非普适守恒定律，它们仅仅对于某些类型的相互作用现象才成立。普适的守恒定律有能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律，以及仅在微观粒子物理现象中存在的重子数守恒定律和轻子数守恒定律等。非普适的守恒定律主要出现在微观现象中，如同位旋守恒定律

（仅在强作用现象中成立），宇称守恒定律（弱作用现象中不成立），奇异数守恒定律（弱作用现象中不成立）等。

每一个守恒定律与一个守恒物理量相对应，例如能量、动量、角动量、电荷、重子数、轻子数、同位旋、宇称、奇异数等都是守恒物理量。守恒定律表明，一个孤立系统由于相互作用而发生变化时，相应的守恒量可以从系统中的一处转移到另一处，从一个物体转移到另一个物体，从一种形式转移到另一种形式，但是其总量保持不变。

守恒定律与对称性密切有关，例如能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律分别与时间均匀性、空间均匀性和空间各向同性有关，而宇称守恒定律则与空间反演对称性有关。

受激辐射（stimulated radiation） 处在较高能量状态的原子、分子或离子等微观粒子，在外界光场激励下，向较低能量状态跃迁过程称为受激跃迁。在受激跃迁过程中，微观粒子所减少的能量将以光子的形式发射出来，称为受激辐射。

受激辐射光子与外界光场的频率和偏振方向相同。如果外界光场中存在着几种频率不相同的光子，则只有一种光子能够对处于特定的高能态的微观粒子发挥影响，使它产生向特定的低态作受激跃迁。这种光子的能量与微观粒子在受激跃迁过程中减少的能量相等。外界光场中其它光子的存在与这一受激跃迁过程毫无关系。光子的能量为 hv，h 是普朗克常数，v 是频率。外界光子的能量与受激跃迁过程中能量减少量相等，而受激跃迁过程必定会发射受激辐射光子。因此这两种光子的频率相同。此外，受激跃迁是在外界光场的感应下产生的，因而两种光子的传播方向和偏振特性也相同。

受控热核聚变（controlled thermonuclear fu- sion） 在可

以控制的条件下发生大量原子核聚变反应。轻原子核通过核聚变结合成较重原子核时会释放出巨大能量。可控热核聚变目前尚处于研究阶段，是人们预言的未来能为人类提供取之不尽有用能量的新来源。受控热核聚变的燃料如重氢（即氘 21H 或 D）普遍存在于自然界的水中，重水（D2O）约占水分子数的七千分之一。聚变燃料具有很高的热值，1 千克聚变燃料氘相当于约 4 千克裂变燃料铀—235，8 千余吨汽油，1 万余吨煤。此外核聚变与核裂变相比较，除燃料丰富价廉外，放射性污染比较少。聚变过程中的氘虽然是放射性元素，但其放射性强度低，生物效应较弱，半衰期较短（12 年），比裂变碎片的放射性处理要简单得多。

由于原子核都带正电，原子核要发生聚变必须具有足够的动能，才能克服库仓斥力而使彼此非常接近，以致发生聚变反应。太阳等恒星温度极高（达到 107K 以上），如此高温下原子核以很高速率做无规则运动，连续发生碰撞，形成大量持续的聚变反应，这是这些恒星天体的能量来源。人工聚变目前只能在氢弹爆炸或由高能加速器产生的高能粒子碰撞中实现。如何使燃料加热到极高温度，同时又要将高温下这种完全电离体（即等离子体）约束在很小范围，以便获得持续的核聚变，这是目前科学研究中的一个重要课题。现在常采用两种方法尝试获得受控热核聚变反应，即惯性约束方法和磁约束方法。例如利用激光束实现惯性约束的一种方案是：在一个直径约 0.4 毫米的小球内充以 30～100 大气压的氘—氚混合气体，让强功率激光均匀地从四面八方照射小球，使小球内的氘—氚混合体的密度达到普通液体密度的数千倍，温度达到数千万度，从而引发核聚变反应。此外还有用电子束、重离子束等实现惯性约束的方法。

在受控热核反应中更广泛采用的是磁约束方法。磁约束装置的种类很多，目前最常用的是环流器，又称“托卡马克”。此外还有仿星器、磁镜等装置。环流器主要部分是几万甚至十几万高斯的环形强磁场。高温高压等离子体中的荷电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而绕着环形磁力线做螺旋运动，从而被约束在一个区域内。与此同时沿环绕方向的等离子体电流通过焦耳热效应而被加热。

受迫谐振动（forced vibration） 又称强迫振动。物体系统受外力作用而被强迫进行的振动。以 Hcospt 表示强迫力，以 x=0 表示平衡位置， 这时回复力和阻尼力分别是—kx 和—rdx/dt，k 和 r 分别是弹性常数（例如弹簧的倔强系数）和阻尼系数，受迫振动的运动方程是

d ²x

m dt ²

d ²x

• r dx

dt

dx

• kx = H cos pt

或 dt ²

• 2β dt

• ω² x = h cos pt.

