=

Rx

= 700

1

( 840

) ² + ( 0.5 ) ² + (

300

1 2

250)

= 700.0.0045 = 3.1Ω.

因此被测电阻值可写成：700±3Ω。

注意：如果在 t 个变量中，最大误差项大于其它误差项的一个数量级， 那么其它误差项可作为微小误差项忽略，使计算更为简易方便。

随堂学生实验（little experiments inclass-room） 学生在学习新的物理知识过程中，同步进行的小型、灵活的物理实验。随堂学生实验不一定要用实验器材，例如要求学生发声时用手摸喉部，用手拉、压一块橡皮都可称为随堂学生实验。随堂学生实验不同于规范的学生分组实验，它与整个教学进展密切配合，方式和时间都较灵活，可以单人，也可以分组，可以在教室，也可以在实验室进行，时间可长可短。

随堂学生实验为学生创造一种与物理现象相互作用的良好物理环境， 使学生处在主动、积极的手脑并用状态，能有效地增大物理课堂教学的感知量和感知效果。学生对所观察到的现象和有关的物理知识印象深刻，掌

握得也比较牢固。同时，随堂实验教学对教师的教学组织能力提出了较高的要求。教师在教学过程中要进行及时的启发、引导，指导学生的观察和思维方向，及时获取学生的反应和反馈，并组织必要的讨论。教师的主导作用体现在随堂实验教学过程的组织和控制上，既要放得开，又要收得拢， 使教师的启发讲解、学生的实验、学生之间以及师生之间的讨论有机地组合起来。在中学物理教学、尤其在初中物理教学中，充分发挥随堂实验的作用是使中学物理教学真正转到以实验为基础的轨道上来的基本和有效的途径。

随堂学生实验的课题选取，一般可从以下几方面考虑：①运用“探索法”教学时，通过随堂实验引导学生建立概念和认识规律。例如研究弹簧秤的刻度，研究电磁感应规律。②作为随堂演示实验的补充，这是随堂学生实验的主要形式。可通过简单、生动的随堂小实验引入要学习的物理课题，巩固已引入的概念或规律，训练学生用科学方法研究问题以及澄清学生中易于产生的糊涂观念。③熟习常用的物理器材，例如刻度尺、天平、温度计、电表（电流表、电压表、万用电表等）、滑线变阻器等。④作为演示可见度较低的实验，随堂学生实验使用的器材应较简单，也可用一些生活中的用品作为器材，操作要简便。

隧道二极管（tunnel diode） 见隧道效应。

隧道效应（tuneleffect） 一个具有能量为 E＜qV0 的粒子，在不具备跨越 qV0 势垒的情况下，仍具有穿越该势垒的一定概率的现象。隧道效应起源于量子现象。按照量子力学观点，一个具有能量为 E＜qV0 的粒子，虽然不能跨越 qV0 的势垒，却仍有一定概率穿过该势垒。如果半导体PN 结两边的杂质浓度都很高（～1020/cm3），使结的耗尽区很薄，同时内建场又很强（＞106V/cm）时，N 区的电子虽不能攀过势垒高坡从 N 区导带进入 P 区价带，但却能按一定概率穿透势垒从导带进入价带，从而参与导电。

日本人江崎首先根据这个效应制造了隧道二极管。隧道二极管与普通

二极管不同，其电流与电压的变化关系（伏安关系）存在负阻区域，此时隧道电流随电压的增加反而减小。利用负阻特性，可使隧道二极管具有振荡、开关、放大等作用。

隧道二极管是由于一种载流子穿透隧道而形成电流，因此它是一种多子（即多数载流子）器件，不存在少子的漂移和扩散，因此也就不存在讯号传输的延迟，故适用于制造高速器件。

索尔维物理学会议（ Solvay conference on Physics） 一种国际物理学会议的总称，由比利时化学家索尔维首倡召开。该会议的主要特点是：①致力于讨论物理学发展中有待解决的关键性问题，目的是激励那些能够扩展和深化自然现象知识的研究；②每次会议都只有人数不多的、来自世界各国有关方面最杰出的专家就一个专题进行讨论。 1911 年， 由于相对论和量子论的出现，引起了原有的经典物理学理论与现代物理学新概念的严重不协调。当时德国物理学家普朗克和物理化学家能斯脱便酝酿要开一次国际性会议，与此同时以创造氯碱法而闻名世界的比利时化学家索尔维，在布鲁塞尔会见了能斯特也颇有同感。于是能斯脱建议由索尔维倡导邀请一些著名的科学家赴布鲁塞尔开会，得到索尔维的赞同。于是

在 1911 年 10 月召开了第一次国际物理学会议，主题是辐射和量子论，由洛伦兹担任科学委员会的主席。该会议参加者有：普朗克、爱因斯坦、索末菲、维恩、昂内斯、卢瑟福、M. 居里、佩兰、朗之万、布里渊和庞加莱等人。由于第一次会议开得很成功，以后基本上是 3～5 年召开一次，到1982 年已举行过 18 次，前 17 次都在布鲁塞尔举行，第 18 次会议在美国举行。

索末菲（Arnold Johann Wilhelm Sommerfeld1868～1951） 德国物理学家。生于柯尼斯堡。1891 年毕业于柯尼斯堡大学，获哲学博士学位。1897 年任克劳斯塔尔矿业学院数学教授。1900 年任亚琛工业大学应用数学教授。1906 年任慕尼黑大学理论物理学教授，不久主持建立了理论物理研究所。

主要贡献是对原子结构及原子光谱的研究。1915 年，在玻尔原子模型中，将玻尔的电子轨道又细分为许多辅助轨道，认为电子除圆形轨道外， 还须引入椭圆形轨道。提出要描述一个在二度空间运动的电子，除角动量量子化外，还需要有径向动量的量子化。在三度空间中，轨道平面在某一特定的方向取向上也产生量子化，即空间量子化。在电子运动中，还须考虑到相对论效应，得出氢谱线的精细结构公式，并引入精细结构常数。这一理论被称为玻尔—索末菲理论，从而成功地解释了氢原子光谱。1916 年，与德拜合作，通过引入磁量子数，成功地解释了正常塞曼效应。1919 年，与科塞尔合作，确立了光谱位移定律，导出多重线强度的公式。 1920 年，又引入内量子数的概念，给出双重线和多重线的选择定则，从而对碱金属光谱的双重线，作出初步的解释。著有《原子结构和光谱线》（1929）、

《波动力学补篇》（1929）、 《理论物理讲义》（共 6 卷， 1942～1956） 等。

锁模技术（mode locking） 使激光谐振腔内各振荡模式同步而实现超短激光脉冲输出的技术。对于非均匀加宽介质的激光器，产生的总是多纵模激光。它们的振幅、频率和初相位各不相同，因而互不相干。总的激光输出是各纵模的非相干叠加。锁模技术就是在谐振腔中增加某种调制技术，强迫各纵模保持振荡同步，使输出激光是各纵模的相干叠加。

调制 光振动由振幅、频率、相位和振动方向特征，相应地可以对以上各量进行调制。例如某点处的光振动用下式表示：E=E0cosωt，对它进行振幅调制即意味着使它的振幅变为时间 t 的函数，如

E0(t)=E0+Emcosωmt。

这种调幅波 E=E （1+ Em cosω t）cosωt 可以化为

0 E 0 m

E = E0

cos ωt + Ma

2

E0 cos[(ω + ω

_m ) t]

• Ma

2

E0 cos[(ω − ω

_m )t ],

式中 M = Em 称为调幅指数，ω 和 E

为外加信号的角频率和振幅。若

a E 0 m m

Ma=1，称为 100%调制。上式中第一项是频率ω的未调制的载波振荡。第二、第三项分别是以上、下边频（ω+ωm ）和（ω-ωm）振荡的项，它们的振

幅相等。如果这两个边频正好与ω激光的邻近两个纵模的频率重合，它们便具有确定的振幅和相位关系。而后（ω+ωm）和（ω-ωm）经增益介质放大，并通过调制器调制，其边频又与各自相邻的纵模频率重合。这一过程继续进行，直到所有纵模都被耦合，结果使各纵模成为有规则的等间隔的短脉冲系列。

频率调制、相位调制和偏振调制的情况与振幅调制相类似，结果也是使所有纵模耦合。

锁模激光经过调制后的多模激光器将输出锁模激光。这种激光的特点是：激光是间隔为 2L 的规则脉冲序列，其中 L 为谐振腔长。每个脉冲的

c

宽度

∆τ − 1 , N∆v

其中 N 为纵模数，△v 为激光工作物质的增益线宽。可见△v 越大，锁模脉宽就越窄。每个脉冲的峰值功率正比于（NE0）2，而锁模以前激光的平均功率正比于 NE20。因此锁模激光的峰值功率增加 N 倍。固体激光的纵模数可达 103～104，故锁模后的峰值功率提高很多。

被动锁模 利用染料的饱和吸收性质可以使多纵模激光成为锁模激光输出。开始时激光多纵模脉冲呈不规则起伏，由于染料对弱信号吸收强， 对强信号吸收弱，致使极大值与极小值之差逐渐扩大，相对地删除了弱信号成份，使发射脉冲变窄。只要可饱和染料的激发态寿命小于光子在腔内往返一次的时间，就可能产生锁模激光。

主动锁模 在激光腔内插入一个调制器，调制频率精确等于纵模间隔， 就可以得到锁模激光输出。调制器可以是电光晶体或声光元件，因为调制频率或幅度可以人为控制，故得名。

T

太阳（sun） 太阳系的中心天体和距地球最近的恒星。地球上光与热的主要来源。其半径为 6.96×108 米，为地球半径的 109 倍；其质量为

1.99×1030 千克，为地球质量的 130 万倍。

太阳大气分层太阳基本形状为球形，其大气主要分为三层：光球、色球和日冕。光球是太阳的表面层，可见光从这一层发出，温度为 6000K； 光球外层为色球，厚度约为 1 万到 1.5 万千米，温度比光球高；最外层为

日冕，约在光球外 2 万千米一直延伸到几个太阳半径，并延伸到与行星际气体连成一片，后者是以每秒数百公里的速度从太阳喷出的气体，主要由质子与电子组成，称为太阳风。日冕温度高达 1.5×106K。太阳辐射的总功率为 3.9×1026 焦耳/秒，其中半数辐射为可见光，但近紫外和近红外也辐射相当部分的能量，而 X 射线和射电辐射的贡献甚微。太阳向外辐射的巨大能量主要来自由氢核聚变成氦核的热核反应。

太阳也在自转，其周期在日面赤道带约 25 天，越近两极越长，至两极

区约为 35 天。除自转外，太阳还绕银河系中心公转，周期约 2 亿 3 千万年，

公转速度约 250 千米/秒。太阳的化学元素成分几乎与地球相同，但比例有差异。太阳上最丰富的元素是氢，其次是氦，还有碳、氮、氧和各种金属。

太阳黑子和耀斑在太阳上不断地发生着剧烈的变化，这些现象的黑子、斑谱、日浪、日珥、光斑、日冕凝聚物的射电爆发、X 射线爆发和宇宙线爆发。太阳黑子由暗黑的本影和在其周围的半影组成，是太阳表面温度较低的区域，温度比光球低 1500℃，亮度则为正常光度的五分之一。黑子又是太阳活动最明显的特征，它随太阳自转而一起运动，由此可测得太阳自转周期为 27 天。最小的黑子直径有几百公里，没有半影；最大的黑子比地球还大。黑子最重要的特性是它们的磁场强度。黑子越大，磁场强度越大。小黑子磁场强度为 500 高斯，大黑子可达 4000 高斯。日面上的黑子数经常不断变化，在太阳活动极小年可几乎没有黑子；在极大年，日面上可看到上百个黑子。两次极大值之间的时间间隔为 11.2 年。大黑子群出现以后，地球上往往发生磁暴和电离层扰动现象。

从太阳单色光照片中发现，太阳中偶尔有非常密而热的气体发生短时间的明亮的耀斑现象。耀斑中等离子体的温度高达几万度，它持续时间可从几分钟（小耀斑）到几小时（大耀斑）。许多地球物理现象都与耀斑发出的辐射和粒子有关。例如当耀斑出现时，产生的 X 射线穿透地球大气使电离度增高、电波吸收增强，致使短波无线电通讯发生衰减。同时来自耀斑的等离子云以 2000 千米/秒的速度穿过日—地距离冲击地球的磁层与电离层，同时产生磁暴和极光，使电离层扭曲，无线电通讯遭到干扰甚至破坏。耀斑的出现，一般认为是与黑子区磁场的快速变化有关，但至今对耀斑的物理本质还不清楚。

太阳能量的来源对太阳巨大能量的产生，第一个提出科学假设的是德国物理学家亥姆霍兹，他认为太阳能量来自引力收缩，太阳物质因不断收缩，引力势能不断转化为光和热。但据他计算，其能源够维持 3000 万年之用，而从生物进化角度看，这个时间太短了。自中子发现后，1938 年，物理学家贝蒂提出了太阳以及一般恒星能量生成的现代理论。该理论认为， 太阳的真正能源来自它的核心部分，太阳中心温度极高（估计为 1.5×

107K），物质的原子结构遭到破坏，电子被剥离了原子核，物质呈等离子态。一部分原子核可能获得极高的速度，能克服原子核之间的斥力而发生碰撞。碰撞结果使较轻的原子核聚合成较重的原子核，这就是热核聚变反应。太阳中辐射出的能量，正是聚变反应中释放的。

太阳的能量巨大，氢又是它最丰富的元素，用氢作“燃料”的热核反应预计可使太阳在 100 亿年时间内稳定地发光。当太阳的所有核能源全部耗尽后，将变成一颗白矮星，随着内部温度下降，最终变成一颗黑矮星， 一种由简并物质组成的不发光的致密天体。

太阳辐射（solar radiation ） 太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。在大气科学中，太阳辐射通常是指太阳的电磁波辐射。被接收到的太阳辐射能主要来自于太阳大气层中的光球层。太阳大气中的色球层是一个充满磁场的等离子体层，由于磁场的不稳定性而时常产生剧烈的耀斑爆发，同时还发射大量的远紫外辐射、X 射线和高能粒子流，因此，太阳辐射和太阳辐射能的变化取决于太阳大气的状态。

观测到的太阳辐射谱呈连续光谱形式，但光谱上分布着许多吸收暗线，这些暗线被称为夫琅和费线。太阳辐射进入地球大气后要经历复杂的吸收和散射过程，因此在地球表面获得的太阳辐射不仅能量大大减弱，而且辐射谱也发生畸变，并随着实际大气状况和辐射通过的大气路程长短而变化。和进入地球大气层之前的太阳辐射相比，在地面的太阳辐射谱最大辐射波长明显移向长波方向，并且由于地球大气中臭氧的吸收，对波长小于 0.290 微米的太阳辐射，地面已无法探测到。

太阳辐射共分为三个主要部分：①紫外部分（波长小于 0.4 微米）包括 X 射线、γ射线等，它占太阳辐射总量的 7%；②可见光部分（波长 0.4～

0.76 微米），约占太阳辐射总量的 50%，其中以波长在 0.475 微米附近的辐射能力最强；③红外部分（波长大于 0.76 微米），约占太阳辐射总量的43%。

表示太阳能辐射强弱的物理量是太阳辐射强度，它是单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能。未经大气、日地平均距离时的太阳辐射强度称为太阳常数，其值为 1.97 卡/厘米 2·分。一年中太阳辐射约 1.2

×1034 焦耳的能量，到达地球约有 6×1024 焦耳，是太阳总辐射能的二十亿分之一，其中绝大部分又被反射回去，约 35%被吸收。

阳光是环境的一个基本要素，对大气中的一些化学反应有显著作用， 对地面上植物的光合作用具有特殊的意义，对地球表面的温度、大气运动、水循环、生物的分布以及人类的活动都具有决定性的影响。太阳黑子（sun spot）太阳光球中由于表面温度较低而形成的暗黑区域。大阳黑子是太阳活动最明显的特征。是日面上磁场最强的区域，聚集着大量的磁通量，它使太阳对流层下边的能量向上正常传输受到抑制，从而减少了对该区域的热的补充，使得该区温度降低，成为暗黑的黑子。黑子中心处的温度约为4000K，亮度为正常光球的五分之一。

太阳黑子的形态是多种多样的，有单个的，也有成群的。黑子的典型尺寸是：小的只有千余公里，大的可达十万公里左右。在光球中，黑子的位形大致可分为两部分：中心较黑的区域叫黑子本影，本影周围有许多纤维状的结构，亮度在本影与光球背景亮度之间，叫做半影。太阳黑子随太阳自转而不断改变位置，在太阳自转方向上呈椭长的分布。黑子的数目随

时间周期性地变化，平均周期为 11 年。在太阳黑子数最多的年份，太阳上的爆发和各种活动增多，称为太阳活动峰年。黑子数少的时候，太阳相对平静，黑子数最少的年份叫做太阳活动宁静年或太阳活动谷年。大多数黑子的寿命只有几天，但是大黑子可以持续几个月，一个大黑子的典型磁通量为 1027 麦克斯韦，磁场强度可超过 4000 高斯。观测到的黑子往往成双或成群地出现，成双出现的两黑子群的磁极性相反，同一半球内的双极黑子群极性分布相同，不同半球的双极黑子极性分布则相反，在下一个 11 年周期中，双极黑子的极性反转。

太阳黑子与太阳磁场有着密切的关系。根据磁流体力学的理论可以分析黑子磁场的产生、发展及消亡。目前普遍认为太阳的磁场是带电物质的运动使得微弱的种子磁场得到放大的结果。由于太阳的“较差自转”，即在日面的不同纬度上自转角速度不同，使得光球下面的磁力线管缠绕起来，到一定的时候，磁力线管上浮到日面，形成双极黑子。

中国在古代就对太阳黑子进行了观测。西周后期的《周易》中记载有“日中见沫”、“日中见斗”，《汉书·五行志》中也有“⋯⋯日出黄， 有黑气大如钱，居日中央”的记载。大量的观测则是在望远镜发明以后。对观察资料的研究、分析表明，太阳黑子与人类生活的许多方面休戚相关。如：人们利用大气的电离层进行无线电短波通讯，通讯的可用频率与电离层的条件有关，若适逢太阳黑子活动高峰时，则与之紧密相关的耀斑活动也增强，耀斑所发射的高能粒子使最接近地面的电离层电子浓度大大增加，因而造成电离层对无线电波的吸收，使无线电通讯突然中断。这种情况有时会持续数天，为使通讯顺利进行，应对电离层的物理状态作出预测。对太阳黑子相对数的预测、预报，可为通讯部门事先选取最佳通讯频率等提供依据。此外，太阳上的变动也牵动着地磁场、地球气象等的变化，地磁变动的程度，一些长期气象要素（如降雨量等）的变化都有着明显的 11 年周期。农业产量、虫害的发生与发展、人类的某些疾病（如霍乱、神经系统疾病和心血管系统疾病）都有着 11 年的周期效应。

太阳剖面示意图

1.核反应区，2.辐射区，3.对流层，

4.光球，5.色球，6.暗丝，7.黑子，

8.具有米粒组织的太阳表面

太阳能电池（solar battery） 将太阳能直接转换成电能的半导体器件。基于半导体 P—N 结的光生伏打效应制成。当日光照射到 P—N 结时， 其可见光部分在半导体中激发出电子空穴对，在 P—N 结的自建电场作用下，电子向 N 区聚集，空穴向 P 区聚集，使 N 区带负电，P 区带正电。于是在 P—N 结之间就产生一电动势，它可以向外输出电流的功率。一般单片太阳电池，在地球表面的日光强度下可产生 0.5 伏特的电动势，效率在百分之十以上，典型的输出功率是 5～10 毫瓦每平方厘米（结面积）。扩大结面积，可增加输出电流和输出功率。实用的太阳能电池由大量这种 P—N 结的小基片通过串联的并联构成。并联接法可增加输出电流，串联接法可增加输出电压，并联和串联接法均可增加输出功率。

太阳能电池的最重要的参数是它的转换效率，通常定义为最大输出功率与入射太阳能功率之比。转换效率的高低取决于制造太阳能电池的半导

体材料及其质量、制造工艺、结构和表面抗反射层介质的特性等。制作太阳能电池的常用的半导体材料有硅、砷化镓和硫化镉等。砷化镓太阳能电池的转换效率最高，但成本极高。目前最常用的是硅太阳能电池。

太阳能电池的寿命长，转换效率较高，使用安全，有广泛的用途，现已于计算器和人造卫星上作电源之用。

太阳日（solar day） 太阳相继两次通过地球子午线之间的时间间隔。因是直接观测得到的，故称视太阳日。由于地球自转速度存在着三种变化：季节性变化、不规则变化和长期变化，所以视太阳日整年都在变化着。如 12 月份，一视太阳日约为通常钟面时间的 24 小时 30 秒；而在 9

月份，则为 23 小时 59 分 39 秒。一年中最长和最短的视太阳日相差约 51 秒，用它来计时很不方便，为弥补这一点，在天文上引入“平太阳日”概念。平太阳日是假想天上一点在天赤道上按太阳在黄道上以均匀速度自西向东运行，相继两次通过子午线的时间间隔。在一平太阳日中，通常的钟稳定地运行 24 小时。

太阳同步轨道（sun-synchronous orbit） 轨道平面绕地球自转轴旋转、方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度（0.9856 度/天或 360 度/年）的人造地球卫星轨道。根据理论计算，太阳同步轨道的倾角必须大于 90°，高度不超过 6000 公里。在太阳同步轨道上运行的卫星，以相同方向经过同一纬度的当地时间是相同的。例如卫星由南向北经过北纬 40°上空是当地时间上午 8 点，以后每次由南向北经过北纬 40°都是当地时间上午 8 点。由于太阳同步卫星的这个特点，可以选择适当的发射时间，使卫星经过一些地区时，这些地区始终有比较好的光照条件，并且卫星在这些地区上空始终处在太阳光的照射下而不进入地球阴影。这时太阳能电池可以充足供电而不中断。倾角稍大于 90°的太阳同步轨道还兼有极轨道的特点，可以鸟瞰整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星和照相侦察卫星一般都取太阳同步轨道，以使拍摄的地面目标的图象清晰而完整。

太阳同步轨道

太阳系（solarsystem） 由太阳和受太阳引力做用围绕其运转的天体、尘埃粒子和气体组成的复杂体系。除太阳外，太阳系的成员有大行星、行星的卫星、小行星（绝大多数位于火星、木星轨道之间）、数千甚至上万颗质量甚小的彗星、流星体和稀薄的气体尘埃。太阳质量占整个太阳系总质量的 90%以上，但角动量却只占 1%，它是唯一可从地球上看清表面细节的恒星。已知的大行星有九颗，按离太阳由近及远的顺序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。这些行星各自沿接近圆形的椭圆轨道绕太阳运行。彗星体积很大而质量极小，它们只在离太阳足够近时才产生出背离太阳的彗尾，这是由彗尾发出的极稀薄物质在太阳风和辐射压的作用下形成的。与行星轨道不同，彗星的轨道有很大的偏心率并以各种不同倾角同黄道面相交。流星既指夜空中偶然看到的一掠而逝的亮光，也指形成流星亮光的本体——流星体。一般流星体很小，它们在穿经大气时被烧尽，但也有少数会落到地面，称为陨星。比陨星更小的是尘埃微粒，也常常会进入大气层，因剧烈摩擦发热而燃烧，这也是一种流星。

太阳系的范围一般指到冥王星的距离，约为 40 天文单位（太阳到地球

平均距离，约为 1.5×108 千米），但实际上太阳系范围要大得多，可能达

几百个天文单位。太阳系是银河系的一部分，距银河系中心约 3.26 光年。

太阳系以约 250 千米/秒的速度绕银河系中心旋转，旋转周期约 2 亿 3 千万年。

关于太阳系起源的理论很多，主要有两类：一类是有序演化说；另一类为灾变说。前一类的典型是德国的康德于 1755 年和法国的拉普拉斯于

1796 年提出的星云说，后人常把他们的学说合称为康德—拉普拉斯星云说。按该学说，太阳系最初是一个灼热而旋转的星云，因冷却而凝缩，旋转速度加快，使星云呈扁平状。当离心力超过引力时，逐次分裂出许多环形物。最后，星云中心部分凝聚成太阳，各个环则碎裂并凝结成为围绕太阳运行的地球和其他行星。灾变说则认为太阳曾同一颗恒星发生掠撞，巨大的起潮力把太阳部分物质拉出，形成一缕细丝状物质条并在以后破裂而形成行星。但近代太阳系起源理论已抛弃了这种灾变说，因用最大的天文望远镜在最近的恒星周围也观察不到像土星那样大的行星。

近年，天文学家正致力于寻找冥王星外的第十颗行星。其根据是冥王星实际运行轨道与理论计算值不一致，犹如海王星发现前人们发现天王星的运行轨道有摄动那样，因而估计在冥王星外侧有一颗尚未发现的行星。但目前尚未定论。

调帽（amplitude modulation，简写为 AM） 参见调制。

调频（frequency modulation，简写为 FM） 参见调制。

调 Q 技术（Q-modulation） 谐振腔的品质因数称为 Q 值。定义为

Q = 2лv0

贮存在腔内的能量 ， 每秒损耗的能量

其中 v0 是激光的中心频率。谐振腔损耗过大时，激光阈值高，不容易实现激光振荡；腔损耗小时，激光阈值低，容易实现激光振荡。调 Q 技术又称Q 开关，是通过一些措施使谐振腔的 Q 值能按一定的程序改变。当 Q 值小时，激光阈值高，使粒子数反转值很大，如果此时使 Q 值突然变大，激光阈值变小，使受激辐射迅速增加，便能在极短时间内产生极高强度的激光。

转镜调 Q 使谐振腔的一个反射镜高速旋转，当该反射镜面与另一反射镜不互相平行时，Q 值低，上能级粒子数迅速积累。当该反射镜转动到与另一反射镜相平行的位置时，Q 值升高，从而产生激光巨脉冲。

电光调 Q 在激光谐振腔内加置一块偏振片和一块 KD*P 晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在 KD*P 晶体上外加λ/4 电压，由于泡克尔斯效应，使往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P 晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有

λ

4 电压时，光束不能在谐振腔中通过，谐振腔处于低 Q 状态。由于外界激

励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高 Q 值状态，从而产生激光巨脉冲。电光调 Q 的速率快，可以在 10-8 秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线偏振光，在装置电光调 Q 措施时不必放置偏振片。

染料调 Q 在谐振腔中插入染料盒，当激光器刚运转，发射光强很小时，

染料的强烈吸收作用使 Q 值很低，上能级粒子数便能迅速积累；当腔内光强增加到一定程度时，染料突然达到吸收饱和，对该波长的光成为透明媒质，从而谐振腔的 Q 值突然升高，产生激光巨脉冲。染料成为光透明的过程称为染料漂白。由于漂白是暂时的，故染料可以重复使用。

声光调 Q 在谐振腔中放入声光介质，当没有超声波存在时，光束可自由通过声光介质，腔的 Q 值很高，容易产生激光振荡。当有超声波时，声光介质密度发生周期变化，导致折射率周期变化，使光束发生偏转，这时谐振腔的 Q 值很低，使上能级粒子数迅速积累。

调相（phase modulation，简写为 PM） 参见调制。

调谐（tuning） 在无线电、电视、雷达接收机或发射机的电路或系统中，作有关频率的调节（调节电感、电容或同时调节两者），以便在选定频率上得到最佳性能的过程。无线电收音机和电视机选电台的过程就是调谐。机内的 LC 调谐电路的谐振频率为

f0 ≈ ，

改变 L、C 的值就改变 f0，当 f0 的值与外界的电台的载波频率 fi 相一致时，调谐电路就发生谐振，这时就选准了该电台。在制造或维修设备时所进行的调谐，通常是用螺丝刀调节设备内部或后面的调整旋钮或中频变压器的磁芯帽。一般用户只需调节面板上的调谐旋钮，就可使设备获得最佳性能。

调制（modulation） 使消息载体（载波）的某些特性随信息（调制信号）变化的过程。调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪器等电子设备。调制中采用的载波可以是正弦波、脉冲波（或光波），调制信号可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。前者是模拟信号，后者是数字信号。

图 1 调幅波的波形

正弦波调制有幅度调制（简称调幅）、频率调制（简称调频）和相位调制（简称调相）三种基本方式，后两者也称为角度调制。

1. 调幅（AM）。正弦载波幅度随调制信号而变化的调制。图 1(a)、(b)、(c)分别是单频调制信号 uΩ(t)、载波信号 Uσ。(t)和调幅波 UA(t)的波形。其载波幅度 Uσ与调制信号瞬时值 uΩ(t)成线性关系，但载频 fσ=ωσ/2л和相位ϕ保持不变。调幅信号 UA(t)可表示为

UA(t)=Uc（1+mcosΩt）cos（ωσt+ϕ），

式中Ω=2лF，是调制信号的角频率，其中 F 为调制信号的频率；m 是一个和调制信号幅度 uΩ成比例的常数，称为调幅系数，数值在 0～1 之间。调幅波的瞬时幅度变化曲线称为包络线。调幅系数 m 不能大于 1，否则包络线和调制信号不能保持线性关系，会产生失真。这种情况称为过调幅。

调幅的技术和设备比较简单，频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长波、中波和短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。

1. 调频（FM）。正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制。1933 年由美国无线电专家阿姆斯特朗发明。图 2 是调频波的波形。它的载波的瞬时角频率ω与调制信号瞬时值 uΩ(t)成线性关系，而幅度 Uθ不

变。单频调制时，瞬时角频率ω可表示为

ω=ω0+△ωcosΩt，

式中△ω=kfUΩ，是一个和调制信号幅度 uΩ成正比的常数，称为最大角频率偏率。调频波的表示式为

Uf(t)=UCcos(ωct+

∆ω

Ω sinΩt+ϕ0），

式中ϕ0 是载波的初始相位；△ω/Ω=mf 称为调频指数，它可以是任何正数， mf 很大时，调频波的频谱很宽，这种情况叫做宽带调频。

图 2 调频波的波形

调频具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量的广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。

1. 调相（PM）。正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制。单频调相时，理想调相波 Uϕ(t)的表示式是

Uϕ(t)=Uσcos（ωct+△ϕcosΩt+ϕ0），

式中△ϕ为载波相位随调制信号而变化的最大相移，称调相指数。它与调制信号幅度 uΩ成正比，但与调制角频率Ω无关。

调相具有优越的抗干扰性能，而且可以实现较窄频带，因而在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。

态的叠加原理（principle of superposition of states） 量子力学的基本原理之一。量子力学中用波函数描写微观粒子状态，波函数满足的基本方程（称为“薛定谔方程”）是线性方程，所以如果ψ1 和ψ2 是该方程的解，则它的线性叠加态ψ=C1ψ1+C2ψ2。也是该方程的解。量子力学中态的叠加原理来源于物质粒子的波动性，所以这种态的叠加原理与经典波的叠加原理在数学形式上相同，但在物理实质上有着根本的区别。与微观粒子相联系的波是“概率波”，所以微观状态的叠加性实际上是一种概率性的体现。

弹簧秤（springbalance） 利用弹簧的形变制成的测力计。一种典型的弹簧秤如图所示。图中弹簧秤的外壳内有一弹簧，上端连结一圈形拉手，并固定在外壳上。在未称重时，弹簧未伸长，其下端所附的指针指示刻度上的零位置。弹簧下端连结一挂钩，伸出秤外。弹簧秤的允许称重限制在弹簧的比例极限范围内，挂钩上悬挂的重物重量与弹簧的伸长成正比，所以秤上指示重量的刻度是均匀的。弹簧秤有如图中所示的拉力弹簧秤，也有使弹簧压缩而秤重的压力弹簧秤。必须指出的是，与弹簧的伸长或缩短相联系的形变，实际上是弹簧金属丝的扭转形变。

弹性力（elasticforce） 在外力作用下弹性物体变形后所产生的一种恢复力。弹性力是自然界中广泛存在的一种力，例如压缩或伸长了的弹簧施于物体的力等。在形变很小时，弹性力的大小与物体形变量成在比， 其方向总与引起物体形变的外力的方向相反，或其方向总使变形的弹性体恢复其原来形状。例如，将弹簧一端固定，并沿 x 轴放置，弹簧未形变时， 另一端（末端）的坐标为 x=0，当弹簧末端受外力作用而均匀拉伸或均匀压缩，只要此端位移 x 很小，弹簧末端施于物体的弹性力就是

F=-kxi。

式中 i 是沿 x 轴方向的单位矢量，k 是一个正的和物体材料有关的比例系数，称为弹簧的倔强系数，负号表示力和位移方向相反。当弹性物体的变形较大时，弹性力的大小不再与形变成正比，但力的方向总企图使物体恢复原来形状。

弹性力产生的原因是由于弹性体内分子之间斥力和引力不平衡而引起的。物体不受外力时，分子之间的相对位置正好使斥力与引力平衡。当物体被拉长时，分子之间的距离增加，这时引力大于斥力，在内部分子的过剩引力作用下，物体力图恢复原状而对外界施力物体产生抗拉恢复力，即弹性力。当物体被压缩时，分子间的距离减小，这时斥力大于引力，在物体内部分子之间过剩斥力的作用下，物体力图恢复原状而对外界施力物体产生抗压恢复力，也是弹性力。弹性力的特点是它在弹性体上所做的功并不转化为热，而是增加了弹性体的势能。所以弹性力是保守力。

弹性力学（elasticity） 又称弹性理论。研究弹性物体在外力和其他外界因素作用下所产生的应力、形变和位移的学科。弹性力学起始于17 世纪，其后发展过程主要分为四个阶段。第一阶段：实验定律的建立。

其中有英国的胡克和法国的马略特分别于 1678 年和 1680 年独立地提出了弹性体的变形和所受外力成正比的定律，后被称为胡克定律。这一阶段中， 还通过实验测定了许多材料的弹性模量（或杨氏模量）。另一方面，人们用并不完备的理论来处理一些简单构件的力学问题。第二阶段：基础理论的建立。纳维和柯西于 1820 年提出弹性理论的基本方程，1838 年格林和稍后的汤姆孙确定弹性系数为 21 个。这一阶段中，弹性力学的各种基本方程，例如几何方程、运动（平衡）方程、各向同性以及各向异性材料的广义胡克定律相继建立，并且已经能够把弹性力学问题化成在指定边界条件下求解某些微分方程的数学问题，或在指定的边界条件和起始条件下求解运动方程的数学问题，打开了弹性力学向纵深发展的突破口。第三阶段： 线性问题的发展。始于 19 世纪中叶，是用弹性力学处理各向同性材料线性问题的大发展时期。这一阶段中，诞生了许多具有理论和应用价值的论文， 促进了弹性力学在许多工程问题中的应用。第四阶段：非线性弹性力学的发展。从 20 世纪初开始，弹性力学进入了对非线性问题的讨论，并且出现了许多边缘分支，例如考虑温度影响的热弹性力学，研究固体同气体和液体相互作用的气动弹性力学和粘滞弹性理论等。这个阶段中，弹性力学的数学方法也在相应发展，出现了很多近似计算方法，近代计算机的问世， 更有力地促进了弹性力学和非线性弹性力学计算方法的发展。

弹性力学所依据的基本规律有三个：①变形的连续规律。反映这种规律的方程称为协调方程（6 个）。②应力—应变关系规律。若应力和应变呈线性关系，这个关系便称为广义胡克定律，它是由 6 个方程组合而成的一组方程。③运动（或平衡）规律。处于运动（或平衡）状态的物体，其中任一部分都遵从力学运动（或平衡）规律，即牛顿运动定律，它包含三个（分量）方程。弹性力学中的许多定理、公式和结论都可以由这三组基本方程推导出来。根据这些方程对应变、应力等物理量的分布所进行的精确数学推演，常称为数学弹性力学。实际上，由于数学上的困难，常引用关于形变和应力分布的某些附加假定来简化计算，得出具有一定精确程度的结果，这部分内容常称为应用弹性力学。许多不便通过数学求解而得出结果的弹性力学问题，常常通过实验方法在实物上或模型上测量所需的

量。在有的问题中，则可用数学和实验相结合的方法得出弹性力学问题的结果。

汤川秀树（Yukawa Hideki 1907～ 1981） 日本物理学家。生于东京。1929 年毕业于京都大学。1938 年在大阪大学获博士学位。1939 年起先后任京都大学教授、东京大学教授。1948 年任普林斯顿高级研究院客座教授、哥伦比亚大学访问教授。1953～1970 年任京都大学基础物理学研究所第一任所长。

主要贡献是预言了介子，获 1949 年诺贝尔物理学奖。1935 年，在研究原子核内部质子和中子之间相互作用的问题时，提出了著名的介子场理论。预言存在作为核力及β衰变的媒介存在的新粒子，并算出这种粒子的质量大约是电子质量的 200 倍，由于质量介于质子和电子之间，故称为介子。还提出了核力场的方程和核力的势，被称为汤川势表达式。1935 年， 与坂田昌一合作，预言了 K 俘获。1937 年，安德逊等在宇宙射线中，发现了类似汤川秀树所预言的介子，但发现它不能传递力的作用。1947 年，在宇宙线中发现了另一种粒子，从而认定是汤川秀树预言的介子，被命名为л介子。同年，提出了非定域场理论，试图解释电场发散问题。1953 年， 提出中间玻色子的思想，发表了非定域场的统一理论。著有《量子力学导论》（1947）、《基本粒子理论导论》（1948）、《基本粒子》（1961）。

汤姆孙 J.J.（Joseph John Thomson 1856～1940） 英国物理学家。生于曼彻斯特。1971 年入欧文学院，1876 年成为剑桥大学三一学院的数学研究生。1880 年取得数学荣誉学位考试的第 2 名，次年便成为三一学院研究员。1884 年，年仅 28 岁便被选为英国皇家学会会员，并接替瑞利， 任卡文迪什实验室主任职务，长达 35 年之久。1905～1918 年兼任皇家学院自然哲学教授。1918～1940 年任剑桥大学三一学院院长。1916～1920 年任英国皇家学会会长。

主要贡献是发现了电子，获 1906 年诺贝尔物理学奖。1897 年，研究阴极射线在磁场和电场中的偏转时，证明它们是带负电的粒子流。设计了著名的测定荷质比e/m 的实验，测得粒子荷质比比氢离子荷质比大2000 倍（现在的精确测量为 1837 倍），根据这种粒子的电荷与氢离子的电荷值相同， 推得粒子的质量为氢离子的 1/2000，由此发现电子的存在。电子是人们认识的第一种基本粒子。电子的发现，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的层次，打破了人们认为原子是物质结构最小单位的概念，揭示了原子还有内部结构和电的物质本质，为向原子内部进行探索和量子力学的产生奠定了物质基础。

随着电子的发现，汤姆孙又作出一系列贡献。1903 年，提出最早的原子结构模型：原子是一个带正电的球体，而电子渗入这个球中，电子的总负电荷等于球体的正电荷，被称为汤姆孙原子模型。虽然该模型不符合事实，但为研究原子结构起到了先导作用。1904 年，提出原子中的电子分成组，形成不同的组态，导致化学元素的周期性。1907 年，提出质谱议的工作原理。1911 年，提出确定不同气体的离子的相对质量的抛物线方法，这对同位素研究有重要意义。1912 年，在对一些元素的极隧射线研究中，最早得到了同位素存在的实验数据。1913 年，将原子量为 20 和 22 的两种不同的氖离子区别开来，第一次用物理方法分离了稳定元素的同位素。

汤姆孙对电学理论研究也有很大贡献。在研究电磁波自由带电粒子散

射时，发现带电粒子在外来电磁波的作用下，被迫做同频率的振动，带电粒子在此过程中可将其吸收的电磁波再辐射出去而形成散射，被称为汤姆孙散射。最早应用经典理论，计算出电磁波为电子所散射的截面大小与电子的“几何截面”相近，被称为汤姆孙截面。著有《气体导电》（1903）、

《电和物质》（1904）、《物质的微粒理论》（1907）、《原子论》（1914）。

汤姆孙 G.P.（George Paget Thomson 1892～1975） 英国物理学家。生于剑桥。J.J.汤姆孙之子。1914 年毕业于剑桥大学。第一次世界大战期间服过役。1919 年到卡文迪什实验室工作。1922 年任亚伯丁大学自然哲学教授。1930 年任伦敦大学教授。1952 年任剑桥大学教授。1930 年当选为英国皇家学会会员。

主要贡献是用实验证实了德布罗意的物质波理论，获 1937 年诺贝尔物理学奖。早期，研究了电子被原子散射的问题。1923 年，德布罗意提出物质波理论，并提出证实这一理论的实验设想，为此汤姆孙将他的电子散射实验与场的干涉实验结合起来，这些实验表明，电子虽然是粒子，但其行为又很像波。1927 年，继续这方面的研究工作，用快速电子（速度相当于通过 1000 伏到 8000 伏电压后获得的值）做了实验，让电子垂直地射到非常薄（厚度在 1/10000 到 1/00000 毫米之间）的赛璐珞的薄片上得到衍射图样，通过衍射圆环直径来计算的波长值与德罗布意物质波理论给出的值非常吻合，于是证实了电子的波粒二象性，也证实了德布罗意物质波理论。著有《应用气体动力学》（1919）、《自由电子的波动力学》（1930）、

《电子衍射的理论与实践》（1939，与科克伦合著）。

汤斯（Charles H. Townes 1915～） 美国物理学家。1935 年毕业于富尔曼大学，1939 年获加利福尼亚理工学院博士学位。1939～1947 年在贝尔实验室工作。1948 年任哥伦比亚大学物理学副教授，1950 年任教授，1952 年任物理系系主任。1961 年任麻省理工学院院长。

主要贡献是对激光器的发明奠定理论分析和设计基础，获 1964 年诺贝尔物理学奖。1951 年，珀塞耳应用核磁共振方法造成了粒子数反转，获得50 千赫（属于无线电长波范围）的受激辐射，汤斯受到启发，开始研究爱

因斯坦于 1916 年所预见的受激辐射问题。经过反复思索，尝试许多方法产生波长更短的相干电磁波而受挫后，突然闪现出利用二能级分子制造激射器的思想。与此同时，普罗霍罗夫和巴索夫也着手了对这一问题的研究。他们分别独立发现，如果使气体获得高能量，在适当的外界条件下，就可以造成粒子数反转，使气体处于激发态，同时产生大量的微波辐射。1954 年，汤斯在他的研究生戈登和助手蔡格合作下，首先制成了第一台利用受激辐射原理工作的新型微波振荡器——氨分子微波激射器，工作波长是

1.25 厘米，但输出功率只有 10-9 瓦。1958 年，微波激射器在汤斯等人的研制下，已经达到了理想的实用阶段。同时，汤斯和肖洛发表了对光频段工作的谐振腔的设计方案和在光频段内得到粒子数反转的理论分析，预言了激光器的可能。1960 年，梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，从而开辟了现代科学技术的一个崭新领域。天平（balance）利用杠杆原理来衡量物体质量或重量的一种仪器。其主要部分为一轻而坚固的三角形横梁， 横梁的中点及两端各有一刀刃，中点处的刀刃向下，支于天平架的中央立柱的槽口内，使梁可绕此刀刃自由摆动。梁的中央附有一根长的指针，指于立柱下方所附的小刻度板上，以读得摆动度数。横梁两端刀刃的刀口向

上，各悬等重的秤盘一个。盘下和横梁下方各有盘托与支架。横梁的杆臂上刻有刻度，以备放置跨码之用。横梁两侧或一侧附有螺旋锤，以调整横梁在称重前的平衡。称重时，在一秤盘中放置待称之物，另一秤盘中放置砝码，天平接近平衡时，可继续调节横梁上跨码位置以微调至平衡。通过记录读数，测出重物的质量或重量。为防尘埃及空气扰动，天平常置于一玻璃柜中。天平底座是否水平，可旋转底座三足螺旋予以调整。一般的粗天平或物理天平的称量范围在数克至数百克之间，常量分析天平的称量范围为 0.1 毫克至 100 克，微量分析天平的称量范围为 0.001 毫克至 20 克。天平的式样很多，除了等臂式天平外，还有悬臂式超微量天平，其灵敏度可达 0.01 微克。