这里β=r/2m 是阻尼因数，ω 0 =

（ω0＞β）时方程的一般解是

是固有角频率，h=H/m。小阻尼

式中ω =

x = A e ^-βtcos（ωt + ϕ） + Acos（pt + a），

是撤去强迫力时阻尼谐振动的角频

率。这个解的第一部分 x1=A0e-βtcos（ωt+ϕ）是阻尼谐振动的响应， 它随时间增加而衰减，所以也称为暂态响应。第二部分 x2=Acos（pt+α）

是对强迫力作用的响应，它不随时间衰减，所以又称为稳态响应。式中

H

Aa =

α = arctg(

,

rp

k − mp² )

A/H 是稳态响应的振幅与激励振幅（强迫力振幅）之比，称为增益函数， α是稳态响应和激励的相位差。对于给定的振动系统（给定 m 和 k）和在一定的阻尼（给定 r）作用下，A/H 和α只与激励的角频率 p 有关，它们分别描写了振动系统的幅频特性和相频特性。

幅频曲线相频曲线

从幅频曲线可以看出，在小阻尼下，当激励频率 P 接近系统固有角频

率ω0 时，幅频曲线有一凸起的峰，这时表示稳态响应的振幅最大，阻尼愈小，峰愈陡，这时的激励频率愈接近固有频率。当激励频率与固有频率接近时，稳态响应振幅急剧增加，这种现象称为共振，或者称为振幅共振。在共振时，系统的增益取极大值，即受迫振动最为激烈。

受抑全反射滤光镜（ frustratedtotalreflectionfilter） 一种抑制全反射的干涉滤光镜。牛顿在研究全反射时认为，光可能进入光疏媒质并在一小段抛物线路径上传播，然后再回到光密媒质。这种在光疏媒质一方出现的波，称为瞬逝波。瞬逝波在光疏媒质内传播的距离很短，且与波长有关。光的电磁理论证明，应该有这种瞬逝波存在。1943 年古斯和亨兴从实验上作了证实。从图 1 可以看到，全反射光离开入射点一段距离x，这称为古斯—亨兴移位。也可以认为，入射光行进到光疏媒质里深度 x 处后才被反射。或者干脆不管光进入光疏媒质有多深，只说全反射光对几何反射光有

垂直距离 d 的侧移。这些 x、z 和 d 的值都很小，且与入射角和光的偏振有关。

如果在光作全反射前进入光疏媒质中一小段距离时遇到光密媒质，则光必然进入其中。中间的一层光疏媒质越薄，透过的光就越多，结果使全反射受到抑制。反复交替地排列光疏和光密媒质，由于透过的光与波

图 1 瞬逝波

长有关，所以可作为滤光镜。透过光的波长宽度由光疏媒质层的厚度控制。受抑全反射滤光镜的结构如图 2 所示。在两块相同的玻璃直角棱镜中间， 按光入射方向交替地镀以 MgF2 膜和 ZnS 膜，使折射率排列次序是：1.52— 1.38—2.40—1.38—1.52。

图 2 受抑全反射滤光镜

瞬逝波理论在现代科技中有重要应用。例如在表面物理研究中，当光照射在金属的表面或界面上时，会出现一种其振幅随离开界面的距离增加而指数衰减的表面等离子激波。如果在一定条件下使瞬逝波与表面等离子

激波相耦合，就会在全反射区产生一个明显的衰减峰。通过对这种衰减峰的位置、深度和半宽度等参数的测量，可以获得金属表面物理特性的有用信息。这种方法称为衰减全反射。近年来，这种方法已在表面物理的研究中得到应用。

疏密波（waveofcondensationandrarefa-ction） 见波。

输入输出缓冲（Input/Outputbuffer） 通道技术提供了 CPU、通道和 I/O 设备之间并行操作的可能性，但往往由于通道数量不足而产生“瓶颈”现象。引入输入输出缓冲可缓和“瓶颈”现象，显著地提高 CPU、通道和 I/O 设备之间的并行操作程度。引入缓冲的另一作用是可以使 CPU 和I/O 设备间速度不匹配的情况得到改善。事实上，凡是数据“到达率”和“离开率”不同的地方都可利用缓冲。此外，缓冲的引入还可减少中断 CPU 的次数，放宽 CPU 对中断的响应时间。由于经济上的考虑，除了在最关键的地方采用少量必要的硬件缓冲器外，大都采用软件缓冲。软件缓冲是插在内存中划出一片具有 n 个单元的区域来充当缓冲器，并设置输入指针和输出指针。对输入而言，输入指针指示了存放下一个输入数据的地址，每当输入一个数据后，输入指针加 1。对输出而言，原理相同。

输入输出控制器（ Input/Outputcontroller） 可以接受、解释和执行从通道送来的输入输出命令，并控制输入输出设备的微电脑部件。在收到输入输出命令后，输入输出控制器立即命令输入输出设备的各

部件操作，以满足各种要求，如使传动机构对媒体定位；使变换器检出存储在媒体上的数据，将它变成合适的电信号；控制缓冲器，使信号按特定的时间收集和分配；协调各部件间的操作；每当设备完成一次操作后，应立即停止活动，如果操作过程出错，它应向请求的子系统发出控制信号， 去指出错误。

输入输出设备（Input/Output unit） 将数据输入中央处理装置或把电脑处理过的数据记录下来的设备，简称 I/O。它是计算机系统的重要组成部分。程序、原始数据和各种现场采集到的资料和信息，要通过输入装置输入到计算机。计算结果或各种控制信号要输出给各种输出设备以便显示、打印或实现各种控制功能。外部设备的种类繁多，可以是机械式的、电动式的、电子式的或其它形式的。输入的信息也各不相同，可以是数字量、模拟量，也可以是开关量。而且输入信息的速度也有很大区别， 可以是手动键盘输入，也可以是磁盘输入，所以计算机的中央处理单元（称简为 CPU）与外设之间的连接和信息交换是非常复杂的。

目前常用的输入设备有键盘、软盘和硬盘驱动器以及经过 A/D（模/数） 转换的现场信息等。常用的输出设备有显示屏幕（CRT）、打印机以及经过D/A 转换的各种控制信号。控制台的打字机和光笔等显示设备等，既是输入设备，也是输出设备。输入输出设备使人和机器可以相互通信。

数-模转换器的基本原理（fundamental princi-Ple of DAC） 数

—模转换器的功能，是把数字量转换成模拟量。所以实际上是一种解码器。当转换关系是线性时，输入—输出函数关系式可写成形式：A=RD。式中 A 是模拟量，R 是参考量，D 是数字量。因为 D 是离散的，所以输出模拟量 A 在时间上也是离散的。设 D 是定点二进制小数，则上式可写成

n

A = ∑Ai i= 1

= (d1

• 2⁻¹ + d

• 2⁻² +Λ +d

  • 2⁻ⁿ )R

n

= ∑d ·2⁻ⁱ ·R.

i= 1

式中 di 为数字量 D 的第 i 位代码，取值 1 或 0，当 di=1 时，Ai=2-i·R； 当di=0 时，Ai=0。所以D/A 转换器的模拟量输出由一系列二进制分量di·2-iR组成。D/A 转换器的结构原理如图 1 所示。

为了观察 D/A 转换器的输出情况，可采用如图 2 所示的电路，用一个四位二进制计数器的输出，作为 D/A 转换器的数字输入，R 为直流参考电压。转换器输出端接示波器。当连续脉冲输入计数时，从示波器上可以看到转换器的输出 A 是一个阶梯波。输出最小阶跃幅度等于 2-4R，这就是该转换器的分辨力，它表示输出模拟量的平滑程度。一般情况下，一个 n 位二进制 D/A 转换器的分辨率为 2-nR，转换精度主要取决于二进制分量di·2-iR 之间的比例关系能精确到何种程度。

图 2D/A 转换器输出波形观察

数学摆（mathematicalpendulum） 即单摆。

数学方法（mathematicsmethod） 物理学研究中数学手段的运用。数学高度的抽象性、严密的逻辑性和丰富的辩证性，使它能够概括物理运动的所有空间形式和一切量的关系。数学已成为物理学、特别是微观世界物理学最确切的语言，物理学信息需要用数学语言来传递。

数学工具的使用体现在创立和发展物理学理论的整个过程，物理概念的形成往往借助于数学。特别是现代物理学，它的内容越来越抽象，如果不借助于数学工具，就很难概括。例如熵的概念，可以认为它是经典物理的最后一个概念。物理原理、定律往往直接从实验概括抽象出来，首先是量的测定，然后再建立起量的联系——数学关系式。在经典物理诞生时， 数学已成为它的重要的研究工具，现代物理学的有关运算更加抽象和深奥，数学工具的应用就更加广泛和深入。有些理想化的物理过程和条件， 由于实验条件的限制，很难实现。例如实验室内无法获得绝对满足理想条件的惯性坐标，也不可能造出一部满足可逆过程条件的热机。这类问题只能通过思维并借助于数学工具，才能揭示物理现象和过程的某些特性和规律。对不是直接从实验中概括和抽象出来的物理理论，数学工具在创立它们的过程中所起的作用更为明显。量子力学的创立正说明了这一点。数学常常走在物理学的前面，物理学可以在数学形式中得到启发，从而促进物理理论体系的发展。高斯的虚数理论体系，对后来的电工学、流体力学、振动理论的发展起了重要的作用。重大的物理理论的诞生，往往也同新的数学工具应用联系在一起。例如广义相对论的建立是同曲面几何以及张量分析联系在一起的，没有这些数学工具，就不能创立广义相对论整个理论体系。物理学对数学的依赖性在于数学的逻辑联系，反映了物理运动在某一层次上的特性和规律。在研究、探讨这些特性和规律时，就必须使用相应的数学工具才能认识和表述它。例如大量的无规则的气体分子运动，有一定的统计规律，反映到数学上就是概率论的逻辑规律。研究大量的气体

分子运动的情况，概率论成为主要的工具。

在物理学研究中，应用已知的理论，借助于数学工具，经过逻辑推理可预见某些物理现象或规律。例如质能关系式是爱因斯坦在相对论的基础上借助数学工具推导出来的。

因此，物理学理论上的预见，基本上要借助于数学工具才能实现。物理学理论在工程技术中，有着广泛的应用，在具体运用时，都要借助数学工具。数学实际上是将抽象的物理理论同具体的工程应用联系起来的桥梁。

数学对物理的发展起着重要的作用，物理也对数学的发展起着重要的作用。物理学的需要是数学发展的一个源泉，牛顿创立的微积分方法是一个突出的例子。而使用数学工具研究物理学也推动着数学的发展。不少数学理论是在物理学研究的过程中丰富和发展起来的。例如连续介质力学， 后来还有场论，促进了偏微分方程理论的发展，分子理论的研究和统计物理学推动了概率论特别是随机过程理论的发展等。

束缚电荷（bound charge） 存在于物质内部，在外电场作用下只能在一个原子或分子范围内作微小位移的正负电荷。这种原子内的正负电荷之间的库仑力很强，在一般外电场作用下它们彼此不会完全脱离。束缚电荷的这种特性在电介质极化现象中起到决定性作用。在外电场作用下， 电介质的表面或内部出现的等量异号面电荷或体电荷（称为极化电荷）就是束缚电荷。如果外界电场随时间变化，这种束缚电荷在原子线度上的位移也将随时间变化，这时在介质表面或内部还会出现“极化电流”。

双电桥（double bridge） 亦称为开尔文电桥，用于低值电阻的测量。下图为原理性电路。其中 rx 是被测电阻，rs 是标准电阻，r1、r2、r3、r4 是由标准电阻元件构成的电桥桥臂，G 是检流计，电源 EB 供给电流的 IB， IB 的大小可以通过滑线电阻 Rh 调节，其值可以通过电流表读出。流过 rx、r1 和 r2 中的电流分别为 I、I1 和 I2，其中 I 远大于 I1 和 I2。