天平

天体（celestialbody） 宇宙间各种星体的通称。太阳系中的天体包括太阳、行星、卫星、彗星、流星以及行星际微小天体等。银河系中的天体有恒星、星团、星云以及星际物质等。河外星系是与银河系同样庞大的天体。近年来还发现红外源、射电源、X 射线源和γ射线源等，以上均属自然天体。目前在天空中运行的人造卫星、宇宙火箭、行星际飞船和空间实验室等，均属人造天体。

天体力学（celestialmechanics） 天文学中较早形成的一门分支学科。用力学定律（包括万有引力定律、牛顿运动定律及分析力学原理） 研究在引力作用下天体的力学运动与形状。

发展简史早期天体运动的研究以描述为主，主要描述太阳系（太阳、大行星和月球等）的运动。17 世纪开普勒提出著名的行星运动三大定律， 能完整地描述行星运动的规律，并为牛顿的发现奠定了基矗 1687 年牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，阐明了天体运动的基本原因是天体间相互存在引力，提出了著名的万有引力定律，从而较完满地解释了太阳系各天体的运动规律。从此，天体力学正式诞生，天体运动的研究进入了动力学阶段。1736 年欧拉在研究天体运动时提出了分析力学，后由达郎贝尔、拉格朗日等人加以发展和完善，从而建立了研究天体运动的摄动理论。拉普拉斯的巨著《天体力学》集中了牛顿以来天体力学的成果，成为经典天体力学的代表作。

19 世纪由于小行星、彗星和卫星的大量发现，这些小天体的轨道偏心率和倾角都较大，经典天体力学无法完善解释，德洛纳等人对经典分析方法作了改进，对以后的发展影响较大。到了 19 世纪末 20 世纪初，天体力学的两个基本方法——定性方法和数值方法逐步形成，前者由彭加勒等人创立；后者主要由科威尔和亚当斯等人创立。本世纪 50 年代后，由于人造天体的出现和电子计算机的广泛应用，天体力学进入了一个新时期，各类人造天体运动理论研究已成为现代天体力学的重要内容。电子计算机的广泛应用促使数值方法迅速发展，不仅用于解决各类实际问题，而且还用于定性和分析方法，使这两种方法得到相应发展。近一、二十年来，由于统计轨道力学的创立，非线性动力系统和三体问题稳定性等定性理论的新进展，尤其是混沌现象的发现，斯泽贝赫里概括这些天体力学的最新成就， 提出了“天体力学非确定性”的新概念，使天体力学获得新的发展。

学科内容 天体力学研究对象主要是太阳系内的天体，50 年代后包括

人造天体和为数不多的恒星系统。天体的力学运动指天体质量中心在空间的位移和绕质量中心的转动（自转）。天体形状主要研究流体或弹性体在内部引力和自转离心力作用下的平衡形状及其变化规律。天体内部和天体间的万有引力是决定天体运动和形状的主要因素，故天体力学仍以万有引力定律为基础。虽已发现万有引力定律与某些观测事实发生矛盾（如水星近日点进动问题），需用广义相对论对这些事实作出解释，但就天体力学的绝大多数课题而言，相对论效应并不明显。

天体力学研究的主要内容有多体问题（包括二体问题、限制性三体问题和天体定性理论），摄动理论，轨道计算，历书天文学，天体形状和自转理论，人造天体的运动理论（包括人造地球卫星运动理论、月球火箭运动理论、行星际火箭运动理论和宇航动力学）等。

研究方法 主要用数学分析方法解运动方程，把天体位置作为时间的“显函数”。此方法固然好，但只在一些最简单的问题才有解。后来彭加勒提出“定性方法”，不用具体数字描述天体的运动，而是探测天体运动轨道的特性，因而对理论研究，特别对不能用定量方法求解的问题更有意义。发展现代定性方法和使用电子计算机是现代天体力学的两大特点。由于电子计算机既快又可靠，使得级数解法又获得新的生命力。自宇航时代开始以来，用电子计算机求解问题的特解比寻求问题的通解更为重要。数值方法的迅速发展，不仅用于解决实际问题，还同定性方法和分析方法结合起来，进行各种理论问题的研究。

天体物理学（astrophysics） 天文学的一门分支学科。它是应用物理学的理论、方法和技术研究天体和宇宙空间的形态、结构、化学组成、物理状态和演化的规律。

发展简史 从公元前 129 年古希腊天文学家喜帕恰斯首次目测恒星光度起，到 18 世纪赫歇耳开创恒星天文学，属天体物理学的孕育时期。到了

19 世纪中期，由于三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究，对天体的结构、化学组成、物理性质有了比较完整的了解，形成了科学体系，发展成一门独立的分支学科。如 1859 年，基尔霍夫对太阳光谱的吸收线（即夫琅和费谱线）作出了科学解释，他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的。1864 年哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星，证认出某些元素的谱线，以后又根据多普勒效应测定了一些恒星的视向速度。1929 年哈勃在研究河外星系光谱时，提出了哈勃定律。1931～1932 年央斯基发现了来自银河系中心的宇宙无线电波。40 年代，英国军用雷达发现了太阳的无线电辐射。此后，射电天文学蓬勃发展起来。60 年代用射电天文手段发现了类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射。1946 年，美国开始用火箭在离地面 30～100 公里高度拍摄紫外光谱。1957 年，苏联发射人造地球卫星，为大气外层空间观测创造了条件。之后，美国、西欧、日本相继发射用于观测的人造卫星，装备了各种类型的探测器，用以探测天体的紫外线、X 射线、γ射线等波段的辐射，观测天体物理学进入了全波段观测时代。这一切不仅促进了高能天体物理、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展，也向物理学、化学和生物学提出了新的研究课题。今天随着量子论、相对论、原子核物理和高能物理的发展，射电和空间技术在天文观测上的广泛应用，天体物理学的研究内容越来越丰富，已成为天文学最重要最活跃的一个分支学科。

学科内容 天体物理学的研究内容极为广泛，主要有以下几方面：①以太阳为主要研究对象的太阳物理，包括太阳表面和内部结构、能量来源、化学组成、黑子、耀斑、日珥等太阳活动现象和规律，以及与地球科学交叉的日地关系研究；②研究行星、彗星、卫星、小行星以及行星际物质的太阳系物理。随着各类空间探测器的发射，太阳系的研究已成为天文学中最活跃的领域之一；③恒星天文和恒星物理研究，包括研究各类恒星、恒星集团、星际物质的分布和运动特性，它们的形态、结构、物理状态和活动性、化学组成以及银河系结构和运动学；④河外星系和宇宙大尺度结构研究，包括探测星系和各星系集团空间结构、运动学、相互作用，以及更大尺度的物质分布状态；⑤以上各类天体的起源和演化问题。天体物理领域中如恒星形成、星系形成和演化过程，都是至今尚未解决的问题，随着空间和多波段观测手段的广泛应用，天体物理学将会取得更多的突破性进展。

研究方法 主要从实验观测和理论研究两方面进行，因而形成实测天体物理学和理论天体物理学。实测天体物理学以观测为基础，通过望远镜和各种后端接收探测设备取得各类天体的高精度观测资料，利用天文学、数学和物理学方法对观测结果进行分析和处理，从而为理论研究提供基本数据和资料，并验证理论推断。

理论天体物理学是根据理论物理学的原理和方法来研究天体的结构、物理性质和过程以及演化规律。它是解释已知天象的有力工具，且可预言尚未观测到的天体和天象。理论物理学中的辐射、原子核、引力、等离子体、固体和基本粒子等理论，为研究类星体、宇宙线、黑洞、脉冲星、星际尘埃、超新星爆发奠定了基础，从而可进一步了解宇宙结构和演化规律。

天体物理学一方面不断吸取物理学的最新成果来研究天体物理现象， 丰富人类对宇宙的认识。深入了解宇宙的结构与演变规律；另一方面又以它的观测事实与理论成果促进物理学的发展。例如氦元素就是首先在太阳上发现的，25 年后才在地球上找到。热核聚变反应概念也是在研究恒星起源时提出的。因此近年来天体物理学已成为自然科学的前沿阵地之一。

《天体运行论》（De Revolutinibus Orbium Co-elestium） 波兰天文学家哥白尼的代表作。成书于 1543 年。原著是用拉丁文出版的，后

被译成多种文字。中译本第 1 卷出版于 1973 年。该书的宗旨是阐述太阳为

宇宙中心和地球运动的新学说。全书共分 6 卷，第 1 卷名“宇宙概观”， 论述了太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳运行，概括了宇宙的总结构，是全书的精华；第 2 卷论地球的自转，按日心体系解释天体的视运动；第 3 卷论岁差；第 4 卷论月球的运动和日月食；第 5、6 卷论五大行星。该著作是哥白尼经过三十多年的犹豫以后，终于决定将这部“藏了四个九年”的“大家长久期待的著作发表出来”。哥白尼深知该著作的发表会遭到教会的反对。但是他泰然表明：“我不会在任何人的责难面前退缩下来。”“如果有人竟对我的设想横加指责，我将不予理睬，我认为他们的判断是粗暴的，对此我完全蔑视。”然而当印刷好的著作送到哥白尼手边的时候，他已经睡在临终的病床上。该著作的出版在思想界和科学界产生了巨大的影响，它是向宗教公开的挑战，揭开了近代天文学利宇宙观的革命序幕；它也宣告了自然科学的独立，从此自然科学便开始从神学中解放出来。

天文单位（astronomical unit） 天文常数之一。常用符号 A 表示，缩写为 AU。有两种定义：①粗略地指地球到太阳间的几何平均距离， 或指地球椭圆轨道的长半轴；②精确地说指月地系质心到太阳的几何平均距离，或指月地系质心绕太阳公转的无摄动椭圆轨道的长半径。

根据开普勒定律

k² =

4π²A ³

T²S(1 + m)

S

k 为引力常数，S 为太阳质量，m 为月地系质量，T 为地球绕太阳公转周期， A 为月地系到太阳的平均距离。若太阳质量取天文质量单位（即 S=1），月地系到太阳的平均距离为天文距离单位（即 A=1），高斯根据当时不很精确的 T 和 m/S 值，由以上公式算得 k=0.0172。1938 年第六届国际天文学联合会决定把 k 值固定，不再改变。由此 k 值，取 S=1，A=1，m=0 时，可算得 T=365.257 日，由此把天文单位定义改为：当公转周期为 365.257 日， 一个假想的、质量为零的无摄动行星的椭圆轨道长半径，等于一个天文单位。后来根据精确的 T 值和 m/S 值，算得月地系统绕太阳公转轨道的长半径为 1.00000003 天文单位，考虑地球运动受其他天体摄动的影响，日地平

均距离实际为 1.0000000236 天文单位。

根据几何法或三角测量法也可求得日地距离。测量地球表面相距很远的两地同时观察（或同一观测点在早晚两次观测）到太阳的视差或视角位移，可求得相应的天文单位的长度 A 等于 1.496×108 千米。20 世纪 60 年代，利用雷达技术，精确测出雷达回波时间与光速，即可求得日地距离， 1976 年国际天文学联合会定出天文单位 A 为 1.49597870×108 千米，并把

它改为导出常数，此值于 1984 年起统一采用。

以天文单位为单位，太阳系中诸行星与太阳之间的平均距离依次为： 水星 0.387，金星 0.723，地球 1，火星 1.524，木星 5.203，土星 9.539， 天王星 19.18，海王星 30.06，冥王星 39.44。

天线（antenna） 无线电设备中辐射或（和）接收电磁波的部件。它是用金属导线、金属面或其他介质材料构成的具有特定形状并架设在一定空间高度的一类装置。其作用是将从发射机馈给的射频电能转为向空间辐射的电磁波能，或者反过来，把在空间传播的电磁波能转化为射频电能并输送到接收机。前者称为发射天线，后者称为接收天线。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥测、遥感、射电天文等工程系统， 凡是利用电磁波来传递信息的，常常要依靠天线来进行工作。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。在某些场合，同一天线还可兼作发射和接收天线，如脉冲雷达天线。但在设计发射或接收天线时，却各具有其侧重点，例如，发射天线要考虑功率容量问题，而接收天线则要考虑噪声温度问题等。

天线的特性由方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频带宽度等表征。一般用户常关心天线的输入阻抗，它是天线在馈电点的电压与电流的比值。知道天线的输入阻抗，就可以选择合适的馈线与之相匹配，馈线的特性阻抗应该等于天线的阻抗，这样可以获得最佳传输特性。

为了适应各种不同用途的需要，人们设计和研制出各种类型的天线。

对于这些天线，可以从不同角度进行分类：①按工作性质可分为发射天线和接收天线；②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等；③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等；④按结构型式和工作原理，可分为线天线和面天线等。

填充题（ fill inthe blanks） 由不完全叙述句构成要求以填空方式给出唯一固定答案的客观性试题。填充题是一种低层次的提供式简答题，即要求考生给出以字句、符号、数字、代数式等表示的确定的简单答案。它只能测试较低层次的识记和初步理解的能力。填充题命题时应注意题意必须明确，使考生明确究竟要求填什么，而不应模棱两可，让考生去猜测要求填什么。其次填充题要求考生填写的答案必须是唯一的，不应有几个可能都对的解答。例如应明确要求填写符号还是填写文字。要求填写物理数值时，一般应明确该物理量的单位。

在物理试题中，简单的问答题和计算推导题都属于低层次的提供式简答题，因此在一般情况下，可以把它们改成填充题给出，但必须注意，这仅仅是对计算推导相当简单的简答题而言。一般的计算推导论证题不应改成填充题的形式给出，更不能用填充题形式让考生解较复杂的计算推导题。

铁电晶体（ferroelectric crystal） 见铁电性。

铁电性（ferroelectricity） 在没有外电场时，某些材料表现出电偶极矩不为零的自发极化特性。具有铁电性的材料称铁电体或铁电晶体。铁电晶体的极化强度随外电场的变化具有滞后效应，所以可以用电滞回线来描述铁电材料的特性。当高于某一温度时，材料的铁电性会消失而成为顺电晶体，这个转变温度也称为居里温度 Tc。当温度低于 Tc 时，铁电体发生结构转变，使离子有很小的位移，因而产生了可察觉的极化。铁电体的出现或消失总伴随着晶格结构的改变，这也是从铁电相到顺电相的相变过程。

铁电晶体有钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO2）等。可见铁电晶体中

其实并不含有铁。

听闻（threshold of audibility） 人耳能引起听觉的最小有效声压。一般公认为 2×10-5 牛顿/米 2（N/ m2）。若用分贝数表示，则 1， 000 赫附近的听阈接近零分贝，其它频率的听阈一般高于零分贝。普通谈话声压为 2×10-2～7×10-2 牛顿/米 2；大街上载重汽车、摩托车声压为0.2～1 牛顿/米 2；很强的噪声（如鼓风机、凿岩机等）的声压为 20 牛顿/ 米 2 左右。听阈随许多因素变化，不同的人有不同的听阈；即使是同一个人，阈值也随时间、年龄而异。因此听阈应根据许多正常青年的耳朵测试结果求平均。听阈与频率的关系曲线称为听阈曲线。它与痛阈曲线组成听觉区域的下限和上限。停表（stop watch）测量时间的常用仪器，也叫秒表。其准确度为 0.1 秒和 0.2 秒两种。停表有两种指针：长针为秒针，短针为时间累计针。

停表通常具有如下几种功能：①复零，即置秒针和累计针回复到“0” 刻度线的位置。②开始，即按动按钮或者接触器，使秒针和累计针开始计时。③停止，即按动按钮或者接触器，使秒针和累计针停止计时，测量者可以读取记下的时间值。在最早的机械秒表里就设置了以上三种功能，并

且由一个按钮按以上程序进行测量。按钮旋转还可旋紧秒表的弹簧，贮存机械能作为计时秒表的动力。以后发展的机械秒表带有“继续”和“停止” 的开关，以计算测量时间的累计值。机械秒表测量完毕，应使秒针继续跳动，释放贮存的机械能，使秒表的卷簧保持良好的弹性，不致长期紧张、疲劳而影响使用的寿命。

电子秒表是一种更新的时间测量仪。其准确度为 0.01 秒。时间由数字

直接显示，累计时间通常不少于 100 秒。操作方法和程序与电子表的品种

有关，但都是机械接触的形式，因此计时的准确度不能高于 0.01 秒。由于电子秒表的动力是薄层微型长寿命电池，所以不必像机械秒表那样要上紧卷簧和释放弹性势能。有的电子秒表表面上按置了太阳能电池，使秒表使用更趋方便和完善。

通道控制（channel control ） 通道指的是将外部设备连接到系统总线的硬设备，而不是传输信号的数据通路。在计算机系统中，对 I/O 的控制方式经历了循环检测 I/O 方式、程序中断 I/O 方式两种控制，它都要由 CPU 进行，当 I/O 设备很多时，处理机可能安全陷入 I/O 处理中，而无暇对作业进行处理。为把 CPU 从繁杂的事务中解放出来，I/O 设备的管理不能再依赖于 CPU，而应建立自己的一套管理机构，这就是通道的概念。所以通道设备有自己的命令，并希望自身的链接功能和转移功能构成通道程序，而 CPU 仅须发出一条 I/O 指令给通道，指出它所要执行的 I/O 操作和要访问的 I/O 设备。通道接到该指令后，便向主存索取相应的通道程序来完成对 I/O 设备的控制和管理。

通信（communication） 信息的发送、传递和接收的总称。通信系统在把信息从甲地发送到乙地时，都要使用某种形式的编码和译码，因此通信技术主要研究载信息的电信号的产生、变换、处理、传输、交换和接收的技术和理论。自从 18 世纪末、19 世纪初人类发现电流现象以来，通信技术就得到了发展。19 世纪初，已有人开始试验远距离有线通信。1838 年第一条电报通信系统就已在英国建成。1844 年，美国科学家莫尔斯创立了莫尔斯电码系统，使通信水平有了较大的提高。但仍不能满足需要。例如 1865 年美国总统林肯遭到暗杀，这一如此重大的事件，英国政府得知这

个消息是在事后第十三天。其后从 1865 年到 1969 年的一百多年间，由于电磁振荡和电磁波的发现，使通信技术得到了新的发展。1866 年，横跨大西洋的海底电报电缆的铺设，缩短了洲际通信的时间。1876 年，美国人贝尔将电话推向实用。1895 年意大利人马可尼和俄国人波波夫各自独立地试验了无线电报。在 20 世纪初，马可尼已实现了横跨大西洋的洲际无线电报

通信，从而开创了无线电通信的新时代。本世纪 50 年代后，以微波接力通信为主体的通信网、通信卫星以及光纤通信等技术的相继出现和飞速发展，使通信的速度和容量有了更大的提高。1969 年，美国阿波罗飞船将人类送上了月球，宇航员在月球上第一次登陆的消息，只用了 1.3 秒就已经传遍全世界。

通信过程如下图所示。首先信源发出带有信息的消息。信源通常有两类，一类信源基本上产生连续变化的信号，例如语言、音乐、电视摄像机输出信号等。另一类信源产生的信号是断续的，例如拍发电报时的键信号， 若干种计算机操作信号。为了将信源产生的由各种物理量（如声的强度、光的亮度）表示的信息变换成电信号，需要使用各种变换装置。这种变换

装置可以是光—电变换器，如摄像机和传真机中使用的变换器。发送站的作用就是将各路传送来的信号进行编码、调制等处理，并将信号放大发送出去。

通信过程方块图

发送后的信号须通过传输过程才能送达接收站。通常传输过程可分为有线和无线两类。在有线通信中，电磁波沿线路传播；在无线电通信中， 电磁波在自由空间（或地下、水下）传播。信号在媒介传输中将会受到衰减，出现衰减和失真，并且还可能引入噪声和干扰。

接收站收到信号后，经解调、译码等处理，获得送入发送站前的原始电信号，再经反变换过程处理，将信号提供给信宿。

通信是一种复杂的信息传输过程，除上述各种过程外，还有处理、显示和对抗等各种过程。但是并非所有通信都需要经过全部传输过程。

近年来，光纤数字通信和卫星通信使传统的通信技术发生了质的飞跃。光纤通信加上卫星通信，可形成以计算机为中心的三维通信网络。它将成为信息社会的“神经中枢”。计算机与通信相结合而形成的全球性计算机通信网络，其功效无可限量。人们只要经过简单的操作，就可以和世界上任何人对话，于是人们可借助于通信网络终端设备分享全球的信息资源。

同位素（isotope） 电荷数相同但核子数不同的各种核素称为同位素。例如¹ H、²H及³H 都是氢的同位素。由于同位素具有相同的电荷数（原

1 1 1

子序数），在周期表上处于同一地位，因而它们具有类似的物理和化学性质。

绝大多数元素至少有两种稳定的同位素，其中锡的同位素最多，共有十种。每种元素的各种稳定同位素是以某种百分比存在于自然界中的。某一稳定同位素在这种元素中的含量百分数称为该同位素的“丰度”，可作为该同位素稳定性的量度。例如，氢中就有 99.9851%的 ¹ H 和 0.0149%的

¹ H；铀中有 99.280%的²³⁸ U、0.714%的²³⁵ U 和 0.06%的²³⁴ U；氧中有 99.7587%

2 92 92 92

的¹⁶ O、0.0374%的¹⁷ O 和 0．2039%的¹⁸ O。某元素的各同位素具有不同的原

8 8 8

子量，该元素的原子量是按各种稳定同位素的丰度而计算出来的平均值。除稳定的同位素之外，有些元素还存在放射性同位素。自然界中现在

已知的稳定的同位素约有 300 种，放射性同位素则有 700 种以上。随着原子核物理学的发展，目前已经可以用人工方法来制造各种核素的同位素。迄今为止，已知元素有 109 种，而地球上天然存在和人造的同位素已达数千种。

同位素的研究一方面推动了原子核物理学的发展，另一方面它又被广泛地应用于生产和其它各领域之中。

同位素的应用（application ofisotope） 主要指放射性同位素的应用。早在 20 世纪初期天然放射性核素发现不久，法国科学家皮耶尔·居

里和两位医学工作者用动物作实验，发现放射性核素镭的射线有摧毁肿瘤细胞的作用，从而开创了放射性应用的新纪元。由于天然放射性核素提炼程序复杂，产量少，价格高，品种也只有铀、镭、氡、钍等几种，所以未能广泛应用。

20 世纪 30 年代发现了人工放射性，而且随着粒子加速器技术的发展， 用高能带电粒子或中子轰击原子核能够生产多种人造放射性同位素。采用放射性同位素对各种学科领域的研究已取得了不少成果，如植物的光合作用，化学离子交换现象，金属扩散等。同位素开始作为新的有效的手段出现在科学技术的各个部门中。

第二次世界大战结束以后，随着原子核反应堆数量的增加，放射性同位素的生产和应用又得到了进一步发展。人们可以用反应堆所产生的中子来制造放射性同位素，也可以从反应堆的裂变产物中提炼出放射性同位素。用反应堆提供放射性同位素不仅产量大，而且成本低，品种多。目前放射性同位素不仅应用于科学研究，而且大量地应用于工农业生产，取得了很大的效益。

放射性同位素的应用主要分两个方面，即利用它放出的射线和作为标记原子（示踪原子）。

1. 射线的应用。在应用放射性同位素的射线时，首先应根据射线的种类、强度、半衰斯、能量等选择适当的射线源。当然还应当考虑供应射线方式是否方便，价格贵贱，是否容易发生放射性污染等问题。常用的射线源如下表中所列。

放射性同位素射线可根据其特性分成以下几种应用。

①射线有穿透各种物质的本领。利用这一特性，采用适当的射线和适当的探测方式，能够探知物体内部的缺陷，检查成品的质量，在无损伤、无接触的条件下测定产品的厚薄、密度等，并且能在连续测量的基础上实现对产品质量的自动控制。例如，γ射线探伤法有两个主要优点：第一， 选用能量高的γ射线源钴 60 等可以检查厚达 15 厘米的钢铁制品；第二， γ射线源工作可靠，不怕振动，不易发生故障，而且体积很小，甚至可以放到机件内部去检查。与其它探伤法相比，磁力法探伤只能探明近表面的损伤，超声波法只能探明较深部的缺陷，且对零件表面还都有一定的要求。而γ射线探伤法能同时探明近表面和深部的缺陷，对表面也没有什么特殊

的要求，而且搬动、操作、维护都很方便。

②射线对有机体能产生多种效应，在医学、化学和食品工业及农业中都有广泛的用途。例如癌细胞对射线特别敏感，利用射线可以治疗癌肿； 射线可以杀虫、灭菌，大多数细菌（如沙门氏杆菌等）对射线都很敏感， 用射线消毒是一种新的有效的方法。这种方法特别适用于不耐高温的药品和手术器械，如加热消毒会损害手术用可吸收缝线的质量，如果采用射线消毒，只要剂量选择适当，就可以既不降低质量又达到消毒的目的。在食品工业中，用射线照射杀虫对食物进行处理已经做过大量试验，例如用较低剂量的射线照射能抑制马铃薯等的发芽，从而延长保藏时间；肉食工厂对整条猪肉进行照射，以消灭猪肉中旋毛虫幼虫的危害等等。当然，对食品处理实验成果的推广应该是慎重的。经强射线的照射能影响许多化学反应过程，其中有不少具有实际应用价值。例如，利用射线的辐照聚合作用， 提供了制取高分子化合物（塑料等）的新方法，这种方法与用高温、高压或催化剂等进行聚合的方法相比有更多的优点，例如可避免催化剂的渗杂作用，便于控制，有时还能提高聚合速度，提高产量。此外，射线对种子的照射能引起种子的遗传变异，可用于选种工作以获得增产。

③用射线影响化学过程和改变材料的物理性质。例如，在射线照射下可以影响氮的氧化过程，这是用射线固定氮的一种方法。射线照射过的高分子化合物可以产生交链作用，如聚乙烯经照射后耐热性能从 70℃提高到200℃，人造橡胶丁二烯乙苯乙烯经照射后，强度由每平方厘米 3 千克增加

到 12 千克。

④射线穿过气体能使气体发生电离，生成离子，可以用来消除不良导体在迅速运转过程中积累的静电荷。由于α射线的射程过短，γ射线电离能力差，所以工业上多用β射线消除静电积累。将β射线源铊 204 或锶 90 等与银一起轧成带状薄片，再在表面镀一层银作保护层。使用时把含有放射性同位素的银带嵌在有槽的铝条上，面对容易产生静电的地方，把铝条接地。射线使铝条和产品之间的空气电离，电离后的气体就成了导体，静电荷通过空气从铝条上“漏去”。如采用送风式静电消除器还可以保护操作人员不受射线影响，且电离较均匀，在静电电荷产生速度不太快、但散布范围要求广的场合，消除静电积累特别适用。

1. 用作示踪原子。用放射性同位素或稀有稳定同位素作为示踪剂，研究化学、生物或其他过程的方法称为同位素示踪。用放射性同位素作为示踪原子（标记原子）有两个明显优点：①易于辨认，灵敏度高，探测较方便。比如用磷 32 作示踪原子，即使量少到 10-17 克，还能较容易地测出它的存在。而且可以节省许多繁复的分离手续，甚至可以在活的有机体上进行测定。②放射性同位素的化学性质和本核素的稳定核素的化学性质相同，因此它能跟踪待研究物质的运动和变化。

应用示踪原子的方式有三种：①在要研究的对象中加入少许放射性物质，测定其变化就知道被研究对象的情况。例如在高炉炉衬易烧损的地方埋入少量放射性钴，探测放射性的存在与否就可以知道炉衬烧损与否，从而采取必要的措施。②把示踪原子和要研究的对象密切混合以追踪它们的运动。例如利用可溶性放射性物质的溶液可寻找自来水管漏水的地方，利用放射性气体研究空气调节系统的效率等。③在待研究物质中加入同种物质的放射性同位素，由于它们化学性质相同，因此它能追踪研究对象的化

学变化和它们在有机体内的变化和运动。更重要的是放射性同位素不仅能跟踪同种核素的原子，而且能区别于同种核素的原子，这就大大有助于人们揭露自然的奥秘。

同位素示踪方法的应用极广泛：①在生命科学中，可以从分子水平动态地观察生物体内或细胞内生理、生化过程，认识生命活动的物质基础。例如通过采用碳 14、氚、磷 32 等同位素对核酸同蛋白质相互关系的研究， 不但可以了解生物体内生成核酸和蛋白质的复杂过程，甚至可以了解生物遗传是如何实现的，乃至探讨人工改造遗传特征的可能性，因而产生了分子遗传学及遗传工程等新学科。②在工业上，示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性，解决了不少技术上和理论上的问题。例如，测定金属间扩散的速度，测定流体速度，研究金属在不同冶炼过程中（或合金在热处理前后）的结构变化等。③在医学上主要用于诊断疾病。例如，用示踪剂被稀释的原理测定水容量、血容量； 利用示踪剂移动及其速度来测定血流量、肾功能、心脏功能、血栓形成、消化道失血等等。④在农业及畜牧业上广泛应用于农业科学研究，并取得了巨大的经济效益，如施肥途径和肥效的研究；杀虫剂、除莠剂对昆虫和杂草的生物作用；激素、维生素、微量元素、饲料、药物对家畜生长和发育的影响；用同位素标记昆虫、寄生虫、鱼及其它动物所发现的这些大小动物的生命周期、迁徙规律、交配和觅食习性等。⑤在物理、化学等自然学科和环境科学中，也得到广泛的应用。如溶解度的测定、超薄厚度的测定、化学反应的历程、环境污染的检查等。

同位素除上述两大类主要方面的应用外，还有许多用途。例如把同位素射线的辐射转化为电能的原子电池；利用射线照射样品使产生核反应生成放射性物质，以分析其中微量物质的含量的放射分析法；利用岩石（或古物）中的钾 40（或碳 14）的含量鉴定它们的年龄等等。

同位旋（isospin） 描述强子内部特性的一种量子数，常用 I 表示。例如在原子核结构中，质子(p)和中子(n)除电荷状态不同而存在差异外， 在强相互作用方面具有完全相同的性质。或者说，当略去电磁相互作用时， p-p、p-n 和 n-n 的强作用完全相同，这就是所谓核力的电荷无关性。因此从强相互作用来说，质子和中子是同一种粒子（称为核子）。中子态变换为质子态，或者质子态变换为中子态，这些变换在强作用中是对称的。为了描写强作用的这种对称性质，物理学家引进了同位旋这个物理量。质子

1

和中子的同位旋相同，为 I= 2 ，但它们的同位旋第三分量 I3 不同，分别为

1 1 + 0 −

+ 2 和- 2 。再如л 、л 、л 三种介子在强作用中也显示出这种对称性。

因此可把它们看作是同一种粒子，即л介子的不同状态。它们的同位旋设

1

计为 I=1，同位旋第三分量分别为+1、0 和-1。I= 2 的粒子称为同位旋旋量

粒子，I=1 的粒子称为同位旋矢量粒子。此外还有同位旋标量粒子，如Λ0， Ω−超子，它们的 I=0。在强相互作用过程中，体系的总同位旋是守恒的。电磁作用和弱作用则会破坏同位旋守恒性。同一同位旋粒子（如 p 和 n） 的质量差是由于电磁作用和弱作用引起的。

同相面（phasefront） 见波阵面。

统计物理学（statistical physics） 物理学的一个重要分支， 它和热力学一起构成热学理论。统计物理学是热学的微观理论，热力学是热学的宏观理论。

统计物理学从物质的微观结构出发，力图揭示出热运动的本质。统计物理学根据普遍的力学定律和统计原理，成功地导出了热力学的基本定律，解释了热力学无法说明的涨落现象。因此，统计物理学是比热力学更深一个层次的学科，它在研究方法上和在对物质内在性质的处理上比热力学更深入，因此它的应用也比热力学更广泛。

发展简史 统计物理学是在气体动理论的基础上发展起来的。从历史上看，虽然物质结构的原子分子学说可以追溯到古希腊时代，但是直到 17 世纪由于定量描述气体性质的需要才被重新提出来。玻意耳和胡克先后引入压强这个物理量，并指出气体的压强来自气体分子与器壁的碰撞。他们还通过实验发现，气体的压强在温度不变时反比于气体的体积，而与盛放气体的容器形状无关（玻意耳定律）。1738 年伯努利首次提出了气体运动论，他假设气体分子是弹性小球，它们在运动过程中不时地互相碰撞，由此导出了气体的实验定律。

一个世纪以后，分子运动论经过许多科学家的工作而得到了迅速的发展，其中克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼是分子运动论的主要奠基者。克劳修斯在 1858 年最早提出了分子平均自由程的概念。其后麦克斯韦等人应用这个概念发展了气体分子的扩散、粘滞和热传导理论。1872 年玻耳兹曼对稀薄气体导出了一个输运方程，并引进“H 函数”。他由这个方程证明， H 函数随时间变化总是减少，或者保持不变（H 定理）。这个结论比以往任何理论更加显示出统计物理学的基本方法特征。

1902 年，吉布斯发表了他的专著《统计力学的基本原理》，把麦克斯韦和玻耳兹曼等人创立的统计方法推广而发展为普遍适用的平衡态统计系综理论。原则上，只要给定组成系统的力学上的微观特性，就可计算出该系统的全部热力学量。

利用吉布斯创立的统计物理理论可以成功地解释许多宏观现象，然而在应用到黑体辐射和低温下固体比热这类问题的研究时却遇到了困难。这个问题直到 1900 年普朗克创立量子论后才得到解决。量子论指出，描述微观粒子运动应采用量子理论，而不是经典力学。正是基于这一点，爱因斯坦和印度科学家玻色在 1924 年建立了玻色—爱因斯坦量子统计法，并发现了著名的玻色—爱因斯坦凝聚现象。13 年以后，伦敦利用这个原理从微观上解释了低温下液氦的奇异特性。1926 年费米根据泡利不相容原理发现， 某些物理系统遵循另一种量子统计法，即费米—狄拉克量子统计法。利用这个方法，索末菲在 1928 年重新解释了金属中由于存在传导电子而引起的几乎所有重要特性，所得到的结果与实验相符。托马斯和费米还研究了较重原子中电子的分布，建立了所谓原子的托马—费米模型，这个模型在固体物理、分子物理和核物理中有着广泛的应用。

本世纪 70 年代以后，统计物理在处理相变问题上取得了重大进展。卡丹诺夫和威尔逊等人借助于标度理论和重整化群方法，成功地描述了系统接近临界点时微妙的奇异行为。由于威尔逊的杰出贡献，他荣获了 1972 年诺贝尔物理学奖。

统计物理的理论体系 统计物理从物质的微观结构和相互作用出发，

并采用基本的统计假设。与其他物理学理论比较，统计物理包含的假设最少。例如，在只涉及平衡态的统计物理中，实际上只有一条基本假设：对于粒子数 N 足够大的宏观系统，它的能量处在 E～E+△E 之间，如果没有更多的知识来确定该系统到底处于什么状态，就假设该系统以相等的概率处于各种可能的状态（等概率假设）。正是在这个基本假设下，再加上对分子、原子结构模型的知识，便可导出“配分函数”，并由此算出平衡态系统的全部热力学量。统计物理以它的基本假设的简单性、科学推演的严密性以及应用对象的广泛性而使它成为理论物理中最完美的学科之一。现代统计物理借助于高度发展的计算机，已经能够处理各种复杂的物理模型， 得到许多已被实验证实的推论。在与应用技术十分密切的固体、超导以及超流等凝聚态现象的研究中都离不开统计物理。反之，在解决这些实际物理问题中，统计物理又获得了更大的发展。

痛阈（threshold of feeling） 使人耳产生疼痛感觉的最低有效声压。一般认为其值为 20 牛顿/米 2。当声压高达数百牛顿/米 2 时，会引起鼓膜损伤、耳朵出血等。也就是说，声压级在 120dB 左右，人耳即开始感到有压痛感。痛阈与频率的关系曲线称为痛阈曲线。它与听阈曲线组成听觉区域的上限和下限。

透光镜（photic lens） 又称“透光鉴”，一种曲率不等的反射镜。最早由我国发明。其外形与铜镜无异，但当它的反射光束投到屏幕上时， 镜背的花纹字迹却清晰可见，仿佛光线“透”过铜镜，把镜背的花纹字迹映在屏幕上似的，故而得名。它的这种奇妙性质，引起古今中外人士的浓厚兴趣，从而成为越出我国国界的一件世界性的光学器件。目前，传世最早的透光镜是上海博物馆珍藏的四面，据鉴定为西汉遗物。对于透光镜机理的研究，最早是北宋的沈括。他对实物反复仔细地观察后，提出了铸造时因厚薄不同，冷却有先后，铜的收缩有差别的看法。清代的郑复光对沈括的看法作了重要补充：即由于铸造时冷却速度不同，铜的收缩力不一， 形成镜面隐然有凹凸不平，这种凹凸不平容易在刮磨时消除，虽“照人不觉”，但“发光必现”。他认为这种“透光”是与静止水平面在墙上映出“莹然动”的水光道理相同，因为水面也存在着人难以察觉的波纹，从而指出了长光程的放大现象。对透光镜这个总的说明，后世学者几乎没有什么异议。一百年后，英国物理学家布拉格在解释透光镜时，恰巧也用了这个比喻。他说：“我们用波纹水柜做实验的时候，投在屏上的水光波影， 看起来十分明显⋯⋯，然而当我们注视水面，以观察这些波纹时，其本来面目并不容易看见。”可见郑复光的补充说明是多么的妥贴。至于透光镜的制造方法，尽管在我国历史上是多种多样，然而任何一种方法都要求十分精巧的工艺，充分显现了我们祖先的伟大创造。以后日本在江户时期（相当于我国明朝时），也制造出有透光效果的“魔镜”。欧洲人最早接触透光镜是在 19 世纪初期。另有记载，1844 年时法国科学院曾接受法国物理学家阿拉果赠送的一枚透光镜，从而引起欧洲科学家们的热烈讨论。

透镜（lens） 由玻璃、塑料、石英或其它透明材料制成的含有两个或两个以上共轴折射表面的光学元件。有两个折射面的称为单透镜；有两个以上折射面的称为复合透镜。折射面通常为球面或平面。中央厚、边缘簿的透镜称凸透镜，能使光束会聚，故又称会聚透镜或正透镜。中央薄、边缘厚的透镜称凹透镜，能使光束发散，故又称发散透镜或负透镜。以上

是指在空气中使用这些透镜时的情况。在另一些情况下，例如当透镜材料的折射率小于透镜前后两侧媒质的折射率时，其会聚和发散作用需要另外讨论。将几块透镜粘合在一起，形成复合透镜，可用以改善成像质量。根据厚度大小，透镜又可分薄透镜和厚透镜两类。

薄透镜透镜两球面在光轴上的间隔称为厚度。厚度与它的焦距相比可以忽略不计时，称为薄透镜。因此，薄透镜两球面表面的顶点（即与光轴的交点）被认为是重合的，且称为薄透镜的光心。也因为厚度可忽略不计， 出射光线的出射点被认为就是入射光线的入射点。如果前后两球面的曲率半径分别为 r1 和 r2，透镜材料的折射率为 nL，并设透镜在空气中使用，则薄透镜的物方焦距 f 和像方焦距 f′由下式确定：

f=f′= 1 。

1 1

(n 1)( − )

r1 r2

凸透镜有实焦点，故 f，f′＞0。因为 n ＞1，故要求 1 > 1 。凹透镜

^L r1 r2

有虚焦点，故 f，f′＜0，因而要求 1 < 1 。r 和 r 为需要遵循符号法则

r1 r2 1 2

的代数量，可正可负（参见球面折射）。因此可组合成双凸、平凸、凹凸等凸透镜和双凹、平凹、凸凹等凹透镜。当透镜的一个折射面为平面时， 它的曲率半径为无穷大。作图时，凸透镜用表示，凹透镜用 表示。

薄透镜物像公式 它的高斯形式为

1 1 1

s' + s = f ,

式中物距 s 和像距 s′都从光心 O 点算起。如果用 x 代表从物方焦点 F 算起的物距，用 x′代表从像方焦点 F′算起的像距；并规定当物点在 F 之左则 x＞0，在 F 之右则 x＜0；像点在 F′之左则 x′＜0，在 F′之右则x′＞0，可得薄透镜物像公式的牛顿形式为：

xx'= ff ' 。

物经光学系统后所成的像在垂直于光轴方向上的放大倍数，称为横向放大率。薄透镜的横向放大率β为：

β = − s' 或 f x'

s β = − x = − f ，

β为正值时成正立像；为负值时成倒立像。

薄透镜成像作图法 作图规则：实际光线用实线，延长线和辅助线用虚线；光线上用箭头表示传播方向；尽可能按比例作图。

主轴上物点 P 的成像作图法：利用物方焦面作图时可采用如下步骤（见图 1(a)）。由 P 点沿主轴的入射线经透镜后方向不变；过 P 点作任意光线PA，与物方焦平面交于 B，与透镜交于 A；作辅助线 BO；过 A 作平行于 BO 的折射光线，与主轴交于 P′，即为像点。此法对凸透镜和凹透镜都相同， 其间的区别仅在于焦平面位置不一样（见图 1(b)）。利用像方焦平面作图时，可采用如下步骤（见图 2(a)）。过 P 作任意光线

图 1 主轴上 P 点成像作图法：利用物方焦面

图 2 主轴上 P 点成像作图法：利用像方焦面

交透镜面于 A；过 O 点作 PA 的平行线，交像方焦平面于 B′；连结 AB

′，其延长线交主轴于 P′，即为像点。此法对凹透镜情况完全类似，见图 2(b)。

主轴外物点 P 的成像作图法：在下列三条基本光线中，任作两条，即可求得像点（见图 3(a)）。过 P 点作平行于主轴的入射线，交透镜于 A， 经过透镜后的折射线必通过像方焦点 F′；过 P 点作通过光心 O 的入射线， 经过透镜后方向不变；过 P 点作通过物方焦点 F 的入射线，经过透镜后成为平行于主轴的折射线。此法对凹透镜也适用（见图 3(b)）。

图 3 主轴外 P 点成像作图法

透射（transmission） 光辐射不改变频率而穿透媒质的现象。光波从两种媒质界面单位面积上单位时间内透过的能量与相应的入射

光波能量之比，称为透射率。能量之比等于光强之比，故透射率即为透射光强与入射光强之比。对于均匀媒质，单位厚度的透射率称为透射系数， 有时将透射光波振幅与入射光波振幅之比称为透射系数，或称为透射比。我国全国自然科学名词审定委员会于 1988 年公布的物理学名词（基础物理学部分）中，分别将它们称为强度透射率和振幅透射率。

湍流（turbulentflow） 又称紊流。流体的一种不规则运动状态。其时流体上各点描述流体运动的物理量如流速、压力等均随时间而发生紊乱的变化，然而从统计意义上说，可以得到它们的准确的平均值。湍流的微粒不仅有横向脉动，且有相对于流体总运动的反向运动，即有涡旋和各部分动量的迅速交换。与层流不同，此时流体质元有宏观上的相互混杂， 迹线极不规则。此时流体的阻力与运动物体速度的平方成正比。当雷诺数大于临界值时，流体运动由层流而转变成湍流。

湍流是一种非常普遍的现象。气体的扰混现象就是湍流产生的。有风时，空气的运动总是湍流。物体在流体中运动时，在它的后面也会形成湍流。例如在水中运动的船，船后就形成湍流。当物体前部不是流线型时， 湍流现象特别明显。湍流利弊兼有。一方面它强化传递和反应过程；另一方面极大地增加摩擦阻力和能量损耗。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中普遍存在的运动状态，研究、控制和预测湍流是发展现代技术的重要课题之一。

托里拆利（Evangelista Torricelli 1608 ～1647） 意大利物理学家、数学家。生于法恩扎。曾在伽利略的学生卡斯泰里的指导下学习。1641 年卡斯泰里将他正式介绍给伽利略，托里拆利便与维维安尼一同给伽利略作伴，经常讨论学术问题。1642 年，伽利略去世后，他继任托斯卡纳大公的宫廷数学家，并兼任佛罗伦萨大学教授，终年 39 岁。