双电桥

rx 和 rs 都是四端钮电阻，电流端钮 C 串入电流回路，电位端钮 P 与桥臂电阻相连，而桥臂电阻都是大于 10Ω的电阻器。这样做是为了消除连接导线接触电阻的影响，因此双电桥可以测量小电阻。但从图可以看出，双电桥并不能完全消除连接导线和接触点接触电阻的影响，只是和单电桥相比，双电桥能大大地减小它们的影响。电流端接触电阻串入电流回路，不影响平衡条件，而电位端接触电阻与比它们大得多的桥臂电阻 r1、r2、r3 和 r4 相连，一般情况下可以忽略它们的影响。

在电桥平衡时，检流计里无电流流过，并且 I1 流过 r1 和 r2，I2 流过 r4 和 r3，于是有

r1I1=rxI+r4I2, r2I1=rsI+r3I2.

现在分析 r4、r3 和 r 这个回路，

I ₂ =

r

r + r + r I ，

3 4

化简以上几式并经整理可得：

r = r1 r

+ r × r1r3 − r2 r4 . 。

x r s r

r + r + r

2 2 4 3

如果满足 r1r3=r2r4 的关系，则

r = r1 r ,

x 3

2

即双电桥具有与单电桥相同形式的结果表示式。在实际的双电桥中， 很难做到 r1r3 与 r2r4 完全相等，所以存在误差。但因跨线电阻 r 的值很小， 所以在一般情况下，这个误差可以忽略不计。

双光束干涉（two-beamiuterference） 两束相干光产生的干涉。

实验装置 除杨氏实验外，还有很多著名的实验装置可做双光束干涉。它们的一个共同特点是从同一单色光源中设法获得两束相干光，然后使这两束光在经过不同光路后再相遇，从而形成干涉图样。

图 1 双棱镜干涉

1814 年法国物理学家菲涅耳用底边相接的双棱镜，使狭缝光源 S 在 S1 和 S2 处形成两个虚像，见图 1。自 S 发出的波阵面通过双棱镜后分为向不同方向传播的两部分，看起来好像是分别从虚光源 S1 和 S2 发出的，在交叠区 P1P′2 形成干涉图样。这个实验称为菲涅耳双棱镜实验。1818 年菲涅耳又做了双面镜实验，见图 2。自 S 发出的波阵面通过具有小夹角ϕ组成的双平面反射镜，分为向不同方向传播的两部分。在这两列波的交叠区 P2P2 产生干涉。这两部分光束好像是从虚光源 S1 和 S2 发出的。

图 2 双面镜干涉

在洛埃镜实验中，利用一块平玻璃片，使光源 S1 形成一虚像 S2，见图3。S1 和 S2 便成了一对相干光源，在交叠区 P2P′2 产生干涉。

图 3 洛埃镜

干涉图样的计算 设一对相干光源 S1 和 S2 的间隔为 b，屏幕到光源平面的距离为 L，见图 4。屏幕上 O 点是 S1S2 垂直平分线与屏幕平面的交点。实验要求 L>>b。在 O 点附近形成干涉图样。

图 4 干涉图样计算

如果 S1 和 S2 是垂直纸面的狭缝，则干涉图样为平行于狭缝的一系列直线条纹。如考察屏幕上距离 O 点为 y 处的条纹，先利用近似关系△∶b=y∶ L 求出从两光源到 P 点的光程差△。当△=±kλ（k 为 0 或正整数），即相位差δ=±2kπ时，P 点为相长干涉，干涉图样在该处为亮条纹。k=0，1， 2，3，⋯为干涉条纹的级次。当

∆ = ± (2k + 1)λ ,

2

即相位差δ=（2k+1）π时，P 点为相消干涉，在该处为暗条纹。亮条

纹与 O 点的距离为 y= ±

kλ L b

；暗条纹与 O 点的距离为

y = ±(2k + 1) λ · L 。相邻亮条纹或相邻暗条纹的间隔均为△y= λ L ；这个

2 b b

间隔与干涉级次 k 无关，但正比于光的波长和屏幕到双缝的距离，反比于双缝的间距。在同一实验中，波长较长的红光产生的干涉条纹间隔比波长较短的绿光产生的干涉条纹间隔大。所以当用白光作光源时，除 k=0 的零级亮条纹外，其它各级亮条纹都显示为彩色条纹。零级亮条纹位于屏幕中心点 O 处，对于该点来说，两束光的光程差△=0。

对于其它各种实验装置，干涉条纹位置的计算可以参照上述方法进行。

条纹可见度 假定两相干光束的振幅分别为α1 和α2，则它们的光强分

别为α² 和α² 。亮条纹的最大光强为 I =（α +α ）2，暗条纹的最小光

1 2 max 1 2

强为（α1-α2）2。为描述干涉条纹的清晰程度，定义条纹可见度 F 为

F = I max − I min

I max + I min

把 Imax 和 Imin 的值代入上式，如果α1=α2，则可见度为 1，表示干涉条纹的亮暗对比最显著。如果α1>>α2 或α1<<α2，则可见度为 0，表示条纹的亮暗对比最不清楚。

双折射（birefringence） 同一束自然光通过各向异性媒质折射后分成两束的现象。一束折射光遵从折射定律，另一条折射光不遵从。晶体内的前一条折射光称为寻常光，简称 o 光；后一条折射光称非常光，简称e 光。o 光和 e 光都是线偏振光，它们的振动方向相互垂直。在单轴晶体中， o 光沿各个方向的传播速度 v0 都相同，故其波面是球面，晶体对 o 光的折