托里拆利在物理学和数学等许多方面都有建树。他的科学活动主要是在 1641 年以后进行的，虽然仅有五、六年时间，但所取得的成果却具有重大意义。他主要研究流体力学，解决了许多实际水利工程问题，被马赫誉为“水力学的奠基人”。1641 年，表述了液体由容器小孔流出的定律，导出了确定流出速度的公式（托里拆利公式）。当时他的老师卡斯泰里认为水流的速度跟孔到水面的距离成正比。为了搞清楚老师的见解，托里拆利

认真地做了实验，反复仔细进行测量。结果发现，从容器小孔流出的水流的速度不是跟孔到水面的距离成正比，而是跟此距离的平方根成正比，从而纠正了老师的失误。1643 年，发现了大气压力（托里拆利实验），这个现今中学生都熟悉的实验是用比重很大的水银灌入一端封闭的长玻璃管中，尔后将开口端埋入水银杯中竖直，封闭端便出现空间，从而打击了当时关于“自然惧怕真空”的成见。1644 年，发明了使他著称于世的气压计。

托里拆利实验（Torricelli experiment） 历史上测量大气压的最早实验。1643 年由意大利物理学家托里拆利设计而成，故名。在长约 1 米一端封闭的玻璃管内装满水银，然后用食指堵住开口端，把管倒置在水银槽内，再放开食指，此时原来达到管顶的水银柱下降到高于槽内水银面约 760 毫米处。管内水银下降后，玻璃管上端可视为真空。管内水银柱能保持一定高度，说明与管外大气压作用在槽内水银面正好平衡，因此管中水银柱的高度等于大气压。气压变化时，水银柱的高度也随之变化，测量气压的水银压力计就是根据这一原理制成的。

托盘天平（tray balance） 灵敏度较物理天平低，但使用方便的质量量度仪器。一般托盘天平的感量为 0.1 克、0.2 克和 0.5 克三种，其

称量最大值为 200 克、500 克和 1000 克。

由于灵敏度较低，即精密度不如物理天平，因此构造简单，水平仪也没有设置，只要放在平整的水平台面上即可。托盘天平的振荡周期较短， 很快就能读出重量数（或质量数）。因此在估测物体质量或者精确度要求不高的场合下，托盘天平是非常重要又方便的质量测量仪器。

改进型的托盘天平有三根横梁，物体的总质量就是三横梁游码所指数的和，见图所示。

改进型托盘天平

椭圆偏振光（elliptically polarized light） 光在传播过程中，其电矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上的投影为一椭圆，这种光称为椭圆偏振光。

形成 一个质点同时参与两个频率相同而有固定相位差的互相垂直的机械振动时，合振动是沿椭圆轨道的周期运动。晶体内的 o 光和 e 光是振动方向互相垂直、频率相同的线偏振光。在它们沿同一方向传播过程中， 如果相位差不变，合振动矢量末端的轨迹为螺旋线，在垂直于传播方向的平面上的投影为椭圆。

产生 令自然光通过尼科耳棱镜，产生平面偏振光。再让平面偏振光垂直射入λ/4 波片，且平面偏振光振动方向与波片光轴方向之间的夹角为θ。如果平面偏振光的振幅为 A，则进入波片后分解为 o 光和 e 光的振幅分别为 A0=Asinθ和 Ae=Acosθ。它们沿同一方向在波片内传播，从波片透

π

射出来时，o 光和 e 光间的相位差为△ ϕ = 2 ，于是合振动为正椭圆偏振

光。椭圆长短轴的大小取决于振幅 A0 和 Ae。

△ϕ不同值所对应的图像

在波片内传播过程中，o 光和 e 光之间的相位差△ϕ从 0 逐渐增大。因此在波片内不同深度，合成的椭圆偏振光长短轴的取向和形状也各不相

同。附图是△ϕ不同值所对应的图象。

检测 使欲检验的光通过尼科耳棱镜，将尼科耳棱镜转动一圈，若有两个位置透射光全暗，则待测光为线偏振光；如透射光强度无变化，则待测光为自然光或圆偏振光；若有两个位置透射光最强，另两个位置透射光最弱，则待测光为部分偏振或椭圆偏振光。转动尼科耳棱镜，当透射光最强时，若加放一块λ/4 波片，且使此波片的透光方向与尼科耳棱镜的透光方向重合。此时再通过第二块尼科耳棱镜观察。如果转动第二块尼科耳棱镜时，有一个位置上视场全暗，则待测光为椭圆偏振光。如果没有一个位置使视场全暗，则待测光为部分偏振光。

W

瓦特(1)（James Watt 1736～1819） 英国发明家、工程师。生于格拉斯哥附近的格林诺克。童年时曾在文法学校读过书，但此后始终没有受到过正规系统的教育。18 岁时到伦敦一家钟表店当学徒。由于勤奋刻苦，很快掌握了各种机器的制造技术，自学成才。1756 年被聘为格拉斯哥大学的机器制造和仪器修理工。1762 年开始潜心于蒸汽机的改进实验研究工作，终于取得重大成果。1785 年成为皇家学会会员，1814 年被选为法国科学院院士。

主要贡献在于对蒸汽机作出重大改进。1764 年在修复钮可门蒸汽机的过程中，找出了这一蒸汽机耗煤量大、效率低的主要原因：由于蒸汽既在汽缸中膨胀做功，又在汽缸中冷凝，因此浪费了很多的热量。经过多次试验，于 1765 年发明了和汽缸分离的冷凝器。后在工人的帮助下，通过解决制造精密汽缸、活塞的工艺，用油来润滑活塞，在汽缸外设置绝热层等， 于 1768 年，制造出一种单动作蒸汽机。该机的耗煤量只有钮可门蒸汽机的四分之一，做功却比钮可门蒸汽机迅速、可靠。经过继续试验，1782 年， 又发明了双动作蒸汽机。1784 年，提出“平行连杆机构”，有了它，蒸汽机具有更广泛的实用性。4 年后，发明了离心调速器和节气阀。1790 年， 又完成汽缸示功器的发明。至此，瓦特完成了对蒸汽机的整个重大改进过程。到 19 世纪 30～40 年代，蒸汽机已在全世界广泛应用，进入所谓的“蒸汽时代”。

(2) Watt，简称瓦。国际单位制中电功率的单位。常用符号 W 表示。每秒做出 1 焦耳功时的功率（1 焦耳/秒）为 1 瓦特。或电压为 1 伏特通过1 安培直流电流时的功率（1 安培伏特）为 1 瓦特。1 千瓦特记作“瓧”， 常用符号 kW 表示。

瓦特计（wattmeter） 用以测量电路中负载的电功率的仪表。又称功率表或瓦特表。按工作原理可分为电动式和感应式两种，各自又分单相和三相两种型式。如图所示是常用的单相电动式瓦特计，它有两组线圈， 一组匝数较少的固定线圈称为电流线圈，测量时与被测负载串联；另一组匝数较多的可动线圈称为电压线圈，测量时串联一个附加高电阻 Rf，跨接于被测负载的两端。它的指针偏转（读数）与电压、电流以及电压与电流之间的相角差的余弦的乘积成正比。由于它的读数与电压、电流之间的相位差有关，因此电流线圈与电压线圈的接线必须按照规定的方式才正确。在仪表上标有*或±号的端点应接在一起。选择瓦特计测量功率的量程，必须正确选择瓦特计中的电流量程和电压量程，使电流量程能容许通过负载电流，电压量程能承受负载电压，这样才能满足测量功率的量程。

单相电动式瓦特计

外力（external force） 见内力。

外燃机（external-combustion engine） 参见热机。

万用电表（multimeter） 测量交直流电流、电压和直流电阻等的多用途多量程电表。主要由表头、测量线路和范围选择开关组成。表头采用磁电式直流电表，用以指示被测量的数值；测量线路由分流电阻、倍率电阻、电位器、晶体二极管、干电池等构成，它把各种被测量转换到适合

表头测量的直流微小电流；范围选择开关实现对不同测量线路的选择，指明量程，以适应各种测量的要求。

万用电表的型号品种很多，它们的准确度的等级，一般在 1.0～5 级之间。万用表的量程一般为：

直流电流 50μA～10A

交流电流 1mA～10A

直流电压 0.1～5000V

交流电压 1～5000V

电 阻 1Ω～20MΩ

万用电表由于具有量程广、使用和携带方便等优点，应用广泛，是电路和元件的常用测试工具，也是电气、电讯设备检修工作中不可缺少的仪表。

使用万用电表时，首先要调整零位，即旋动有机玻璃盖的螺丝，使指针指零。再把范围选择开关调至恰当量程上。在使用相应的标度线读数时， 应调整视线，使指针和在镜子中的针影重合，以减少视差，提高读数的准确性。万用电表的测试棒分红、黑两根，将红、黑棒分别插在正（+）、负

（-）插口上。

万用电表测电阻时，在电路中必须切断电源，并将电阻一端与电路断开。用电阻档测晶体管和电容时，万用电表内有电池供电，这时红表棒为正，黑表棒为负，量程一般取Ω×100 或Ω×1k。应避免取Ω×10k，因为此时红、黑表棒间电压较高，晶体管和电容的耐压不够时，会损坏器件。万有引力（universal gravitation） 物体间由于质量而引起的

相互吸引力。万有引力的作用规律由万有引力定律描述：自然界中任何两个质点都以一定的力吸引着，这个力的大小 F 与两质量 m1 和 m2 的乘积成正比，与它们之间距离 r 的平方成反比：

F = G m1 m2

r 2

G 是一个普适常数，称为万有引力恒量，G=6.6720×10-11 牛·米 2/千克 2。对于一定大小的物体，可将它分割成许多可看为质点的微小部分， 在各微小部分之间，万有引力定律成立。一物体所受的万有引力是此物体各微小部分所受万有引力的矢量和。

万有引力定律是自然界最普遍的定律之一，一切物体都遵循这个定律。牛顿根据开普勒行星运动三定律和伽利略自由落体定律，及月球绕地球运行的有关数据，在吸收同时代科学家成果的基础上，经过长期艰苦的研究，于 1687 年发表了万有引力定律。1798 年，英国物理学家卡文迪什首次作了万有引力存在的实验证明和万有引力恒量的测定。1859 年，法国天文学家勒威耶发现水星近日点进动速率的数值与用万有引力定律算得的数值间有微小偏离，其值为每百年 38″。1915 年，爱因斯坦创立的广义相对论指出，万有引力是由于物质的存在使四维时空发生弯曲而产生的，对牛顿的万有引力理论作了修正，圆满地解释了水星近日点进动的现象，并正确预言了光线在引力场中的偏折和光谱的红移。

在微观粒子之间的四种基本相互作用中，万有引力是最弱的一种，但是它存在于一切物体之间，因此无法屏蔽。由于万有引力恒量的微小数值， 地面上两物体之间的万有引力极小，与两物体之间的其他作用相比，常被

忽略不计。只有当两物体中至少有一个具有天文学上的质量时，这种力才有实际意义。若不计地面上物体由于地球自转而具有的惯性离心力，物体的重量就是地球对物体作用的万有引力的大小。在宇宙中，由于天体质量巨大，万有引力十分强大，因此在天体力学和宇宙学中，万有引力特别重要。主宰天体运行和人造卫星运动的力，也是万有引力。

万有引力定律（law of universal gravitation） 参见万有引

力

万有引力定律的发现 （ discovery of law ofuniversal

gravitation） 17 世纪物理学发展中的一项极其重大的科学发现。任何重大的科学发现，从认识论来说，一般都要经历复杂、曲折的过程。万有引力定律的发现也是如此，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。

从圆轨道计算引力问题 这一阶段从 1665 年至 1669 年。年仅 20 余岁的牛顿曾两度在农村的家舍中考虑和研究了引力问题。他大量阅读了哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、笛卡儿、布里阿德等人的著作。亲自观察日月星辰。对于天体有规则的运动，牛顿从动力学的角度反复思考：地球上的物体都会从高处落向地面这是由于它们的重量，但这重量又是如何产生的呢？既然在最深的矿井里和最高的山顶上，都会一样可以感觉到地球的吸引力，那么月亮是否也会受到地球的吸引力呢？既然地球吸引着月亮， 那么月亮又为什么不像地球上的物体那样落向地面呢？这一连串的问题， 促使他去从事探讨引力与行星运动的关系。

首先，牛顿认为行星的自然路径应该是一条直线，但实际上行星是沿曲线运动的，这说明它受到某一个力的作用；这个力迫使它偏离直线路径。行星的轨道以凹面对着太阳，就是说有一个使行星偏离直线方向、永远指向太阳的力。而这吸引行星运动的力，他已开始猜测到是随行星—太阳间的距离的平方的反比而变化的。其次，牛顿还成功地将似乎只在天体间起作用的引力与当时人们熟知的使物体坠落地面的重力联系起来。也就是说，创造性地把物体落地、月亮绕地、行星绕日这些表面毫不相干的现象联系起来，把它们都概括为由同一原因引起，且遵循同一宇宙规律，这是牛顿发现万有引力定律的关键之一。再次，牛顿研究了月球的运动，并证明它被地球吸引而且支配着它的运动的力不是别的，就是地球的重力；此重力延伸到月球，而按月—地间的距离的平方而减弱。这样，牛顿在发现引力平方反比关系方面迈出了重要的一步。

但是，牛顿在前进的道路上还有重重障碍：其一，他的计算是以天体轨道是圆形为前提的，如何使计算与开普勒发现的天体轨道是椭圆形的不相矛盾；其二，天体是实体，如何来计算地球各部分对它的表面附近一个物体的引力总和，显然也是一件麻烦事情。所有这些，大概就是牛顿把他的工作搁置起来，并迟迟不发表计算结果的重要原因。

受同时代人工作的影响 这第二阶段从 1670 年至 1680 年。1669 年牛顿被提升为教授，1672 年又被吸收为皇家学会会员。牛顿所取得的学术地位，立即使他摆脱了与当时科学家相对隔绝的境地。而在英国皇家学会和欧洲各国科学团体中，致力引力问题研究的人数也在迅速增加。牛顿便与这些学者进行频繁的学术交往，综合了他们关于引力问题的许多丰富思

想，而他们则成为牛顿发现万有引力定律的伴侣。

在此阶段，1673 年惠更斯提出了著名的离心力定律，这项研究工作对牛顿颇有影响。牛顿感到他尚未公布的引力定律的一个重要推论已被人抢先提了出来，但他仍然仿佛无动于衷。1674 年胡克对引力问题的研究也作了重要贡献，提出了三条假设：①所有天体都具有向心的引力；②匀速直线运动的物体，若不受任何力的作用就会继续保持下去；③距离越近，引力越强。1677 年胡克在实验中发现了引力，并对物体的相互吸引作了相当明确的解释。事隔一年，胡克、哈雷、雷恩等根据开普勒第三定律以及惠更斯离心力定律，得出如果把本来是椭圆形的行星轨道当作圆形的，则维持行星运动的向心力和距离平方成反比。总之，这些同时代科学家的认识和工作，对牛顿进行引力问题的研究有着深刻的影响，而牛顿则在这些认识和工作的基础上作出了他的特殊贡献。

重大突破和实践检验 这第三阶段是从 1684 年开始的。这一年，牛顿在引力问题的精确计算方面获得了新的进展，为此皇家学会同意批准给予他二个月没有工资的假期。当时牛顿的挚友哈雷还不能从数学上完善证明引力平方反比关系式，于 1684 年 8 月前往剑桥向牛顿登门求教。据记载， 哈雷当时向牛顿提出的第一个问题是：“假设一个行星受到太阳以和距离平方成反比递减的力的吸引，那么它是以怎样的曲线运行的呢？”牛顿马上回答：“椭圆。”哈雷又惊又喜地问他是怎样知道的，牛顿回答：“计算出来的。”当哈雷要求得到这份计算时，牛顿一时找不到，但答应给他。过了三个月，牛顿把许诺的那份计算——题为《论运动》的论文录了副本， 交帕盖特带给哈雷。哈雷感到牛顿给他的这份计算太重要了，于是在该年11 月，再次前往剑桥，说服牛顿公布这份以数学形式写成的研究成果。这篇论文是发现引力平方反比定律的关键性文献。

牛顿在这一阶段的重大突破，还在于他首创了证明实心球体的引力恰等于球心处一个质点的引力的富有成效的方法。1685 年的一天，牛顿原安排准备接待一个委员会，但是使他感到万分惊愕的是在一次马车撞车事故中，整个委员会成员都遇难了。这样，带着沉闷心情的牛顿觉得自己有了一些空闲时间，他在葡萄园里悠闲地散起步来。当他散步时，一个崭新的方法便闯进他的脑海。有了这个方法，牛顿便把太阳、行星、地球、月亮以及地球上的球体都简化为一个质点看待，就显得十分合理，从而把以前的数学计算提到相当精密的程度。

牛顿在发现万有引力定律的过程中，还十分重视实践的检验。当时法国科学家皮卡尔曾仔细地对地球进行新的测量研究，由此得出地球上一个纬度之间相距 69.1 英里。当牛顿获悉这个比原来的值大一些的新值时，他十分欣喜，因为这正是为了全面证实他的理论所渴求的。由此便把他长期以来的数学计算提高到与实际真正相符的程度。

直至此时，牛顿才确立了万有引力定律。这个定律告诉人们：所有的物体（质点）都相互吸引，吸引力的大小与两物体（质点）的质量乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，即

F = G m1 × m2

r 2

式中 G0 是万有引力恒量，万有引力的方向是在两个物体作用的连线方向上。

王竹溪（1911～1983） 中国物理学家、教育家。湖北省公安县人。1935 年毕业于清华大学研究生院。同年 8 月赴英国留学。1938 年获剑桥大学哲学博士学位。同年回国后，先后任西南联合大学物理系教授，清华大学物理系教授、系主任，北京大学物理系教授、理论物理教研室主任，北京大学副校长。同时担任中国物理学会副理事长、中国计量测试学会副理事长等职。

1955 年当选为中国科学院数学物理学化学部学部委员。毕业致力于理论物理学特别是热力学、统计物理学、数学物理等领域的研究。在旅英期间，对统计物理合作现象理论进行过深入研究并取得重要成果。数十年来， 在湍流尾流理论、吸附统计理论、超点阵统计理论、热力学平衡与稳定性、多元溶液、热力学绝对温标、热力学第三定律、物质内部有辐射的热传导问题以及基本物理常数等多个方面都进行过不少研究，为我国物理学研究事业的发展作出了突出的贡献。此外，积多年教学和科研之成果，撰写了六部专著：《热力学》（1955 年），《统计物理学导论》（1956 年），《热力学简程》（1964 年），《统计物理学简明教程》（1966 年），《简明十位对数法》（1963 年），和《特殊函数论》（与郭敦仁合作，1965 年）。他还经过长期努力编成一部《新部首字典》，采用他独创的新部首检字法， 收字近 5 万。

望远镜（telescope） 用来观察远处物体的光学仪器。观察者对望远镜物空间的观察，代之以对像空间的观察。由于像对人眼的视角远大于物对人眼的视角，所以通过望远镜观察时，远处的物体似乎被拉近，原来看不清的物体也可清楚地看到细节。

光学结构 望远镜由两个共轴的光学系统组成，其中向着物体的为物镜，接近人眼的为目镜。天文望远镜物镜的像方焦点与目镜物方焦点重合， 所以两系统的光学间隔为零，这称为无焦系统。远处物体经物镜在目镜物方焦点处成实像，再经目镜在无限远处成放大的虚像。物镜不管是透镜还是反射镜，总是起会聚作用；目镜则可以是会聚或发散系统。天文望远镜形成上下左右都反转的像。如果用地面目镜或转像棱镜系统，可使像正立。

种类 分折射式望远镜、反射式望远镜和折反射望远镜三种。物镜和目镜都是会聚透镜的开普勒望远镜，以及物镜为会聚透镜、目镜为发散透镜的伽利略望远镜，都属折射式一类。这类望远镜物镜直径不超过 1 米，因为大口径透镜在制造上有困难。反射式望远镜的代表是牛顿望远镜，它的物镜是凹面反射镜。由于反射镜无色差，容易做成大孔径，且当反射镜形状合适时可校正球差，所以大孔径天文望远镜多属反射式一类。牛顿望远镜由于视场较小，不能用于做精确的天文测量，而且镜面和镜简易因温度变化而引起反射镜变形，降低成像质量，使用时要到望远镜顶上去观察， 不太方便，故各种改进方案的反射式望远镜相继产生，如格雷果里反射物镜和卡塞格林反射物镜。为校正球面反射镜产生的球面像差，在球面反射镜的曲率中心放一个非球面透镜，第一次实现了色差小而球差又得到校正的物镜，称为施密特物镜。利用这种物镜可制造质量很高的折反射望远镜。日常生活中常见的是一种性能好、结构紧凑的双筒望远镜，其规格常用两个数字相乘表示，如 6×30。这表示放大倍数为 6，入射光瞳直径为 30 毫米。此外，用于接收和测量天体无线电波的仪器称为射电天文望远镜，它是天文望远镜的一种。

放大本领 设无穷远处物体对人眼的张角为 u，经望远镜后所成的像的张角 u 却要大得多，故望远镜的放大率γ为

γ = tgu ，

tgu

这等于物镜焦距与目镜焦距之比。

威耳孙（CharlesThomsonReesWilson1869～1959） 英国物理学家。生于格伦科斯。先入欧文学院学习。1892 年毕业于剑桥大学后，入卡文迪什实验室工作。1896 年获博士学位。1925 年任剑桥大学自然史教授。1900 年被选为英国皇家学会会员。

主要贡献是发明了云室，获 1927 年诺贝尔物理学奖。1894 年，参加苏格兰尼维斯山气象站的观察工作时，对早晨空气中的云雾效应发生了兴趣。用实验重演这种现象，并制造出人造云。发现潮湿而无尘的空气膨胀时出现水滴，认为这可能是水蒸汽以大气中导电离子为核心而凝聚的结果。1896～1897 年，发现用当时新发现的 X 射线照射气体能产生大量离子； 证实离子可以成为过饱和蒸气凝结成液滴的凝结核；而电子在穿越空气时也会在路径上产生一系列离子。由此出发，于 1911 年发明了一种观察和拍摄带电粒子径途用的仪器，被称为威耳孙云室。同年，首先观察到并照相记录了α和β粒子的径迹。到 1928 年，已把该云室装备得十分完善。利用它人们可以直接观察到微观粒子的运动径迹，从而成为现代高能物理实验中一种重要的探测器。

微波波谱学（ microwave spectroscopy） 应用微波电子技术研究物质结构的一门学科。微波的频率范围约为 3×108～3×1012Hz 比可见光的频率（～1015Hz）小 3～7 个数量级，相应光子的能量（E=hv）比可见光光子的能量小 3～7 个数量级。因此通过对微波段光子的共振吸收和辐射，可测量物质内部间隔很小的能级结构。例如，可测量分子的转动能级， 从而确定其转动惯量和分子中各原子之间的距离；可测量原子能级的超精细结构，从而确定原子核的自旋和磁矩。微波波谱技术是现代物理学研究物质内部结构及其性质的一种重要手段，这一技术已被广泛应用于原子和分子物理学、固体物理学、粒子物理学、天体物理学，以及化学和生物学等领域。

微波技术（microwave technique） 研究微波辐射的产生、传播、转化和测量及其应用的技术学科。微波是波长从约 1 米～1 毫米（相应的频率从约 300 兆赫到 300 吉赫）的电磁波。从现代微波技术的发展来看，

一般认为短于 1 毫米的电磁波（即亚毫米波）也属于微波范围，而且是现代微波研究的一个重要领域。

从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁波谱具有一些不同于其他波段的特点。微波在电子学方面的特点表现在它的波长小于通常物体的尺寸，因此它的传播遵循几何光学规律。利用这个特点，在微波波段可制成在发射和接收上方向性极好的系统（如抛物面反射器）。当波长和通常物体的尺寸相接近时，微波的传播特性与声波相近，例如微波在波导管中的传输类似于声传输中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线的发射类似于喇叭、箫和笛的发声；微波谐振腔类似于声共鸣箱等。

在物理方面，分子、原子与核系统所表现的许多共振现象都发生在微波的波段范围，因而利用微波谐振方法已成为探索物质的基本特性的有效

研究手段。

微波技术开始于 20 世纪 30 年代，微波电子管（速调管、磁控管、行波管等）的发明及波导管的实际应用促进了微波技术的形成和发展。在第二次世界大战中，微波技术得到飞跃发展。雷达的研制促进了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今， 微波技术已成为一门相当成熟的学科，而且还在不断地向纵深发展。

微波的应用范围正在不断扩大。它的最重要的应用是雷达和通信，此外在工农业生产、科学研究、医学、生物学以及人民生活等方面也有不少应用。其应用主要在测量和加热两方面。利用微波可以测量温度、厚度、速度和长度等各种非电量。由于它可进行非接触式测量，特别适宜在生产流水线上连续监测并进行实时自动控制。例如在钢铁工业中测量炉温、料面深度、钢板厚度等。利用微波加热效应，可使包装好的食品进行消毒或使冷藏食物解冻；可对高分子化合物进行热定形；可干燥食品、木材、纸张及电影胶片等涂膜材料等。家用微波炉也已十分普及，其性能日趋完善。

微波遥感也是探测大地、普查地球资源、测绘地形地物、监视农作物的生长以及侦察军事目标等的主要手段。它具有全天候的特点，但所得图像的空间分辨率较低。

微处理器（MPU）（ microprocessor） 采用大规模集成技术在一块或多块的基片上收容中央处理装置的大部或全部功能的部件。微处理器通常包括算术逻辑部件、若干个专用和通用寄存器以及对程序流程进行控制的逻辑部件等。有的微处理器内部还带有时钟发生器。微处理器、程序存储器（只读存储器和随机存取存储器）、数据存储器（随机存取存储器） 和输入输出接口电路通过系统总线连结起来组成微型计算机（如图所示）。它们均由少量的大规模集成电路组成。这些大规模集成电路可装在一块插件板上，甚至一块芯片就是一个微型计算机。

微型计算机基本结构框图

微处理器的结构（ architecture of microproce-ssor） 微电脑核心部分的结构特征。其结构基本上由三部分组成：①寄存器组。共分两种，一种是专用寄存器。例如有包含下一条要执行指令地址的程序计数器（PC），指向存储器中堆栈顶地址的堆栈指针（SP），用于变址寻址方式的包含基地址的变址寄存器（一至两个），用于存放中断服务程序入口地址的页地址中断页地址寄存器（I），提供每次刷新内存单元地址的动态存储器刷新寄存器（R），在进行算术和逻辑运算时提供一个操作数，且存放操作结果的累加器（一至两个），及寄存算术和逻辑运算结果的一些特征，如符号、全零、奇偶、溢出、加减、进位和半进位等状态的标志寄存器（F），这些标志位为执行条件转移指令提供信息。另有一种是通用寄存器组，可以作 8 位的寄存器使用，也可以两两连起来变为 16 位的寄存器对。主要用于寄存参与运算的数据或操作数的地址。有的微处理器有两组通用寄存器组，工作时仅一组参与操作，另一组可用作交换指令选用。②算术逻辑部件（ALU）。算术和逻辑指令在 ALU 中执行。ALU 通过内部数据总线与

寄存器组和外部数据总线交换信息。不同微处理器的 ALU 的功能有所差异，主要操作有加、减、逻辑“与”、“或”、“异或”、比较、左或

右的算术或逻辑移位以及循环移位、加减和位操作等。③控制部件（CU）。它能产生一定的控制信号系列，以执行指令所规定的各种操作。从存储器中取出来的指令，送给指令寄存器，后由指令译码器译码，通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部控制信息以及发出所需要的外部控制信号。微处理器控制部件的设计，主要是以实现机器的指令系统为主要目标。目前的设计技术有三种方式，即组合逻辑、微程序控制和可编程序逻辑阵列，而以微程序控制最为普遍。

微处理器的时序（time schedule of microproce-ssor） 计算机是在时钟脉冲的控制下一拍一拍地工作的。每条指令的执行，均由取指令、译码和执行三个阶段构成。执行一条指令所需要的时间称为指令周期。由于指令长度不同，因而指令周期的时间也不相同。把指令周期划分为一个个机器周期，每当 CPU 要和存储器或输入输出端口存取一个字节，就是一个机器周期，所以机器周期也称为存取周期或工作周期。在取指令阶段， 每取一个字节就需一个机器周期；在指令执行阶段，取决于指令的类型， 如寄存器间传送指令，运算指令等执行时不需另外的机器周期，而有些指令却要另加机器周期，以便与存储单元或输入输出端口传送信息。

微处理器的指令系统（instruction set of mic-roprocessor） 各种微处理器都有各自的指令系统，但有的功能较强、较齐全，有的专用性较强，有的非常简单。因此根据需要在设计微型计算机前要认真考虑， 一般指令系统有以下几类。①数的传送和交换：8 位数传送包括立即数送寄存器，寄存器之间传送，寄存器和存储器之间的传送。16 位数传送包括16 位立即数送寄存器对，在寄存器对和存储器之间传送，寄存器对送堆栈指针以及堆栈操作和寄存器对之间的传送。②数据块传送和搜索：分为单个传送、单个搜索和成组传送、成组搜索，它们是以某些寄存器对的内容作为地址指针，间接寻址内存中传送的源地址和目的地址。地址指针按每次传送或搜索后递增或递减 1。③算术逻辑运算：8 位数的算术运算包括加、减、比较；逻辑运算包括“与”、“或”、“异或”、“非”等操作。其特点是以累加器 A 的内容为一个操作数，除加减 1 操作外参加运算的另一个操作数或立即数或某一寄存器的内容，或来源于寄存器对间接寻址及变址寻址的存储单元。16 位数的运算，只是在指定的寄存器对或 16 位寄存器之间进行加、减运算和加 1 减 1 的操作。④循环和移位：循环的格式是在寄存器或者存储器简称为 RM 与进位位 C 组成一个闭合回路，其中任意一位数都可以向左或者向右移位，最后重合，即称为循环。如果不是闭合回路，则仅仅是左移和右移的操作，常叫做移位。有的循环回路不包括进位位；有的移位不是一位一位移，而是一次移 4 位，有利于进行数据码制的转换。⑤位操作：利用位寻址方式，可对寄存器中任一位或内寄存器间接寻址、变址寻址的任一内存单元的任一位进行测试或置“0”和置“1” 操作。⑥转移：包括无条件转移和条件转移两类。通常采用直接寻址、寄存器间接寻址相对寻址方式。条件转移是根据标志寄存器中进位位、零位、奇偶位次及符号位状态判断条件是否满足，决定程序转移还是继续按顺序进行。⑦调用和返回：包括无条件调用、无条件返还、中断返回和条件调用。条件返回调用是直接寻址，返回是利用堆栈指针 SP 的间接寻址。条件调用或返回也是根据标志寄存器中的进位位、零位、奇偶位、符号位的状态是否满足，来决定调用子程序或从子程序返回还是按顺序执行。⑧输入

和输出：通常对输入输出设备采用端口寻址方式。利用直接寻址方式数据可以在累加器 A 与外部设备端口之间传递；利用寄存器 C 间接寻址方式， 数据可以在任一寄存器与外部设备端口之间传递。数据块的传送可以单个，也可以成组地输入和输出，它们是在寄存器间接寻址的端口和寄存器对间接寻址的内存单元之间进行的。内存单元的地址指针又分为每次传送后递增和递减两种方式。

微电子技术（ microelectronic technology） 在电子技术的基础上，通过电子电路和系统的超小型化和微型化过程，逐步形成和发展起来的渗透性很强、影响面很广的一门新的技术学科。它包括系统和电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试，以及封装、组装等一系列专门的技术。微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。

微电子学研究的对象十分广泛，除各种集成电路（单片集成电路、薄膜电路、厚膜电路和混合集成电路）制造技术和应用技术外，还包括集成磁路、集成超导器件和集成光电子器件等的制造和应用技术。

传统的电子技术的发展，首先是从利用电子器件开始的。1906 年美国物理学家德福列斯特制成了世界上第一只真空三极管。三极管的产生是电子技术的第一次重大突破。1948 年美国贝尔实验室的巴丁和布拉坦两人合作研制成第一个点接触型晶体管。这是电子技术的第二次重大突破。1958 年美国的开尔贝制成第一个半导体集成电路。它是电子技术的第三次重大突破。1966 年制成了包括 50 个门（数百个元件）的中规模集成电路。从1977 年开始出现集成度超过 15 万个元件以上或 1 万个门电路以上的超大规模集成电路。这是电子技术的第四次重大突破，迎来了为人们称誉的微电子技术时代。

与传统的电子技术相比，微电子技术有如下一些基本特点：通过利用和控制固体内电子的微观运动来实现对信号的加工处理；信号的处理是在固体的微区（微米到几个晶格的数量级）内进行的；信号的传递只需在极微小的尺度内进行；可以把一个电子功能部件，甚至一个子系统集成在一个很小的芯片上，在同一流程中成批地制造出来。微电子技术本身从工艺、设计到生产等方面日益完善，由它装配成功的电子产品已广泛渗入人类社会活动的各个领域。由微电子技术所推动并反过来用以促进微电子技术进步的由一系列新学科（微电子器件物理、微电子材料学、微电子设计和工程学、微电子工艺学、微电子测试学、可靠性理论以及专门的微电子经济和生产管理工程等）共同组成一门崭新的学科——微电子学便应运而生。

微观（microscope） 指空间线度小于 10-7～10-6 厘米的粒子，包括分子、原子、各种基本粒子。分子是物质中能够独立存在并保持该物质一切化学性质的最小微粒。原子是构成单质和化合物分子的最小微粒。基本粒子包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。已经发现的 300 多种基本粒子，多数是不稳定的共振态粒子。按照基本粒子的质量及其性质的差别，可分为光子、轻子、介子、重子四类。微观虽与宏观有区别，但又有联系。微观是宏观的基础，极多的原子、分子就构成宏观物体，微观和宏观的物体都统一于物质之中。微观现象一般指微观粒子和场在极微小的空间范围内的各种现象。微观粒子和微观现象统称微观世界。微观世界是量子物理学研究的对象，其运动规律可用量子力学、量子场论、量子电动力学、量子色动力学和统计物理学

等加以描述。在微观世界中，运动的粒子呈现显著的量子性和波粒二象性， 因此经典物理学的理论在这里不再适用。

微粒说（corpuscular theory） 一种关于光的本性的理论，由牛顿提出。牛顿在光学研究中作出许多重要的贡献，在关于光的本性看法上， 他也提出自己的假设即微粒说：“光线是否是发光物质发射出来的很小物体？因为这样一些物体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去， 这正是光线的本性。”虽然假说是以提问的方式提出的，也曾说明由于来不及进一步研究而留待其他人作进一步探讨，但是从牛顿随后所做的分析中可以看出他还是倾向于认为这是正确的。牛顿主张微粒说反对波动说的理由在于：①认为光的波动说不能很好地说明光的直线传播这一最基本的事实；②波动说当时无法解释光的偏振现象；③对光的波动说赖以存在的“以太”表示怀疑。然而主张微粒说的牛顿并不是根本不承认光的波动性， 他认为当光投射到一个物体上时，可能激起物体中以太粒子的振动，就好像投入水中的石块在水面激起波一样，并设想可能正是由于这种波依次地赶过光线而引起干涉现象。他还第一个提出光在本质上是一种周期过程。这都表明牛顿并不是根本不承光的波动性，而是他更倾向于并坚持光的微粒性。

微型计算机系统（microcomputer system）

算术逻辑部件（ALU）



寄存器组（RS）



微处理器(CPU)控制电阻（CU）

时钟发生器（CP）

内部总线（Inter Bus）

微处理器（CPU）

 RAM

存储器

 ROM，PROM，EPROM

输入输出串行I / O接口

微型计算机（Microcomputer）接口电路  并行I / O接口

 

 数据总线

 

系统总线地址总线

 控制总线





















微型计算机（Microcomputer）

系统软件



微型计算机系统辅助电路

电源

  键盘

  

 使用者打印机

 

 显示器



输入输出设备

磁盘驱动器

  

 

 

A / D转换



 应用对象D / A转换

 

开关量输入 / 输出

微型计算机中的中断（interruptinthemicro-computer） 有了中断功能，可使 CPU 分时操作，同时为多个外部设备服务，可以实现实时处理，可以自动进行故障处理以及利用中断调试程序等。一个中断系统应该具有这样一些功能：它能实现中断和返回；能实现中断优先权的排队， 高级中断源能中断低级的中断处理，实现中断嵌套。一般微处理器都用一条或多条中断线来接受中断请求，用单级中断、多级中断和矢量中断等技术来处理中断。单级中断中，多个外部中断请求通过“或”逻辑连到中断线，CPU 收到中断请求，进行程序询问，确定中断源、询问程序的顺序也就指定了各外设的优先等级。在多级中断中，微处理器有几条中断线，每条中断线与独立的外设标志或特定的中断源相连，中断发生时，它对不同的中断线上的请求能在内部作出相应的处理，响应快，但扩展较难。同一级中断源之间的优先次序要由软件安排。为了提高中断处理的速度，许多微处理器都采用矢量化的中断方式。对于每一种中断都有存放在存储器单元中的中断服务程序的起始地址和中断后的处理器的状态字。所有的起始地址和状态字在一起称为中断矢量。

中断处理与微处理器的结构有关。在中断时，一般都要经过中断请示、中断响应、保护断点、保护现场、中断服务、恢复现场、然后返回主程序等处理过程。

微型计算机总线（busofmicrocomputer） 传输数据和电信号的渠道，即公共连线。它是一些信号线的集合，这些信号线是组成计算机及计算机各器件、各功能部件和各系统之间传输与交换信息专用的通路。选择各种系统要求的标准芯片，直接通过总线传输和交换信息，能构成具有不

同功能的各种微型计算机系统。为此，就定义和建立了各种各样的标准总线，种类繁多。通常的总线总是包括几十根到一百多根信号线。一般可以把这些信号线分成四类。①控制、时序和中断信号线：这一类线决定了总线功能的强弱以及适应性的好坏。好的总线应该控制功能强、时序简单、使用方便。②数据线和地址线：决定数据传输的宽度和直接选址的范围。

③电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法。④备用线：是厂家和用户作为性能扩充或特殊要求使用的线。

根据信息是否可以朝两个方向传送，总线可分为单向传送总线和双向传送总线。双向传送总线既可用来发送数据，也可用来接收数据。单向总线只是朝一个方向传送。总线的逻辑电路有些是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑“0”、逻辑“1”和“浮置”状态。当处于浮置态时，总线电路呈现极高的阻抗，如同与外界“隔绝”一样。利用三态控制的逻辑电路，容易实现微处理器内部总线与系统总线的“脱开”或“连接”。

总线一般带有缓冲电路，其基本电路就是三态电路。为了构成单向总线和双向总线，相应地就需要单向缓冲电路和双向缓冲电路。

微音器（microphone） 即传声器。

唯能论（energetics ） 一种认为能量是唯一本原的理论，由德国物理化学家奥斯特瓦尔德提出。该理论的出现有其认识根源，它同热力学的发展有关。卡诺曾证明热机的运行与构成机器的物质属性没有关系。后来又有不少物理学家强调热力学的研究只涉及能量的意义，而不涉及任何物质属性，这就使人们偏重于能量的研究。在此基础上，奥斯特瓦尔德于1889 年把能量说成是同有重量的物质相类似的一种实体。1890 年认为物质与能量是两个独立的本原。1895 年，他在德国自然医学家医师大会上明确提出了唯能论，认为能量是唯一的本原，而物质不过是能量的集合，并针对原子论把物理现象归结为原子的机构论的观点，提出把所有自然定律都归结为有关能量的定律的主张。唯能论的提出，遭到许多人的反对。因为该理论是错误的，它的要害是否认物质的客观实在性，而认为能量是一切现象的本质，物质无非是“诸种能量在空间中的有秩序的集合”。

现代物理学的发展，使得奥斯特瓦尔德不得不承认“原子假说已成为科学上一种有根据的学说”，唯能论因此也一度消沉。可是随着爱因斯坦质能关系的提出，以及基本粒子的产生和湮灭现象的发现，在一些物理学家的心目中，唯能论又得以复活。如有人把电子称为物质，而把光子看成是纯粹的能量，其实粒子物理学的发展，再次证实了诸如光子等粒子的客观实在性。

维德曼-弗兰兹定律（Wiedeman-Franzlaw） 表示金属导热性与导电性之间的关系的经验定律。德国物理学家维德曼和弗兰兹于 1853 年由大量实验事实发现，在一定温度下，许多纯金属的热导率 n 和其电导率σ之比都是个常数，这一规律被称为维德曼-弗兰兹定律。1881 年洛伦兹进一

步发现 n

σT

的值是一个与金属种类无关的普适常数，称为洛伦兹数，用符

号 L 表示。1928 年索末菲从金属的自由电子模型出发，从理论上得出

n π² k

L = σT = 3 （ e ） =2.443×10-8 瓦特·欧姆/度 2，式中 k 是玻耳兹曼常

数，e 是电子电荷，T 是绝对温度。此定律对大多数金属，在温度不太低时，

都符合得比较好。由此可以说明金属的导热和导电主要都是靠自由电子来进行的，晶格导热对热导率的贡献可忽略不计。对于能带结构复杂，各向异性非常显著的铍、锰等金属，洛伦兹数 L 的实验值与理论值偏离较大， 这说明对于这些金属中的电子不能采用自由电子模型。低温下，即温度远低于德拜温度时，金属的洛伦兹数趋于减小，例如钢在 15K 时的 L 值要比室温时的值小一个数量级，这时维德曼-弗兰兹定律不再成立。

伪指令（ false instruction） 属于汇编语言中的一类指令。由于伪指令通常不是直接执行的指令，而是用来提供汇编程序的必要信息， 有点像高级语言中的说明语句，所以使程序的可读性更趋完善。常用的伪指令有：①汇编起始地址说明的伪指令 ORG，例：ORG2000 表示目标程序的首地址为 2000 单元。②名字说明伪指令 EQU，例：CR：EQU＄12 表示标号CR 的十六进制值为 12。③数据说明伪指令 DB，例：DAT：DB2，-4，5 从目标程序中留出三个单元，分别存放 2，-4，5 三个数，其他指令对这三个数的访问，可以通过标号 DAT 进行。④入口标号说明伪指令 ENTRY，常用于说明子程序入口地址。

此外还有用于定义宏指令的伪指令 MACRO，MEND，以及条件汇编说明用的宏指令 IF，ENDIF 等。

各种汇编语言中的伪指令的功能基本相同，但采用的符号不同或相近。

位片机（slice system） 位片是一个由完整的运算器加上它的多路转换器和数据通道所组成的片子，没有控制部分。位片机是由 2 位或 4

位高速双极型大面积集成电路级联而成，根据需要可组成任何字长如 4 位、8 位或 16 位等等。而控制部分必须由外加电路来完成，一般是微程序控制的。这使得控制部件的设计简化，使系统所需器件数量大为减少，易于修改扩充，增加了灵活性、适应性。由于器件本身速度高，再采用如重叠、流水技术，使位片机的运算速度高；此外，指令系统由设计者选定， 可大可小，可简可繁。Motolora 公司推出的 MC10800 系列 4 位微处理器片子，在片子上设有寄存器，可向用户提供不受限制的外部寄存器。一个MC10801 微程序控制部件，一个 MC10802 定时部件，可执行全部控制功能， 专用存储器接口芯片 MC10803 产生外部地址总线和数据总线，可以很容易组成一个小系统。

位片机的特点使它适用于中、小型计算机的仿真，高级语言和高速外部设备如磁盘、带键盘的显示器的控制器，数据通讯，构成分布式或阵列式处理机系统，以及用大量的微型机构成巨型机等。

位矢（position vector） 又称位置矢量或矢径。描述质点相对位置的物理量。一质点 P 相对于固定点 O 的位矢是由 O 点引到 P 点的有向线段 OP（图 1），常记为 r：

r=OP。

图 1

位矢的大小 r 表示 P 点与 O 点之间的距离，位矢的方向表示 P 点相对于 O 点的方位。在直角坐标系中（图 2），位矢可以用分量 x、y、z 表示为

r=xi+yj+zk。

图 2

式中（x、y、z）是位矢端点 P 的直角坐标，此直角坐标系的原点为位矢的起点 O。i、j、k 分别是沿 x、y、z 轴正方向的单位矢量。在位移所在的平面内，位矢可以用矢端的极坐标（r，θ）表示（图 3）。以位矢的起点 O 为极点，位矢 r 的极坐标表示式是

r=rer。

图 3

r 是位矢的大小，er 是 r 方向的单位矢量，它是 r 与极轴 Ox 之间夹角θ的函数。

位移（displacement） 又称位移矢量。描述质点位置变化的物理

量。设质点在初位置 A 的位矢为 r，在末位置 B 的位矢为 r'，则质点从初位置到末位置的位移△r 是矢量 AB，或 r'-r：

△r=r'-r

位移

位移只表示末位置相对于初位置的距离和方位，与质点沿着什么具体路径从初位置移动到末位置无关。质点可以从初位置 A 沿着任何路径移动到末位置 B，A、B 之间路径的长度是一正数表示的量，称为从 A 运动到 B 所经过的路程。在一般情况下，路程和位移的大小并不相等，仅当质点做直线运动且始终向着同一方向运动时，两者才相等。

位移电流（displacement current） 描述变化的电场激发磁场效应的物理量。其强度和密度常以符号 ID 和 jD 表示。1864 年由英国物理学家麦克斯韦作为电磁场理论的基本假设引入。因为它和传导电流一样能激发磁场，故名。通过空间某一面积的位移电流强度等于该面积上电位移通量的时间变化率，即

I = dΦD

^D dt

= d dt S

D·dS = ∫

S

∂D

∂t ·dS,

因为ID = ∫ jD ·dS ，于是位移电流密度为

S

j = ∂D 。

^D ∂t

位移电流概念进一步揭示了电现象和磁现象之间的紧密联系，表明磁场不仅可由传导电流（或运流电流）激发，也可由变化的电场激发。安培环路定律由此被推广为如下形式：

∫ H·dl = ∫ ( j + jD )·dS ，

D

这是麦克斯韦方程组中的一个方程。因此，位移电流假说是麦克斯韦电磁场理论的重要组成部分。位移电流仅表示电场的变化，而不表示真实电荷在空间的运动。因此它既可存在于介质中，也可存在于真空中，而且不像传导电流那样具有化学效应。位移电流通过介质，虽会使介质发热， 但发热的机制也与传导电流引起的热效应不同。位移电流的存在正是通过

其磁效应得到证明的。

卫星通信（satellite communication） 通过对地静止卫星转发信号，用无线电波多址联结分布在各地的卫星地面站，进行两个或多个地面站之间的通信。为了使卫星波束覆盖区的每个卫星地面站在任何时刻都能通过卫星进行通信，卫星对地球必须相对静止，这时卫星必须在离地球赤道的标称高度 35786.014 公里处，绕地球的公转周期和地球的自转周期

（23h6m04s）一致，且运行方向与地球自转方向一致。卫星通信是通过由地面站和通信卫星所构成的卫星通信系统网络实现的。通信卫星载有多个转发器，为地面提供信道转发信号。每个信道的功率较小，通常为 8～ 20W/ch，地面站天线大小视卫星到地面的等效全向辐射功率大小和用途而异。抛物面天线直径可以从 3 米到 30 米。卫星通信的业务面很广，它包括电话、电视、电报、传真、电传、数据传输、广播、网络新闻、电子邮件、医疗应急、交通、金融、气象、市场信息、陆上监视、船舶与飞机导航数据等各种业务。

卫星通信的质量高，容量大，服务范围广，覆盖范围大（定点在静止卫星转道上互成 120°的三个通信卫星，能实现全球通信）。

发展概述 卫星通信的原始设想始于 1945 年英国学者克拉克。1957 年10 月 4 日原苏联发射了世界上第一颗人造卫星，标志着人类开始了宇宙航行时代，卫星通信因此被提到议事日程。三个月后（1958.1）美国发射了斯科尔卫星，进行了通信试验。但由于采用蓄电池供电，寿命只有 13 天。这一试验使人们意识到，要实现卫星通信，必须解决卫星上的能源问题。1962 年 7 月美国发射了电星（Telstar）1 号卫星，进行横跨大西洋的电视

和电话传真通信试验。1962 年 12 月美国又发射了中继卫星。1963 年 11

月 23 日利用这颗卫星在美国和日本之间进行了电视转播。以上这些试验采用的都是椭圆低转道卫星，相距很远的地球上两点能同时看到该卫星时间很短，不能用于卫星通信。随着火箭运载能力的提高，人们在实践中又掌握了卫星进入静止轨道的发射技术和姿态控制技术。有可能把卫星定点在静止卫星轨道上。1964 年 8 月美国向太平洋上空发射了辛康 3 号静止卫星，及时向世界大部分地区转播了东京奥林匹克运动会实况。

1964 年 8 月 20 日在美国由 11 个国家成立了临时国际商业通信卫星组织。1965 年正式命名为 Intelsat（1973 年最后定名为国际通信卫星组织），从此，就由该组织发射管理国际通信卫星。1965 年 4 月 6 日发射了国际通

信卫星一号，使卫星通信正式进入实用阶段。自 1965 年到 1990 年，国际通信卫星从第一代发展到第六代。卫星通信的容量、功率、寿命以及功能不断提高。例如第六代卫星可同时传送 80000 个电话和 2 路彩色电视，使

用寿命为 10 年。现在定点在大西洋、印度洋、太平洋上空的国际通信卫星，

构成了全球卫星通信网，已有 100 多个国家参加了该组织。中国于 1976 年参加 Intelsat，并在北京和上海等地建立了卫星通信地面站，与世界各地进行卫星通信。

通信卫星 通信卫星虽因用途不同而有所区别，但就整个系统构成而言，它们均由星载天线、转发器、遥测、控制及电源五大部分组成。天线分系统有通信用的微波天线及遥测遥控用的高频或甚高频天线。根据覆盖范围要求，微波天线波束有全球、半球、区域和点波束之分。通信转发器用于沟通信道，转发信号。它将来自地面站的弱信号进行宽带低噪声放大、

频率变换、功率放大处理后，送到天线向指定的覆盖区发射。遥测分系统用于了解星载各种设备的工作状态，保证通信卫星的正常工作。控制分系统包含姿态和位置控制，前者使卫星天线始终对准地球，并使太阳能电池板对准太阳。后者用于消除月球和太阳的引力对卫星产生的摄动影响，使卫星相对位置固定，保持定点位置。电源分系统为卫星通信提供电能。

卫星通信地面站 由天线、发射、接收、终端、控制及电源等部分组成。地面站收发天线共用，用于向卫星发射和接收电波。大型地面站天线还有跟踪系统，保证天线始终指向慢漂移的通信卫星。发射机将已调信号经过上变频到指定上行频率，由功率放大到额定值，然后馈送到天线向卫星发射。接收机对来自卫星的弱信号进行低噪声放大并作变频处理后，经解调输出基带信号。终端设备包含电话、电视、数据、传真等终端机，是卫星地面站与地面通信网络的接口系统，它把来自地面的信号加以整理、变换、排列，以便在卫星线路上进行有效传输；同时把来自卫星的信号送到地面通信网络中。卫星通信地面站除大型站外，还有可移动的小型通信站和专用站。

卫星通信用的上/下行频段有 1.6/1.5，6/4，8/7，14/11，30/20GHz

（吉赫），其中常用的有 C 频段的 6/4 和 Ku 频段的 14/11，其频率范围为5.925～6.425（6GHz），3.7～4.2（4GHz），14～14.5（14GHz），10.95～

11.75（11GHz）。用于移动通信频率范围为 225～400MHz。卫星通信天线、星载转发器、地面站天线、发射和接收机、收发多工器等都工作在某一指定频段上，如 C 或 Ku 频段。

温标（temperature scale） 温度的数值表示法。它是为了表示温度高低而对温度的零点和分度方式所作出的某种规定。常用的一种温标是摄氏温标，它规定在 1.013×105 帕（即一个大气压）下水的冰点为摄氏

零度，水的沸点为摄氏 100 度，再将中间间隔划分为 100 等分，每一等分

表示摄氏 1 度，摄氏温度用℃表示。采用摄氏温标具体测量物体温度时，可以选定一种作为标准物体的测温物质（例如水银），只要测温物质的任一物理量（例如水银的体积）随温度发生单调的变化，就可以用它来

标度待测物体的温度。用 x0、x100 分别表示这一物理量在摄氏零度和摄氏100 度下的值（例如水银柱的高度值）。如果标准物体与被测物体互为热平衡时该物理量取值 xt ，则被测物体的摄氏温度就是

t = x t - x 0

x100 - x 0

×100℃ ，而这种标准物体就是摄氏温度计。由于各种测温物

质或同一物质的不同物理属性随温度的变化关系各不相同，而且也不是严格的线性关系，因此摄氏温标只是一种经验温标。

在英、美等西方国家的工程界和日常生活中，通常还使用另一个经验温标——华氏温标。它规定在一个大气压下水的冰点为华氏 32 度，水的沸

点为华氏 212 度，再将中间间隔划分为 180 等分，每一等分表示华氏 1 度， 华氏温度用°F 表示。摄氏温度（C）和华氏温度（F）之间的换算关系为

t = 9 t + 32或t = 5 （t - 32） 。

F 5 c c 9 F

1848 年英国物理学家开尔文通过卡诺定理提出了一种不依赖于具体测温物质的温标——热力学温标，用这种温标定出的温度称为热力学温度，

用 T 表示。根据卡诺定理可以证明，如果用某种经验温标测出的高温热源温度和低温热源温度分别为θ1 和θ2，则工作于这两个热源之间的卡诺热机从高温热源吸收的热量 Q1 与放给低温热源的热量 Q2 之比值等于经验温标下相应热源温度的某个普适函数 f（θ1）与 f（θ2）的比值

= f (θ 2 ) ,

f(θ1 )

这个比值与测温物质及其物理属性无关，由此可以得出存在一个新的温标 T，它与 f（θ）成正比，且与测温物质无关，因而有

= T2 T1

1954 年国际权度会议规定水的三相（纯水、纯冰和水蒸气）平稳共存的温度在新的温标下为 Ttr=273.16K，于是任何物体的热力学温度就是

Q

T = ×273.16K 。这里 Q_tr

tr

是理想可逆热机在运行中向保持水的三相点

温度 Ttr 的热源放出（或吸收）的热量，Q 是这个热机在保持温度 T 的热源中吸收（或放出）的热量。由热力学温标表示的温度是国际上公认的基本单位之一，也是唯一有科学意义的温度。热力学温度除了用 T 表示外，也可用 t=T-273.15 表示。用 T 表示的温度又称绝对温度，T=OK 就是绝对零度；而 t 表示的温度称为热力学摄氏温度，现在使用的摄氏温度就是热力学摄氏温度。

直接按上述定义测量热力学温度是很困难的，通常采用气体温度计来实现热力学温度的测量。实验表明，一定质量的气体，在体积保持不变时， 它的压强随温度升高而增大，随温度下降而减低（查理定律）。由此可以定义一种气体温标，并制成定容气体温度计。但实验发现，在压强很高或温度很低时用定容温度计测出的结果与查理定律并不符合，而且采用不同气体制成的各种气体温度计对同一物体测量所得的读数也有差异。只有当压强逐渐减小且趋于零时，气体的性质才满足查理定律，这时各种气体温度计读数的差异也随之消失。这种严格遵循实验定律的气体就是理想气体，由此定义的理想气体温标与具体气体的性质无关。用热力学方法可以证明，理想气体温标和热力学温标是完全等同的，用理想气体温标测定的温度也就是热力学温度。真实气体特别是不易液化的氢气、氦气等在通常温度和压强下作为测温物质所指示的温度，几乎与理想气体温度计完全一样，因此可以把它们看成理想气体温度计进行测量。然而这些真实气体都有液化点，其中氦气的液化点最低为 1K，在更低温度下氦气也变成了液体。因而，对低于气体液化点的温度，用气体温度计实现的理想气体温标也就不再适用了。

温伯格（Stever Weinberg 1933～） 美国物理学家。生于纽约。1954 年毕业于康奈尔大学。1957 年获哈佛大学哲学博士学位。1959～1966 年在贝克莱大学工作。1969 年任麻省理工学院物理学教授。1973 年任哈佛大学希金斯讲座物理学教授，并任史密森天体物理实验室高级研究员。

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。早在

1957 年就设想过中性规范玻色子就是光子的方案，从而得到一个弱相互作

用与电磁相互作用统一的理论，但由此给出的结果与实验有明显的矛盾。1962 年在研究弱相互作用与电磁相互作用统一的理论方面又取得进展，主要表现是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。1967 年引入对称性自发破缺机制（黑格斯机制），提出了一个可重正化的理论，解释了光子和中间玻色子的质量差异，在规范场理论的基础上建立了电弱统一理论。由于萨拉姆也提出了这方面的理论，通常被称为温伯格-萨拉姆理论。这个理论的可重正化于 1971 年被霍夫特等人所证明。这个理论所预言的中性弱流于 1973 年被欧洲核子中心的实验所证实。此外，60 年代初期对天体物理学甚感兴趣，写过一些宇宙内中微子数方面的论文，并于此时开始撰写《引力和宇宙论——广义相对论的原理和应用》，于 1971 年才最后完成。60 年代中期从事流代数方面的研究工作，并把自发对称性破缺的概念应用于强相互作用。70 年代主要探讨电弱统一理论的涵义和发展强相互作用的有关理论

——量子色动力学，并朝着统一所有的相互作用的方向迈进。

图 1 温差电效应

图 2 有第三种金属时的温差电效应

温伯格- 萨拉姆模型（ Weinberg-Salammodel） 参见电弱统一理论。

温差电效应（thermoelectriceffect） 又称热电效应或塞贝克效应。将两种不同导体 A 和 B 两端相连，组成一回路，当两接头处温度不同时，回路中产生电动势的现象（见图 1）。这现象由德国物理学家塞贝克于 1821 年首先发现。所产生的电动势称为温差电动势；上述回路构成温差电偶或热电偶。

在一定的温度范围内，温差电动势在数值上正比于两结点处的温差差：

■=a(T1-T2)，

α为塞贝克系数，在数值上等于单位温度差所引起的电动势。它主要决定于两种接触材料的性质，也略与温度有关。

理论和实践都证明，在 A、B 两种金属之间插入任何一种金属 C，只要维持它在 A、B 的结点处于同一温度 T2，如图 2 所示，则闭合回路内也会产生温差电动势，且其值总是与只由 A 和 B 两种金属组成的闭合回路内的温差电动势相等。

利用金属的温差电效应可制成温差电偶温度计，用于温度测量和温度控制。

温差电偶又称热电偶。它是由两种能产生显著温差电效应的金属丝（如铜或康铜）焊接而成的。其原理如图 3 所示，A、B 为两根不同的金属，它们的一端焊接在一起，称为工作端或热端，测温时将它插在测温部位，其温度为 T1，A、B 的另一端，称为冷端或自由端，都放在温度为 T2 的恒温物质（如冰水混合物或大气）中。如果温差电偶的两端温度不同（T1＞T2），则在回路中将产生温差电动势，它可由指示仪表 M（电压表或电位差计等） 显示出来。根据事先校准的曲线或数据，可知待测温度 T1。

温差电偶温度计的优点是精确可靠，结构简单，使用方便。工作温度可从 4.2K（-268.5℃）的低温直至 2800℃的高温。测量不同温度可选用不同金属组成的温差电偶。通常，测 300℃以下的温度时可用铜-康铜温差电偶；测量 1100℃以下的温度可用镍铬-镍镁合金组成的温差电偶；测量 1100

℃以上的温度可用铂-铂铑合金和钨-钛温差电偶。下表给出某些金属温差电偶的电动势与热端温度的关系（冷端温度保持在 0℃）。

某些金属温差电偶的温差电动势（冷端 0℃）

半导体的温差电效应较大，塞贝克系数α约为 50～1000 微伏/开，可用来将热能直接转换为电能，制造半导体温差发电器。

温度（temperature） 热学中确定平衡状态系统性质的物理量。每个系统在热平衡时的温度仅仅取决于系统本身的内部热运动状态，它是对构成该系统的大量分子无规则热运动剧烈程度的一种量度。

定义温度的实验基础是热力学第零定律，又称热平衡定律。这个定律指出，两个系统互为热平衡时，具有相同的宏观性质。实验表明，在几个物体作为一个整体达到热平衡状态后如果再把它们分开，在不改变外界环境的条件下，每个物体的热平衡状态不会发生变化。由此得出，处于某一热平衡状态的系统，一定存在一个由状态单值确定的状态量，由它可以决定该系统是否与其它系统互为热平衡，这个状态量就是温度。一切互为热平衡的系统具有相同的温度。

热平衡定律不仅给出了温度的定义，而且也指明了比较温度的方法。选定一个标准物体，并将它与待测温度的物体发生热接触，如果这两个物体原来的状态不相同，它们一定具有不同的温度。经过热交换以后，这两个物体最后会达到一个共同的热平衡状态，从而具有相同的温度。只要热接触前后，待测物体的状态变化很小，以至可以忽略，那么热接触以后标准物体的温度就是待测物体原来的温度。这种标准物体就是通常所说的温度计。温度计上的温度是通过它的某一个状态参量来标志的，例如水银温度计放在空气中，与空气达到热平衡时，就以水银柱的高度显示空气的温度。

为了定量表示温度的大小，还需建立温度的数值表示法——温标。常用的温标有摄氏温标和华氏温标，而科学上最严格定义的温标是热力学温标（又称绝对温标）。

从微观上看，温度标志物体内部分子无规则运动的剧烈程度，温度越高表示物体内部分子热运动越剧烈，分子的平均平动动能也越大。温度是体现大量分子热运动集体效应的宏观量，对于单个分子，温度是没有意义的。

温度的微观意义为现代致冷技术提供了物理基础。激光冷却是当代获取超低温的一种新技术，其基本原理就是利用激光光子来抑制分子原子的热运动，而热运动的减缓就意味着温度的下降。通过激光的“冷光子”与物质分子原子的相互作用，现在已经可以产生出绝对温度达到 10-3K 数量级的原子束和气体。在这样的超低温下，对单个原子行为的测量可以达到很高的精确度。

温度计（thermometer） 定量测量温度的装置。根据热学理论，温度是一个表征平衡态性质的重要物理量。任何实际系统总有一些状态参量随温度的变化而改变，因此利用某热力学系统的状态参量与温度变化之间的定量关系，就可测量温度，该热力学系统就是一种温度计，这就是温度计的基本制作原理。原则上，一般热力学系统都可以作为温度计，但实际选用温度计时必须满足以下几个条件：①灵敏性。很小的温度变化能引起状态参量显著的改变；②准确性。在一定温标下状态参量的测量能准确表示温度的数值；③可重复性。对相同温度物体的测量能给出同一个数值。此外，在生产实践和科学研究中，往往要求在短促的瞬间能测量出物体的温度，这就要求温度计与被测物质达到热平衡的弛豫时间必须很短。

按测量原理分，温度计大致有以下几种类型：①利用体积或压强作为温度的标志。最常见的是玻璃液体温度计，这种温度计由盛有水银或酒精之类的液体的温泡、玻璃毛细管和刻度标尺组成。用这种温度计测量时， 从毛细管内液面的位置可以直接读出被测物质的温度。体温表以及通常家庭用的室内温度计都属于这一类。这类温度计构造简单，使用方便，主要缺点是测温范围较小，玻璃膨胀后不容易恢复原状，测量的精确度不高。利用压强作为温度标志而制成的温度计是压力表式温度计，这种温度计由温泡，连接毛细管和压力计组成。温泡中盛有气体、蒸气或液体作为工作媒质。用这种温度计测量时，由于工作媒质容积不变，因此从压强的变化就可以测出被测物质的温度变化。这类温度计测量范围比玻璃液体温度计宽，例如用氮气作工作媒质，最高可测得 500℃，用氢气作媒质，最低可测出-120℃。压力表式温度计主要用于工业上的温度测量。②利用电动势或电阻作为温度的标志。工业上应用极其广泛的热电偶温度计（又称温差电偶）就是其中最常用的一种。由两种不同的金属导体一端焊接在一起称为测试结，置于被测物质处；另一端分别与铜导线相连形成参考结，保持某个恒定的参考温度。铜导线与电位差计相接从而构成闭合回路。当测试结与参考结的温度不同时，回路中就会出现温差电动势。在固定参考温度时，温差电动势的大小就反映出测试结的温度。已制成的热电偶温度计可测出 3000℃的高温，有的热电偶可测出接近绝对零度的低温。根据导体电阻随温度变化而制成的温度计称为电阻温度计。常用的电阻温度计由一根很细的铂金属丝绕制构成。在很低的温度范围还可以使用铑铁、碳和锗单

晶温度计，精密铂电阻温度计的测量准确度可达万分之一摄氏度。在- 293.34～630.74℃范围内，它是复现国际实用温标的基准温度计。③利用高温物体的热辐射和光谱辐射作为温度的标志。前一种温度计称为辐射高温计，它是根据黑体辐射的总能量与其温度的四次方成正比（斯忒藩-玻耳兹曼定律）的原理制成的；后一种温度计称为光测高温计，它是通过调节电流大小使装在特制望远镜中的电灯泡发出的亮度与被测物体亮度一致， 从而在加有温度标度的电流计读出被测物体的温度。辐射高温计和光学高温计一般可测量到 2000～3000℃的高温。④此外，还有利用声速作为温度标志的声学温度计，利用频率作为温度标志的频率温度计和利用磁化率与温度关系制成的磁温度计。⑤近期发展起来的把对非电量的测量转换为电磁量测量的电磁测量技术，为制造出准确度更高、量程更宽、且可进行遥测的新型温度计，开辟了新的前景。

温室效应（ greenhouse effect） 大气中的痕量气体允许太阳的辐射穿过大气到达地表，同时能防止从地表放出的热辐射逸散到太空而使低层大气变暖的现象。大气对于可见光有较大的透过率，到达大气顶的太阳辐射能大约有 50%可以到达地表而被吸收，使地表增温。由于地表具有一定的温度，所以它也发射红外辐射。大气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧和水汽等痕量气体都能吸收大部分的地表红外辐射，使得大气变暖。同时大气本身也发射红外辐射，其中一部分向上逐步传向外空，另一部分则向下传播为地表所吸收，这也是使地表增温的一个因素。这些微量气体称之为温室气体，它们使地表及低层大气温度升高的作用与玻璃温室有相似之处，称为温室效应。

二氧化碳是引起温室效应的主要气体。大气中二氧化碳的平均含量在1958 年前为 315ppm（1ppm 单位表示体积的百万分之一），到 1984 年升为

344ppm，而且递增速度越来越快。氟利昂等氟氯碳化合物在大气中的含量只是在工业革命后才有的，但它在大气中的浓度急剧上升。196 年大气中甲烷的含量已是 200 年前的 2 倍。这些气体在大气中的含量若不断增加， 将进一步导致全球性平均温度的增加。全球范围二氧化碳的增加主要是矿物燃料用量激增所造成的。矿物燃料产生的二氧化碳有 40～50%左右滞留在大气中，其余一半被海洋和植物所吸收、利用。若大气中的二氧化碳含量翻一番，那么在全球范围地面附近的温度将上升 3℃。全球平均气温在本世纪上升 5℃左右，特别是 80 年代，全球气温的上升速度很快，1990 年地球出现了创纪录高温。联合国有关专门机构预测，到下个世纪末，如果不加控制，全球气温将上升 2～5℃。在我国，变暖区主要是华北、东北、西北地区、及青藏高原和南龄以南的沿海地带。

气温升高、气候变暖将导致海平面上升，对世界沿海城市造成威胁。气候变暖的同时会发生气候干燥现象，严重影响农业、畜牧业，因为随着土地干旱，草原、农田的沙化将加快，病虫越冬的存活率将提高。气候干燥又会导致淡水资源消耗加快，造成水资源的供求矛盾。但温室效应也可使农业气候带北移，对北方来说，可以缓解低温冷害和霜冻灾害，有利于多年生经济植物及家畜、家禽的安全越冬，并节省冬季取暖开支。大气中二氧化碳浓度的增加还会促进绿色植物的光合作用，有利于植物的生长。总之，大气的温室效应对于人类和环境有利也有弊，然而是弊大于利。

为了制止大气温室效应的发展，必须大力开发利用洁净能源、植树造

林，从而降低二氧化碳等气体的排放量，改善地表辐射特征，提高绿色植物吸收固定二氧化碳的能力。此外，还应控制温室气体的生产量和使用量。气候变暖是一个全球性问题，要控制它的变化，需要全球合作，开展各地区的温室气体监测，贯彻气候保护等措施。

紊流（turbulence） 即湍流。

稳定流动（steady flow） 见流线。

稳压电路（stabilized voltage-circuit） 在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时，仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供纹波系数小的稳定的直流电压。这种电路应用极广。

图 1 稳压电路原理图

稳压电路的原理如图 1 所示。交流输入电压 e1 经变压器 TP 变成电压e2，再经整流滤波电路获得一个不稳定的脉动的直流电压 Ui，输入调整电路（即稳压电路）。因 Ui 或稳压电路输出电流 I0 的变动而引起输出电压 U0 变化时，调整电路使 U0 保持原值或者只有极小的变动。

稳压电源的稳压性能可用输出电阻 R0 和稳压系数 S 来表征。输出电阻R0 是输出电压变化值△U0 与输出电流变化值△I0 比值的负数，即 R0=-△U0/

△I0。稳压系数 S 为输出电压的相对变化量△U0/U0 与输入电压相对变化量

∆U / U

△U /U 的比值，即 S= ^{0 0} 。R

和 S 越小，稳压电路性能越好。

^{i i} ∆Ui / Ui 0

常用的稳压电路有稳压管稳压电路及串联晶体管稳压电路等。

稳压管稳压电路 由限流电阻 Rs 和稳压二极管 Dz 组成，如图 2 所示。调整电路的输出端电压为

U0=Uz=Ui-IiRs

=Ui-(Iz+I0)Rs,

图 2 稳压管稳压电路

当输入电压 Ui 或输出电流 I0 在一定范围内升高或降低时，稳压管通过调整Iz 而使 Uz 保持不变，Rs 和 Dz 起调整电路作用。这种稳压电路的工作范围受稳压管最大功耗的限制，Iz 不能超过一定数值。其关键是：在 Ui、RL 及 U0 确定时，Rs 的选取应保证在输入脉动电压为最大值 Uimax 时，稳定电流 Ix 和稳压管允许的功耗不超过规定的最大值；在输入脉动电压为最小值 Uimin 时，又能保证 Iz 不低于最小的稳定电流。该稳压电路的输出电阻为 R0≈Rz

（R 为稳压二级管的动态内阻），稳压系数S≈ R z × Ui

。S 值一般在 0.01

^z Rs U 0

左右，性能较差，但线路简单，多用于稳压要求不高、负载电流不大且变动范围较小的场合。

串联式晶体管稳压电路 图 3 为串联式晶体管稳压电路。它由四部分构成：T1 为调整管，起调整电压作用；Re 和 Dz 构成基准电压电路；R1 和 R2 为采样电路；Rc 和 T2 构成放大电路。其稳压原理为：调整管 T1 与负载相串联，Uz 为放大器 T2 的发射极的参考电压。

图 3 串联式晶体管稳压电路

输出电压 U0 被 R1、R2 分压取样后与 Uz 进行比较。当输出电压 U0 因某种原因下降时，T2 的基极电压 Ube2 也下降，Ib2 和 Ic2 随之下降，使调整管T1 的基极电位 Ub1 上升，T1 管的 Uce 下降，使输出电压 U0 趋于稳定。

串联式晶体管稳压电路具有输出电流大、输出电阻小、稳压性能好等优点，获得广泛的应用。

涡电流（eddycurrent） 块状金属处于变化磁场中或相对于磁场运动时，在金属体内部形成的感应电流。这种电流的流线呈涡旋状闭合回线， 所以叫涡电流。1855 年由法国物理学家傅科首先发现，故又称傅科电流。由于块状金属一般电阻很小，涡电流强度往往很大，热效应和机械效应都很显著。工业上利用涡电流的热效应，制成高频感应电炉，在真空、高压、无污染等特殊要求下加热，用来冶炼某些特种金属和合金。家用电磁灶也是一种小型的高频感应电炉，由于它利用涡电流直接加热，其热效率就比通过空气传热和辐射传热的普通电炉高得多。产生涡电流的金属体在磁场中要受到安培力或磁力矩的作用，这种机械效应既可用作电磁驱动，也可用作电磁阻尼。感应式异步电动机、磁式转速计以及许多电磁仪表中都有这类应用。涡电流在许多场合下又是有害的。例如，变压器的线圈中通过交变电流时，铁芯中将产生涡电流，不仅损耗电磁能量，还会损伤甚至烧毁设备。为了减小这种涡电流，常用电阻率较大、各片之间又互相绝缘的硅钢薄片叠合制成铁芯，或用铁的氧化物烧结的电阻率较大的铁氧体磁芯或磁铁芯。

涡流（eddycurrent） 做旋转运动的一种流体。流体做涡流运动时， 本身不仅发生平动，而且其中的任一微小单元都绕着瞬时轴线，以某一角速度做旋转运动。流体在运动过程中，由于受到某种障碍物的阻碍会引起速度变化，或因流体内部粘滞阻力、压力不均匀等因素的影响形成相向对流的运动，很容易形成涡流。例如河流中流水在桥墩附近处常形成旋涡。旋涡就是一种涡流。旋涡的中心形成一股向下的液流，会给游泳的人带来很大的危险，因此切不可在旋涡多的地区游泳。旋风是空气中的涡流现象， 龙卷风就是强大的旋风，它的中心区有一股强大的上升气流，将所经之处的树木、房屋等物卷上天空，破坏力极大。

涡旋电场（vortex electric field） 亦称“感应电场”。由变化的磁场所激发的电场。使用电动势的定义式，可以把法拉第电磁感应定律写成如下的形式：

E·dl = − dΦm

dt

= − d BdS 。dt S

式中的 E 不是由静电荷产生的电场，即是一种非静电性电场，后来在麦克斯韦电磁理论中作为基本假设之一，被称为涡旋电场而与静电场相并列。它与静电场一样，对处于场中的电荷施加作用力。但它与静电场产生的原因不同，特性也不完全一样。涡旋电场的电场线是无头无尾的闭合曲线， 因此它和磁场一样，理论上称之为无源有旋场。

涡旋电场后来为包括电磁波在内的大量实验事实所证实。电子感应加速器等就是实际应用涡旋电场的装置。

“我不作假设”（hypothesisnonfingo） 牛顿为了回答莱布尼兹的批判而在准备《原理》第 2 版时解释重力原因时用的话。在数学和物理学的研究中，凡不是从直接的事实、公理、定理和定律出发进行推导和论证的前提，都称为假设，正如牛顿自己所说：“凡是不从现象推导出来的， 都称假设。”他认为重力的各种性质的原因是无法从现象中发现的，因此不作假设。第二是他对亚里士多德形式因和质料因以及笛卡儿在研究自然科学中的任意创造假设的思辨倾向十分反感，因此不作假设。再则是他为了避免引起不必要的争论，因此也不作假设。这对于引导人们重视实验和客观现象，运用公认的逻辑推理和数学计算去研究自然科学，具有十分积极的意义。然而，科学的假说是理论思维的重要形式，因此不作假设，也成为牛顿科学方法论中的一个缺陷。

我国物理教学研究组织（the organizations of Physics teaching in China）我国从事物理教学研究的学术组织。我国的物理教学研究组织是中国物理学会物理教学委员会和中国教育学会物理教学研究会。

中国物理学会理事会下设六个工作委员会：学术交流委员会、科普工作委员会、出版工作委员会、咨询工作委员会、物理教学委员会、物理名词审定委员会。第五届物理教学委员会下设大学、中学等分委员会。有关中学物理教学的会刊是《物理教学》杂志。中国教育学会下设各学科教学研究会，会刊是《学科教学》。物理教学研究会的会刊是《物理教师》和

《中学物理》。

中国物理学会物理教学委员会的工作范围涉及中学、大学和研究生阶段的物理教学。该委员会的工作特点是从物理学科的学科领域范围内深入探讨物理教学中的有关课题。组织有关的学术交流活动，并组织一年一度的全国中学生物理竞赛。中国教育学会物理教学研究会的工作范围是中学物理教学。该委员会的工作特点是从教育学、心理学、课程论等教育、教学基本原理与学科教学相结合的角度深入探讨中学物理学科的教学规律和有关课题，组织和鼓励有关的中学物理教师参加学术交流活动。

我国中学物理教材的沿革（changes and inno-vations of school textbooks of physics inChina） 新中国建立后中学物理教材编写的发展变化情况。

建国后，鉴于教材在学校教育中的重要作用，改变解放前由各私营书店请人编写教材的作法，于 1950 年底组建了以编写、出版中小学课本为主要任务的人民教育出版社。1950 年 12 月，人民教育出版社着手编写物理课本，方针是以我国已有经验和规有条件为基础并吸收原苏联经验，初中上册从 1951 年秋开始供应，初中下册和高中第一册从 1952 年秋开始供应。

自 1952 年下半年开始，人民教育出版社根据教学大纲和以原苏联最新课本

为蓝本的编辑方针，又编写新的中学物理课本。这套课本自 1953 年秋开始供应初二，到 1957 年初中两册、高中三册全部出齐。初中两册到 1963、1964 年又相继为新编课本代替，高中三册一直用到 1966 年。由于学习苏

联，中学物理由解放前的初、高中各学一年变为由初二到高三连续学 5 年， 总课时数增加了一倍。教材的科学性明显提高，现代物理知识和联系生产实际的内容明显加强。此外，这套课本还特别注意了加强实验，讲清概念和规律，进行辩证唯物主义教育，贯彻可接受性原则，对学生掌握系统、巩固的基础知识起了积极作用，但对于培养能力、发展智力注意不够。

1958 年人民教育出版社受命编写只缩短年限（中小学共 10 年）、不提

高程度的物理课本，高、初中各两册，自 1961 年秋开始在少数学校试用。

由于这套课本内容、习题比 12 年制的少，不利于参加全国统一的高等学校入学考试，所以只试用了很短时间。1961 年，中共中央文教小组决定，要在总结过去编教材经验的基础上，重新编写一套加强基础知识和基本训练的、质量较好的中小学教材。新编的初中上册从 1963 年秋开始正式使用。

但到 1964 年初，初中下册刚试用半年，高中三册刚刚脱稿，因传达了“春节讲话”中提出课程要砍一半。根据这一精神，删减了初中两册，停印了高中三册。

1966 年开始了持续十年的“无产阶级文化大革命”，人民教育出版社停止工作。有些省市取消了物理课而代之以工业基础知识课，即使保留了物理课的省市所编的物理课本中，也大都是结合“三机一泵”（电动机、柴油机、拖拉机、水泵）讲物理知识，严重破坏了知识系统，大大削弱了基础知识。

1978 年 1 月教育部发布了《全日制十年制学校中学物理教学大纲（试行草案）》，依据这个大纲编写的十年制初高中物理课本（试用本）初中两册、高中两册，陆续供应全国使用。

1981 年，教育部颁发了新教学计划，初中减少了一些学科的教学时数以促使减少内容、减轻负担；高中，两年制、三年制并存，三年制高中物理课时数比 1978 年有所增加。为了适应不同学校的不同情况，使学生都能学有所得，1983 年教育部颁发《高中物理教学纲要（草案）》，决定高中物理施行两种教学要求：一种是基本要求，比试用本的内容减少、要求降低，使一般学校的多数学生经过努力能够学得了；一种是较高要求，仍基本保持试用本的水平，供重点中学选用。根据新教学计划和两种教学要求， 人民教育出版社自 1981 年起着手改编初中课本，从 1982 年秋开始供应；

自 1983 年起着手改编高中课本，根据基本要求编出的叫乙种本，根据较高要求编出的叫甲种本，从 1984 年秋开始供应。1986 年，鉴于学制、课时、教学内容都已不同于 1978 年颁发的十年制学校教学计划和教学大纲，国家教委决定以当时的教学实际为依据，本着“适当降低难度，减轻学生过重的负担，教学要求明确、具体”的原则，修订 1978 年的大纲，成为《全日

制中学物理教学大纲》（1986 年 12 月第 1 版）。其中初中的教学内容和

要求同 1982 年秋开始供给的初中课本基本相同，高中部分的教学内容和要

求同 1983 年《高中物理教学纲要（草案）》的基本要求大致相同，而纲要

（草案）中的较高要求则作为附录，附在大纲之后。据此，人民教育出版社根据大纲的高中部分修改了乙种本，修改后不再有乙种本字样，从 1988 年秋开始供应。

1986 年《中华人民共和国义务教育法》通过后，国家教委即组织力量制订义务教育各科教学大纲。《九年制义务教育全日制初级中学物理教学大纲（初审稿）》于 1988 年 4 月由国家教委颁发，经过 4 年试用于 1992

年 6 月颁发《九年义务教育全日制初级中学物理教学大纲（试用）》。义务教育物理大纲（初审稿）颁发后，本着“中小学教材要在统一基本要求的前提下实行多样化”的精神，四川、广东、浙江、上海、北京师范大学、八个高师院校出版社（联合）、人民教育出版社等，纷纷组织力量编写义务教育初中物理课本并进行试教。义务教育的任务是提高全民族的素质。

义务教育物理教学大纲总的指导思想是为实现义务教育的总目标服务，着眼于全面提高学生的素质。大纲除了注意知识、能力等智力因素的培养外， 还强调兴趣、科学态度、好的学习习惯及思想教育等非智力因素的培养。

为了纠正普通高中片面追求升学率出现的文理偏科，全面提高学生素质，国家教委在 1990 年 3 月印发了《现行普通高中教学计划的调整意见》，

其中规定物理在高一、高二是必修课（都是每周 3 课时），高三是选修课

（每周 4～6 课时）。在酝酿高中教学计划调整意见过程中，国家教委组织力量修订 1986 年 12 月第 1 版的教学大纲，成为 1990 年 4 月第 2 版的《全日制中学物理教学大纲（修订本）》。这个修订本主要是适应教学计划的改变，将原来的高中内容分为必修、选修两部分，这两部分的总要求比修订前略有降低，如删去了有固定转动轴物体的平衡。国家教委责成人民教育出版社根据大纲修订本修订高中物理课本。供高一、高二用的高中物理第一册（必修）和第二册（必修），都从 1991 年秋开始供应，供高三用的

高中物理第三册（选修）从 1992 年秋开始供应。一些地方，如上海也已编

好高中必、选修课改革新教材，并于 1990 年起作使用试点。

无线电波（radio wave） 参见电磁波。

无线电导航（radio navigation） 利用无线电精确地测定运载工具（飞机、船舰）的位置，并引导它们安全、准确、准时地沿着预先指定的航行路线，从一地航行到另一地的技术和方法。无线电导航起始于 20～ 30 年代的无线电测向，不过无线电测向当今已成为导航的一种辅助手段。第二次世界大战期间，无线电导航有了迅速的发展。出现了双曲线导航系统，雷达也开始成为导航手段。以后的研究向远程及近程的导航更进一步推进。70 年代已研制成微波着陆系统，并开始研究同步测距全球定位系统。

导航的任务就是保证在各种气象条件下，引导飞机和船舰等航行体沿着预先指定的航向航行；引导车辆和人员在丛林、沙漠等特殊环境中行驶， 引导飞机的起飞和着陆；引导船舰通过狭窄的航道、进出港湾以及停靠码头；为提高飞机和船舰的航行安全和效率，对飞机和船舰的活动进行调度， 实行交通管制，以防止发生碰撞。在军事上，导航还能配合完成诸如武器投射、侦察、巡逻、反潜、空中集合、空中编队、援救等任务。

无线电导航是建立在无线电波的下述三个基本传播特性的基础上的：

①无线电波在任何两种媒体的边界面上必然产生反射；②在理想均匀媒体中，无线电波是直线传播的；③在理想均匀媒体中，无线电波传播的速度是常数。根据上述这些性质，在测得其电气参数后，便可获得航行体在平面或空间的位置。

与其他导航（惯性导航、天文导航、大气数据导航、红外线导航、激光导航及地磁导航等）手段相比，无线电导航的优点是：不受时间、气候条件的限制，随时可以使用；设备较简单；测量工作迅速；精度和可靠性较高。其主要缺点是易受自然或人为的干扰。

吴健雄（1912～） 美籍华裔物理学家。生于江苏省太仓县浏河镇。1925 年入苏州第二女子师范学校，1928 年毕业后，曾任两年小学教师。1930年入南京国立中央大学（南京大学前身）理学院，1934 年毕业。1936 年自费留美深造，1940 年获物理学博士学位。此后在麻省罗森普顿史密斯学院和普林斯顿大学任教。1957 年任哥伦比亚大学物理学教授。她是美国科学

院院士，曾两次当选为美国物理学会会长，成为担任这一职务的第一位女科学家、第一位华人科学家。

吴健雄是当代极为杰出的实验物理学家。她的老师塞格雷曾这样描述过他的这位学生：“她的毅力和对工作的献身精神使人想起了玛丽·居里， 但她更成熟、更漂亮、更机灵。”主要贡献是，1957 年用β衰变实验证实了在弱相互作用中的宇称不守恒。为了证实李政道、杨振宁于 1956 年提出的“在弱相互作用中宇称不守恒”的假说，她专程到华盛顿，与美国标准局的几位物理学家合作进行了一个实验。这个实验的一个困难在于如何使样品内钴-60 原子核的自旋方向整齐地排列起来而产生极化。另一个困难是，样品内原子核的热运动会破坏原子核自旋的排列。所以只有将钴-60 样品放置在比绝对零度只高 1/100 度那样的极低温度下，以及用强磁场才能使自旋几乎都在同一方向。结果观察到钴-60 原子核β衰变放出的绝大多数电子的出射方向都和钴-60 原子核的自旋方向相反。就是说，钴-60 原子核的自旋方向和它的β衰变的电子出射方向形成左手螺旋，而不形成右手螺旋，由此推翻了物理学界一直视为金科玉律的宇称守恒定律，使李政道、杨振宁因此而获得诺贝尔奖金。1963 年与中国教授莫玮等人合作， 实验确定了由费曼和盖耳曼提出的核β衰变矢量守恒定律，这在物理学史上是第一次由实验证实电磁相互作用与弱相互作用有密切的关系，对后来电弱统一理论的提出起了重要作用，并使费曼和盖耳曼因此而分别获得1965 年和 1969 年诺贝尔奖金。

吴有训（1897～1977） 中国物理学家、教育家。江西省高安县人。早年毕业于南京高等师范学校。1921 年赴美留学，曾随康普顿从事物理学研究，1926 年获博士学位，同年回国。1928 年起任清华大学教授、物理系系主任、理学院院长。1945 年任中央大学校长。1948 年底任交通大学教授， 1949 年任校务委员会主任。1950 年任中国科学院近代物理研究所所长，同年任中国科学院副院长。1955 年受聘为数学物理学化学部学部委员并任主任。

吴有训的重要贡献在于验证了康普顿效应。1923 年康普顿用光子与静止电子的弹性碰撞解释了散射光波长的改变，得出了波长移动的公式。在此期间，吴有训参与了康普顿 X 射线散射研究的开创工作，并以精湛的实验技术和卓越的理论分析，对康普顿效应加以验证。1924 年他和康普顿合作发表《经过轻元素散射后的钼 Ka 射线的波长》。1926 年他单独发表《在康普顿效应中变线与不变线的能量分布》和《在康普顿效应中变线与不变线的能量比》两篇论文。这些成果丰富了康普顿的工作，使康普顿效应进一步为国际物理界所公认。在 1928 年任教清华以后，仍坚持科研工作，发表有关 X 射线散射的论文达 50 多篇，是国内开展近代物理实验的先行者。

误差的分配（distribution of error） 是设计和研究以及改进实验的基本方法。如果实验中测量的量没有用到多次重复求平均等的统计方法，可采用算术综合的误差分配计算法，用到随机处理的统计方法可采用几何综合的误差分配计算法。现分别加以说明如下。设 y=f（x1，⋯，xt），根据微分原理，函数的微分为：

∂f dy = ∂x

∂f

• dx₁ + ∂x

∂f

• dx₂ +Λ + ∂x

• dx _t .