射率为 n = c

（c 为真空中光速）。对于 e 光，它在单轴晶体中沿各个方

0 vo

向的传播速度不同。沿晶体光轴方向的速度与 o 光一样：沿垂直光轴方向的速度 v0 对于负晶体，ve＞v0，对于正晶体，ve＜v0。故 e 光的波面在负晶体内是 o 光球面波面的外切椭球面；在正晶体内是内切椭球面，且都是在光轴方向上相切。e 光不服从折射定律，不能简单定义折射率。但通常把真空中光速 c 和 e 光沿垂直于光轴的传播速度 ve 之比称为 e 光的折射率，即 ne=c/ve。对于负晶体，n0＞ne；对于正晶体，no＜ne。no 和 ne 合称为晶体的主折射率。

水的污染（water Pollution ） 作为某种预想用途的水的可用性受到损害。水是一种宝贵的自然资源，是人类赖以生存的物质条件之一。人们的生活、生产活动需要一定质和量的水，但当污染物进入湖泊、河流、海洋和地下水时，使水的化学、物理、生物或者放射性等方面特性发生变化，从而影响了水的有效利用。

根据污染物质的不同，水的污染类型可分为：①病原体污染：主要污染物质为寄生虫、病原菌及病毒。这些物质往往随着生活污水、粪便、畜禽饲养场污水、屠宰、制革等工业废水及医院污水的排放进入水域。水成为传播疾病的媒质，这些病原体会引起人的生理失调和肠道系统急性传染

病等。19 世纪英国流行的霍乱病就是由水污染所造成的。②有机物需氧污染：包括生物需氧物质和化学需氧物质，如生活污水及工业废水中的碳水化合物、蛋白质、油脂等。这些污染物在水中经微生物作用后可分解，而在分解的过程中需要氧气，从而使水中的溶解氧减少，影响鱼类等水生生物的正常生长，甚至死亡。有机物的进一步分解还会产生恶臭。③化学污染：主要是汞、镉、铅、铬、砷等重金属污染及有机农药、DDT 乳剂等有毒有机物污染。这些污染物随工业废水、工业废弃物的排放及农药的制造和使用而进入水域，通过饮用水或食物链途径再进入人体，引起人类的神经障碍、脑神经障碍及肾脏障碍等，危害极大。50～60 年代日本发生的水俣病就是人们长期食用富集汞的鱼、贝类食物而造成的，骨痛病是由于镉中毒所致。④放射性污染（见核污染）。⑤富营养物质污染：由生活污水、工业废水及农田用水中含有氮、磷、碳等植物营养物质所引起的污染。它会使鱼种发生变化，在近海海域中会引起浮游生物急剧繁殖的“赤潮”。“赤潮”会窒息大量的鱼、虾、蟹、贝，使海域生物资源遭到破坏。⑥热污染：工业中的冷却水排放将大量热量带入水中，使水温上升，加快水中的生化、化学反应，导致溶解氧减少，直接影响到鱼类的生存和繁殖。⑦ 石油污染：主要发生在海域，污染来自炼油厂等的含油废水以及船舶排放的废油。水面上形成的油膜会阻碍水的复氧作用，油膜粘附在水生生物上， 会使生物窒息而死。⑧盐污染：各种酸、碱、盐等无机化合物进入水域， 使淡水资源矿物化程度提高。土壤的酸化也使得地下水水域的矿化度增高。

水声学（under water acoustics） 声学的一个分支。主要研究水中声波的产生、接收、传播规律与计量等问题，以及它的各种应用。由于声波在水中传播时衰减远小于电磁波，因此在军事、航海、渔业等方面有广泛的应用。可以用它在海洋中测距、测深、导航、侦察潜艇和水雷、探测鱼群、勘察海底地层、寻找储油结构等。回声测深仪、流体测位仪、声扫雷机、水底超声测位仪等使用已很普遍。

水听器（hydrophone ） 用于液体中（主要是水中）的电声接收换能器。在水中声音的接收，第一次世界大战时曾用直接收听，即把橡皮球放在水中，用橡皮管通到耳内收听。但以后逐步制成了电磁换能器。目前， 水听器常用压电材料和磁致伸缩材料制成，这主要是因为它们的阻抗高， 在水中匹配好。按声波作用原理的不同可分为压敏水听器和振速水听器（即压差水听器）两种。当输出电压正比于接收到的声压时为压敏水听器；当输出电压正比于接收到的质点振动速度时为振速水听器。水听器的主要性能指标有：工作频段、灵敏度和指向性。

顺序控制（program control ） 按规定好的时间或逻辑顺序进行工作的一种控制方式。它既可以按预先确定好的每阶段应进行的控制动作，按顺序逐个进行；又可以根据前阶段的结果，选择下一步应执行的动作，并转入下阶段；也可以是上述两种方式的结合。

顺序控制必须执行预先制定好的一系列控制动作，在进入下一段，进行下一个动作时，必须对上面的动作进行监督和逻辑校验，判断是否可进行下一个动作。因此，采用单板机或者单片机，甚至是一位或四位机作为控制工具比较有效。

顺序控制一般可用于生产过程自动化中的开关量的顺序控制。如水电

站、火电站的自动起停控制系统，机械加工自动线，产品分类自动线，铸造造型生产线，工业机械手，以及单机自动化等。

斯涅耳（Willebrord Snell 1591～1626） 荷兰数学家、物理学家。生于莱顿。1608 年在莱顿大学获硕士学位，并在该校工作，1613 年起任教授。

斯涅耳是光的折射定律的最早发现者。1618 年，他在研究光的折射现象时，发现不同的介质对光有不同的折射能力。1621 年，他通过实验，发现光的折射定律（亦称为斯涅耳定律）。该定律指出：“折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，入射光线和折射光线分别位于法线两侧， 入射角的余割和折射角的余割的比值对于一定的两种媒质来说是一个常数。”由于余割和正弦成反比，所以这个结果与我们现代形式的折射定律等价。当然，斯涅耳生前未公布这一发现。直至 1626 年他去世时，惠更斯和沃斯两人声称在他的遗稿中，看到了这方面的记载。折射定律是几何光学的最基本的定律之一。斯涅耳的发现为几何光学的发展奠定了理论基础。

斯蒂文（Simon Stevin 1548～1620） 荷兰力学家、数学家、工程师。生于布鲁日。1583 年入莱顿大学。1592 年任工程师。后参加荷兰人反对西班牙统治的起义军。1604 年任纳索的毛里斯亲王部队的军需总监。主要贡献是对数学和力学的研究。1585 年，对十进制小数及其日常应用作了浅显而透彻的说明，从而使十进制在欧洲使用起了重要作用。1586 年， 最先表述了力的三角形定理，这种力的三角形法与力的平行四边形法等价，给静力学研究以新的推动，而过去静力学是以杠杆原理为基础的。阐述了斜面平衡的条件，并根据永动机的不可能，得出斜面原理：放在斜面上的一个物体所受的沿斜面方向的重力与倾角的正弦成正比。另一个重大成就是发现了流体静压力定律，即液体对盛放液体的容器的底所施的力只取决于承受压力的面积的大小和它上面液柱的高度，而与容器的形状无关。在研究浮动物体的平衡条件时，引进了定倾中心的概念。再一个重大成就是他的试验报告：两个铅球，其中一个的重量为另一个的 10 倍，从

30 英尺的高度下坠，结果同时落地，从而第一个用实验否定了亚里士多德的关于重物比轻物下落得快的断言。在工程方面，设计了一套水阐系统， 利用水淹以驱赶敌人，这是荷兰人的一种重要防卫手段。还发明了一种 26 座的挂帆马车，用于海滨。

斯蒂文链（Stevin chain） 斯蒂文用来阐述斜面原理，解决斜面上平衡问题的一种装置。它是用 14 个重量相同的光滑小球等距地连成一根链条，挂在光滑的直角三棱柱上，此链可沿柱面两边滑动。该装置图画在1586 年斯蒂文著的《静力学原理》一书的封面上。根据这种装置，斯蒂文提出了这样的问题：在自由状态下球链将呈现什么状态？因为棱柱左边（较长的一边）的小球比右边（较短的一边）多，有人会认为由于重量不同链子会持续从右向左运动。如果真的如此，我们就可以给这个装置加上一些齿轮和传动部件来无限久地带动各种机器而无需任何消耗了。但是斯蒂文否定了这种可能性，他认为链子应处于平衡状态。这就意味着斜面上由链子连成的小球，其重力形成的拉力随着斜面与水平面之间的夹角的减小而减小。由于左右两个斜面上的小球的数目明显地与这些斜面的长度成正比，由此斯蒂文便得出斜面原理：放在斜面上的一个物体所受的沿斜面方

向的重力与倾角的正弦成正比。

斯托克斯定律（Stokes law） 关于流体阻力的定律。在雷诺数 Re

＜1 的情形（如比较小的球形物体在粘性较大的流体中缓慢流动），此时球形物体在流体中所受粘滞阻力为 F=6лηvR。式中R 为球体半径，v 为球的运动速度，η为粘滞系数。该定律由英国数学家和物理学家斯托克斯发现，故名。例如雾中小水滴降落所受阻力即适用此式。密立根证明离子所带电荷为电子电荷整数倍的密立根油滴实验，也是应用该公式。

思维能力（ability of thinking ） 人脑对客观世界一种间接的和抽象概括的反映能力。思维的工具是语言，思维能力也就是借助于语言对感知材料进行加工的能力。思维的形式包括逻辑思维和形象思维。物理教学中的思维能力主要指逻辑思维能力。逻辑思维是运用逻辑思维的方法，通过抽象的科学概念来揭示事物本质，表述认识事实的结果。逻辑思维的方法主要有比较、分析、综合、抽象、概括、推理等。在学习物理过程中的思维能力，主要表现在能根据物理事实，运用逻辑思维方法，建立物理模型，形成物理概念，得出物理规律。

中学物理教学中对学生思维能力的培养，主要是在对物理事实（包括现象）的分析和综合的基础上，突出科学抽象、概括和科学推理能力的培养，形成概念和科学的理想化是物理教学中训练抽象概括思维能力的两种主要方式。形成物理概念包括形成理论性定义的物理概念和形成操作性定义的物理概念。科学的理想化方法则包括建立理想化模型、理想化物理过程和进行理想实验。为了在物理教学中培养以上抽象和概括的思维能力， 应使学生明确物理概念和各种模型是根据哪些事实，是怎样建立起来的。它的适用范围、适用条件又是怎样的。在练习和考试中，要避免问题情景的抽象化和过分模型化，应设置结合实际的问题情景，培养学生从实际的事物或过程中抽象出合适的物理模型和过程的能力。在中学物理教学中， 科学推理能力的培养主要是训练演绎推理和类比推理能力。这两种推理方式是物理教学中得出规律的主要手段。总之，清晰的逻辑思维能力是物理教学中形成概念、得出规律的保证。

在物理教学中，思维训练的主要和基本形式是逻辑思维训练，但也不能完全忽视形象思维的作用，形象思维与逻辑思维不是互相排斥，而是相辅相成的。大纲中除了要求培养逻辑思维能力外，还明确要培养想象力， 想象是在原有感性形象基础上创造出新形象的心理过程。形象思维具有一般不脱离具体形象的特殊性，把物理问题形象化，有助于学生再造想象， 即根据物理科学语言的抽象描述在脑中再造和展现出一个与物理过程相应的具体可见的新形象、新图景。这种具体的新形象就是通过想象再造的物理图景。在物理教学中，通过某些恰当而形象的比喻，启发学生的想象， 能有效地帮助学生较深入地理解和牢固掌握某些抽象的物理知识。