实验时，误差是一种小量，因此用差分量Δy，Δx1，Δx2，⋯Δxt 近似地表示上述公式，对于误差估计是完全可以的。假定各项误差都取绝对值， 考虑到最不利情况，上式改写为：

∆y =

 ∂f

∂x ·∆x1

t

+   ∂f ·∆x

∂x2

t

+Λ +  ∂f ·∆x

∂xt

= ∑

i −1

∆xi = ∑ Di ,

i=1

式中 Di = ·∆xi .

为了使综合的结果Δy 不超过预先给定的θym 值，并考虑最有利条件， 即各误差项相等的分配原则作为第一步近似：

|D1|=|D2|=⋯=|Dt|=|Dm|，

又 θym = z∑|Di |= t·| Dm |,

i=1

即 Dm = θ ym / t 。

但是实验中，有些量的

值可能很小，Δxi 又很小，限 Di

值很小，当

成为微小误差时，可以忽略。因此各 Di 先与θym/t 比较，是否小于一个

数量级，在明确知道可以忽略时，再作上述的第二次误差相等分配的计算， 最后得到各误差项的分配值。

例如直流电桥的准确度等级为 0.05，即 ∆Rx =0.0005，电桥平衡时的

Rx

待测电阻计算公式为：

R = R2 ·R ，

x 4

3

应怎样分配各量的误差限？

根据间接量误差的计算公式：

∆Rx

= ∂R x ·∆R

∂R4

• ∂R x ·∆R

∂R2

• ∂Rx ·∆R

∂R3

= R ( ∆R4 + ∆R2

+ ∆R3 ),

x

4 2 3

即 ∆Rx = ∆R 4 + ∆R2 + ∆R3

Rx R4 R2 R3

第一步近似取 ∆R4

R4

= ∆R2

R2

= ∆R3

R3

= 1 ×0.0005 = 0.00016 ，即电桥每臂

3

的相对误差都不得大于 0.00016。但从电桥的结构可以知道，R2 和 R3 是比例臂，一般由四个电阻组成。而 R4 是调节臂，由五个左右十进盘组成，每个步进盘均由九至十个电阻组成，保证上述误差要求，前两个步进盘的每个电阻元件都应精细调整以使其综合调整误差不超过 0.00016，这在制造上比较困难；而比例臂电阻数目较少，要调整准确相对较为容易。

在上述认识基础上，对误差分配的方案进行一项调整，将较大误差分配给调节臂，将较小误差分配给比例臂，例如：

∆R4

R4

= 0.00020，

∆R2

R2

= ∆R3

R3

= （0.0005 - 0.0002） / 2 = 0.00015,

为了留有一定余量，取 ∆R2

R2

= ∆R3 =0.00015×0.8=0.00012；因此调

R3

整后的误差分配如下：

∆Rx

Rx

= （0.00020 + 0.00012 + 0.00012）

= 0.00044＜0.00050

实际使用时，R2 和 R3 的误差有互相抵消的关系，所以实测准确度还可能高些。

以上是按算术综合时的误差分配方案确定各量的误差值要求。按几何

综合时的误差分配法，适用于随机误差的场合。随机误差的传递公式，可写成：

σ

同样按各变量误差项的值相等分配原则，应该：

( ∂f ) 2 σ2

= ( ∂f ) ² σ²

=Λ = ( ∂f ) ² ·σ ²

∂x1

x1 ∂x x 2

∂xt

² / t ,

即 D² = D² =Λ = D² = θ² / t

1 2 1 ym

或者 D1 = D2 =Λ = Dt = θ ym /

按上述相等的方法进行计算和讨论，以求得各变量的误差分配值。

误差分类（kind of error） 描述了测量值与精确值间的差异种类。误差按性质来分有三类：系统误差、随机误差和粗差。

系统误差描述了测量值与真正值之间的差异。由于测量方法存在一定的缺陷，或者理论作了近似处理，或者测量者使用的仪器没有校正等等原因，都能使测量值与真正值间存在一定规律的差异，这种差异称为系统误差。例如单摆摆动次数计算，不是从 0 开始计时到 30 次，而是从 1 开始计

到 30 次，前者做 30 次全振动，而后者做 29 次全振动，而误以为 30 次， 这样计算得到的重力加速度始终大于真正值。如果将计时数除以 29，得到周期再计算重力加速度，那么实验值与真正值一定非常接近。系统误差是一种测量值和真正值之差，具有符号和大小按一定规律变化的特点，真正找到原因后加以有效消除，系统误差随之消失。

随机误差描述了测量值与平均值之间的差异。随机误差的产生是由于多种不稳定因素造成的。所以在相同条件下的重复测量，实际上还有许多偶然因素的随机作用使重复测量到的值有大小不同的偏离，这些偶然因素太多，不能有效避免，我们只能用统计的方法寻找内在的规律。例如在相

同的时间间隔记录布朗粒子的位置，寻找时间间隔与位移大小的规律。实验告诉我们，在相同的实验条件下位移大小各不相同，但是服从一定的统计规律，与统计物理的推导结论符合得很好。

粗差描述了测量值与真正值或者平均值的差异大到超过规定的范围， 以致变为错误。当然错误是不可避免的，但错误的出现率要符合一定的规律。若出现率太高，可认为原理本身或者测量方法有错误存在。错误率低到一定程度，偶而出现是允许的，可以剔除，做到实验结果不因偶然事件的出现影响其准确性。从统计角度出发，如果对实验结果重复测量 1000

次，那么有 2 次半的数据是错误的，允许剔除。少于 100 次的重复测量几乎没有错误产生，但是习惯上也允许剔除一个特别大的误差作为粗差处理。在中学物理实验中，由于没有掌握好实验的原理和要求，盲目测试数据甚至凑数据，使得到的数据没有真正的参考价值，这种情况不属正常实验操作，不是讨论的粗差范围。

误差与偏差（error and deviation） 用来描述测量值和真正值与平均值之间差异大小的量。例如测量值为 x，真正值为 x0，平均值为x ， 则测量值的误差和偏差，分别为

δx = x - x0 和Δx = x - x。

真正值不一定是准确无误的值，而是相对而言更为准确的值。例如重力加速度的测量值为 9.5 米/秒 2，那么 9.8 米/秒 2 可作为真正值；如果测量值

为 9.82 米/秒 2，那么 9.79 米/秒 2 可作为真正值。换言之，准确度比测量值更高的值，可作为真正值。通常手册中查到的数据可作为真正值。平均值是多次测量后计算得到的值，该值不一定准确，但能作为一系列测量值的可靠代表。如果测量方法和原理都是足够的，或者说相对而言是准确的， 那么平均值就是真正值。误差在考虑正、负符号和大小，偏差只考虑绝对值，并永远取正值。但由于历史原因，误差与偏差都被说成误差，至今还是如此，所以产生了误差的分类。

物（object） 向光学系统发出发散或会聚入射光线束的中心。实际发光点是发散光线束的顶点；有单个顶点的光束称为单心光束，或同心光束。对一定的光学系统来说，如果入射光束是发散的单心光束，则该单心光束的发散中心为实际物点，或简称为实物。如果入射光束是会聚的单心光束，则该单心光束的会聚中心为非实际存在的物点，简称为虚物。因为该会聚光束还没有到达它的会聚中心点就已入射进光学系统，故称“虚”； 但又确实是物，因为这种会聚光束确定能够通过光学系统产生像，虚物出现在几个光学系统联合成像的问题中。

物镜（objective） 在显微镜、望远镜等光学仪器中，对物体作第一次成像的透镜，又称镜头。其作用是形成物体的实像以供后面的光学系统放大或记录。物镜可以是单会聚透镜或多透镜组合，也可以由透镜和反射面镜组成的折反射式镜头。物镜的称呼常冠以仪器名称，如显微镜物镜， 照相机镜头；或冠以有特色的光学参数，如长焦距物镜，可变焦距镜头， 六米天文望远镜物镜等等；有时也以消像差情况来称呼，如去像散物镜， 消色差物镜等。

物理摆（physical pendulum） 即复摆。

物理测验（test of physics） 对学生学习物理成果和水平进行评价的主要手段。通常也称为物理考试。考试评分结果是评定学生学习成

绩的一个主要依据，通过测验，可以使学生了解自己的学习水平以及自己与教学要求之间的差距，从而促进学习；同时可以使教师了解自己的教学效果和学生学习中的弱点，从而作为改进教学的必要依据。物理测验不仅是衡量教学质量的手段，而且也是学科竞赛、选拔和使用人才的手段和依据。

科学、合理的测验，对教学评估、选拔人才可以起着积极的促进作用， 测验运用不当（包括命题、评分等），容易产生消极作用。作为测量工具的试卷，是否科学、准确，测量结果是否真实、可靠，不能凭经验来决定， 教育测量学提供了合理编制测验、定量分析和评价的方法。

物理测验类型**（types of physics tests）** 按评定时所参照的标准不同对测验分类。

1. 标准参照测验（Criterion-referencedtest，简称 CRT）。标准参照测验是以具体体现物理教学目标的标准作业作为标准，检查学生达到教学目标的程度，即检查学生是否达标和达标的程度，因此称为达标测验或资格测验。诊断性测验和形成性测验都应设计成标准参照测验。

2. 常模参照测验（Norm-referencedtest，简称 NRT）。常模参照测验是以团体的平均分数为标准，就是在一次测验中所得的平均水平。常模与目标不同，目标是教学的目的、要求，是学生应该达到的程度；常模是学生们实际上达到的平均程度。分班、分组进行的测验、升学考试等都是常模参照测验。这种测验用于学生之间的相互比较，检查学生在所处团体中的相对位置。

物 理 电 化 教 学 （ audio-visual education pro-gram in physics） 运用电声、电光设备作为教学工具和手段的教学方式。常用的电化教学工具有：幻灯、投影、录音、电影、录像和计算机辅助教学等。

幻灯、投影是比较容易普及和广泛使用的电教工具，它们放映出的图片，能够表达板书板画不易表达的内容。幻灯片、投影片还可以展示例题、习题、单元系统复习纲要以及历史资料等文字内容，并可加工剪辑。幻灯片、投影片也可以显示一些复杂的图像，运用一些特技手段，可以使图形具有动感，或采用逐步复合、逐步分解的投影片，使学生既有部分又有整体的综合认识。运用投影还可以投影实物，把受尺寸限制和那些不明显的实验现象显示出来。录音、电影和录像具有声、形、色并茂的特点，它们可以再现自然界和实验室中各种各样的物理现象和变化过程，并可用各种特技手段把教学中所要研究的对象放在突出的位置上。运用它们可以弥补课堂演示实验所受的空间和时间的限制。录像片在放映过程中，可以“定格”，可以“重放”，极有益于教学。使用上述电教工具，呈现在学生面前的毕竟是画面而不是实物，因此不可用它来代替全部的演示实验。在教学中，一般不宜大段时间连续放映录像，教师要选择较为恰当的方式，如采用讲授与播放穿插进行的方式，或采用先播放后讨论总结的方式，或采用先讲原理，指明观察要求，提出一定的思考问题，然后进行播放的方式， 等等。

物理复习教学（reviewing in physics teaching） 在物理教学中，为帮助学生巩固已学的知识，使已学的物理知识系统化、结构化的一种教学方式。物理复习教学包括平时复习和阶段复习。平时复习是指引入新课时复习必要的预备知识。阶段复习包括单元复习、期末复习和总复

习。通过阶段复习使学生加深对物理知识的理解，明确各部分知识的内在联系，达到融会贯通；同时提高运用知识解决问题的能力。一般讲，物理复习教学主要是指阶段复习。物理复习教学常采用以下几种教学方式：① 帮助学生进行系统的总结和归纳。在复习时应注意掌握重点概念和主要规律，掌握物理知识的内在联系。例如可用物理知识结构图示帮助学生理清物理知识的体系和脉络。②精选例题和练习题，用练习的方式进行复习。选例和选题要有针对性和思考性，有利于对概念、规律的正确理解和应用。在复习时典型的例题和练习题应少而精。切忌“题海战”、“疲劳战”。要引导学生边思考、边练习、边讨论、边复习。在练习讨论过程中，可以不断改变问题的条件，总结分析解决问题的方法，纠正容易出现的错误， 提高分析综合能力、说理表达能力和解题技巧。③用实验的方式进行复习。通过实验帮助学生巩固和熟习基本的实验技能和对基本仪器的使用。实验还有助于学生加深对物理现象和规律的理解。运用实验进行复习的方式有多种。例如将实验和练习结合起来，将例题或练习中的问题情境用实验的方式给出；或者把重要的演示和学生实验全部陈列出来，每个实验提出若干问题，让学生边做边思考。

物理概念教学（teaching concepts of physics） 引导学生理解和掌握物理概念所进行的物理教学形式。应体现物理概念的教学规律，是物理教学论的重要研究内容之一。物理概念是某一类物理事物、现象的本质属性在人的头脑中的反映，它是在大量观察、实验，获得感觉、知觉，形成观念的基础上，通过分析、抽象，把一些事物的本质的、共同的特征集中起来加以概括而建立的。

物理概念具有两个主要特点：物理概念是观察、实验和科学思维相结合的产物；物理概念都具有定量的性质。许多物理概念所反映的客观事物的本质属性具有明显定量的性质，即可以用一个可测量的量来表示。如速度、加速度、电场强度、电阻、电压等，这类概念称为物理量。非物理量的物理概念，如机械运动、平衡、熔解等，实际上，它们也具有定量的含义。例如，机械运动表示物体在空间的位置随时间的变动，这就涉及位置坐标与时间的函数关系。又如，熔解是反映物质从固态向液态的转变过程， 其特征是：晶体物质在一定压强下的熔解过程具有确定的温度（熔点）； 转变前后物质的体积、能量有突变，从而在一定的压强下，测量其熔点、熔解热、体积的变化，可以辨认出不同的物质。可见，非物理量的物理概念也具有定量的含义。

在众多的物理概念中，有为数不多的是最基础、最核心的概念，它们在物理学发展过程中贡献最大，反复出现在许多定律中，并经常运用，而且最有生命力。

由于教学层次不同，在初中、高中、大学物理教学中，总是选取与教学目的相应的一些基本概念作为教学的重点，这就是重点物理概念，要求学生达到“掌握”和“牢固掌握”的程度。而对其它概念，有的要求“理解”，有的只需要“了解”。对于重点和重要的物理概念的具体教学要求是：明确建立概念的事实依据和研究方法；理解物理概念的内涵（所反映的物理现象、过程所特有的本质属性，并用语言文字给予表达，必要的尚需由定性分析进入定量分析，给出它的定义式，即从质和量的两个方面反映物理概念的内涵）；知道物理概念的外延（适用范围和条件）；清楚概

念与相关概念的区别和联系；会运用概念说明、解释有关的物理现象，以及解决一些有关的简单物理问题。

理解和掌握物理概念的过程，包括感知、理解、运用这三个相互联系的阶段，其作用可概括为如下表所示。

物理概念的教学，主要根据上述的特点和要求，以及学生学习中的问题和心理障碍，来确定教学方案。对于重点概念和重要概念的教学，一般的程序是：首先，创设学习物理概念的环境，使学生在有关物理事物、现象中“漫游”，启发、引导学生观察、思考，取得资料，发掘问题；其次， 引导学生探索本质，进行思维加工，建立概念，并用准确的、简洁的物理语言或数学语言给概念以确切的表述，并说明概念的适用条件和范围；最后，通过与相关概念的对比，以及进行适当的练习运用，来巩固和深化对概念的理解。

物理光学（physicaloptics） 研究光的本性及光与物质相互作用的光学分支。内容通常包括光的干涉、衍射和偏振，以及光的吸收、散射和色散等。以人们对光的本性的认识为线索，说明光具有波动性，而且是横波。在电磁理论确立后，又认识到光是一种电磁波。其后从光电效应和康普顿效应等实验中人们又进一步认识到，光还显示出粒子性。因此光具有波粒二象性。物理光学通常又称波动光学，而把以光的波粒二象性为理论出发点的物理光学称为量子光学。

物理规律教学（teachinglawsofphysics） 物理规律反映有关物理相互作用和有关物理现象（或过程）中内在的必然关系，通常分别称为定律、定理、原理、方程等。

规律是客观存在的，是不以人的意志为转移的，规律只能发现，不能创造。

发现物理规律的方法，主要有两种：实验归纳法（归纳推理）和理论演绎法（演绎推理）。

实验归纳法，是从对事物、现象（或过程）多次观察、实验出发，在取得大量资料的基础上进行综合、归纳，发现在一定条件下有关物理量之间的必然联系，从而得出结论，或建立假说，再反复通过实验验证。采用这种方法发现的规律，一般叫做定律。如牛顿运动定律、动量守恒定律、机械能守恒定律、万有引力定律、热力学第一定律、库仑定律、欧姆定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律、光的反射定律、光的折射定律，等等。

理论演绎法是从已知的规律或物理理论出发，对某特定事物、现象（或过程）进行演绎推理，从而得出在一定范围内有关物理量之间的函数关系或新的论断，最后通过多次实验验证后成为规律。采用这种方法发现的规律，一般叫做定理，或原理。如动量定理、动能定理、动量矩定理、功的原理、光路可逆原理，等等。

应当指出：有些物理规律，特别是带有普遍性的，可以作为其它规律基础的一些规律，并没有给予定律或定理、原理的名称，而以方程、方程组来命名，如运动方程、状态方程、麦克斯韦方程组，等等。

物理规律具有以下几个特点：

1. 物理规律是观察、实验与科学思维、数学推理相结合的产物。例如， 牛顿第一定律虽然是以实验事实为基础，但它是实验、思维、推理和想象相结合的产物；牛顿第二定律则是在取得大量实验数据的基础上，经过分析与综合，并利用数学方法总结出来又被实验和生产实践证明无误的客观规律。

2. 物理规律是有关物理概念之间的必然联系。任何一个物理规律，都是由一些概念所组成，都可以用一些数字和测量联系起来，而且是用语言逻辑或数学逻辑来表达概念之间的一定关系。例如，动能定理是把功与动能的变化量联系起来；热力学第一定律是把热量、功与内能的变化量联系起来；克拉珀龙方程则反映了理想气体同一状态中的几个状态参量之间的必然关系。

3. 物理规律具有近似性和局限性。由于物理学所研究的对象和过程， 都是采用科学抽象的方法，或多或少对实际的客体和过程作了一定程度简化之后建立的理想模型和理想过程，又由于在观察和实验过程中，限于仪器的精密程度、操作技术的准确程度，不可避免地出现测量误差，因此， 反映各物理量之间关系的物理规律，只能在一定精度范围内足够真实但又是近似地反映客观物理世界。物理规律不仅具有近似性，而且由于规律总是在一定范围内发现的，或在一定条件下推理得到，仍在有限范围内检验的，所以规律还具有局限性，即物理规律总是有它的适用范围和适用条件。例如，动量守恒定律，这是自然界中普遍适用的定律，它适用于宏观物体、微观粒子、高速运动、低速运动的情况，然而，研究对象的动量是否守恒仍是有条件的，这个条件就是研究对象所受的合外力必须等于零，或者， 合外力远远小于内力（这是一种近似处理，在这种情况下把合外力忽略不计，实际上相当于合外力等于零）。任何物理规律都有其适用范围和适用条件。超越这个范围，真理往往变成谬误。

物理规律教学，主要根据上述的特点，并针对学生学习中的问题和心理障碍，来确定教学方案。物理规律教学的具体要求是：①使学生明确发现规律的具体依据，了解所采用的方法、途径；②使学生理解规律的物理意义，明确适用范围和条件；③通过运用的练习使学生掌握分析问题、解决问题的思路和方法，同时巩固、深化、活化对规律的理解和掌握。

对某一规律的教学，不一定完全按历史上最初的发现过程，究竟采用哪种途径、方法，可根据教学要求、学生原有的基础和存在的弱点、学校设备和条件等来确定。

物理化学（physical chemistry） 研究构成物质的原子、分子之间的重新排列和反应变化等化学运动普遍规律的一门学科。是化学的一个分支，也是物理学和化学相互渗透的一门边缘学科。在自然科学发展的过程中，化学和物理学的联系十分紧密。一方面，化学的变化往往伴随着物理变化，如在化学反应中常会发生体积、压力、温度的变化，从而引起热效应、电效应或光效应等；另一方面，物理量的变化又会引起化学变化， 如电子的运动状态，分子的转动、振动，分子中原子之间的作用力等微观

运动状态都会直接影响化学元素和化合物的性质及反应能力。物理化学就是从物质的化学现象和物理现象之间的联系，采用化学和物理学的实验手段相结合的方法，去探索化学变化的基本规律。

物理化学的主要内容包括三个部分：①化学热力学，研究物质的能量变化与周围其他物质能量变化的关系，变化的方向及变化趋于平衡态的原理；②化学动力学，研究化学反应的速度和机理；③物质结构，研究物质结构与性质间的内在联系。

化学热力学发展较早，它是从研究蒸汽机开始的。19 世纪中叶，随着热力学第一定律和第二定律的确立，发现它可以概括化学现象的若干规律。如判断一个化学反应能否进行，进行到什么程度，外界条件对反应的方向和平衡的位置有什么影响等，可以依据实测的热力学数据，根据热力学予以计算。当前，化学热力学研究的一个重要方面，是把热力学方法推广到不可逆过程。不可逆过程热力学理论已成功地应用于输运现象、化学动力学以及其他物理化学过程。

化学动力学发展也较早，它研究反应进行的快慢、机理、外界条件（温度、压力、浓度、催化剂）对反应速度的影响以及控制反应与副产品的生成等。化学动力学最近开始从微观角度研究反应速度，它运用分子束和激光闪光光解等实验手段，用量子化学计算位能面，定量地研究具有确定初始能态的原子、分子、离子，在反应碰撞中发生能量传递和跃迁等基元过程速率的规律。

物质结构是晚近发展起来的学科分支，它用物理学的理论和实验方法研究物质的结构，从而阐明化学现象的本质和结构与性能之间的关系。

物理化学的任务是把化学领域中各个现象联系起来，对其中的一般规律性予以更深刻、更本质的探讨。例如，在无机化学中，元素周期律起着很大的作用，但只有在物质结构的讨论中才能给周期律的本质以更深刻的揭示。物理化学的研究除了必须遵循一般的科学方法外，还有其特殊的研究方法：即热力学方法、统计力学方法和量子力学方法等。

物理教材（teaching materials in physics） 包含中学物理教学基本内容的材料信息系统，包括教科书、教学参考书（指导书）、学生练习册、实验册、视听教学软件（幻灯、投影、录像、电影）和计算机辅助教学软件等。传统意义上的教材仅仅指教学用书面材料系统。教材对学生认知结构的形成和教师教学过程的安排起着知识载体和教学指导的作用。教科书是学生获取物理知识的基本的知识载体，也是教师教学的主要依据。所以教科书是组成教材的主体，其余则是教学辅助材料。习惯上常把教科书称为教材，物理教材的基本要求应和物理教学大纲（课程标准） 一致，但每种物理教材由于编者的编写指导思想和原则、教学对象等不同， 又有各自的结构、风格和体例。教材结构是教材中物理知识的编排体系和各部分重点内容和方法之间的内在联系框架。例如有的教材以物质、运动和变化、能作为贯穿全书、构筑教材结构框架的主线。教材风格是全书展开物理知识时的表现出的某种特点，也就是教材在阐述物理知识时所特别注意体现的某方面的原则。例如传统的教材风格是物理知识体系的逻辑展开。教材编写体例是教材阐述物理知识的某种模式，也就是教材中每个章节中实验、例题、叙述内容、问题练习乃至阅读材料的编排体例。传统的教材体例基本上是平铺直叙式的。

随着物理课程改革的发展，物理教材结构和风格出现了向多样化方向发展的趋势；出现了体现实验探索、训练科学思维方法的教材，体现物理学和物理学思想方法发展的教材，体现物理学在技术上广泛应用的教材， 体现物理学与社会、环境和日常生活各方面广泛联系、强调人文因素的教材。在教材体例上也同样在向多样化的方向发展。某些教材越来越多地把教学方式和方法体现在教材体例中，例如将演示、学生实验、问题、叙述、阅读、练习互相穿插结合，使教科书不仅作为知识载体，而且能更好地起到指导学生学习的作用。此外，在物理课程发展中还出现了各种与教科书配套的非书面文字性教材，例如单概念影片、投影片、录像以及计算机软件。教材形式的多样化是与现代教学手段多样化的发展相一致的。

物理教学方法 （ methods of instruction in tea-ching physics） 为达到规定的物理教学目标，教师和学生在物理教学过程中所采用的方式、手段或遵循的途径。教学方法的确定是有客观基础的，不能只根据教师的意向来选择。在选择和运用中学物理教学方法时，应注意以下三方面的问题。①教学方法不是一成不变的，它随教学手段的改进、教学思想和教学内容的改革而发展变化，也随着对学生的学习规律和特点的不断认识而发展变化。②合理适当地选择和运用各种教学方法。教学方法有多种多样，每一类方法都有其特点和效果，但亦有各自的局限性。正确地认识各种教学方法的效能，在教学实践中合理适当选用并将各种方法结合起来运用，这对提高教学质量是十分重要的。而每堂课选用哪种方法， 则要根据具体的教学内容和教学要求、学生的特点、学校的环境、条件等因素来确定。③教学方法改革的重点在于调动学生学习的主动性和积极性。要研究学生的心理和思维特征，已有的知识、能力基础，学习的一般规律以及不同学生的特点，并以此作为改革的重要依据。

物理教学方法有各种分类。按指导学生获得知识的途径来划分，有口授法、直观法、实践法等；按指导学生掌握知识的程序和方式来划分，有认知法（包括讲述、谈话、观察等使学生感知和获取知识的方法）、复现法（包括练习、实验、复习等使学生再现旧知识的方法）、探讨研究法（使学生在新的情境中获取和运用知识，进行创造性活动的各种方法）等；按教学中某一特点而形象命名的，有悬念法、暗示法、范例法、程序式教学法等。

物理教学方法不仅包括教师的教法，还应包括学生的学法。近十几年来，在学习论和学习心理的研究指导下，学法的研究正日益受到重视。所以，最常用的物理教学方法可归纳为两大类：一是教法。最主要是讲授法。运用得好的讲授法称为有意义的接受学习（ meaningful reception learning），它的特点是，依靠教师的语言，辅以演示实验和各种直观教具，启发思维，使学生掌握知识。教师利用实物、挂图、演示实验、电教手段以及生动、形象和具有说服力的语言，清晰、明确地阐述问题，以引导学生的思维活动。

运用得当的讲授法把调动学生感官和思维活动的积极性以及保持学生与教师、教学环境之间相互积极的交流贯穿始终，因此它与学生是教学过程的主体并不矛盾。运用讲授法能有效地提高知识的传授效率，但不利于学生学力的全面发展。所以不能把讲授法作为一种陈旧落后的教学方法加以简单排斥，但要防止只是“照本宣科”满堂灌的教学方式。

二是学法即学习法。学生在教师和教材指导下，独立或半独立地进行学习的方法。典型的学习法有以下几种：①程序式学习（ programmed instruction）：把学习活动按一定程序分成若干阶段，一般包括明确学习目标，进行学习（阅读教材、做实验、看录像、回答问题等），进行自测， 反馈学习等几部分，学生按教材上设计好的顺序一步步地学习。这是一种基本上以自学为主的独立学习方式。②单元学习（modularlearning）：把学习内容分为若干单元，各单元的学习材料一般包括必需的预备知识，学习目标，学习计划和学习指导，学习内容，自测题等。各单元的知识内容自我体系，不存在先后学习的次序之分。学生可以根据需要和兴趣选取若干单元学习。单元学习是一种较灵活的半独立学习方式，能适应不同程度和特点的学生的需要，常常作为选修课或扩充教材的教学方式，也适于对学生程度参差不齐的混合班进行教学（mixed abilityteaching）。③探索式学习（inquiry learning）：这是一种半独立的学习方式，使学习过程成为学生在教师和教材指导下探索知识的过程。教学中首先提出带有探讨性的问题，学生在指导下进行实验、阅读、讨论等学习活动，最后得出结论，必要时对结论作进一步检验。探索式学习的关健是使学生明确探索目标和学习任务，创设问题情景，组织好学习活动，指导学生运用科学方法探索。探索式学习有利于发展学生的基础学力和探索能力，但获取知识的效率较低。探索式学习与发现式学习（discovering learning）不同，后者是一种完全通过学生自由的学习活动来获取知识的过程。发现式学习只向学生提供学习活动所需的材料，但不提出明确的学习任务，学生完全依靠自己的力量来学习和发现知识。实践证实，由于发现法忽视教师和教材在教学过程中的指导作用，因而是不成功的。④讨论式学习（seminar）： 问题讨论法是指教师根据教学内容和目的提出问题，让学生先阅读教材和其他各种资料，进行各种观察和实验，收集资料，提出问题，作好准备， 然后围绕若干中心问题进行讨论。准备是独立学习的过程，讨论则是信息交流的过程。在讨论中互相启发和交流，开阔思路，增长知识，增强兴趣。讨论式学习有利于培养学生的独立学习能力和科学态度，尤其适合年级较高、程度较好的学生。⑤问题解决式学习（problemsolving learning）： 这是一种半独立的学习方式。整个学习过程通过解决某个典型的实际问题来组织。教学中首先提出一个实际的问题情景并明确最终的目的，在教师和教材指导下，学生通过实验解决实际问题，学习有关的知识和科学的方法。这种学习方式大致分为五个阶段：接受暗示；形成问题；提出假说； 推论；验证。

以上六种教学方式的比较见下表。其中“√”号表示那一项的指标强， “+”号表示较强，“○”号表示一般，“-”号表示较弱，“×”号表示弱。

中学物理教学过程中应根据教学的内容和要求、学生的特点等，将几种教学法合理、恰当地结合使用，以取得最优的教学效果。物理教学方法的多样化有以下优点：①能使学生在学习过程中调动各种感官的作用，从而使感知更加敏锐、有效，有利于提高学生的学习能力。②能保证学生充分利用左、右半脑的不同功能，增强记忆并锻炼各种方式的思维活动，易于对知识的理解，有益于发展各种能力。③能促进学生认识活动的积极性， 有利于调动学生学习的主动性，为认识能力的全面发展创造条件。

物理教学过程（processes of physics teaching） 物理教学的实施过程。学生在物理教师的组织和指导下，积极主动地认识物理世界， 掌握物理基本知识，训练基本技能，促进智力、能力和非智力因素的全面发展，形成辨证唯物主义世界观基础并培养良好的道德品质。

物理教学过程存在着三个基本因素，即物理教师、学生和物理世界。这三个因素的基本关系：学生是认识的主体；物理世界及其规律性是被认识的客体；物理教师在引导学生完成对客体的认识过程中起组织和指导作用，整个物理教学过程是通过这三个基本因素间的相互作用实现的。

中学物理教学过程反映了中学物理教学过程中三方面基本因素相互作用的基本规律，揭示了中学物理教学过程中的本质关系，有以下四个基本特点。

1. 认识性的特点：中学物理教学过程是特殊的认识过程，它反映了学生（主体）和物理世界及其规律性（客体）之间的本质关系。由此在整个教学过程中要体现物理环境的重要作用，让学生在物理环境中通过各种活动去学习物理基础知识，受到全面的物理基本训练，要启发学生在学习物理中的主观能动性和实践性。要强调按学生的认知水平和认识规律去组织教学。

2. 双边性的特点：中学物理教学过程是以教和学的统一为特点的。在整个教学过程中，中学生居主体地位，物理教师起主导作用，物理教师的主导作用必须与学生的主动性相结合。学生只有处于主动积极状态，才能真正理解所学物理知识并获得相应的能力。教师的主导作用主要应体现在精心设计教学过程，培养学生学习物理的兴趣和愿望，启发他们自觉地学习知识，为学生创造有利的条件和进行必要的讲解、指导、帮助，使他们在增长知识的同时，逐步养成良好的学习习惯，逐步具备独立获得知识的能力。讲解过多过细，作业过多过重，学生没有独立思考和独立活动的余地，束缚学生的主动性、积极性的发挥，不利于人才培养。

3. 教育性的特点：教学的教育性就是指中学物理教学过程中的思想教育，这种思想教育并不是教条式的说教，而是寓育人于教学之中。和任何教学活动一样，中学物理教学从来不是单纯传授知识的活动。从具体的教学内容、物理学知识体系的方法论基础，到教师的教学观、教学态度和作风，无不给中学生以某种教育影响。特别是可以结合物理教学对中学生进行辩证唯物主义、爱国主义、科学道德观和科学方法论等方面的教育。所以中学物理教学总是结合着育人的。

4. 发展性的特点：是指中学物理教学过程应促进学生的全面发展。现代教学论认为，教学不是单纯传授知识的活动，而是具有发展性的活动， 传授知识总是结合着促进人的一般发展的。教育学里的发展，指的是学生

一般心理发展，这不仅包括智力和认知能力的发展，还包括兴趣、情感、意志、个性、技能以及体力等非智力因素的发展。在中学物理教学中，“发展”还应当包括物理学科所特有的一些能力的发展。

物理教学目标（objectives of physics teaching） 物理教学活动所追求的具体预期结果。中学物理教学目标是根据国家教委颁布的中学物理教学大纲，结合不同地区的实际状况确定的。物理教学目标是以物理教学过程完成时，要求学生所能完成的任务来表述的。它的基本特征是可操作性。物理教学目标具体反映了中学物理教学所应达到的基本水准， 是物理教学过程的具体出发点和归宿，也是检查和评价教学效果的具体依据。

根据教育目标分类学，物理教学目标也可从认知领域、技能领域和情意领域三个方面来表达。国家教委颁布的九年义务教育物理教学大纲（1990 年）明确规定了中学物理教学不同层次的目标。在认知方面，教学目标分为知道、理解、掌握三个层次。①知道（了解）主要是指对物理现象、物理概念、规律有初步认识，要求能够说出它的要点、大意，在有关的问题中能够识别它们。②理解是指对知识有进一步认识，了解知识的确切含义， 并能用来分析、解决一些简单的问题，如解释简单的物理现象，进行简单的计算。③掌握是指能比较熟练地运用概念和规律，比较灵活地分析、解决一些较简单的综合性问题，包括一些灵活的解释和应用。在技能方面， 教学目标分为“初步学会”和“学会”两个层次。①“初步学会”是指对观察、操作技能的初步掌握。对要“初步学会”的技能，是指能根据实验目的和规定的器材，按规定的步骤进行观察、操作，并能识别实验中的错误操作。在中学物理实验中，把基本仪器组合起来进行观察、操作、测量等技能，只要求“初步学会”。②“学会”是指对观察、操作技能的进一步掌握。对要“学会”的技能，要求能根据实验目的选择实验器材，制定实验步骤，独立进行观察和操作，并能纠正实验中的错误操作。在中学物理实验中，使用单个基本仪器进行观察、操作、测量等的单项技能，要求“学会”。在情意方面，物理教学目标主要包括对学生进行辩证唯物主义和爱国主义的思想教育，进行科学文明意识的教育。情意方面教学目标的实现需要在教学实践中不断充实和提高。

依据国家教委颁布教学大纲中规定的教学目标层次，各不同地区还可制订各部分物理教学较具体和细致的教学目标。

物理教学目的（goal of physics teaching） 对普通教育阶段物理教学基本任务最概括的总体表述。中学物理教学目的是根据普通教育的根本目的，物理学科的特点，结合中学生的心理发展特征而制定的，它对整个中学物理教学过程起着总的主导作用。不同的历史阶段，所确定的中学物理教学目的有所不同。1990 年，国家教委颁布的《全日制中学物理教学大纲》修订稿明确规定了中学物理教学的目的是：“中学物理教学必须使学生比较系统地掌握学习现代科学技术和从事社会主义建设需要的物理基础知识，以及这些知识的实际应用，要培养学生的观察、实验能力、思维能力、分析和解决实际问题的能力。在教学中要注意培养学生学习物理的兴趣，要重视科学态度和科学方法的教育，要鼓励独立思考和创造精神，要结合物理教学进行辩证唯物主义教育和爱国主义教育。”

物理教学心理因素分析（ psychological factorsin physics

teaching） 从教育心理学角度分析影响物理教学过程的诸关键因素。物理教学活动的基本形式是以课堂教学为主的（实验室教学也是物理课堂教学的一种形式），所以物理教学心理因素分析的基本内容是课堂心理因素分析。它主要包括两个方面。

1. 心理结构。一堂物理课除从教学角度进行分析外，还要从心理角度看是否符合科学，即看课堂心理结构是否合理。这主要是指以下心理过程的要点是否突出，心理因素的运用是否合理。①激发兴趣：一堂物理课必须最大限度地激起学生的学习兴趣，使学生的学习自始至终都在兴趣盎然的情况下进行。中学生对学习物理的动机形成中，好奇心、求知欲和求成欲起着重要作用。因此，在教学中要注意保护和满足学生的好奇心；要把握住不同年级段学生学习物理的动机和兴趣特点。在初中阶段应注意直接兴趣，在高中阶段还应重视间接兴趣的作用。教师应通过各种教学方法和手段（外部诱因）调动学生的学习主动性（内部诱因）。②摄取知识：课堂教学中最重要的心理因素就是感知。感知过程包括感觉、知觉和观察三个阶段。当被动的感知发展到主动的感知时，正是发展兴趣的过程。因此扩大学生的感知量是发展学生兴趣的基础。物理课堂教学要尽可能通过各种方式来扩大学生的物理知识感知量。要充分重视实验的作用和物理知识与生活和社会实际的广泛、紧密联系。要注意运用电化教育等手段来有效地扩大学生的感知量。③理解知识：学生摄取到的知识必须经过理解才能达到对知识的内化。在理解过程中，主要的心理因素是思维。同时，学生兴趣的持久不能仅凭表象的刺激，而要在钻研深思中使学习兴趣不断萌生和延续。所以在物理教学中要培养学生的思维能力，鼓励和引导他们提出问题，使他们养成科学的思维习惯。④巩固知识：遗忘是学习过程中的必然现象，合理的物理课堂教学应该有利于知识的巩固，教师要按照记忆规律进行教学，并加强对学生科学记忆的指导。⑤运用知识：掌握知识的根本目的在于运用，在运用中知识得以深化并形成技能、技巧，知识运用的主要心理因素是操作。针对物理教学的特点，操作与练习对于培养学生的动作技能与心智技能具有重要价值，在教学中应予特别的重视。

2. 心理条件。物理课堂教学要注意开创一个良好的心理情境。良好的心理情境提供了形成适度动机和情绪的心理条件。这对于充分发挥智力因素的作用最为有利。良好心理情境的形成需要紧张也需要松弛。在教学中应通过开创良好的心理条件来调整学生的学习动机和情绪。在引起和发展兴趣的基础上，要进一步培养学生的情感和意志力。情感比兴趣更加稳定和深刻，情感进一步深化，当它与目标相结合时就可以升华为意志。在教学中努力把兴趣和教师的威信相结合，形成一种包括人的因素在内的情感。学生学习物理过程中，常常会遇到各种困难，这正是培养学生意志力的时机。

物理教学要求（aims of physics teaching） 对普通教育不同阶段物理教学主要任务的表述。中学物理教学要求是根据物理教学总目的，结合不同年龄阶段学生的认知和心理发展特点提出的；反映了物理知识传授和能力培养逐步深化的特点。它也是确定教学内容、选择教学方法的重要依据。国家教委制订的物理教学大纲（1991 年修订稿）分别对初中、高中必修课和高中选修课的物理教学提出了如下不同的教学要求：

初中物理教学要求是：以观察、实验为基础，使学生掌握力学、热学、

电学、光学的初步知识以及它们在实际中的应用，要培养学习物理的兴趣和良好的学习习惯。

高中物理必修课教学要求是：着眼于提高学生的文化素质，要使学生较为全面地学到力学、分子物理学和热学、电学、光学、原子物理学的基础知识，教学中要着重引导学生学好基本概念和基本规律及其广泛应用。

高中物理选修课教学要求是：有重点地提高力学和电学知识。

整个高中物理教学中都要注意对学生进行抽象思维的训练，培养分析解决问题的能力，进行科学态度和科学方法的教育。

物理教学原则（principles in teaching physics） 物理教学所遵循的基本准则，是物理教师处理教学行为的依据。中学物理教学原则是根据物理教学目的、目标，结合中学物理教学过程而制定的。我国中学物理教学工作者，通过揭示中学物理教学规律，提出的物理教学原则有：科学性原则。基于物理学科的特点，科学性原则应成为指导中学物理

教学工作的首位的基本要求。在中学物理教学中，首先要注意教学内容的科学性，无论是物理现象、物理概念和物理规律的描述与表达，还是实验或练习题的内容、数据等，都必须正确无误。但教学内容的科学性，并不意味着对中学物理中的某些概念定义采用一步到位的办法，立即给出在中学学习阶段难以理解的严密科学定义和解释。尤其在初中阶段，在不违背科学性和使学生形成错误观念的前提下，教学应通俗易懂、深入浅出，不宜过分追求严密性。其次要注意教学方法的科学性。在物理教学中，无论是观察、实验的进行，还是分析、推理、抽象、概括方法和数学的运用， 都应当按照物理学研究中分析、处理、解决问题的正确方法来进行。

激发学习兴趣的原则。引导学生对所学的知识，对所要研究和解决的问题产生浓厚的兴趣和求知欲望，是学生最好的学习内在动机。爱因斯坦说：“爱好是最好的老师。”在中学物理教学中，教师应善于运用物理知识本身的魅力去激发学生求知的兴趣和情感，使学生体会到物理知识有趣、有用。在教学活动中，应不断向学生提出一些他们经过努力能够解决的问题，使他们在积极的探索活动中，开动脑筋，克服困难，在解决问题的过程中，体验到成功的乐趣，从而进一步激发起探索科学真理的热情。创设物理环境的原则。观察和实验是物理学的基础，是物理学研究的

主要方法之一。认识物理现象，是学习物理知识的基础和出发点，在中学阶段必须十分重视物理现象观察的教学，强调直观性的原则，使学生在物理环境中通过观察、实验，对物理过程形成清晰而明确的印象，并在生动、具体的感性认识基础上形成概念和规律。

启发思考、教给方法的原则。在中学物理教学中，必须注重启发学生思考，自觉地运用物理学的方法组织教学活动。从感性认识进行分析、比较、综合、抽象、概括，上升到理性认识建立概念和规律。这个思维加工过程，必须按物理学的研究方法来进行，例如，研究问题的理想化方法、类比法等。物理学的认识方法必须通过学生的学习方法去反映，使物理教学过程成为引导学生初步运用基本的物理学方法探索、研究问题的过程。运用所学的物理知识来说明现象、分析和解决问题，从“懂”到“会用”， 这是学生认识上的第二个飞跃。完成这一飞跃需要教师的引导，这个引导过程主要通过讲解练习、启发学生思考，教给学生如何运用所学知识进行分析、处理问题的方法。

接触实际、联系生活的原则。使物理教学接触实际、联系生活，才能保证所学的知识与它的基础——自然界和社会生活不致脱节，学生掌握的知识才能够运用到实际和生活中去。在物理教学中，接触实际、联系生活的内容很广泛，既包括生产技术实际（这里应突出它所运用的物理原理， 不涉及它的技术细节），也包括日常生活中常见的物理现象，还包括与物理有关的其他学科中的问题、社会经济问题（特别是能源、环境等实际问题）。在教学中从这些实际问题、自然现象中引出物理问题，把教学与学生的间接经验和直接经验结合起来，扩大学生的感知量。

因材施教、区别对待的原则。不同学生的智能水平存在着不同程度的差异，在物理教学中由于这种差异而造成的学习水平的差异往往更为明显。在提高学生整体水平的前提下，教学中不宜强求一律，为了使所有学生都能生动活泼地主动学习，应对不同的学生提出不同的要求，使他们都能达到自己应当达到的学习水平。