司南（ south-controlling） 中国古代指南针的最初形式。《韩非子·有度》中载：“故先王立司南，以端朝夕”，“端朝夕”是正四方的意思。《鬼谷子·谋篇》中载：“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”， “为其不惑”意即为了不迷失方向。《论衡》对司南作了比较具体的描述： “司南之杓，投之于地，其柢指南。”文中“杓”是勺子，“地”是中央光滑的地盘，“柢”是勺的长柄。河南南阳东汉墓出土的石刻上有司南勺的图画。我国科技史家王振铎根据《论衡》中的描述，参考了朝鲜东浪汉

墓的发掘结果，复原出古代司南的原型。它是藉天然磁石琢磨制成的勺形指南仪器，其大小形状就像现在通常家用的汤匙，只是司南的底呈球形， 将此勺放在一块以青铜做成的地盘中央，它就会自由转动起来，直至与地磁场的南北极方向一致为止，从而用以确定南北方向。

死光（death ray） 一种辐射武器。利用 X 射线或α、β、γ射线作为具有杀伤力的武器使用时，称为死光。强雷达也可致人死命，但不伤及外表。激光发明以后，死光多指激光武器，例如激光炮。激光器用作普通的枪炮其代价非常昂贵。目前正在尝试利用激光击毁敌方导弹的制导系统，使其失去控制。

四维空间（four-dimensional space） 亦称“四维时空”。由一维时间和三维空间所构成的总体。这一概念最早由德国数学物理学家闵可夫斯基在狭义相对论的基础上提出，故又称“闵可夫斯基空间”。任何物质的运动总发生在时间和空间之中，根据狭义相对论，时间和空间密切联系，不可分割。在一个惯性参考系中的时间（空间）会在另一个惯性系中表现为空间（时间）。

在四维空间中可以建立“四维坐标系”，其坐标轴编号可记为 0，1，2， 3，分别表示时间轴和三个空间轴。发生在特定时空中的一个物理事件可以用这种四维坐标系中的一个点来表示，这种点称为“世界点”。两个事件的世界点的间隔称为“四维间隔”，其平方定义为△s2=c2△t2-△x2-△y2-

△z2。在洛伦兹变换下△s2 保持不变，即从一个惯性系到另一个惯系性的变换中，虽然有时间间隔变为空间间隔，或空间间隔变为时间间隔，但是总间隔，即四维间隔保持不变。洛伦兹变换可以看作是四维坐标系的转动变换。

犹如在三维空间中可将物理量分类为三维标量、三维矢量（有 3 个分

量）和三维张量（有 9 个分量）一样，在四维空间中可以将物理量分类为

四维标量、四维矢量（有 4 个分量）和四维张量（有 16 个分量）。例如四维间隔就是一个四维标量。而时间分量和三个空间分量则构成一个四维矢量（称为四维坐标）。其他如粒子的能量和动量的三个分量也构成一个四维矢量（称为四维动量）。这一结果揭示了能量和动量之间的密切联系。在电磁学中，一个物体的总电量是四维标量。电荷密度和电流密度的三个分量构成一个四维矢量（称为四维电流密度）。而电磁场的电场强度的三个分量和磁场强度的三个分量则是一个四维张量（称为电磁场强度张量） 的不同分量。

宋应星 （1587～？） 中国明代科学家。字长庚，江西省奉新县人。曾任江西分宜教谕、福建汀洲推官、南京毫州知州等职。生平深究实学， 关心工艺技术和注意总结生产经验，对士大夫轻视生产的态度，深为不满。

宋应星的贡献主要在声学方面。他的研究成果汇集在《论气》这一部内容较丰富的科学著作中。《论气》包括《论气序》、《形气》、《气声》、

《水非胜火说》、《水尘》等 24 篇，内容连贯，成为一体。在《气声》中， 他从自然现象和生活经验出发，认为声音是由于物体振动或急速运动冲击空气而产生的；指出声音是靠气的振荡而传播的；并分析了人耳的生理机构和对声音接收的情况；从而阐述了有关声的发生、传播和接收的有关见解。他的主要著作是《天工开物》，该书系统而详尽地记载了我国古代至明代在农业、手工业和科学技术等各方面的重大成就。

速度（velocity） 物体运动快慢和方向的物理量。在时间△t 内，

∆r

设质点的位移为△r，比值 ∆t 是位矢的平均变化率，称为质点在时间△t

内的平均速度，以 v 平表示为

v = r( t + ∆t) − r( t) =  ∆r ，

^平 ∆t ∆t

平均速度的方向与质点在时间△t 内的位移方向一致。△ t 趋向零时平均速度的极限称为质点在时刻 t 的瞬时速度。瞬时速度又称即时速度或简称速度，常用记号 v 表示：

v = lim r(t + ∆t) − r(t)

= dr , ，

∆t →0 ∆t dt

质点的速度是它的位移矢量对时间 t 的一阶导数。速度是一矢量，其方向是△t→0 时位移△r 的极限方向，即沿质点轨迹的切线，并指向质点运动的方向。

平均速度的意义是，如质点以不变的速度 v 平从时刻 t 所在的位置出发，经过时间△t 后，它将到达质点在时刻 t+△t 的位置。平均速度并不一定等于质点在时间△t 中任一时刻的实际速度，它只描写质点在时间△t 内位置变动快慢和方向的大致情况，而瞬时速度则能细致地反映质点在每一时刻位置变化的快慢和方向。

用质点的直角坐标表示时，质点相对于此坐标系的速度是

v = dx i + dy j + dz k

dt dt dt

式中（x，y，z）是质点的直角坐标，i，j，k 分别是沿 x，y，z 三轴正向的单位矢量。

以指定点为起点，依次画出间隔相等的各时刻的速度矢量，连接它们的端点而成的曲线称为速端图。速端图给出速度矢量随时间变化的清晰图像。

速端图

速度的量纲是 MT-1，其 SI 制单位是米/秒。

速度—时间图像（velocity-timegraph） 简称为速度图像。直线运动中，以时间为横轴和以速度为纵轴，描写速度与时间关系的曲线图。匀速直线运动的速度—时间图像是一水平直线图(a)。若简谐振动的运动方程是 s=Asin（ωt+ϕ），可求出它的速度是 v=Aωcos（ω+ϕ），它的速度

—时间图像大体如图(b)所示。

(a)(b)

在速度—时间图像中，曲线上一点（t，v）的斜率表示质点在时刻 t的加速度，在时刻 t1 和时刻 t2 两竖直坐标线之间所夹曲边梯形面积的代数和，表示质点在时间[t1，t2]中所经过的位移。这里，曲边梯形面积的代数和是指 x 轴上方曲边梯形的面积减去 x 轴下方曲边梯形面积所得的值。速度选择器（speedselector） 亦称“滤速器”。应用电磁偏转原

理按速度（率）选择带电粒子的装置。其

速度选择器示意图

结构如图所示。平行板电容器的匀强电场 E 与大面积电磁铁提供的匀强磁场 B 互相垂直。由粒子源发出的带电粒子以各种不同速率穿过狭缝 S1 进入场中后，将分别受到电场力 Fe=qE 和磁场力 Fm=qvB 的作用，两者的方向正好相反。若Fe≠Fm，粒子将发生偏转而被电容器的极板吸收。只有那些v=E/B

（此时 Fe=Fm）的粒子才不发生偏转，沿直线路径通过狭缝 S2。这样就实现了按速度挑选粒子的目的。改变 E 和 B 的值，即可挑选出不同速率的粒子。这一装置广泛应用在质谱仪、粒子加速器等仪器和设备中。

速率（speed） 物体运动快慢的物理量。质点从时刻 t 到时刻 t+△ t 运动的路程△s 与相应的时间△t 之比，称为质点在时间△t 内的平均速率，以 v 平表示：

v 平 =  ∆s 。

∆t

当时间△t→0 时，平均速率的极限值称为质点在时刻 t 的瞬时速率， 瞬时速率又称为即时速率或简称为速率，以 v 表示：

v = lim ∆s = ds 。

∆t→ 0 ∆t dt

质点运动的速率是质点运动时的路程对时间的一阶导数。速率同时也是速度的绝对值，所以速度的大小也称为速率。由于路程△s 并不一定与同一时间△t 中的位移的绝对值相等，所以同一时间中的平均速率与平均速度的绝对值并不一定相等。

酸雨（acidrain） pH 值小于 5.6 的雨雪或其他形式的大气降水。它是大气受污染的一种表现。酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象。酸雨含有多种无机酸和有机酸，绝大部分是硫酸和硝酸，多数情况下以硫酸为主。硫酸和硝酸是由人为排放的二氧化硫和氮氧化物转化而成的。因煤和石油的燃烧以及金属冶炼而释放到大气中的二氧化硫，通过气相或液相的氧化反应生成硫酸。高温燃烧生成的一氧化氮，进入大气后大部分转化成二氧化氮，遇水后生成硝酸和亚硝酸。由于人类活动和自然过程，还有许多气态或固体物质进入大气，成为成酸反应的催化剂。

降水的酸度过高（pH 值降到 5 以下），就可能使生态系统受害，在土壤盐基饱和度低的地区或土层薄的岩石地区，酸雨降落地面后得不到中和，使得土壤、湖泊、河流逐渐酸化。当湖水或河水中的 pH 值降到 5 以下时，鱼的繁殖与发育会受到严重影响，土壤和水底泥中的金属会渗入水中， 毒害鱼类。水体的酸化还会导致水生生物的组成结构发生变化，耐酸的藻类、真菌增多，而有根植物、细菌和无脊椎动物减少，有机物的分解率降低，所以酸化的湖、河中的鱼类减少，对饮用者的健康也会产生有害影响。酸雨还伤害植物的新生芽叶，从而影响其发育生长。酸雨腐蚀建筑材料、金属结构、油漆，使古建筑、雕塑像受到损坏。

控制酸雨的根本措施在于减少二氧化硫和氮氧化物的人为排放量。

随机误差的综合（ synthesis of stochasticerror） 计算函数误差的一种方法。设函数

y=f（x1，x2，⋯xt）

由 x1，x2，⋯，xt 共 t 种自变量组成，对 x1 进行 n1 次测量，x2 进行 n2 次测量，⋯，xt 进行 nt 次测量，那么数 y 标准差的估计公式为：

σ = ,

式中

1 n j 2

σ j =

j

∑(x ji − x _j )

i= 1

即 xj 测量到的标准差。则函数 y 的算术平均值的标准差为：

σy = 。

例如，已知惠斯登电桥的二、三、四臂，经过多次重复测量，得到：

R₂ = 84Ω,

R₃ = 300.0Ω, R₄ = 250Ω,

则待测电阻 Rx 的算术平均值：

σ = 1Ω,

σ = 0.5Ω,

σ = 1Ω,

R 4

R = R 2 ·R R₃

= 840

300.0

• 250 = 700Ω,

σ =

R x