物理教学中的思想教育（ ideological educationin physics teaching） 教师结合物理内容为培养学生形成正确的思想意识、道德观念而进行的有计划、有组织的教学活动。物理教学中的思想教育主要包括辩证唯物主义与历史唯物主义、爱国主义、科学道德观、科学方法论等方面的教育，还包括端正物理学习目的、树立正确学习态度等方面教育。在物理教学中对学生进行思想教育是我国社会主义教育方针和教育目标的要求，是物理教师的一项重要任务和进行教书育人的具体体现。物理教学中有目的、恰如其分地注意思想教育，必将有利于引导学生从肩负的责任重视物理课的学习，不断端正学习态度；有利于激励学生接受辩证唯物主义与历史唯物主义的教育，形成正确的思想方法；有利于促进学生了解我国物理学的成就，以启迪爱国主义精神；还有利于鞭策学生进行意志品格以及严谨治学的科学作风的培养。

在物理教学中进行思想教育应很好把握和运用案例分析教育。这种案例分析教育，有的可以拿某一个物理发现作为中心，有的也可以拿某一物理学家为中心对学生进行思想教育。而要很好把握和运用案例分析教育， 作为教育者自己就要化力气认真做好案例分析的研究工作。①物理发现作为认识过程的分析研究。在物理学发展史上，时至 90 年代，重大物理发现已多达近千项。当然这些重大物理发现的级别是不同的，有的是揭示整个物理科学的内在规律的；有的是揭示某一物理分支学科的内在规律的；有的是揭示分支学科中某一领域的内在规律的；还有的则是揭示某一新的重大物理事实、重要物理概念等。但是所有这些重大物理发现，作为认识过程，它体现了辩证唯物主义。这些认识过程不仅展现了世界的物质统一性， 即唯物主义，而且展现了物质世界之间的联系和发展，即辩证法。重大物理发现认识过程分析研究，最有教育意义的因素便是唯物主义和辩证法的有机结合。用物理教材中的丰富内容来阐明这种结合，十分有利于学生确立正确的自然观和世界观。②物理发现作为历史事件的分析研究。物理学是人类历史活动的重要组成部分，重大物理发现作为历史事件，它体现了历史唯物主义。这些历史事件从总的趋势来说是由于存在着一定的内在机制，但它的产生和发展却取决于整个社会、历史的条件，首先取决于社会的物质资料的生产方式，特别是生产力的发展状况。制约这些历史事件产生和发展的，社会生产力是主要因素，但又受物理科学体系本身发展的要

求所制约。广大人民群众的实践是构成这些历史事件产生和发展的总的背景，而物理学家个人的才能、素质则在这个总的背景上起推动、创新、革命的作用。③物理发现作为科学活动的分析研究。重大物理发现作为科学活动的组成部分，又体现了科学方法论。从伽利略、库仑、欧姆、卡诺等的科学活动不难看出，物理发现的科学活动有赖于实验、类比、理想模型等方法。而方法论则是人们认识世界、改造世界的方法的理论，方法论在物理发现的科学活动中占有重要的地位，起着愈来愈大的作用。方法论不仅给物理科学研究指明方向，而且能说明物理科学知识的内在机制，引导人们认识物理科学进一步发展的道路。④物理发现中失误、失败的分析研究。作为重大物理发现往往是成功的记录，而伴随着每一个成功的发现都有失误、错误、失败。迄今为止，人们对物理发现的案例分析绝大多数都只注意研究成功的事件，而对人们探索中的失误、错误、失败研究得甚少， 显然这是不全面的。物理学的探索、发现总是与失误、错误、失败紧密相关的；谨小慎微、人云亦云的“研究者”，固然不会犯错误，但也不会有所发现、有所发明、有所创造；只有从失误、错误、失败中不断总结经验教训，才有希望达到成功的彼岸。而在物理教学中对学生进行辩证唯物主义与历史唯物主义以及科学方法论的教育，往往需要正、反两个方面的史料，这样就更有说服力，更能启迪学生的思想和重视意志的磨炼。⑤物理学家的爱国主义思想的分析研究。尽管科学没有祖国，但是物理学家是有祖国的。国外历代不少物理学家都以他们对物理科学的贡献，而使自己的国家走在世界科学的前列。我国老一辈物理学家的爱国主义精神更为感人。著名物理学家严济慈教授在法国学成后毅然归来，为了支援抗日战争， 在条件极端艰苦的大后方山沟里，亲自动手研制当时急需的显微镜，为国家培养光学人才，成为中国光学工业的奠基人。著名物理学家钱三强教授早年也在法国从事研究工作，曾被约里奥—居里夫妇称之为“最优秀的科研人员”。 1948 年他迫切要求回国的消息传出后，当时国民党政府驻法国大使馆四处制造舆论，威胁恫吓说：“看他能上大陆的岸才怪呢！”但是他回归祖国之志坚如磐石，冲破重重险阻，终于顺利回到了祖国怀抱， 为我国原子核物理学和原子能工业的发展作出了卓越的贡献。类似这方面的事例很多，因为我国的物理学工作者有着光荣的爱国主义传统，特别是近代以来，我国物理学家当中，有许多动人的爱国主义事迹。结合物理教学，有机地渗入这些事迹，是对学生进行爱国主义教育的极好教材。⑥物理学家的哲学思想的分析研究。物理学与哲学有着密切的关系，物理学强烈地影响着每一时代的哲学思想，而历史上哲学作用于物理学又是十分明显的。牛顿建立经典力学，奥斯特发现电流磁效应，迈尔确立能量守恒与转化定律，法拉第发现电磁感应，马赫对牛顿力学的成功批判，都是由于哲学思想的指导而起了促进作用。物理学家蔑视哲学是可悲的，但哲学只是为物理学提供最一般的世界观和方法论，用哲学来代替物理学也是错误的。⑦物理学家的伦理思想的分析研究。把培根的科学目的论、布鲁诺的科学英雄观、富兰克林的《道德准则》麦克斯韦的《就职演说》、卢瑟福的同行道德论述、爱因斯坦的科技伦理思想等作为案例进行分析研究，可以看出，与科学道德观密切相关的物理学家的伦理思想是随着科学技术的产生、发展而逐步发展和丰富起来的。从古代到现代的许多物理学家在从事物理科学研究的同时，也对科技伦理思想作了精辟的思考和阐发，为我

们留下了许多宝贵的思想资料。研究和介绍这些科技伦理思想，无论是对于理解科学道德观和掌握科学道德规范，还是对于加强科学道德的建设和学生的思想道德修养，都是很有必要的。⑧物理学家的道德品质的分析研究。在经典物理学时期，伽利略、牛顿、法拉第、麦克斯韦这四位物理学家不仅他们的作用显得格外巨大，而且他们的道德品质也十分高尚。献身科学，探索真理，造福人类是他们研究物理学的共同道德理想，也是他们在研究途中战胜困难的重要力量。如伽利略曾说过：“追求科学需要特殊的勇敢。”他是一个具有坚强信念和超常勇气的人物，对教会神学、经院哲学深恶痛绝，竭力反对任何仅仅根据“权威”而产生的教条，只承认实验和周密的思考才是真理的标准。他挺身而出，甘冒鞭打、判刑、处决的危险，为发展物理科学而作出了卓越的贡献。不少物理学家深刻懂得一个人对于社会的价值，首先取决于他的思想和行为对增进人类利益的大小。他们厌恶金钱、名誉，也鄙视地位和权势。在这方面，法拉第尤其值得称颁。早在青年时，他为了科学研究拒绝了法院以每年两万五千金元的优厚待遇让他搞技术鉴定的请求，却宁愿每年只拿五百金元的微薄报酬继续当实验员。到了中年，他的社会地位大为提高，但为了使自己的全部精力都投入科学研究，他拒绝了所有的午宴和晚宴的请柬，甚至决定在一周内有三天不接待任何客人。直至晚年，他先后谢绝封他为爵士的建议和请他出任皇家学会会长的推荐，感情十分真挚地说：“我决心一辈子当一个平凡的迈克尔·法拉第。”物理学的探索是一项相当复杂的脑力劳动，只有专心致志，长期勤奋，才会有所成效。牛顿为什么会有这样杰出的科学成就呢？有人认为这完全是他天资聪明，可是牛顿自己并不同意这种看法。他说：“我只是对一件事情很长时间、很热心地去考虑罢了！”这句话表明， 牛顿是“勤奋”两字的最好实践者。他深明勤奋的意义和价值，更为后人留下了勤奋的记录和业迹。物理学的研究又是继承性、创造性很强的工作， 要推动物理学的前进，就要虚心求师。比法拉第小 40 岁的麦克斯韦就善于吸取前辈的智慧。他深信法拉第的电磁学说中包含着真理，以致下这样的决心：“在没有首先读透法拉第的《电学实验研究》之前，不读电学方面的数学著作。”这对于一个专攻理论的大学毕业生来说，实在是异乎寻常的做法。然而为了要抓住前辈物理学家法拉第的思想和方法，这又是唯一正确的做法。在这基础上，麦克斯韦不迷信权威和传统观念，大胆提出了位移电流的假说，在电磁学研究领域进行新的探索，导致了电磁场方程组的问世。

物理课程（curriculum of physics） 各类各级中学内所设置的各门物理课的系列体系，它包括适应不同年龄阶段（初中、高中）和不同教学对象（不同智能发展水平以及不同发展方向的学生）的各门物理必修和选修课。中学教育的目的与任务，主要是通过学校设置的课程和教材的教学来实现的。各类各级学校设置哪些课程系列（“教学计划”或“学校课程标准”），物理课程的目的、内容、方法、基本要求如何（“教学大纲”或“学科课程标准”），不应由某些人的主观意志或经验随意决定， 而应有一定的教育、教学理论基础，反映一定的社会要求和历史色彩。课程论就是一门专门研究学校课程设置的目的、体系、沿革、内外联系的规律和课程分析、评价发展的学科。中学物理课程研究就是根据课程论的原则和方法来研究中学物理课程结构、沿革、分析、发展和评价中的有关问

题。物理课程和教材理论的中心问题，是研究如何使学生在教学过程中有效地掌握物理学知识的精华，同时获得探索新知识、创造新经验的基本能力和品质。

根据课程论的基本理论，中学物理课程内容的选取必须遵循以下基本原则：①基础性的原则。即精选作为一个受过普通教育公民进一步学习和参加现代化建设所必须具有的最基础、最常用的物理知识。②联系实际的原则。即选取与实际联系的物理知识。这包括物理在技术上的应用，也包括现代日常生活和社会生活中常见的物理现象和问题，例如交通、通讯、材料、能源和环境保护等。③教育性的原则。选取的课程内容要体现物理教学过程教育性和发展性的特点，使学生在学习物理知识的同时受到正确的思想教育和科学文明意识，科学自然观的教育。④适应性原则。要从大多数学生的认知发展水平和接受能力的实际出发，确定必修物理课程教学内容的深广度。教学内容的选取要给教师以较大的适应性与灵活性，以利学生积极主动、生动活泼地学习。

物理课外活动（extra curriculum activities of physics） 课程以外由学生自愿参加的物理教学活动，是中学物理教学活动中一个重要的环节。物理课外活动可以增加学生对物理学科的兴趣，能够联系实际加深学生对物理知识的理解，从各个领域开阔学生的知识面。物理课外活动还可以培养学生在各方面的活动能力，例如：观察事物和分析事物的能力， 动手制作的能力，独立解决问题的能力，创造能力等等。物理课外活动有以下一些类型：①观察活动。根据物理课程的进度，布置一些观察作业。例如学习过“磁场”后，让学生用小磁针判别冰箱门磁封条极性。还可以通过观察培养学生估测能力，例如让学生估测两电线杆之间的距离，汽车和自行车一般行驶的速度等。②课外实验。包括家庭实验和室外实验。家庭实验是利用家中常备的物品一个人就可以做的小实验。如测量细铁丝的直径等。室外实验一般需要几个人配合来做，如测量声音在空气中传播的速度。③小制作。一般取材料易找、工具简单而又有实用价值的项目，如制作小杆秤、比重计、蜂鸣器、小电动机等。④物理游戏或物理游艺会。陈列一系列引人入胜、使学生兴趣盎然的趣味物理实验和根据物理原理制作的游戏和小魔术。让学生动手试，动脑想。物理游艺会可由高年级同学在教师指导下组织、安排，让较低年级的同学参加活动。⑤科技小组活动。可组织各种形式的科技小组活动，如航模或电子技术制作小组，在教师指导下改进、设计、制作演示教具和学生实验仪器的教具小组，以及维修服务小组等。⑥物理竞赛活动。组织学生参加地区和全国范围的物理竞赛。在校内还可组织多种形式的竞赛活动，如实验操作竞赛、集体抢答竞赛、用物理知识解决实际问题的竞赛等。⑦小型课题研究。结合物理课程中学习的某方面知识，选取某个专题和物理现象，设计实验方案进行研究。⑧ 参观。如参观工厂、大学物理实验室、研究所、科学宫等。参观前应拟订参观提纲，要求学生重点观察。参观活动有助于学生接触社会、开阔视野。

⑨讲座。由本校物理教师或有关专家、大学教师举办一些小型系列专题讲座。

物理量（ physical quantity） 描述物质的属性和确定其运动状态时所用的各种量值。由于物理学从本质上说是一门实验科学，因此进行实验观测就离不开各种物理量的测量。而各种物理量又通过描述自然规律

的各种定律及新物理量的定义而彼此相互联系，任一物理量则给出被定义量与有关量之间的关系。

物理量包括基本量和导出量。人们最早在力学的研究中，形成了长度

1. 、质量（M）、时间（T） 3 个基本量，随着电磁学、热力学、光辐

射学和微观物理学的发展，基本量逐渐由 3 个扩展到 7 个，即增加了电流强度（I）、温度（Θ）、物质的量（N）、发光强度（J）。

各种物理量都有它们的量度单位，由选定的基本单位和它们的导出单位组成的一系列量度单位，称为单位制。与物理量形成相对应，最早建立起来的是厘米·克·秒制（又称 CGS 制），接着是米·千克·秒制（又称MKS 制），时至 1960 年又确认了国际单位制（简称 SI 制）。目前绝大部分工业发达国家都积极推广 SI 制。

在 SI 制中，又分成基本单位、导出单位和辅助单位三类。基本单位包括：长度单位——米（m），质量单位——千克（kg），时间单位——秒（s）， 电流强度单位——安培（A），热力学温度单位——开尔文（K），物质的量单位——摩尔（mol），发光强度单位——坎德拉（cd）。导出单位包括： 频率的单位——赫兹（Hz），力的单位——牛顿（N），压力单位——帕斯卡（Pa），能或功的单位——焦耳（J），功率单位——瓦特（W），电量单位——库仑（C），电位差和电动势单位——伏特（V），电容单位—— 法拉（F），电阻单位（Ω），电导单位——西门子（S），电感单位—— 亨利（H），磁通量单位——韦伯（Wb），磁感应强度或磁通密度单位—— 特斯拉（T），光通量单位——流明（lm），光照度单位——勒克斯（lx）， 放射性活度单位——贝可勒尔（Bq），吸收剂量单位——戈端（Gy）。辅助单位仅有两个：弧度（rad），球面速（sr）。

当一个单位制的基本量确定后，导出量与基本量之间还存在一定的幂次关系，称为量纲。通过一个物理量 Q 的量纲式可表示为

[Q]=LαMβTγIδΘεNζJη

其中α、β、γ、δ、ε、ζ和η分别称为物理量 Q 对 L、M、T、I、Θ、N、和 J 的量纲。于是速度可用 LT-1 表示，它对长度的量纲是 1，对质量的量纲是 0，对时间的量纲是-1，量纲式记为[v]=LT-1。力可用 LMT-2 表示，它对长度、质量、时间的量纲分别是 1、1、-2，量纲式记为[F]=LMT-2。

量纲的引入，不仅揭示了导出量与基本量的关系，而且为单位的换算提供了方便。如力学中常用的 CGS 制和 MKS 制的基本量相同，但基本量的单位不同：CGS 制的基本量单位为厘米（cm）、克（g）和秒（s）；MKS 制的基本量单位为米（m）、千克（kg）和秒（s）。则由力的量纲式[F]=LMT-2 可知，从 CGS 制变换到 MKS 制时，因基本量 L 和 M 的单位分别增为 102 和103 倍，故 MKS 制中力的单位牛顿应为 CGS 制中的力的单位达因的 105 倍。量纲的引入，还为探索和检验物理问题的解提供了依据。如地面上自由下落 h 米的物体的速度 v 与高度 h、重力加速度 g 的关系可设为 v=Kgαhβ，式中 K 是没有量纲的常数。根据量纲法则，等式两边量纲必须相同，故有

[v]=[gα][hβ]， 即 LT-1=LαT-2Lβ，

1

所以α=β= 2 ，

即v = K

，这与正确公式v =

是一致的。由此可见，从研究一

个过程中各个物理量的量纲及其间的关系，可以推导出必须加于这些物理量的某些限制，从而在解决一些较为复杂的动力学问题或在确定一些物理关系式中有着较广泛的应用。

物理实验（experiment in physics） 物理学最基本的一种研究方法，是对客观的物理运动，包括天然的物理运动和模拟的物理运动进行实验研究。利用天然物理现象进行实验是最原始、历史最悠久的物理学实验方法。古代的光学理论基本上来源于天然光现象的实验；经典力学的产生和发展是与对行星运动深入细致的实验观察密切相关的；早期对电和磁的认识，也是来源于对天然电现象和天然磁现象的实验研究。在经典物理学初期的研究工作中，天然物理现象的实验研究占有很大的比重。在生产水平比较高的现代，天然物理现象的实验研究仍有不可忽视的作用。例如， 有关引力波的实验必须着眼于宇宙空间这个庞大的“实验室”。高能物理的实验研究，除了借助于高能加速器进行外，还可利用乳胶室对宇宙射线直接进行研究。

模拟物理实验的对象是人为的或人工控制的，可以根据研究的需要， 抓住关键，排除干扰，使研究的问题更加集中，更加典型。例如用真空的玻璃管演示自由落体实验，可使其物理本质充分地表现出来；又如电磁实验中的电屏蔽和磁屏蔽，目的都在于排除干扰。模拟物理现象的实验研究能主动掌握实验的时间、地点、周期，可以反复观测。例如菲索用旋转齿轮，实现了人为控制的光速测定实验。傅科用旋转镜测定光速，使光程缩短到几米。这些实验都比利用天文观测光速优越，如果在实验中发现新现象，总要再次重复实验并作进一步的研究，例如新基本粒子的发现，模拟物理实验能方便地重现这些现象。从物理学产生时起，它的研究对象就不局限于天然物理现象，随着物理学的发展，实验研究会越来越多地依赖于模拟物理现象。

物理实验教学（instruction of physical experi-ments） 在物理教学中运用实验给学生学习物理创造一个基本环境，使学生主动获取物理知识、发展能力，以促进科学品质和辩证唯物主义世界观的形成的教学。

中学物理实验教学有如下功能：

1. 实验能为学生提供认识物理规律的基础。在学习物理过程中，要形成物理概念和认识物理规律，首先要有一定的感性认识。这种感性认识可以来源于学生的生活环境，也可以来源于实验提供的物理事实。通常，从生活中得到的感性材料多来自复杂的运动形态，有时各种现象交织在一起，本质、非本质的因素交融在一起。因此，仅通过这种途径来使学生建立概念和认识规律，有时会遇到很大困难。运用实验则可以提供经过精心选择的、简化和纯化的素材，它能够使学生对物理事实获得明确、具体的认识，就易于理解和掌握有关概念。

2. 实验能培养学生学习物理的兴趣，激发学生的求知愿望。实验具有真实、形象、生动的特点，实验现象常常出乎学生的意料之外，引起他们的兴趣和好奇，激发求知欲望。

由于实验是一种有目的的操作行为，学生在观察的基础上，会产生一种自己操作的欲望。让学生动手实验，不但可以满足他们的愿望，还可以发展学生对探究知识和规律的兴趣，进而发展学生的认识兴趣。

1. 实验是发展学生能力和使学生得到科学方法训练的重要途径。实验中通过阅读实验资料，培养了阅读、自学能力；通过观察现象、读取数据， 这些信息传递到大脑，一方面进行思维加工，一方面输出反馈信息，控制观察和操作器，以获取更为广泛和深入的信息，在这过程中培养了观察能力和手脑并用的能力，同时加强了思维能力的培养。此外，把思维加工的结果以语言和文字的形式表达出来，又培养了表达能力。所以，实验是一种综合的能力培养过程。

由于实验本身是一种科学的方法，它能创造“最确切、最少受干扰”、“保证过程以其纯粹形态”进行的物理环境，它是理论联系实际的学习过程，也是能活化学生学到的物理知识的过程，因此，实验是对学生进行创造意识训练和科学方法训练的有效途径。

1. 实验有利于培养学生良好的道德素养和科学态度。实验本身应是一个严格的科学过程，要想获得实验的成功，必须一丝不苟。实验操作步骤必须清晰有条理；现象描述、数据记录必须符合客观事实；对产生误差的原因分析也必须实事求是、恰如其分。这些对培养学生的科学品质和严谨的科学作风十分有益，对学生科学世界观的形成起着促进的作用，对于提高学生的素质具有很大意义。

物理实验教学的这些功能不论在以教师为主的演示实验中，还是在学生并组实验或学生分组实验中，都应有不同程度的体现。

物理实验室的进化（evolution of physical la-boratory） 指物理实验室的发展变化的一般概况。在古代或中世纪没有从事物理学研究的实验室。自伽利略开创实验科学以来，出现了实验物理学家，也就意味着物理实验室开始应运而生。但那时的物理实验室通常是实验物理学家的住家或房间的一部分组成的私人实验室。换句话说，19 世纪以前的物理实验室仅仅是为个别研究者的创造性研究而存在，它们很少在初等或高等物理教学中起作用。

19 世纪 30 年代起，在欧洲的一些大学里出现了早期的教学用物理实验室。如马格努斯在柏林大学工作时，就在他的寓所分出几间房子作物理实验的教学用。在他指导下进行物理实验的最有成就的有维德曼、亥姆霍兹、丁铎尔等。但是随着学生数量的增加，这种教学用物理实验室就变得愈来愈不适用了。到了 19 世纪 40 年代，在一些大学里建立起学生用的物理实验室。如开尔文在格拉斯哥大学工作时，他用旧的大学楼里一间已废弃的酒窖，作为学生用物理实验室。在开尔文指导下的学生用实验室里的工作多半是创造性研究：“他们（指学生）的兴趣被激发起来了，他们因他们跟这个地方的指导人的经常交往来保持活跃的气氛，并且他们的热情是这样大，以致⋯⋯人们早已知道实验军团（这是习惯的称呼）把自己分成两个班——一个班在白天工作，另一个班在晚上工作，一连工作几个星期， 这样工作从不停顿。”在教学用、学生用物理实验室形成发展的同时，对于为物理实验研究而建立的国家实验室也在形成发展。英国伦敦皇家研究院的阶梯式讲堂、模型房屋和工场都是在 1800 年建立的。法国科学院是在一座老修道院中建成的，在物理实验研究方面是由于购置属于查理的“物理陈列室”的东西而开始的，并于 1829 年确立了物理学讲座。德国帝国研

究院则由西门子于 1884 年的捐赠后，建造了一座新的包含物理实验用的大

楼，并于 1888 年由亥姆霍兹任院长。在 20 世纪初美国标准局建立，它拥

有 10 多幢大楼，作为国家的物理实验室，在理论和应用的物理学和化学的广阔领域里进行度量和研究。

物理试卷的编制（editing test paper） 科学地编制物理试卷的程序和方法。物理试卷的编制，一般分为以下几个步骤。

1. 确定测试的目的和目标。编制测试卷，首先必须明确测试目的，是属于标准参照测验，还是属于常模参照测验；其次根据大纲确定知识内容、取样范围和相应的学习水平作为目标。在中学物理学习中，认知领域各层次的学习水平目标含义如下：①识记：能正确回忆和再现学过的知识，表征记忆力和简单模仿的能力。②理解：能初步领会所学知识（包括实验原理）的主要特征，并能对观察到的现象作出正确的解释，表征具有一定程度的观察能力和思维能力。③简单运用：能直接运用所学知识说明、解释简单现象，解决简单的实际问题。表征初步的分析问题、解决问题的能力。

④综合和灵活运用：能运用所学知识和技能解决较为综合性的问题和问题情景较新（问题情景对学生讲是陌生的）的问题，能综合运用思维能力、实验观察能力等来分析和解决某些较灵活的问题。

1. 确定试题的形式和考查方式。即确定客观型试题和主观型试题的比重，具体采用哪些类型试题。试题形式的确定一般取决于测试知识内容的覆盖面和所要测试的各种能力。如果要求测试的知识内容覆盖面宽，就要选用相当数量的客观性试题，以保证试卷的效度；如果要测试一些较高层次的行为目标，就必须选取不同类型的主观性试题。在终结性考试和会考、入学等考试中，应对所采用题型及各种题型的百分比作出较明确的规定。物理测试一般有笔试、实验和课题研究几种形式。笔试只能测试认知领域的教学目标；实验测试能测试实验操作技能，也能测试认知能力；课题研究能测试较高水平的综合能力，一般适合较高水准的选修课考试。书面形式的模拟实验题并不能真正考查实验操作技巧，而只能测试与实验内容有关的认知能力。

2. 制订编题计划。制订编题计划，即测验的双向细目表，是编制试卷的重要环节。双向细目表的横行是知识取样范围，纵列是行为目标，在表中相应部位填入试题形式（可用不同字母符号表示）、难易程度（一般分为容易、中等、困难三等，分别用 E、M、D 表示）以及该题的满分值。表中横行的∑%表示不同知识内容的试题在整卷中所占百分比，表中纵行的∑% 表示不同学习水平行为目标的试题在整卷中占的百分比。中等难度的题应占一半以上。

1. 编选题目。根据所制订的编题计划编选题目。在编选题目时，要充分考虑测试是标准参照的还是常模参照的。题目可以编写，也可以从存题中选用。编选题目的数量，最好超越所需题量的 2～3 倍，以供筛选。编制题目后，要经过试用或试做，每题的难度要进行估计，可根据该题能够通过人数占总人数的百分比来表示。

2. 集合成测验试卷。编排测验试题的顺序要合理，一般应由易到难， 以减少被测者的精神压力，提高测验的可靠性。

物理试题类型（typesofquestions） 按物理试题解答结果的限定程度对试题进行分类。物理试题的类型一般分为两类；客观性试题和主观性试题。

客观性试题（objective question） 也称固定应答型试题，它的解答只可能有正确和错误两种情况。各种选择题、填空题、是非题都属于客观性试题。客观性试题计分简单，可靠。每题测试的知识内容较单一， 一定数量的客观性试题可以保证整卷的知识覆盖面。客观性试题一般以测试识记、理解为主，包括简单应用的行为目标，但不能测试较高层次的行为目标和有条理的分析、表述能力，尤其是是非题和选择题存在盲目得分的可能，而且选择题的命题难度较大。

主观性试题（subjectivequestion） 也称自由应答型试题。由学生提供的解答形式不是严格地唯一限定的，在较大程度上受应试者思维能力、语言习惯和表达能力、方式的影响。各种论证题、计算题、论述题等均属于主观性试题，它主要测试应试者理解、应用知识的能力。主观性试题也可以是开放式的，即要求应试者完全自由地对信息进行分析、评价和研究，提出自己的观点和创见。开放式问题可测试更高层次的行为目标和独立思考、创造能力。主观性试题可测试客观性试题无法测试的较高层次的能力以及书面表述能力，但在考试容量一定的前提下，知识内容的取样面小，评分带有一定的主观性，从而影响结果的可靠性，而且阅卷效率低。

物理天平（physicalbalance） 量度物体质量的仪器。采用比较法实现秤衡，即待测物质量与已知质量的砝码进行比较，并用指针和刻度板显示天平是否平衡。当指针指在刻度板的中间“0”刻度线上时，称为天平平衡，因为天平在未称衡物体前，已调节到平衡状态，因此平衡时，天平两盘的质量（包括游码）应该相等。天平指针的刻度板中最小分度表示天平的感量，即指针偏离平衡位置一分度时，两盘间的质量差，称为天平的感量，也是天平的准确度。

天平的原理就是杠杆平衡的原理。但当杠杆平衡时，杠杆的重心越低于支点，杠杆越不易转动或振动频率变高，杠杆的重心越高，但不高于支点时，杠杆越易转动或者振动频率变低，但最后杠杆将处于平衡状态，即静止下来。当杠杆的重心高于支点时，杠杆将处于不稳平衡。当重心正好与支点重合时，杠杆处于随遇平衡状态。显然后两种平衡不适合天平的平衡。但天平重心位置改变时，会影响天平的感量，所以天平指针杆上有一颗小重物，根据需要可固定在指针的某一位置上，使天平的感量符合设计要求，调节到仪器的标称值。由于天平横梁的结构和强度的需要，其转动惯量远远大于“重物”在任何位置的转动惯量，因此调节标称值时，天平的振动周期几乎没有明显的变化。

天平空载时平衡，指针应指在“0”刻度线的位置上，但由于横臂两边的质量大小及分布不能做到完全相等，所以在两边的最外端设置调节平衡的螺丝杆和螺母，螺母可在丝杆中左右移动改变转动惯量，以达到空载时的平衡。

天平称衡时，两盘都受到重力，因此天平柱应该严格垂直于地球的水平面，才能保证两盘物体的质量相等，用砝码质量之和表示待测物的质量。天平柱上的横梁支点和平衡指示刻度线的 0 刻度线是天平柱的中心线。不垂直地面时，由于天平附加力矩的参与使待测物的质量不能真正等于砝码

（包括游码）的质量和，所以在天平座上设水平仪，以保证天平柱处于垂直位置。

天平的砝码要定时计量和校准，计量要求是，砝码质量的最后位数不大于天平感量的十分之几。由于砝码的精确度要求很高，所以任何影响砝码精确度的因素都要有效地去掉，例如腐蚀性气体、液体不要与砝码接触， 周围环境保持清洁干燥等。

天平的最大称量就是砝码的总重量。在物理实验中用来测量物体质量的天平，总重量一般是 200 克、500 克和 1000 克三种，感量分别 20mg、50mg 和 100mg。这些天平已满足大多数物理实验的质量称衡要求，因此用以上称衡的天平，习惯上被称为物理天平。

物理学（physics） 物理学是自然科学中的一个非常重要，也是非常基础的学科。它所研究的是物质的基本性质及其最一般的运动规律，以及物质的基本结构和基本相互作用等。迄今人们已经能够在很宽的空间尺度范围（约 1016 米～1028 米）和时间尺度范围（约 1024 秒～1018 秒）内对自然界进行观察或实验研究，这也是物理学研究领域所涉及的时空尺度范围。

根据所研究的物质运动形态和具体对象的不同，通常又可将物理学分为力学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子物理学、原子核物理学、量子力学、量子场理论等。这种分类并不十分固定，常常随着科学的发展不断变化。人们常常通过研究发现，原来所认识的属于不同物理学分类领域的学科具有统一的规律性，从而产生学科的综合。例如英国物理学家牛顿将开普勒的天体运动定律及关于自由落体等地面上的力学定律进行了综合，并建立了牛顿力学（1687）；奥斯特的电流磁效应（1820）和法拉第的电磁感应现象（1832）的发现使英国物理学家麦克斯韦最终建立了统一的电磁理论（1864），这个理论还包括了光学。光是一种电磁波，光学的一切规律都可以从这个电磁理论中导出。另一方面，物理学中的许多分支又常常成为生长点，逐渐形成了许多新的学科和新的应用领域。例如从力学产生了流体力学、弹性力学、声学等；力学与固体物理学的结合产生了材料科学；从热力学产生了热工学和热机学；从电磁学产生了电工学和电子学等；从光学和原子物理学产生了光谱学、激光技术、非线性光学等。此外，半导体物理学、凝聚态物理学（如超导和超流等）、原子能技术等许多新的学科领域可以说都是从物理学中产生和发展起来的。

以普朗克建立量子论（1900）为标志，可将物理学的发展大致分为两个阶段。在此以前所建立的物理学称为经典物理学；在此以后便发展成为量子物理学，其中包括以牛顿力学为基础发展起来的量子力学以及后来由量子力学和经典电磁场理论发展而来的量子场理论。经典物理学和量子物

理学的主要区别在于，后者考虑了物质粒子的波动性以及波场的量子性， 而粒子的波动性（德布罗意波）和电磁场的粒子性（光子）已为大量的精确实验所证实。但是由于德布罗意波的波长与粒子的动量成反比，且比例系数（即普朗克常数 h）又极小，所以对于通常的宏观物体（其动量的值与 h 的值相比是一个极大的数）来说，其德布罗意波长极短，可以看作为零而被忽略。所以经典物理学是量子物理学在实物粒子的波动性和场的粒子性可以忽略情况下的一种近似理论，在宏观（线度大于 10-8cm）现象中仍然是一个好的理论，但是在微观现象中必须应用量子理论。

由于物理学研究的是物质运动的最基本的性质和最一般的运动规律， 因此它对所有其他自然科学领域，如化学、生物学、地学、天文学，以及其他领域如心理学、经济学、数学等某些方面的发展已经产生并还将继续产生深远的影响。实际上，物理学原文出于希腊文 physics，意即自然哲学。而现代科学大多是从自然哲学中产生的。物理学在自然科学中的这个地位也决定了它在人类社会发展中所起的重要作用。16～17 世纪关于力学和热学的研究诱发了“工业革命”；19 世纪电磁学的建立和发展使人类社会进入了“电气化时代”；20 世纪以来，以相对论和量子理论为标志的物理学的进一步发展则以更大规模更快速度促进了人类社会的科学技术、工农业生产以及日常生活和工作方式的变革和进步。

物理学革命（physics revolution） 指 19 世纪末 20 世纪初的物理学领域的新发现使物理学发展经历了一场深刻的变革。在 19 世纪末，尽管物理学仍带有经典和保守的色彩，不少人却认为至此物理学的大厦已经建成，今后不会再有什么惊人的新发现了，物理学家的工作就是把物理常数的测量弄得再精确一些，或者把几个明显的空隙再填充一些。可是恰在这时，物理学领域出现了一系列新发现，它们用以往的理论是无法解释的， 使经典物理学陷入了危机，导致了物理学发展中的革命性变化，从而揭开了现代物理学发展的序幕。

X 射线的发现 1895 年 11 月 8 日，德国维尔茨堡大学物理学教授兼校长伦琴正在研究阴极射线。为了避免紫外线与可见光的影响，他将放电管的周围用黑纸板遮挡住。但意外地发现：放在管子附近的涂有亚铂氧化钡的纸上却闪耀着青绿色的光芒。这使伦琴非常惊奇，因为他知道阴极射线只能穿透几厘米空气，不可能使一米以外的荧光屏发光。伦琴通过反复观察，并用一些东西放在放电管与荧光屏之间来进行试验，结果是在二米距离以内都有荧光发生。这说明放电管能发出一种眼睛看不见的、有很大贯穿能力的特殊辐射，伦琴就称这种辐射为 X 射线。

伦琴关于 X 射线的发现，随着他第一篇报告的发表，立即轰动了全世界，引起各国科技界的强烈反应和广泛注意。X 射线的发现，打破了物理学的发展趋于停滞的局面，预示了物理学还有许多未知领域，激励人们进行新的探索，仅在 1896 年一年之内，关于 X 射线的小册子就出版了 48 种之多，研究论文达一千多篇。这是大量物理新发现的开始，许多具有根本意义的物理发现接踵而来，所以我们说 X 射线的发现揭开了物理学革命的序幕。

电子的发现 X 射线的发现，推动了阴极射线本质的研究。1897 年 1 月间，维歇特利用电容器的振荡周期测得阴极射线的速度约为光速的 1/10； 利用磁场中的偏转测得 e/m 约等于电解液中氢离子的比值的 2000 至 4000

倍。7 月间，考夫曼发表了实验报告，他从电极间的电位差与磁场中的偏转，求得了阴极射线粒子的能量。就在此期间，J.J.汤姆孙先是大胆地提出了一个假说，认为阴极射线是比原子、分子轻得多的带负电荷的粒子的高速运动。不久在卡文迪什实验室根据这个假说安排了实验，发现在高度真空下，阴极射线不但能为磁场所偏转也能为电场所偏转，显示了它是一种带电的粒子流。接着他用云室法和磁偏转法证明了阴极射线粒子的电荷与氢离子的电荷大小相等、符号相反，质量约为氢离子的 1/2000。J.J.汤姆孙把这些粒子借用斯通尼的称呼，称为电子。

电子的发现 是物理学革命中的又一内容。它表现人类认识物质结构的深化，那种认为原子是构成物质的不可分割的最小单元的传统概念已不复成立；它也标志着物理学的研究由宏观低速的领域进入到一个微观高速的崭新领域；电子及其独特的属性——具有电磁质量、自旋、磁矩和波动性等又以不可抗拒的力量迫使物理学思想发生革命。

放射性的发现 1896 年 2 月，贝克勒耳用荧光物质（其中有一种重金属铀的黄色盐）作实验，以观察 X 射线的性质，此时他无意间将一小块铀盐遗留在暗橱里的一张底片上。几天以后，他准备再做实验，就把底片从橱中拿出来。为了检查底片是否可用，便预先冲洗一张。结果发现：照相底片上出现有明显的铀盐包的像。底片的感光显然与日晒和荧光都无关。他推断，感光的真实原因必定是铀盐自身发出了一种射线，该射线可以穿透黑纸或其它不透光的物质而对照相底片发生影响。这一重大发现，立即引起了波兰女科学家 M.居里和她的丈夫法国科学家 P.居里的极大兴趣和注意。居里夫人认真地研究了贝克勒耳关于铀射线的报告，努力探索真相， 不久就认识到这种不可解释的放射现象是铀原子的特性。于是她决定检查所有已知的化合物，接着便发现钍化合物也能自动发出射线。这种现象又启发她不光限于简单化合物的检查，对矿石特别是沥青铀矿和辉铜矿也要进行检查。正是在这种严密检查、逐一测量它们的放射性强度的过程中， 居里夫人发现上述两种矿物的放射性强度比根据其中铀或钍的含量所估计的强度要大得多，从而深信这两种矿物中一定有新的人们还不知道的元素。这样，居里夫妇开始进行异常辛劳的工作，将沥青铀矿作化学分析持续达数月之久，除去了一份又一份的杂质，终于在 1898 年 7 月和 12 月， 分别发现了钍和镭，并且系统地研究了它们的放射性。

放射性的发现并不亚于电子的发现，也是具有划时代意义的发现之一。因为它进一步打开了微观世界的“窗户”，原来在肉眼看得见的“宏观”世界之内，存在着一个十分丰富多采的肉眼不能直接看见的“微观” 世界。它进一步表明了物质结构的复杂性，原子是可分的、可入的、可变的，物质元素又是可以互相转化的 这就再一次沉重打击了机械的形而上学的自然观，迫使人们在物理学思想领域里发生深刻的革命。

量子论的建立 1900 年 12 月 4 日，普朗克在德国物理学会上宣读了他的论文《关于正常光谱的能量分布定律的理论》。就在这篇论文中提出了促使物理学革命诞生的量子假说。普朗克指出，为了得到和实验符合的黑体辐射公式，必须抛弃经典物理学中关于物体可以连续发射或吸收能量的概念，而代之以新的概念，即认为在辐射的发射或吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元即量子。也就是说，能量只可一份一份地改变，而不能连续的变化。这是一个大胆的假说，根据这个假说可以

成功地导出黑体辐射公式。

普朗克的量子假说突破了经典物理学的旧框框，首次提出了微观系统的量子特性，从而打开了认识微观世界的大门，导致了物理学革命。然而在 1911 年以前，老一辈物理学家几乎都拒绝接受它，就连普朗克自己也惴

惴不安，曾于 1911 年和 1914 年两度提出以古典概念取代量子假说的新理

论。第一个认真对待并努力发展量子概念的是年轻的爱因斯坦。他于 1905 年提出光量子假说，把普朗克的量子概念扩充到辐射在空间的传播上去， 深刻揭示了光既具有波动性又具有粒子性，即波粒二象性，这是人类第一次认识到的微观客体的最基本的特征。然而光量子假说，也遭到几乎所有老一辈物理学家的反对，迟至 1913 年普朗克还认为这是爱因斯坦的一个失误。尽管如此，爱因斯坦还是孤军奋战，坚持贯彻量子论思想。1906 年发表论文《普朗克的辐射理论和比热理论》，把量子概念推广到辐射领域以外，成功了说明了低温固体比热现象。 1916 年发表论文《关于辐射的量子理论》，运用量子概念成功地说明了光化学现象，提出受激辐射理论， 成为量子论发展第一阶段的理论总结。

相对论的建立 1905 年 6 月，爱因斯坦创立了狭义相对论。狭义相对论否定了牛顿的绝对空间、绝对时间的观念，揭示了空间、时间、物质运动之间的本质上的统一性，使人们对空间、时间、物质运动的本性具有全新的观念，引发了物理学思想史上一场重大革命。在狭义相对论中，揭示了“长度缩短”效应和“时钟延缓”效应，得出了任何物体的运动速度都不能超过光速的结论，等等。在狭义相对论中，牛顿力学的许多基本概念和定律都要加以改造，这种改造实际上是把牛顿力学理论作为一种特殊情况概括在内。

在多数物理学家还不理解狭义相对论的时候，爱因斯坦却继续努力把他的理论向前推进。终于在 1915 年 11 月，建立了广义相对论，广义相对论进一步揭示了作为空间和时间统一体的四维空时同物质的统一关系， 揭示了空间和时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，它并不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间；物质之间的引力，不过是空间曲率的一种表现。1917 年，爱因斯坦根据广义相对论考察整个宇宙空间，开创了现代宇宙学。他提出的有限无界的宇宙模型，后来发展成为宇宙膨胀理论和大爆炸理论。这是继哥白尼之后天文学宇宙观的又一次革命。

19 世纪末 20 世纪初的物理学革命给人们最深刻的启示是，任何科学理论都不可能一成不变，随着科学实验的发展，科学发现的出现，理论必须不断发展，甚至要彻底更新。因此，不墨守成规和勇于创新，便成为现代物理学发展中的一个突出特点。

物理学奇迹年（a marvellous year of physics） 在物理学发展史上，1932 年被誉为“物理学奇迹年”。这一年发现了中子、正电子、重氢，发明了回旋加速器。这些发现、发明对现代物理学的发展有着举足轻重的影响，而它们却又都是在同一年奇迹般地展现在人们的面前。

中子的发现 1932 年，英国物理学家查德威克宣布发现了一个全新的粒子——中子，这个发现标志着探索原子核的实验工作和核结构的理论研究开始了新世纪。

在查德威克发现中子之前，虽然已有迹象表明，存在着一种电中性的

粒子，可是当时谁都没有能抛弃常规的旧观念而向前迈进一步。1920 年， 卢瑟福在用α粒子轰击氮的研究过程中，就认为存在着一种电中性粒子， 这种粒子不能被束缚在任何容器之中，他想象这种粒子大概是由当时已知的质子和电子结合而成，因为质子带正电荷，电子带负电荷，二者结合就变为电中性。1930 年，玻特和贝克发现用α粒子轰击铍原子时会产生一种穿透力极强的射线，接着约里奥·居里夫妇对这种射线进行研究，他们用石蜡把铍板和测量仪器隔开，结果发现当有石蜡插在中间时仪器记录到的效应比中间没有石蜡时要显著得多，也就是观察石蜡中放射出一种强质子流。由于他们当时错误地认为这种铍辐射是一种γ辐射，因而对这种质子流的放射现象难以解释。这时查德威克也一直在进行铍辐射的研究，他敏锐地觉察到铍辐射决不是γ辐射，很可能就是卢瑟福在 1920 年所预言的， 也是他多年寻找的中子辐射。于是对这种射线进行更细致的研究，并使用了各种记录快速粒子的方法，结果在 1932 年取得令人信服的证据。证明这种中性粒子确实存在，而且其质量与质子的质量相等，这种粒子并不是卢瑟福所假设的那种质子和电子的复合粒子，而是一种全新的粒子。除了不带电荷外，其基本性质与卢瑟福提出的质子几乎一样，查德威克便把这种粒子定名为中子。

中子发现后不久，伊凡宁柯和海森伯都提出了原子核是由质子和中子构成的假说。这个假说成功地解释了核的角动量及其统计性质，说明了同位素的存在，并且使人们对原子核的结构有新的认识，发现有比电磁力更强的核力的存在，导致了对核力的研究，为粒子物理学的发展开辟了道路。

正电子的发现 同是 1932 年，美国物理学家安德森发表了一项极为重要的研究结果：他发现了质量与电子质量一样，但是带有正电荷的粒子， 称之为正电子。这个发现由于证实了狄拉克提出的关于相对论性电子的理论而引起科学界的广泛重视。

1928 年，狄拉克成功地建立起相对论性电子运动方程。该方程的解具有一个异常的性质，既包括负能态也包括正能态。当时曾尝试用已有的理论对这种负能态作解释，可是结果都不满意。1900 年，狄拉克作了一个大胆设想，认为假如从一个负能态移去一个电子，结果就会产生一个可被观察的“空穴”。 1901 年，他进一步认为如果空穴是存在的话，它们将是描述一个质量与电子相等的正电荷粒子。一年以后安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子，方法是每 15 秒钟使云室膨胀一次，并照一次相。他仔细查看了几千张照片，结果观察到有一种径迹与当时已知带电粒子的径迹不相符合。根据在磁场中的偏转方向，知道这种粒子是带正电荷的，但水滴密度却与电子径迹相似。当时安德森并不知道狄拉克理论，故安排了进一步实验，看看这种粒子是否可能是质子，因为那时候只知道质子是带正电的。可是经过实验的反复分析，由于电离密度太小，这种粒子不可能是质子。后来安德森接触了狄拉克理论，才得出他观察到的正是这种带正电荷的电子的结论。

正电子的发现，不仅证实了狄位克理论的正确性，而且它与狄拉克理论一起，引起了物理学概念的根本变化，特别是第一次预言了反粒子的存在。早在正电子发现之前，物理学家就曾对自然界中正负电荷配置的不同提出过疑问。为什么质子带正电，而没有相同质量的负粒子？为什么电子带负电，而没有相同质量的正粒子？这些问题当时都无法回答。正电子的

发现，部分地回答了电荷对称性的问题，它为以后实验上继续寻找其他粒子（如质子、中子、介子、超子）的反粒子创造了前例，使人们认识到电荷对称性实际上是一个普遍规律。正电子的发现，还预言了正、反粒子对的产生和湮灭以及真空的物质性。

重氢的发现 同是 1932 年，美国哥伦比亚大学教授尤雷用质谱仪作出了一个重大发现，即发现了周期表上第一位元素氢的具有两倍质量的同位素。

虽然早在 1920 年，卢瑟福似乎也预料到有一种比平常的氢重一倍的氢，但是像斯特恩这样擅长发现的专家未找到它。当时卢瑟福的同事阿斯顿发明了质谱仪，该仪器能把一种元素中的不同的同位素彼此分离开来， 而分别投射到照相底板上。 1930 年，尤雷便用质谱仪去分析各种物质， 似乎感觉到氢的同位素的存在，但还拿不出足够的实验证据。此后，尤雷利用美国度量衡标准局所制备的经过蒸发的液态氢继续做实验，在布里克维德和墨菲的配合下，于 1932 年，使用质谱仪进行周密研究，终于在照相底板上发现了相当于两倍氢的质量的同位素——重氢。

尤雷所以能证明重氢的存在，主要在于他有卓越的数学和物理学方面的知识基础，于是在计算时能设计出浓缩法，即预言了液态氢在低温下气化，会使液体中不能气化部分的氢原子得到浓缩。因此，该发现是井然有序的研究结果，而不是碰运气的产物。这个发现也是 30 年代最重要的发现之一，它对同位素的研究、原子能的探索都具有深远的意义。

回旋加速器的发明 又是 1932 年，为了研究核物理学，美国加利福尼亚大学的劳伦斯博士提出了一种使粒子做曲线运动并同时加速的新方案， 并由此发明了一种具有实用价值的回旋加速器。

1929 年，劳伦斯发现挪威工程师怀德路在《电工学文献》上发表的一篇阐述钾离子加速的论文。该论文提出可把两根管子（电极）排成一条线， 用衰减高频振荡电压将钾离子注射到第一根管子中去，当钾离子行进到两根管子之间时，以同样的电压升压一次且与前同步，这样钾离子从第二根管子中出来时比第一根管子时能量要大一倍。由此劳伦斯获得启发，他想在合适时间重复施加低的易控制的电压，会使能量比单独次使用巨大的高压还要高，正如荡秋千一样，只要恰当有节奏地加力，就能使秋千愈荡愈高。劳伦斯准备采用一连串管子，但考虑到要减少必要的长度，于是成功地发明了把管子弯成圆圈，即粒子在强大的电磁场中沿螺旋形轨迹运动， 并使它不断受到交变电场的加速作用。劳伦斯还使得电场方向的变化与粒子沿其轨迹的运动情况同步。这样便可以用 2×105 伏的交变电压来得到相

当于 20×106 伏直流电压的加速效果。

回旋加速器的发明，对于核反应的研究来说，具有划时代的重要意义。它生产放射性同位素的效率远远超过以前的一些方法，而使用重氢的核作为加速粒子时能诱发一些非常重要的核反应。它具有多种作用，借助于这种强有力的工具，使得核物理学的研究达到了一个前所未有的新水平。

物理学史（history of physics） 研究和揭示物理学产生、形成和发展规律的一门学科。它所研究的具体内容是：从大量的、零散的历史资料中，揭示出物理学概念、定律、原理和理论产生、形成和发展的内在规律；从历史的角度，深入分析引起物理学观念、思想和方法发生变革的主要原因；运用历史和逻辑相结合的方法，搞清物理学知识体系形成演变

的来龙去脉；探讨物理学理论的形成和哲学以及其它自然科学之间的辩证关系；探讨物理学的发展和社会、经济、政治、文化、技术等之间的辩证关系；总结中外物理学家、物理学工作者以及物理学研究集体、学术组织在科学实践中成功与失败的经验教训；结合物理学发展史实，吸取有益的借鉴，探索适合当前实际情况的发展物理学的具体方式与途径，更好地培养富有创造性的物理学人才，有力地推动物理学科的教学和研究工作的开展。

物理学是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展起来的，它经历了漫长的发展过程。纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，可以分为古代物理学时期、近代物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。

古代物理学 系指 16 世纪以前的物理学萌芽时期。在欧洲古代，物理学一词是自然科学的总称。古代自然科学，包括古代希腊、中国、印度以至阿拉伯的物理学知识。其中虽然也出现过一此值得称道的物理思想，如古希腊的原子论、古代中国的元气说，找出了一些带有规律性的东西，如

《墨经》对力学、光学现象所作的讨论，但是就其总体而言，基本上还处于现象的描述、经验的总结和猜测性的思辩阶段。古代物理学知识主要是以直觉的和零散的形式出现的，也有的是从实际器具及其制作中体现出来的。

近代物理学 直至 16 世纪以后，物理学才开始发展成为一门范围较为明确的学科。以伽利略为代表的近代物理学的奠基者，主张实验和观察是物理知识的源泉，也是检验物理理论正确性的标准。他进行了一系列关于物体运动的实验研究，从而发现了落体定律和惯性原理，推翻了亚里士多德的力学体系。在伽利略工作和开普勒行星运动三定律等基础上，牛顿总结出宏观低速机械运动的基本规律：包括三条牛顿运动定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系，牛顿的工作使近代物理学的发展在 17 世纪末达到了一个高峰。18 世纪主要是以英国工业革命和法国资产阶级民主革命载入史册的。这两次伟大革命显示了科学对社会的巨大影响，也为物理学特别是热力学的发展提供了强大的物质基础和有力的社会保证。19 世纪是近代物理学全面发展的时期。在光学方面，由于杨和菲涅耳的工作，使光的波动说被广泛接受。在热力学方面，随着热力学第一定律（能量守恒和转化定律）的建立，克劳修斯、汤姆孙总结了卡诺的研究结果，分别地提出了热力学第二定律。在电磁学方面，随着奥斯特发现电流磁效应，不久之后，由于法拉第的工作，发现了电磁感应和提出了力线概念，在此基础上麦克斯韦发展了场的观念，建立起完整的电磁场理论， 预言了电磁波的存在，并由赫兹的实验得到证实。

现代物理学 19 世纪末伦琴射线、放射性、电子和镭的发现，黑体辐

射、迈克耳孙—莫雷实验等问题的提出，推动了 20 世纪初的物理学革命。

1905 年和 1915 年爱因斯坦创立的狭义相对论和广义相对论，揭示了空间、时间、物质、运动之间的统一性。狭义相对论是在运用经典理论来解决高速运动的电磁现象的失败中产生的。这一理论的建立，是由近代物理学向现代物理学发展的一个重要标志，它使人的认识从低速运动进入高速运动的领域。1900 年普朗克提出了能量子的概念，导致 1913 年玻尔把量子概念用于卢瑟福 1911 年所提出的有核模型。1924 年德波罗意受到爱因斯坦

光量子论的启发，提出了物质波的假说。在此基础上，1925 年海森伯、玻恩等创立了矩阵力学。1926 年薛定谔创立了波动力学，并证明它同矩阵力学是等价的，以后统称为量子力学。量子力学是从经典理论运用于解决黑体辐射现象的失败过程中产生的。这一理论的建立，使人们的认识实现了由宏观到微观领域的飞跃，是由近代物理学向现代物理学发展的另一个重要标志。20 世纪 30 年代以来，现代物理学在生产实践和科学实验飞速发展的基础上，在理论的深度和应用的广度方面又取得了重大的进展。在向微观世界的探索过程中，到了 60 年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多。基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们已认识到基本粒子仍是一个具有内部结构的粒子，并已提出坂田模型、夸克模型、层子模型、口袋模型、孤子模型、重夸克偶素和势模型、弦模型等假说。随着作为现代物理学前沿分支的粒子物理学的重大进展，原子核物理学、固体物理学、凝聚态物理学、等离子体物理学、现代宇宙学、非线性物理学等分支也正酝酿着新的重大突破。现代物理学的理论成果应用于实践，出现了像原子能、半导体、计算机、激光、宇航、超导等许多新的技术科学。这些新兴技术正有力地推动着新的科学技术革命，促进着生产的发展，而生产和高新技术的发展，又促使现代物理学在更深刻、更广阔的领域中发展。

物理学史又是自然科学与社会科学相结合的产物。它有其固有的特点和相应的研究方法：既要求具有深入的物理科学知识，也要求有较多的人文科学素养，以便运用社会科学（主要是历史科学）的方法来学习它、研究它。为此，在学习、研究物理学史过程中，应努力占有资料、了解各种背景（生产背景、社会背景、文化背景）；弄清楚物理学发展的具体历程及其来龙去脉；抓住发展的主要线索和本质特性；运用辩证唯物主义与历史唯物主义的观点、方法进行探索、分析。在学习、研究物理学史过程中， 既要防止陷入过多的繁琐考证，又要避免只有空洞的论点而缺乏历史过程的具体考察，力求做到史论的统一。在掌握物理学发展整体、通论的基础上，对于要求进一步深入研究的人们而言，根据需要与志趣，可以按国别， 或按历史时期，或按学科分支，或按物理思想，也可对某位物理学家，某本物理学著作，某一物理基本概念的演变，某个物理研究单位的历史发展， 某一物理重大成果的产生历程等进行研究，这些都是可取的。当然，也可以从某一分支学科如何通过技术的发展而逐步转化为科技产业的问题开展研究，如此等等。应当指出，研究物理学史不是为研究而研究，而是要着眼于当前，面向未来，努力让研究物理学史为现实服务，为发展物理学服务，为社会主义现代化建设和精神文明建设服务，进而为全人类的科学和进步事业作出贡献。

物理学危机（ crisis of physics） 指因经典物理学无法解释新的实验事实而造成的整个物理学领域的危机，这一术语由法国物理学家庞加莱首先提出。19 世纪末 20 世纪初出现的一系列新发现，推翻了经典物理学中关于物质结构及其特性的传统的形而上学的观念，特别是动摇了经典物理学关于原子的不可分割性和不变性、空间和时间的绝对性的基本框架，形成了物理学的革命。在这种情况下，庞加莱于 1905 年出版的《科学的价值》一书中以“数学物理学的当前危机”为题，第一次对此作了分

析和总结。认为物理学原理的“普遍毁灭”造成了物理学的“危机”，使人们进入一个“普遍的怀疑时期”；提出“凡不是思想的东西，都是纯粹的无”，由此陷入物理学唯心主义。列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中指出，“物理学危机”并不是说物理学本身不成为科学了，而是某些物理学家在物理学的新发现面前，在理论思维即认识论方面产生了危机，其实质在于“否定不依赖于我们的意识并为我们的意识所反映的客观实在的存在”。

物理学学科结构（subject structure of phy-sics ） 物理学的基本概念、基本原理（包括基本定律和基本理论）和基本方法的整体组合以及它们之间的相互联系。物理学的学科结构（知识结构）有以下五个基本特点。①物理学是一门实验科学，它的根基在实验，一切理论都要以实验作为唯一的检验者。②物理学是一门严密的理论科学，它以物理概念为基石，以物理学定律为主干，建立了经典物理学与现代物理学及其各分支的严密的逻辑体系。③物理学是一门定量的精密科学，它从把物理概念转变为物理量开始，就利用种种数学手段使理论与实践不断发展。④物理学是一门应用广泛的基础科学。⑤物理学是一门带有方法论性质的科学。从它的早期萌芽到近现代发展，都以它丰富的方法论和充满哲理的物理思想影响着人们的思想、观点和方法，因此物理学曾被称为“自然哲学”。物理学与其他自然科学的不同之处在于同时完备地具备以上五个特点，这五个特点不是孤立地而是有机地存在于物理学之中，这正是物理学作为一门成熟的、精确的基础自然科学的标志。

物理学知识结构的本质特征是，物理学的任何知识，不论是现象、事实、概念、物理量、定律、理论等，都必然涉及以下三个基本因素：实验

（事实）、物理思想（逻辑、方法论）和数学（表述形式或计量公式）。因此，实验基础、物理学的逻辑思维和数学表述是支撑物理学科结构体系的三根支柱。事实上，始源于伽利略、奠基于牛顿的物理学正是由于找到了实验、逻辑思维和数学的正确结合，才发展成今天推动人类社会前进的伟大生产力。

物理学知识结构（学科结构）的本质特征决定了研究和学习物理学的基本方法和基本能力。它们是实验方法和能力、逻辑思维方法和能力、数学方法和能力，这反映了物理学的研究与教学活动脱离不了这三个领域的结合。在中学物理教学过程中，应自觉地把知识、方法和能力这三者有机地结合在一起加以训练。

物理学哲学（philosophy of physics） 一门研究物理学中哲学问题的学科。该学科的研究对象主要有：物理运动过程的本质；物理学基本概念与理论产生的认识论基础以及物理科学发展的方法论等。20 世纪以来，物理学从经典物理学进入现代物理学阶段。作为现代物理学的两大支柱——相对论和量子力学已取得了巨大成就，在这个基础上，物理学又有了很大的发展，特别是理论物理学的前沿，它们都向物理学哲学提出了一系列问题，像：①相对论效应（尺缩、钟慢、质增）是否反映物质属性的实在变化？②光速真是不可超限吗？对观测到的类星体的超光速运动应作如何理解？③质能关系式的哲学意义是什么？是表示质量与能量相互转化呢？还是表示质量与能量的当量关系？对物理学中质量耗损应作如何理解？④物质无限可分的哲学含义是什么？物质无限可分与夸克囚禁之间的

关系是什么？⑤基本相互作用的统一的哲学含义又是什么？四种基本相互作用能统一吗？⑥大爆炸宇宙学的哲学含义是什么？这个学说与时空的无限性如何统一？⑦物理对象与认识主体之间的关系，不少人认为量子力学表明了我们观察到的客体是受主体影响的客体，那么主客观的关系究竟是怎样的关系？⑧不确定关系的哲学含义是什么？是揭示了主客体不可分， 还是反映了微观粒子客观存在的一种本性？⑨量了力学中的统计规律性与世界可知性的问题如何认识？等等。

由于物理学是研究空间、时间、物质运动的最普遍形态与物质的基本结构的科学，其独特地位使得它在事实上与哲学比较接近，特别是涉及物理学前沿的时空问题、物质结构问题，往往也是哲学自然观所探讨的问题。其次，物理学发展到今天，在其前沿理论领域的那些基本假设、基本概念等和直接的经验领域之间距离越来越远。例如：微观粒子的概率描述、夸克、夸克的味荷与色荷、规范场、相因子、超弦、重整化群、高维宇宙、宇宙大爆炸、波粒二象性等等概念，在我们直接的经验领域中往往是难以表现的。这些概念大多得通过借助诸如微分几何、群论、拓扑学等这些数学工具和高度抽象的思维才能在理性上把握它。而这种思维本质上正是一种哲学思维。所以对物理学哲学问题的探讨其意义是十分明显的。同时以辩证唯物主义的世界观与方法论来指导其研究的必要性也就更清楚了。

物理医学（physical nedicine） 物理学与医学之间的边缘学科。主要研究利用各种物理因子如电、磁、光、声、热、机械等来进行诊断、治疗和预防疾病。物理医学的基础是理疗学，并随着医用物理学、医用电子学、生物医学工程学的发展而发展。人们很早就利用自然存在的物理因子（如温度、日光）来治疗疾病，这是理疗学诞生的萌芽。20 世纪初期以来脊髓灰质炎的流行以及相继爆发了两次世界大战，都使大批年轻人严重伤残，从而推动了理疗学的发展。理疗的目的在于改善或保持人体的功能， 用最有效的方法来训练基本的动作，检查许多部位的疾患并加以积极治疗。

物理医学中的理疗经常使用的方法有：①按摩：通过熟练地有规则地在身体组织上施行某些手法，以期对神经系统、肌肉系统、全身血液循环起到一定的治疗作用。除了用手法操作外，亦可用漩涡浴或通过机械装置进行。②热疗：通过传递热量以促进患部血液循环及止痛。最早采用的是通过高频电流给深部组织加热。以后发展为短波透热疗法，常用于治疗深部肌肉及关节的疾患：超声透热疗法，常用于治疗表面加热反应不大的深部肌肉的疾患；以及微波透热疗法，即使用频率极高、波长很短的辐射， 所引起的生理反应与其致热性能有关。③电疗：通过传递低强度电流既用于训练软弱乏力的肌肉，又可用于测定支配该肌肉的神经的电兴奋性，还可将某些药物透过皮肤导入体内予以治疗。④磁疗：通过一定强度的磁场作用于人体某些部位以治疗疾病，有一定的镇痛、消肿、止痒、止泻、降低血压的效能。其最简单的方法是将磁体用胶布敷贴在人体确定部位的表面，操作十分简便。⑤医疗体育：通过体育运动对关节僵硬及瘫痪有治疗的作用，对肺部疾患的患者也有改善呼吸的功能。⑥功能训练：可指导患者如何更安全更有效地自理生活，包括学习使用拐杖、假臂等。

随着医用物理学和医用电子学的发展，大大拓展了物理医学的内涵， 例如用物理方法粉碎肾、膀胱结石等新疗法的产生。该疗法有：①超声波

碎石：用一根金属头将 27kHz 的超声波作用于结石产生机械性振动能，使结石破碎；②冲击波碎石：在水中通过高压电极瞬间放电，产生压力脉冲， 再经过反射器聚焦，使之形成足以粉碎结石的声能；③激光碎石：用连续输出的 CO2 激光器，以纵向放电激励方式，将 50 瓦的强激光经光导纤维输送到尿路中的结石部位以碎石等。

物理主义（physicalism） 一种关于各种科学语言都可由物理学语言构成、各种科学定律都可用物理学定律推导出来的理论，由卡尔纳普、纽拉特等人提出。20 世纪 30 年代，随着现代物理学的迅猛发展，取得一系列成就。在这种情况下，卡尔纳普提出可用在特定的时间-空间坐标系中对事件进行定量描述的物理语言，作为统一科学的语言。因为在他看来， 物理语言较之其他人工语言，更具有主体之间交流性和普遍性的优点，它是一切科学语言的基础，也包含了其他科学语言的内容。卡尔纳普还提出自然科学和社会科学中的种种事实和规律，至少在原则上可以从物理学的理论假设中推演出来。于是他主张一切科学乃至社会科学都可以统一起来，其中科学知识由事实命题组成，表达事实命题的语言是物理语言，从而这种统一可以归结为物理语言和物理规律问题。因为这是超主观的，所以又被称为方法论的唯物主义。但是，将所有科学语言都还原为物理语言， 不仅技术上有许多难以克服的困难，而且本质上抹煞了各门科学的特征， 因而这种理论是形而上学的。

物体的平衡（equilibrium of a body） 在两个或两个以上的力作用下，物体相对于惯性系保持静止不动或沿直线匀速平动的状态。物体处于诸如重力场或其他保守立场中，只考虑约束力在物体任何允许位移中不作功的情形时，该物体在某位置上可保持平衡，此位置称为平衡位置。物体处于平衡时，总可以找到这样一个惯性系，使物体相对于该惯性系保持静止不动。将物体稍微偏离其平衡位置，在保守力和可能有的约束力共同作用下，按物体是否有返回其平衡位置的倾向，物体在原位置上的平衡可分为稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡三种。

稳定平稳：在约束条件允许下，将物体稍微偏离其平衡位置时，如约束力和保守力的共同作用企图使物体返回原平衡位置，称物体在原位置上的平衡为稳定平衡。物体处于稳定平衡时，在平衡位置处的势能小于它在约束条件允许下的邻近位置上的势能。例如，重力场中一个在碗底附近只能纯滚动的小球，它在碗底位置上的平衡是稳定平衡。

不稳定平衡：在约束条件允许下，将物体稍微偏离其平衡位置时，如约束力和保守力的共同作用企图使物体进一步偏离其平衡位置，则称物体在原位置上的平衡为不稳定平衡。物体处于不稳定平衡时，它在平衡位置处的势能大于它在约束条件允许下的邻近位置上的势能。例如，重力场中一个在球面顶端附近只能纯滚动的小球，它在球面顶端位置上的平衡是不稳定平衡。

随遇平衡：在约束条件允许下，将物体稍微偏离其平衡位置时，如约束力和保守力的共同作用能使物体在新位置上也保持平衡，则称物体在原位置上的平衡为随遇平衡。物体在某位置处于随遇平衡时，它的势能与邻近一切允许位置上的势能相等。例如，重力场中一个在平面上只能作纯滚动的小球，它在平面上的任意位置是随遇平衡位置。

物质（matter） 存在于人的意识之外而又能为人的意识所反映的客

观实在。世界的本质是物质的。物质不仅包括自然界中一切可以直接观察到的客体和物体，而且包括一切在将来凭借改善观察和实验手段而原则上能够认识的东西。物质有其特殊的属性，如运动、质量、能量等等，而自然界的一切现象都是运动着的物质的各种不同表现形态，物理学、化学和其他各门学科则揭示了一定物质的特殊的属性。物质又是有结构的，迄今所知的物质层次，大至总星系，小至夸克，从宇观到宏观以至微观，每个层次结构都有其特点，物质的不同层次之间又有错综复杂的联系。物质存在的基本形态是实物与场。物质不能被创造也不能被消灭；世界上各种事物的产生和消失，只能是物质形态在一定条件下的转化，如电子和正电子相遇而湮没的过程，只是物质的实物形态转化为场的形态。人们对物质的特殊属性、结构和形态的具体认识，随着科学的发展而不断改变和深化。相对论揭示了物质运动同空间、时间在本质上是联系和统一的。空间、时间是物质存在的普遍形式，空间、时间不存在于物质之外，这就如同决不会有不具有空间、时间属性的物质一样。量子力学揭示了物质的粒子性和波动性的统一。粒子物理学揭示了基本粒子也有内部结构。现代物理学还揭示了许多新的物质形态如等离子态、超固态，揭示了反物质的存在，即完全由反粒子构成的物质的存在，如利用高能加速器已在核反应中制造出反氘核和反氦核。有人设想在宇宙的某些部分可能存在反物质，但至今尚未证实至于马克思主义哲学的物质观念，则是世界的一切现象（包括自然现象和社会现象）的根本特性的最高概括。

物质波（matter wave） 参见波粒二象性。

X

XENIX 操作系统（XENIX operational sys-tem） 目前 16 位微机几乎都配有 UNIX 及其变种的操作系统，UNIX 变种主要有 XENIX、UNIFLEX等。有些是贝尔实验室的原版，有些是重新构造的，但它们在本质上与 UNIX 没有什么区别。

XENIX 是美国 Microsoft 公司为 M68000、Z8000 和 Intel 8086 等微机配置的多用户操作系统。它保持了 UNIX 原有的性能和优点，并加以修改、规格化、改进、增强，还提供一些额外的软件使它更适合市场需要。它的修改在于把较大的小型机上的 UNIX 改得适于微型机；规格化是让 XENIX 更好地适合围绕上述那些微处理器构成的各种微型机系统；改进在于去除已知缺陷，保留可产生更小更快的操作系统的子程序，且包含硬件故障检测手段，以及在系统瘫痪、电源故障和奇偶错测试后文件自动修复等特点； 增强工作是加进记录检索、共享数据段、同步写以及改进的交互进程通讯手段。总之是通过各种措施，使 XENIX 不仅成为高生产率的软件开发系统， 而且成为一个通用的应用系统。

X 射线（X-ray） 波长的数量级约为 10-15～10-7 米之间的短波电磁辐射，该波段的长波端与紫外线波段的短波端重叠，短波端与γ射线波段重叠。

1895 年，伦琴在阴极射线实验中，发现放置在附近的一块氰亚铂酸钡会发出微光。伦琴通过研究指出，这种微弱的荧光是由于阴级射线（即电子束）撞击玻璃管壁时形成的某种未知辐射所致。他还进一步发现，在各种物质中，纸、木材和铝等对这种新形式的辐射是“透明”的，可使放置在这些材料背面的照相底片感光。当时把这种射线就称为 X 射线，又称为伦琴射线。由于这一发现，伦琴于 1901 年获得了首届诺贝尔物理学奖。

伦琴和其他一些研究者曾做了许多实验，试图找到 X 射线的干涉和衍射现象，但都没有成功。这对当时人们认识 X 射线的波动性构成了障碍。这个问题直到 1912 年才得到解决。德国物理学家劳厄和他的合作者通过 X 射线对晶体的衍射实验，证实了 X 射线实际上就是波长很短的电磁波。晶体中的原子排列成规则的空间点阵，原子间距离为 10-8cm，所以波长约为几个 10-9cm 的 X 射线通过晶体时，就会产生明显的干涉图样。

X 射线对物质的穿透本领较强，它能穿透纸张乃至金属薄片，还能使荧光物质发光，照相乳胶感光，气体电离。波长很短的 X 射线的能量和穿透本领更大，称为“硬 X 射线”；波长较长的 X 射线则称为“软 X 射线”。 X 射线的应用很广。在科学研究中可用于研究晶体结构。X 射线通过晶

体时发生衍射，通过对这种衍射图样的分布和相对强度的分析，人们可了解晶体原子的间距和排列情况。在工业上 X 射线可用于金属探伤。在医学上用于治疗和透视等。但用 X 射线直接照射人体超过一定剂量时，对人体有伤害作用，所以在工作时操作人员必须用能吸收 X 射线的铅板或铅玻璃作防护。

X 射线结构分析（X-ray structuralanalysis） 利用 X 射线衍射技术研究晶体结构的一种方法。光波经过狭缝时，若狭缝的大小与光波的波长同数量级或更小，则光波将产生衍射现象。晶体内原子呈有规则的周期性分布，其排列周期与 X 射线波长有同数量级（10-10 米）。1912 年德

国物理学家劳厄首先提出，晶体中原子有规则的排列可以使 X 射线发生衍射。同年，弗里德里克和尼平进行了 X 射线的单晶衍射实验。接着，W.L. 布拉格推导出了 X 射线衍射的基本公式。他把晶体对 X 射线的衍射作用看成是晶体中各晶面族反射 X 射线的结果。若波长为λ的入射 X 射线与某一族面间距为 d 的晶面交角为θ，则当两相邻晶面反射线的光程差为波长的整数倍 2dsinθ=nλ，n=1，2，3，⋯时，在θ方向出射的 X 射线得到加强。这关系式称为布拉格方程。根据这方程，W.L.布拉格利用他的父亲 W.H.布拉格制成的第一台 X 射线谱仪测定了一些简单的晶体结构。这些工作奠定了 X 射线晶体结构分析的基础。随着这一分析技术的成熟和广泛应用，已有数万种物质的晶体结构被确定。

X 射线衍射图样与晶体中的原子在空间的排列有关。由衍射线的位置分布，可测定晶体的单胞大小、形状和取向；对衍射线强度的测量和分析， 可确定单胞内各原子的位置。此外，X 射线衍射方法还可以用于研究和测定晶体的缺陷、多晶物质的物相组成、晶粒大小和择优取向等等。根据研究对象（单晶或多晶）、目的、衍射 X 射线的探测方法和实验布置的不同， X 射线衍射技术可分为多种不同的实验方法。早期常用的方法有劳厄法、旋转晶体法和德拜粉末法，它们用照相底片记录单晶或多晶的衍射图样。衍射仪法采用 X 射线探测器和电子系统记录衍射 X 射线讯号，具有快速、精确等优点。现代的衍射仪与电子计算机结合，可测定分子量达数万的复杂的生物大分子晶体。

系综（ensemble） 处于相同宏观条件下的大量性质和结构完全相同的系统的集合。又称统计系综。它是统计物理学中的一个最基本的概念。在统计物理学中，由大量粒子组成的宏观系统在一定的外界条件下遵

从一定的统计规律，系统所包含的各种可能的微观状态以一定的概率分布出现，宏观的物理量应当是相应的微观量在给定外界条件下一切可能微观状态上的平均值。

在经典理论中，可能的微观状态在所谓的相空间，或Γ空间中构成一个连续区域，相体积元表示为 dΓ=dp dq=dp1⋯dpfdq1⋯dqf。在 t 时刻系统状态的代表点出现在相体积元 dΓ中的概率为ρ（p，q，t）dpdq，其中ρ（p，q，t）就是概率分布函数，满足归一化条件∫ p(p, q, t ) dpdq=1。系统的某微观量 A 的平均值，即物理量 A 的宏观值为A (t)= ∫ A（p，q）p

（p，q，t）dpdq。为了找到概率分布函数，吉布斯提出用研究大量完全相同且互相独立的系统的集合在某一时刻的行为去代替研究一个系统在不同时刻的行为。这些系统由同种物质构成，有相同的自由度数目和相同的哈密顿量，并处于相同的外界条件下，但在同一时刻具有不同的微观状态， 这样一个假想的集合就称为系综。在系综中任意选取一个系统，这个系统处于 dpdq 范围内的概率是ρ（p，q，t）dpdq，于是A (t)= ∫A （p，q） ρ（p，q，t）dpdq 就是微观量 A（p，q）在系综上的平均值，称为系综平均值。

在量子理论中，系统的可能微观状态是不连续的量子态。在 t 时刻系统处于量子态 s 的概率是ρs(t)，它的归一化条件是∑ ρ s (t) = 1 。系统的

S

微观量 As 在一切可能微观状态上的平均值为A(t) = ∑ρ s (t)A s 。与经典系

s

综相似，可以设想用大量的量子系统集合在某一时刻的行为去代替一个量子系统在不同时刻的行为，由此构成的系综称为混合系综。在混合系综中每个系统处于不同的量子态上，在系综中任取一个系统处于量子态 s 的概

率是ρs(t)，于是A(t) = ∑ρ s (t)A s 就是微观量 As 在量子系综上的平均

s

值，也就是与微观量 As 对应的宏观物理量。

在平衡态统计物理中主要考虑处于平衡状态的系统，它的宏观量不随时间而改变，因此概率分布函数ρ（p，q，t）或概率ρs(t)应该不显含时间。吉布斯按平衡态系统分别处于孤立系、闭系和开系的约束条件，得到了相应的微正则系综、正则系综和巨正则系综的概率分布函数。

夏元瑮（1884～1944）中国较早的物理学工作者之一。字浮筠，浙江省杭州市人。早年在南洋公学（即后来的交通大学）学习，1905 年赴美留学。1909 年赴德入柏林大学，曾就学于物理学家、量子论创始人普朗克。1913 年因无经费，中断学习而回国。

夏元瑮的重要贡献是在中国开拓物理学的教学和传播相对论。他回国后，任北京大学理科学长（1913～1918），物理学教授（1918～1919）， 主讲理论物理学。1919～1921 年第二次到柏林，经普朗克介绍认识了爱因斯坦，而与爱因斯坦常有交往。1921 年回国后，翻译出版了爱因斯坦的《相对论浅释》（1922 年商务印书馆版），这是中国第一本相对论译著，夏元瑮也就成了相对论在中国最早的传播者之一。

纤维光学（fiber optics） 研究光纤传输光信息的机理和应用的科学，是近 30 年蓬勃发展起来的一门新学科。它的早期发展可以追溯到很早的希腊，人们利用透明的细长纤维导管传输光，制作了装饰用的玻璃器皿。1870 年，英国人观察到光线可沿弯曲水柱传播的现象。1929 年至 1930 年，美国和德国先后制成了石英纤维，实现了短距离光和图像的传输。1953 年，在荷兰和美国首先制成了玻璃芯塑料包层的光学纤维。1955 年，美国的希斯肖威兹制成了玻璃芯玻璃包层的光纤，解决了光学绝缘问题，为以后纤维光学的发展奠定了基础。1960 年以后，随着激光技术的发展，光纤激光通讯技术在美国和日本得到了迅速的发展。1973 年，美国贝尔实验室首次实现了光纤通讯实验系统，并在其后进入了实用阶段。在我国，已有许多单位研制成功低损耗、低色散的光学纤维，建立了光通讯实验线路， 并开始用于实际。

纤维光学的内容通常包括：光学纤维元件传光和传像的基本原理；传递图像的分辨本领；传光性能，包括透过性能和各种光能量损耗；以及光信号的衰减、色散和畸变等。纤维光学通常也研究各种光纤的制作工艺及应用。

显微镜（microscope ） 将微小物体造成高放大倍率的像，以便观察其精细结构的光学仪器。主要由短焦距物镜、长焦距目镜和照明装置三部分组成。微小物体置于靠近物镜物方焦面外侧，经物镜后在目镜物方焦面内侧成放大实像，再经目镜于明视距离处形成放大的倒立虚像。

显微镜物镜分干物镜和浸液物镜（或湿镜头）两类。前者在空气中使用；后者浸在油液中使用，被观察物体须放在所用的油液中，以便在大孔

径光线下不产生彗差和球差。油液的折射率与物镜组第一片透镜的折射率相同。物体在物镜物空间的孔径角 u 的正弦，与物体所在处媒质的折射率n 的乘积 nsinu，称为显微镜物镜的数值孔径，常用符号 N.A.表示。显微镜物镜上除标有放大率外，还刻有数值孔径的大小。如 10×表示放大率为10 倍，N.A.0.3 表示数值孔径为 0.3。它又常常简写成 10×0.3。显微镜物镜按放大率不同可分为：低倍物镜，1×0.04～5×0.15；中倍物镜，5× 0.15～25×0.40；高倍物镜，25×0.35～65×0.85；浸液物镜，90×1.2～

100×1.35。

放大率 设物镜焦距为 f0，目镜焦距为 fr，物镜像方焦点到目镜物方焦点的距离为△（△称为光学间隔或光学筒长），则显微镜视角放大率 M 为：

M = - s0 ∆ ，

f0 fe

式中 s0 为明视距离，如用 25 厘米代入，则 f0、fe、△都应用厘米为单位。式中负号表示像是倒立的。

分辨本领 是指显微镜能够辨别的两个靠得很近的物点之间的最小距

离。显微镜除了有高放大率外，还应有较高的分辨本领，以便分辨小物体的细节。显微镜的分辨本领正比于物镜的数值孔径，反比于光波波长。大型电子显微镜的最小分辨距离可达 2×10-10m 以下，而用可见光的光学显微镜的最小分辨距离只有 2×10-7m。

显微镜照明 显微镜的目的物与望远镜的不同。后者的目的物自身能发出光来，而显微镜的整个视场要用特设的照明系统给以强度足够而均匀的照明。对透明的薄片，如生物组织的切片，采用透射照明。如果显微镜物镜的数值孔径小于 0.25，则显微镜底座中设置有一凹面镜，只要转动凹面镜，将室内的漫射阳光会聚于载物台的观察薄片上即可。如果物镜的数值孔径较大，须用显微镜底座中附设的照明系统。对不透明观察物，则采用反射式照明。照明不仅是用显微镜进行观察所必须的，而且在一定程度上影响分辨本领的实现。

偏光显微镜 附有偏振镜用来观察双折射性物质的显微镜。在显微镜的照明系统中设置一块尼科尔棱镜或人造偏振片，使照明光成为偏振光。此光束透过载物台上的观察物后，入射进物镜。在物镜和目镜之间再放置一块偏振镜，作检偏振镜用。两块偏振镜可以分别旋转以改变两者主截面间的夹角。调节此夹角为 90°，此时无光线透过目镜。放入欲观察的具有双折射性质的物体后，从目镜中可看到该物体的放大的像。这种显微镜用于研究晶体或活细胞的结构细节。

荧光显微镜 如果显微镜的观察物自身能发光，就不需要照明系统。荧光显微镜是用一定波长的光使标本受激发而产生荧光，通过目镜可以看到标本的荧光彩色图像。这种显微镜的优点是发现目标快，容易鉴别，适用于进行活体观察，其缺点是荧光亮度不足。光源常用溴钨灯、超高压汞灯或白炽灯，并配备相应的滤色系统以选取特定的波长。

显微照相 目镜把物镜形成的标本的实像放大后投影到感光胶片上，拍摄成照片。因为显微镜的分辨本领与光波波长成反比，故用紫外光作显微照相可以提高分辨本领。根据用途不同，有金相显微摄影和生物显微摄影

等。

显橡管（picture tube） 能够将电信号转换为光图像的电子束管。可分为黑白显像管和彩色显像管两大类。显像管由电子枪、荧光屏和玻璃外壳三部分组成，如图所示。电子枪位于细圆柱形管颈内，它发射出高速电子束撞击到荧光屏上。在荧光屏内表面涂敷有荧光粉，当电子枪发射出的高速电子撞击荧光屏时，屏上的荧光粉便会受激发光。彩色显像管的荧光屏内表面涂有三种基色（红、绿、蓝色）荧光粉，同时安装有控制三色的三角形排列的三支电子枪以及控制线路，以便使分别代表三基色的电子束能正确打到三基色的荧光粉点上。其间放置有荫罩板。在 64 厘米（25

英寸）彩色管荫罩板上大约有 50 万个圆孔，这样荧光屏上就有 3×50 万个荧光粉点。

显像管结构原理图

显像管屏幕从正面看近似长方形，宽高之比约为 4∶3。显像管的尺寸是指屏幕对角线的长度。常用的显像管有 31 厘米（12 英寸）、35 厘米（14 英寸）、46 厘米（18 英寸）、51 厘米（20 英寸）、64 厘米（25 英寸）等。电视机的质量指标如图像的清晰度、灰度、对比度、亮度、色度等最终都要表现在显像管上，因此，要获得高质量的电视图像，就必须要有一个高质量的显像管。

线电流（line current） 三相系统中通过各端线的电流。常用 Il 表示。在星形联接电路中，线电流与相电流相等，Il=Iϕ。在对称三角形联

接电路中，线电流有效值是相电流有效值的

倍，即 Il= 3Iϕ 。

线电压（line voltage） 发电机各联接绕组或各相负载的相应端点间的电压，即两根端线间的电压。常用 Vl 表示。在星形联接电路中，线

电压有效值是相电压有效值 Vϕ的 倍，即 Vl = 3Vϕ 。在三角形联接电

路中，线电压与相电压相等，Vl=Vϕ。

线形（line shape ） 光谱线的轮廓。又称谱线形状或谱线轮廓。理想单色光的频率是一个确定的常量。在光强按频率分布的函数图上，理想单色光可用它的频率值上的一条垂直几何线表示，几何线的长度表示光强大小。但是任何实际光束的光强按频率分布图都不是这样。由于发光原子的能级存在着一定的固有宽度和寿命，也由于原子热运动或原子之间的碰撞，所以，原子发射的光谱线总有一定的频率宽度。光谱线强度随频率变化的函数图总呈现出钟形的分布，如图所示。在中心频率 v0 处，光强最大；在中心频率两侧，光强对称地减小为零。光强减小至一半时两个半最大强度点之间的频率宽度为谱线宽度，简称线宽或半宽度。有时也用光强下降至 1/e 来定义线宽。典型的谱线形状有洛伦兹线形和高斯线形，与之相应的线宽称洛伦兹线宽和高斯线宽。

光谱线强度分布

习惯上常用光强分布函数 g(v)=I(v)/I0 作为纵坐标，其中 I0 为光谱线的总强度，于是有

∞ ∞

I 0 = ∫−∞ I（v）dv = I 0 ∫−∞ g（v）dv，

所以 ∫−∞ g（v）dv = 1。它表示光强分布函数 g(v)～v 图中曲线下面的面积应为 1。这称为线型函数的归一化条件。

洛伦兹线形由于原子系统能级的寿命所引起的光谱线的展宽，称为谱

线的自然宽度。由于发光原子与周围原子的碰撞使光波相位无规变化而引起的谱线展宽，称为碰撞宽度。两种情况的谱线形状都属洛伦兹线形。当两种情况同时存在时，谱线的宽度等于两种线宽之和。

高斯线形发光原子由于无规则热运动，使接受器所探测到的光的频率发生变化，造成谱线在一定频率区域内连续加宽。这称为多普勒加宽，相应的谱线形状为高斯线形，谱线宽度称为多普勒线宽。

非均匀加宽如果谱线加宽机制对所有发光原子的影响都相同，称为均匀加宽。如果对不同发光原子所产生的影响不同，称为非均匀加宽。前者的特点是，所有原子对谱线的各种频率成分都有贡献。后者的特点是，谱线的各种频率成分由不同原子所贡献。自然加宽、碰撞加宽为均匀加宽， 热运动引起的多普勒加宽为非均匀加宽。

相差（phase difference） 又称位相差或相位差。两个同频率的简谐振动的物理量在同一时刻的位相的差值。两个简谐振动的相差实际上就是它们初相的差值。设两同频率的简谐振动是

x1=A1cos（ωt+ψ1），x2=A2cos（ωt+ψ2），

则第二简谐振动对于第一简谐振动的相差是ψ2-ψ1。若两简谐振动的相差是零或π的偶数倍，这时两振动物理量将同步地随时间增加或减小，称此两简谐振动同相；若两简谐振动的相差是±π或π的奇数倍，这时两振动物理量随时间的增减变化正好相反，当一个物理量取极大值时，另一物理量取极小值，称此两简谐振动反相。若两简谐振动既不同相，也不反相， 由于三角函数的周期性，总可以在初相中加上或减去周期 2π的整数倍， 使△ψ=｜ψ2-ψ1｜不大于π。在此情况下，若ψ2＞ψ1，称为第二简谐振动的位相比第一简谐振动的位相超前△ψ；若ψ2＜ψ1，称前者比后者位相滞后△ψ。在图中，第二简谐振动的位相比第一简谐振动的位相超前了ψ。两个以不同频率作振动的物理量的位相差，不等于它们初相的差值， 而是随时间变化的。

振动 2 的位相比振动 1 超前ψ

相电流（phase current） 通过三相交流电源或负载各相中的电流。常用 Iϕ表示。在星形联接电路中，相电流与线电流相等，Iϕ=Il。在对称三

角形联接电路中，相电流有效值是线电流有效值的 1/

倍，即 Iϕ=

Il/

。

相电压（phase voltage） 发电机各相线圈两端或各相负载两端的

电压。常用 Vϕ表示。在星形联接电路中，相电压即端线与中性点间的电压，

其有效值为线电压有效值 Vl 的 1/

倍，即 Vϕ=Vl/

。在三角形联接电路

中，相电压与线电压相等，即 Vϕ=Vl。

相对论（relativity ） 通常指狭义相对论。关于物质运动与时间和空间关系的理论。它与量子力学一起，构成了现代物理学的两大支柱。

相对论的产生相对论是在牛顿力学的观念与精确的电磁学实验发生尖锐矛盾的情况下产生的。按照牛顿力学中的速度合成公式，光在真空中的速度对于不同惯性参考系来说有不同的值。如果将光速的值为 c 的惯性系称为绝对参考系或“以太系”，则对于其他任何相对于该参考系做匀速运动的惯性系来说，真空中的光速将不是 c。因此可以通过测量光速的实验来确定惯性系本身的运动状况。然而，上述由牛顿力学的观念所推理出来的结论被精确的电磁学实验所否定。1881 年，美国物理学家迈克耳孙利用他所发明的干涉仪（迈克耳孙干涉仪），试图精确测量地球上光的速度， 并由此推算出地球相对于以太的速度。1887 年，他又和莫雷合作，以更高的精度重复了这一实验。然而，他们精心设计的实验并没有发现所谓地球相对于以太的速度，地球上的光在真空中的速率仍然等于 c。面对迈克耳孙—莫雷实验的“负结果”，当时的物理学家没有任何后退余地，任何企图保留以太观念（即坚持用牛顿力学的观念解释电磁现象）而对迈克耳孙

—莫雷实验作出的解释不可避免地与早期的其他实验，如光行差实验（测量太空中恒星参考系中光速的实验）、“斐索实验”（测量地面上匀速流动的水流参考系中光速的实验）相矛盾。爱因斯坦的狭义相对论正是在这种经典物理学观念所造成的进退两难的困境中诞生的。

狭义相对论的两个基本假设爱因斯坦首先提出了两个基本假设，即相对性原理和光速不变原理，并把它们作为基本出发点，来构造他的狭义相对论。相对性原理可表述为：物理定律在不同惯性参考系中有相同的形式。该原理排除了任何绝对参考系的存在。光速不变原理可表述为：真空中光的速率恒为 c。这个原理也是麦克斯韦电磁理论和相对性原理相结合的产物。真空中麦克斯韦方程组中包含了光速 c 作为参数，如果相对性原理对于电磁现象成立，这个方程组在不同惯性参考系中应有相同的形式，因此在任何惯性参考系中光的速度恒为 c。然而光速不变原理与牛顿力学是不相容的。爱因斯坦对此则认为，电磁学理论已为迈克耳孙—莫雷实验及其他许多精确度很高的实验所证实，是完全可靠的，而证明牛顿力学的所有实验是在远比光速 c 小得多的低速领域内做的，力学实验的精度要比电磁学实验低得多。所以他认为，牛顿力学只是低速现象的一个近似理论，在高速现象中将会显示出偏差。因此还需要重新建立相对论力学，以代替牛顿力学。

洛伦兹变换从上述两个基本原理出发，首先可以导出时间和空间坐标从一个惯性系到另一个惯性系的变换关系。若惯性系 s′（t′，x′，y′， z′）相对于另一惯性系 s（t，x，y，z）沿 x 轴方向以速度 v 运动，则有

t - (v / c² )x t′ =

1 - (v / c)²

x - vt

x′ = -

y′ = y z′ = z

这个变换称为洛伦兹变换，它反映了时间和空间之间的密切联系，一个惯

性参考系中的时间在另一惯性系中可能变换为空间；一个惯性参考系中的空间在另一惯性系中可能变换为时间。因此在狭义相对论中常常引进“四

维空间”来统一表述时间和空间。在四维空间中可以引进四维坐标系，其中一根轴为时间坐标，另外三根轴为空间坐标。

在低速近似下（v2/c2<<1），洛伦兹变换化为伽利略变换（t′=t，x

′=x-vt，y′=y，z′=z）。光速 c 出现在时空变换中，因此 c 成了自然界

中的一个普适常数。当 v＞c 时，因子 为虚数，这是没有意

义的。因此自然界中任何物体的（相对）速度都不能大于 c，光速 c 也是一个“极限速度”。这个情况与牛顿力学中不同，在牛顿力学及其相应的伽利略变换中允许存在无限大速度。但是迄今为止的实验支持了相对论的观点，人们从未发现存在超光速客体。

相对论运动学效应 从洛伦兹变换可导出下列运动学的特点。同时性的相对性如果某一惯性系中不同空间点上的两个事件（这种事件可能是雷击或闪光，也可能是两粒子碰撞，基本粒子的产生或消失，或者简单地就是一个质点恰巧运动到该点等等）是同时发生的，则从相对于该参考系运动的其他惯性系的观察者来说，这两个事件并不同时发生。在狭义相对论中，同时性的观念没有绝对意义，只有相对意义。不过在同一空间点上发生的两个同时事件，其同时性仍然是绝对的。

长度缩短一根棒的长度由它的两个端点的空间坐标确定。为了测量运动的棒的长度，必须“同时”测量该棒两端的空间坐标。这两个空间坐标点之间的距离就是该运动的棒的长度。狭义相对论预言，棒相对于观察者静止时的长度 l00 与运动时的长度 l 之间存在如下关系：

l = l0 。因为任何有质量物体的速度 v 总小于 c，所以 l＜l0，

即运动棒的长度缩短了。

时间膨胀设想在一惯性参考系中的某一空间点上先后发生了两个事件，该参考系中的观察者可用一只静止在该点处的钟记录这两个事件的时间间隔，这种时间间隔称为“固有时”（△τ）。另一方面，对于相对于该参考系以速度 v 运动的另一惯性系中的观察者来说，这两个事件并非发生在同一地点，因此他要用固定在本参考系中两个不同空间点处的钟记录上述两个事件的时间间隔，这种时间间隔称为“坐标时”（△t）。由洛伦

兹变换可知，△τ=△t 或者说时间膨胀了。

，可见△τ＜△t，即运动的钟变慢了，

相对论速度变换关系相对论速度变换公式可从洛伦兹变换导出。为简

单起见，设质点相对于惯性系 s 的速度沿 x 轴方向，其值为 ux，相对于 s

′系的速度为 u′x，这里 s′系相对于 s 系的速度为 v，且沿 x 轴方向。由洛伦兹变换可知，

u'x =

ux − v ，

vu x

1 − c2

此式与牛顿力学中的速度相加公式 u′x=ux-v 不同。只有当 v 和 ux 都远小于 c 时，爱因斯坦速度变换关系才近似化为牛顿力学中的形式。上述相对论速度变换关系保证了光速相对于任何惯性系都是 c。例如，当 ux=c 时，由上式可得 u′x=c。

质速关系与质能关系 相对论中以速度 u 运动的质点的动量为

p =

其中 m0 为该质点的“静质量”，即与该质点相对静止的观察者所测得的质量。在牛顿力学中质点动量的值与其速度的值成正比，但是在相对论中这个关系不再成立。上式形式上可记为 p=mu，其中

m = m0

称为动质量。上式也称为质速关系。它表明，物体的质量随其速度的增大而增大；当物体的速度趋于光速 c 时，它的质量将趋于无限大。对于恒以光速 c 运动的客体（如电磁场或光），其静质量必然为零，即 m0=0。上述动量和速度的关系最早由玻歇勒（1909 年）、考夫曼（1910 年）、盖伊和拉范采（1915 年）通过实验直接证实。

狭义相对论的另一个或许是更重要的结果是关于物体的质量和能量的关系，简称质能关系：

m c²

E = ⁰ = mc²。

上式表明，任何质量为 m 的物体具有量值为 mc2 的能量。尤其是该物体静止时（m=m0），仍然具有能量 E=m0c2，称为该物体的静能。运动物体的动能于是可表示为 T=mc2=m0c2 。当物体的速度远小于光速 c 时，

1 = 1 + 1

2

u ( c )

2 ，于是 T = 1 m u² ，这是牛顿力学中关于物体动能

2 0

的公式。物体的静能是相对论理论首先预言的一种新的能量形式，在一定条件下它可转化为动能，并进一步转化为热能、电磁能、化学能等。20 世纪 30 年代后，原子核的裂变和聚变反应中释放出巨大能量的现象证实了这一预言。

相对论力学（ relativistic mechanics） 与狭义相对论一致的力学理论。相对论中动量与速度的关系是

p = mu = ，

其中 m0 为物体的静质量。牛顿第二定律在相对论中的形式为

F = dp = m du + u dm ，

dt dt dt

其中 du =a 是物体的加速度。由于 m 与速度 u 有关，而速度又与时间 t

dt

有关，所以 dm ≠0。可见，在相对论中力学的基本定律不再具有简单的 F=ma

dt

的形式。此外，相对论中物体的能量为 E=mc2，静能为 E0=m0c2 ，动能为T=E-E0=（m-m0）c2。有了上述动量、动能和静能等物理量的定义后，动量守恒定律和能量守恒定律依然成立。当所讨论的物体的速度远小于光速 c

时，相对论力学便化为非相对论牛顿力学。

相对性原理（relativity principle） 任何物理学理论必须遵循的一个原理。该原理可表述为，任何物理现象的基本运动规律在所有惯性系中相同。这个原理是物理学家通过长期实践而总结出来的一个基本结论，也是人们探索新的物理现象及其运动规律的基本出发点之一。

伽利略相对性原理该原理是在物体的速度比光在真空中的速度 c 小得多的力学现象的研究中发现的，这类力学现象的基本运动规律是牛顿第二定律。人们发现，无论在地面上还是在匀速运行的列车中做同样的力学实验（如自由落体实验），将得到完全相同的结论。这表明，不可能在一个惯性系中通过力学实验来确定该系统本身的运动状况。另一方面，如果不同惯性系的时间和空间坐标满足伽利略变换，则牛顿第二定律的形式在不同惯性系中的形式不变。因此力学现象中的相对性原理又可表述为：牛顿第二定律在伽利略变换下保持不变，故称为伽利略相对性原理。

爱因斯坦相对性原理通过对电磁现象的研究，人们发现伽利略相对性原理不能推广到电磁现象。19 世纪最后 20 年间，一些非常精确的电磁学实验（如迈克耳孙-莫雷实验）的结果表明，电磁现象似乎也应满足相对性原理，即不能在一个惯性系内通过电磁学实验（例如测量光的速率）来确定该系统本身的运动状况。爱因斯坦于 1905 年假定，任何物理现象都满足相对性原理，即不可能在一个惯性系内通过力学的，电磁学的，或者任何其他类型的物理实验来确定该系统的运动状况。这个原理称为爱因斯坦相对性原理，或简称相对性原理。这个原理表明，在物理学中所有惯性系是等价的；自然界中不存在绝对参考系；一切物理运动都是相对的。爱因斯坦在这个假设的基础上建立了狭义相对论。电磁现象是人们最早研究的高速运动物理现象，其基本规律由麦克斯韦方程表示。为了使电磁现象的基本规律在不同惯性系中保持相同的形式，则不同惯性系的时间和空间坐标之间应满足“洛伦兹变换”。因此爱因斯坦相对性原理也可表述为，在洛伦兹变换下任何物理现象的基本运动规律保持不变。于是人们发现，伽利略相对性原理并不正确。不过在低速情况下，洛伦兹变换将近似化为伽利略变换。所以对于速度远比光速 c 小的物理现象来说，伽利略相对性原理近似成立。

在微观领域，特别是在基本粒子领域中常常涉及到高速运动情况。近代在这些领域的大量实验完全证实了爱因斯坦相对性原理。

相干性（coherence） 两个过程之间的相关性。在波动光学中说某种光源的光具有相干性，是指该光的光束经过两条不同路径再次相遇时会形成可观察的稳定的干涉图样。所以，相干光必须满足一定的条件。其实， 任何两束光即使不满足相干光条件，在空间相遇后总会在某一时刻某一地点因干涉而使光强增强，另一些地方则因干涉而减弱。但是这种相干是暂时的，在另一时刻这种增强或减弱可能恰恰相反。在相干性的讨论中通常把这种暂态相干排除在外。

时间相干性 在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。在这类问题的讨论中，常常引进所谓相干时间这个概念，它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干时间是光波频率宽度△v 的倒数。对理想的单色光，△v=0，因为它具有精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。频率宽度愈大，光

的单色性愈差，相干时间愈小，时间相干性也就愈差。一般单色性较好的激光器，相干时间为 10-2～10-3 秒；热光源约为 10-8～10-9 秒。光在相干时间内传播的距离称为相干长度。相干长度可以理解为光源所发光的波列的几何长度。理想的单色光为简谐周期函数，它在空间上是无限长的，故其相干长度也为无限长。热光源的相干长度或波列几何长度在真空中约为几米。

空间相干性在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性。这个概念适用于扩展光源，可用相干面积来量度。若扩展光源的面积为（△l）2，此面积内各点所发出的波长为λ的光通过与光源相距为 R 并与光传播方向垂直的平面上的两点，如果这两点位于由下式定义的相干面积

A = ( λR) ²

∆l

内，则称通过该两点的光是相干的。R 确定时，光源的横向尺寸越小， 相干面积就越大，因而空间相干性也就越好。严格地说，空间相干性是指垂直于光传播方向的截面上的任意两点间的相干性。相干面积与相干长度的乘积称为相干体积。

相干函数 常常用相干函数这个量对光束相干性作定量描述。设 S1

（x1）与 S2（x2）是空间中的任意两点（见图 1），这两点发出的光信号用时间复函数 v1 和 v2 表示。当光信号传播到 P 点会合后，P 点处时刻 t 的光信号可记为

v（t）=v1（t-t1）+v2（t-t2），

式中t = S1 P ，t = S2 P 。

1 c 2 c

P 点的光强为

图 1 双光束相干

I（t）=v（t）v*（t），

式中 v*（t）是 v（t）的共轭复数。由于光电探测器的响应较慢，实际探测到的是一段时间内光信号的平均强度，即

I(t) = lim 1 ∫T v( t)v *(t)dt =< v(t) v * (t) >

T→∞ 2T −T

上式最后表式是一种简略写法。由于光强是平稳的，其平均值与时间起点的选择无关，故有

〈v1（t-t1）v2（t-t2）〉=〈v1（t）v2（t-τ）〉， 式中τ=t2-t1。于是 P 点的平均光强为

I=I1+I2+2Re{〈v1（t）v2（t-τ）〉}，

式中 I1=〈v1（t）v1（t）〉，I2=〈v2（t）v2（t）〉，分别为 S1 和 S2 处的次波源在 P 点各自单独产生的光强。第三项是干涉项，Re 表示取实部。定义自相关函数Γ11（τ）和Γ22（τ）为

Γ11（τ）=〈v1（t）v1（t-τ）〉， Γ22（τ）=〈v2（t）v2（t-τ）〉。

自相关函数描写了时间相干性，而Γ11（0）和Γ22（0）则表示 S1 和 S2 处的光强。再引入互相干函数Γ12（τ）

Γ12（τ）＝〈v1（t）v2（t-τ）〉，

可以看出，当τ=0 时，Γ12（0）描写了 S1 和 S2 光信号之间的空间相干性。归一化的相干函数称为复相干度γ12（τ），即

γ （τ） = Γ12 (τ) ，

12 [Γ

(0)Γ

(0)]^1/2

11 22

于是 P 点的平均光强可用γ12（τ）表示为

I = I1 + I2 + 2 Re{γ 12 ( τ)}。

当 12=0 时，I=I1+I2，表示 P 点是两个完全不相干光的叠加，该点的光强为 S1 光强 I1 和 S2 光强 I2 之和。当|γ12(τ)|=1 时，两个光信号完全相干。0＜|γ12(τ)|＜1 时，两个光信号部分相干。P 点干涉条纹的可见度可表示为

F = I max − I min = 2 I1

I 2 |γ

(τ)| ，

I max + I min

I1 + I 2

就是说，复相干度的模确定了干涉条纹的可见度。

布朗-特威斯实验 相干函数描写了光场相位之间的相关性，其量纲为强度量纲，是一种所谓一阶相干性。1956 年汉伯里布朗和特威斯两人在用迈克耳孙星体干涉仪测量星体直径时，采用了一种所谓强度干涉法。这种方法中，以测定光子到达时涨落的相关性代替传统的相位相关性。实验示意图如图 2 所示。汞弧灯 S 发出的光被半镀银反射镜 M 分成两束后，投射到两个光电倍增管 P1 和 P2 上，输出的电信号强度分别正比于入射光强 I1

（t）和 I2（t）。分别经过滤波和放大器装置 A1 和 A2 后，消除了信号中的直流分量，仅让涨落∆I1(t)=I1(t)-<I1>和∆I2(t)=I2(t)-<I2>送进相关器C。用一台积分马达 N 将相关器 C 得到的强度起伏乘积的时间平均值记录下来，从而测得两个强度涨落之间的相关性。与用振幅定义一阶相干函数相类似，现在用强度定义二阶相干函数和二阶复相干度，并用上角标（1）和

（2）分别代表一阶和二阶相干量。如果光场中只有γ⁽¹) （τ） = 1成立，

就说该光场具有一阶相干性。如果γ^{(1) （τ） = 1和γ (2) （τ） = 1 同时成}

12 12

立，就说该光场具有二阶相干性。可以证明，严格的经典单色波具有二阶相干性。而热光源发出的光场不具有二阶相干性。利用同样的方法还可以定义高阶相干函数和相干度。现在，二阶相干技术和高阶相干技术已在超短脉冲测量和快速弛豫过程研究中得到应用。

相和相变（ phase and phase transition） 相一个处于热平衡状态的物质系统，可能处于

图 2 光强涨落相关性

一个从宏观上看其物理性质和化学性质处处相同的均匀状态，这时该状态通常称为物质的一个相。在一定的外界条件下，物质系统也可能呈现出若干个宏观上可分离的不同的均匀状态，这些状态之间能彼此处于热平衡， 而且互相共存，这些不同的均匀状态就称为该物质的不同的相。

任何物质的气态只有一个相。多种不同的气体相互混合，在达到热平衡时不会出现宏观上可分离的不同的均匀部分，因此，混合气体也只有一个相。由一种化学组分（一个组元）构成的物质的液态只有一个相。两种不同物质的液态如果能相互混合，则形成一个相（例如纯水和乙醇的混合）；如果不能混合，就会出现宏观可分离的界面，形成两个相（例如水和油）。物质的固态情况比较复杂，结晶态可以有多种结构，它们分别属于不同的相，而非晶态只有一个相。

由一个组元构成的物质在一定条件下可以分别处于不同的相，也可能出现多相共存形成单元复相系。例如水、冰和汽就是一种单元系的三个相， 在温度 t=0.01℃，压强 p=610.881 帕时，这三个相可以共存，这就是相图上的三相点。由 k 个组元构成的物质可以形成多元复相系，整个系统允许共存的ϕ个相与相平衡点可以独立改变的强度量变数的数目 f 之间存在如下关系

f=k+2-ϕ，

这就是吉布斯相律。当 f=0，即不存在可独立改变的强度量变数时，k 个组元的多元复相系最多可以有ϕ=k+2 个相共存。

相变及其分类在平衡状态下，不同相之间发生的互相转变称为平衡相变（以下所指的相变均指平衡相变）。为了更好地认识各种相变的物质特征，1933 年厄任费斯脱首先按照相变点处的热力学势及其导数的连续性对相变进行了系统的分类。如果在相变点两相的化学势连续，但化学势的一阶偏导数代表的性质发生跃变，而且跃变量是有限的，则该相变称为一级相变。一级相变发生时存在体积的突变和相变潜热。如果在相变点两相的化学势以及化学势的一阶偏导数连续，但化学势的二阶偏导数代表的性质发生有限的跃变，则该相变称为二级相变。二级相变发生时既无体积变化也不存在潜热，但作为化学势二阶偏导数的定压热容量、定压膨胀系数和等温压缩系数存在突变。一般说来，如果两相的化学势和化学势的一级、二级直至（n-1）级的偏导数连续，但 n 级偏导数存在突变，则该相变称为n 级相变。自然界中已发现的只有一级相变（例如普通的气液相变和在外磁场中的正常导体-超导转变）和二级相变（例如在气液临界点上的相变和没有外磁场的正常导体—超导转变）。理想玻色气体的玻色-爱因斯坦凝聚在理论上是三级相变。但现实的玻色系统仍表现为二级相变。

范德瓦耳斯方程和气液相变为了描述气液相变，范德瓦耳斯在 1873 年在计入气体分子两种相互作用后，讨论了实际气体的相变问题。首先，他假设每个气体分子是具有一定体积 b 的刚球，从而气体分子活动的有效体积比容器体积 V 减少 Nb（N 为气体分子数），这相当于气体分子在分子直径的作用力程上存在很强的排斥力。其次，他假设气体分子在较远的距离

上存在微弱的相互吸引作用，从而使气体内部产生附加的内压强

是与气体性质有关的常量），于是理想气体状态方程应修改为

(p + ( N ) ² a)（V - Nb） = NkT， V

N ( V)

² a（a

这就是著名的范德瓦耳斯方程。它较好地反映出高压强下实际气体的状态变化关系。

图 1

在 p-V 图上可以画出范德瓦耳斯等温线（见图 1）。当温度很高时，范德瓦耳斯等温线非常接近于理想气体的等温线，而在温度较低时，范德瓦耳斯等温线存在着一个极大值和一个极小值。随着温度的升高，这两个极值逐渐靠拢，最后在临界温度 T=Tc 的等温线上互相重合为一个点 C。C 称为临界点，相应的压强 Pc 称为临界压强。临界点 C 就是 p-T 相平衡图上汽化曲线的端点。由于临界点的存在，可以使物质从液态连续地转变为气态， 一旦超过临界点，液态和气态的区别也就不复存在。早在 1869 年，英国物理学家安德鲁斯就在实验中发现，当温度达到 31℃附近时，二氧化碳的液态和气态的密度差别就消失了。范德瓦耳斯利用分子动理论观念提出的状态方程正是从理论上预言了气液相变临界点的存在。容易看出，在临界点C，有

∂p ∂²p

( ∂V) = 0，( ∂V 2 )T c

= 0，

把范德瓦耳斯方程代入后，可以得到临界参量

V = 3Nb；T = 8a ；p = a 。

^{c c} 27bk ^c 27b²

如果以 Vc、Tc、和 pc 作为测量体积、温度和压强的单位，引入三个无量纲的量

V T p

V = V ；T = T ; p = p

c c c

代回范德瓦耳斯方程，可以得到

( p +

3 )(3V − 1) = 8T。

V 2

这个方程中不再出现与气体性质有关的常量 a 和 b。而且p，V，T 是以偏离临界点的程度来度量的，不同气体的 pc、Vc、Tc 可能不相同，但当它们偏离临界点程度相同时，都服从以上的方程。事实上，许多气体在一定压力和一定的体积范围内相当好地遵循这个方程。这个方程不但比范德瓦耳斯方程有更广泛的应用，而且它在理论上第一次揭示出在相交点附近各种气体的气液相变所具有的普适规律。

∂P

在 T＜Tc 的范德瓦耳斯等温线上有一段曲线的( ∂V)T ＞0，根据热力学

基本原理，这段曲线不能与实际的稳定的物质状态相对应。利用热力学稳定平衡判据，可以发现在沿等温线压缩气体时，气体将沿着一个平衡压强经气液两相共存的状态逐渐转变为液态，这个平衡压强所处的位置将保证两相共存的状态为稳定平衡状态，并且符合麦克斯韦等面积法则（见图2）。面积（LMN）=面积（NOG）。图中曲线 MNO 上的状态是不能实现的。但曲线 LM 和 OG 上的状态不违反热力学稳定条件，在实验上也是可以观察到的。LM 段对应过热液体状态，沿等温线使液体减低压强时，它可以越过共存区边界点 L 进入对应更低温的等温线区域而不气化。类似地，OG 段对应过冷气体状态，沿等温线压缩气体时，它可以越过共存区边界点 G 进入对应更高温的等温线区域而不液化。过热液体和过冷气体都属于亚稳定平衡态。

二级相变和朗道的相变理论 在二级相变过程中，系统的状态可以连续地从一个相转变到另一个相，因而又称连续相变。这类相变的主要特征是，在相变点上系统的对称性将发生突变。例如在铁磁相，原子磁矩形成有序排列，表现为自发磁化，这是在方向上对称性

图 2

较低的状态。随着温度升高，自发磁化逐渐变小，在达到居里温度时自发磁化变为零，系统进入对称性较高的状态——顺磁态。在二级相变中，通常是温度较低的相对称性较低，对应于比较有规则的状态（有序态），高温相对称性较高，对应于比较混乱的状态（无序态）。朗道采用一个序参量作为对系统有序程度的度量。例如在铁磁-顺磁相变中，取自发磁化强度为序参量η，则η=0 代表对称性高的顺磁态，即无序态，η≠0 代表对称性低的铁磁态，即有序态。在一定的温度 T 和压强 p 之下，η的平衡值ηe，

∂P

由热力学势 G=G（T，p）的极值条件( ∂V)T =0 决定，相变点就是ηe=0 的临

界态。

根据序参量可以连续变化的性质，朗道提出可以把热力学势 G（T，p， η）在相变点邻域内展开为η的幂级数

G（T，p，η）=G0+αη+Aη2+Bη2+⋯

由低温相和高温相的不同对称性可以证明α≡0，利用稳定平衡条件又可得到在低温相 A＜0，在高温相 A＞0，因而可假设 A=a（T-Tc）（a 是常数）。由相变点本身必须是稳定的条件又可导致 B=0，C＞0。G 在相变点为极小

∂P

值， ( ∂η) =0，从而得到

ηe (T, P)



0





= ± [−



T > Tc A ]1/2

2C

= ±[ a (T − T)]^1/2 ,T < T

 2C ^{c c}

因此，在高温相 T＜Tc，ηe=0，无自发磁化，在低温相 T＜Tc，ηe≠0，出现自发磁化（见图 3）。忽略η展开式中的高次项，可以得到，在相变点T=Tc，熵 S 和体积 V 作为 G 的一阶偏导数都是连续的，但比热作为 G 的二

a²T

阶偏导数存在突变，突变量是△C = ^c ，由△C ，还可以求得热膨胀系

p 2C p

数、等温压缩系数的突变量。

图 3

朗道的相变理论利用了热力学系数在相变点上的奇点行为，解决了不同对称性两相之间在二级相变过程中热力学量的突变问题。这个理论目前仅适用于通常三维物体中的相变，而不适用于二维物体（平面晶格）的相变。现代实验技术还表明，对各向同性的铁磁体，在临界点附近小于

T − Tc ～10^-2 的范围内，朗道相变理论已不再适用，而对超导体，至今尚

Tc

未观察到偏离朗道理论的结果。

相互作用（interaction） 在物理学中，指一切作用都是相互的。相互作用的表现是力，它使发生相互作用的物体运动状态发生变化。物质之间存在着多种多样的相互作用，正是由于这些相互作用导致物质粒子的产生、湮灭和转化，构成了物质运动的丰富生动的图像。迄今为止，人们发现自然界有如下四种基本相互作用。

强相互作用结合核子成为原子核的核力以及介子和重子相互碰撞时产生粒子过程的相互作用，其强度的数量级约为 1～10。其有效力程约为～ 10-13 厘米，当两个强子相互接近到相距～10-13 厘米左右时，它们几乎肯定会发生强相互作用。假定粒子的速度接近光速，那末通过这段～10-13 厘米的有效力程时，所需要的时间将是～10-23 秒。也就是说强相互作用在～ 10-23 秒内进行完毕，这个时间就成了强相互作用的特征时间。在强相互作用的过程中所有守恒定律都成立，具有最高的对称性。光子和轻子没有直接的强相互作用，而重子和介子具有直接的强相互作用，所以我们把重子和介子统称为强子。

电磁相互作用 所有荷电粒子和光子之间的相互作用，其强度的数量级约为 10-2。其有效力程可达无穷远（当然作用力的大小还是随距离增加而减小的）。光子是电磁作用的媒介粒子。荷电粒子之间的电磁作用是由于它们之间交换了光子而形成的。守恒定律中例如同位旋守恒，在电磁作用中遭到破坏。电磁相互作用的特征时间约为 10-21 秒。电磁相互作用理论是目前各种相互作用理论中发展得最完整的理论，也是各种相互作用的典范。

弱相互作用除光子外，粒子都具有弱相互作用，主要表现在粒子衰变过程。其强度的数量级在低能时约为 10-6，在高能时可达 10-5。守恒定律中例如同位旋、奇异数、宇称、电荷共轭等不变性均遭到破坏。弱相互作用的有效力程＜10-15 厘米，即使在这样短的距离内弱作用粒子相互作用的概率也只有 10-10，弱相互作用产生所需要的时间可由 10-8 秒直到 15 分钟。

引力相互作用所有粒子都具有引力相互作用，其强度数量级约为 10-

38，其力程可达无限远处。由于其强度极小，而微观粒子的质量又都很小，

因此在微观粒子领域里，引力作用相对于其他作用常常是可被忽略不计的。可是在天体物理领域里，因天体质量巨大，引力相互作用又起着主导作用。

四种基本相互作用统一的研究这是物理学家一直关注的重大课题。爱因斯坦在建立广义相对论后，花很长时间致力于统一场论的研究，他希望能建立一个电磁作用和引力作用的统一理论。爱因斯坦的这个研究并没有取得成功，现在看来，主要在于物理学的发展在当时条件还不成熟。粒子物理学近 30 余年的研究探索表明，首先成功地统一起来的是弱相互作用和电磁相互作用。

1961 年，美国物理学家格拉肖首先提出了弱相互作用和电磁相互作用统一的猜想，预言中性弱流的存在，这就为弱相互作用和电磁相互作用统一的研究拉开了序幕。1967 年和 1968 年，美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆各自独立地提出把弱相互作用和电磁相互作用统一起来

的具体方案，这方案把电磁相互作用的规范粒子（光子）和弱相互作用的规范粒子（中间矢量玻色子 W，中性矢量介于 Z）联在一起，把它们看成是同一矢量粒子家族中的成员，并采用黑格斯（Higgs）机制，使弱相互作用的规范粒子获得质量，同时猜想这个理论能够重正化。这就是温柏格-萨拉姆的电弱统一理论。

电弱统一理论除了可以解释已知的弱相互作用和电磁相互作用的基本规律外，还要求存在中性流，即不转移电荷的弱相互作用过程。在研究弱相互作用的几十年间，这种过程始终没有被发现。但由于格拉肖等人对它们的存在作出了预言，于是便在短短几年后，即 1973 年，在西欧核研究中心首先发现了中性流的径迹记录，随后又在费米实验室等处，从中微子诱发的反应中观察到这类过程。这就表明格拉肖等人所作的理论预言是正确的。

至于电弱统一理论最直接的实验验证，应是传递弱作用的 W 粒子和 Z 粒子的发现。理论预言 W 粒子的质量为（82.0±2.4）GeV，Z 粒子的质量为（93.0±2.0）GeV，由于它们的质量约为质子质量的 87～99 倍，一直到1982 年才有可能在用加速器所进行的实验中产生。1982 年，西欧核研究中心发现了 W 粒子，其质量约为（80.9±1.5）GeV；1983 年，西欧核研究中心又发现了 Z 粒子，其质量约为（95.6±1.4）GeV。W 粒子和 Z 粒子的发现，进一步支持了电弱统一理论。

电弱统一理论是 SU（2）×U（1）的规范理论，正是在电弱统一理论取得初步成功的启发下，人们又在研究揭示弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用统一的规范理论——大统一理论。而研究大统一理论的直接起因是对电弱统一理论的局限性分析，这里包括：①由弱统一理论的标准模型中有两个耦合常数 g2、g1（或等价地，e、sinθw），还不是真正的统一；

②在这个理论中得不到电荷量子化的解释；③夸克和轻子之间的联系不清楚；④没有充分理由说明为什么三代粒子重复填充 SU（2）×U（1）的同样的表示；⑤不能说明到底存在几代夸克和轻子。解决这些问题的一个自然的出路是走向大统一理论。

目前国际上提出了许多种大统一模型，各有不同的特点，但是迄今为止，并没有任何一个大统一模型得到实验的判定性检验。比较说来，最简单最有代表性的大统一模型是 SU（5）模型，它可以概括的已知规律很多， 同时又不引入过多的未发现的粒子，比起其他模型处于更重要的地位。事实上，其他许多模型都是以 SU（5）模型为基础而建立的。

SU（5）模型的基础是强作用的量子色动力学理论和电弱统一理论，它可以解释这两个理论可解释的实验。SU（5）模型在把强作用和弱作用进一步统一起来时所得到的新结果是，它可以算出电弱统一理论中未知参数的值，并且和实验测得的相符合。SU（5）模型中最重要的和过去理论不同的结果是，预言质子可以衰变，其平均寿命大约为 1029～1033 年的范围，其取值取决于模型的具体细节和采用的假定。对于最小 SU（5）模型，预言值＜1031 年，但现在关于质子衰变寿命的实验却＞1032 年，因此现有实验并不有利于 SU（5）大统一模型。

近 10 余年来，许多理论物理学家又在探索建立起对称大统一模型，在这种模型中把四种基本相互作用都统一起来。这样的模型也提出多种，但总起来说还处于摸索的阶段，还没有一种模型得到判定性的支持。由于在

大统一理论范围内，各种可能的模型已被试探研究过，各种可作的探索研究也较充分进行过，因此，从 1980 年起，人们对基本相互作用统一的研究， 已从大统一理论转移到超对称大统一理论方面来，成为认识基本相互作用统一的一个重要动向。

相速度（phase velocity） 见波速

响度（loudness） 又称音量或声量。人听觉所能判断的声音强弱的程度。响度取决于声强、频率和波形，与声强有密切关系，但并不就是声强。声强是声波本身的强弱，是客观存在的物理现象，而响度是人耳对声波感觉的强弱，是客观存在在主观上的反映。是物理现象与生理现象的综合。

响度的单位是“宋”（拉丁文“sonus”的音译，旧译作“■”）。规定比正常人听阈高 40 分贝的 1000 赫纯音的响度为 1 宋。1 宋等于 1000 毫宋，1 毫宋相当于人耳刚能听到的声音。

响度级（loudness level） 仿照声压级引入的一个概念。选取 1000 赫的纯音作基准声音，在无反射的环境中，如某种噪音听起来与该纯音一样响，这种噪音的响度级就等于这个纯音的声压级数值（分贝数值）。

响度级的单位是“方”（phon）。人耳对声音的灵敏度，不仅与声压级有关，而且是频率的函数，对低频声音的灵敏度较差。例如声压级为 50dB 的 100 赫声音，听起来却与声压级为 40dB 的 1000 赫纯音一样响，那么这一声音的响度级只有 40 方。利用与基准音比较的方法，可得整个可听区域的纯音的响度级，这就是等响曲线，它是通过大量实验测得的。

像（image） 物点发出的单心光束，经光学系统后仍保持单心性不变，该心称为像。如果光束实际上的确是在该点会聚的，会聚点便称为实像。如果要把各条光线反向延伸后才会聚某点，则该会聚点称为虚像。把白纸放在实像的位置上，白纸将受会聚光束照射，发生漫反射，故可以看到白纸上有亮点。虚像则不能显示出亮点。

对于人眼来说，物和像都是进入瞳孔的发散光束的顶点。人眼判断光束顶点或寻找物的位置，都是沿刚进入瞳孔前光线的方向推算的。实物向各个方向都发出光线，人眼可以在不同位置上捕捉到这个发散光束的顶点。实像所在点确有光线会聚，各条光线在会聚点相交后将成为发散光束。继续它们的直线传播，人眼通过这种发散光束感知到该实像；但却不能看到形成这个实像的物。虚像所在点没有实际光线通过，人眼通过进入瞳孔前的光线的反向延长线，感知虚像的位置。像差（aberration）实际光学系统成像与理想光学系统成像的偏差。理想成像要求物点和光线都限制在近轴区域，但实际光学系统中，为了获得足够的光能量，光线不可能局限于近轴区域。其次，实际物体总有一定的线度，并非几何点。第三，实际成像光束多为复色光，系统对不同波长有不同折射率，因而同一物点所发出的不同波长的光，即使是近轴光，也不相交于一点。非近轴光形成几何像差，非单色光形成色差。

如果物是一平面，且垂直于光学系统的光轴，则理想的像要求：①物面上每一点应有一个共轭像点与此对应：②所有像点应位于同一垂直于光轴的像面上；③各像点的放大率都相同；④像的各部分应有与物同样的色彩。否则，像将是变形的或模糊不清的。如果光的单色性已有保证，形成的像差称为单色像差，主要包括：近轴物宽光束引起的球面像差和彗形像

差；远轴物窄光束引起的像散、像面弯曲和像形畸变。

球面像差简称球差。位于光轴上的物点所发出的宽光束，经光学系统后并不会聚于同一个像点而成为弥漫的圆斑。就单独一个凸透镜来说，近轴光形成的像点离透镜较远，远轴光形成的像点离透镜较近。对凹透镜则相反。通常的最远（或最近）交点与理想像点之间的距离称为纵向球差。远轴光射到理想像面（过理想像点且垂直于光轴的平面）上的点与理想像点之间的距离称为横向球差。球差大小与透镜曲率半径、透镜形状及媒质的折射率有关。利用会聚和发散两种透镜所产生的球差不同，把它们组合起来可以消除球差。

彗形像差靠近光轴的物点发出的宽光束经光学系统后在理想像面上形成彗星形状的像。原因是经过透镜不同环带的光线在理想像面上形成大小不同相互重叠的圆，其圆心与光轴有不同的距离，从而使形成的像形如彗星。如果垂直于光轴的物长为 y，对应的像长为 y′，光轴上物点发出的光线与光轴的夹角为 u，对应的共轭光线与光轴的夹角为 u′，入射线和出射线空间的折射率为 n 和 n′，则所谓阿贝正弦条件为 nysinu=n′y′sinu

′。满足该正弦条件的光学系统可消除彗形像差。

像散与像场弯曲远轴物狭窄同心光束经光学系统后其单心性被破坏， 此时的像点变成了相交成相隔一段距离的两条相互垂直的焦线，称为像散。如果远轴物是一个较大的平面，即使光学系统的像散已经消除，像面仍将是一个曲面，称为像场弯曲。它和像散有关，决定于光学系统中各透镜的焦距与折射率之间的关系，而与透镜的形状及光束截面的粗细无关。畸变离光轴远近不同的物点成像时，由于横向放大率不同而形成的一

种像差。横向放大率随物点离开光轴的距离而增大时，为正畸变，又称枕形畸变；反之为负畸变，又称桶形畸变。

消声器（mufiler） 阻止声音传播而允许气流通过的装置。是降低空气动力性噪声的主要设备。一般装在空气动力设备（如空调设备）的气流通道上，使该设备的噪声降低。好的消声器应当是消音量大、空气动力性能好（阻损小）、结构性能好（体积小、坚固耐用）。消声器的型式很多，一般可分为：①阻性消声器（利用吸声材料消声）；②抗性消声器（根据声波滤波原理制成）；③阻抗复合消声器（既有吸声材料，又有共振器、扩张室、穿孔屏一类滤波元件的消声器）。

消声室（anechoic room） 所有边界上都覆盖能有效地吸收声能的吸声材料，使室内形成自由场的声学实验室。室内所有壁面都布满着在所要求的整个频率范围内能吸收 99%以上入射声能的吸声尖劈。吸声尖劈是由吸声材料制成的，附图所示为其中一种结构。其吸声原理是：声波射入尖劈，经多次反射后，基本上能绝大部分吸收。为了防止外界噪声干扰， 该室还具有很好的隔声和隔振措施。消声室好坏的标准是室内声压、反比距离规律的偏离程度，即在点声源发射的球面波自由声场中，无论何处声压都应与离声源的距离成反比。与此规律偏离越大，则消声室性能越差。消声室的用途主要是进行传声器的自由场校准，以建立空气中的声压基准；测试电声仪器、设备及器件等的声学性能；测定各种机器和设备等声源的噪声功率及声谱分析；有关语言、听觉、声波等的基本特性的研究。

吸声尖劈

协同学（synergetics） 研究由大量子系统构成的非平衡系统，从无序到有序转变规律和特征的一门学科。由德国物理学家哈根在 70 年代创立。

自然界中除了存在着微观水平上原子和分子的各种结构外，在宏观尺度上也存在着各种不同的空间结构、时间结构和功能结构。这些结构表现出来的行为，不是子系统行为的简单叠加，而是子系统按照某种规则互相作用、互相协调、自己组织的结果。虽然子系统例如电子、原子、分子、细胞、神经元、器官、动物及人类的性质纷繁复杂，然而自组织的规则却十分相似。哈根正是为了强调子系统的协同性质在形成自组织过程中的作用而把它所创立的学说称为协同学。

自组织结构的几个例子：①流体力学中的对流不稳定性。处于重力场中的液体层在上下两个表面之间保持一定的温度梯度时，一开始会在垂直方向上出现微观的热对流。当温度梯度逐渐增大到某一阈值时，微观层次的热对流发展为宏观上液体的流动，形成一种有规则的空间结构花样，花样的线度与液体层厚度的数量级相同。②泰勒不稳定性。在透明的外圆筒和同轴的内圆筒之间充满液体，当内圆筒以一定角速度转动时，被带动的液体呈现同轴流线的流动。当转速逐渐增大到某一阈值时，液体的流动出现新的运动模式，开始呈现周期性向内和向外的滚动。当转速达到第二个阈值时，滚动就以某一基频进行振荡，以后出现两个基频振荡，在一定条件下可观察到一系列新出现的基频振荡，它们分别是第一个基频的

1 1 1 1

2 ， 4 ， 8 ， 16 ， ⋯⋯形成复杂的空间时间结构。③激光系统的受激辐

射。当组成激光材料的原子受到外界激发或“泵浦”时，它们就会辐射光波。在泵浦功率比较低的情况下，激光器中发出完全不相干的光波。当泵浦功率增大到某一阈值时，激光器将发出方向性和相干性极好的正弦光波，呈现出一种空间结构。在泵浦功率再增大到第二个阈值时，激光器就发出强而短的的周期脉冲，形成时间结构。

以上提到的时间结构、空间结构以及更复杂的结构模式都发生在远离平衡的非平衡系统中，它们的出现不是来自外界输入的某种“指令”，而是依靠大量子系统互相协同的自组织行为。在电子线路的非线性振荡、化学反应、生物的形态发生等现象中，也都发现类似的自组织结构。

协同学的基本原理 ①找出表征协同系统性质的状态参量及其运动方程。在流体力学问题中状态参量可以是流体的密度或流速；在激光系统中电场强度、磁感应强度可以被选作为状态参量；在涉及化学反应时，分子的浓度就是一个状态参量。状态参量的运动变化一般既与时间有关，也依赖于状态参量的空间不均匀性，此外还会受外界控制参量（在激光系统中， 泵浦速率就是一个控制参量）和内部或外部噪声的影响。综合以上种种因素，可以得出状态参量的非线性运动方程。②对非线性的状态参量方程在不稳定点附近作线性稳定性分析，找出不稳定模式和稳定模式。利用绝热消去技术和伺服原理（又称支配原理），消去与稳定模式对应的快变量， 也就是将快变量用慢变量表示，从而使高维多自由度的问题约化为少量自由度的问题。③对留下的起支配作用的少数不稳定模式，讨论它们的状态参量随时间的变化，这种状态参量称为序参量。④随着控制参量的改变， 一个受序参量支配的系统可能从均匀的各向同性的某种状态转变为非均匀

的一种有序状态，或者出现分岔现象，进入几种可能状态中的一种。在有序状态中也有可能伴随出现一种或多种不同频率的周期振荡，这就表现为宏观上的时间和空间自组织结构。

协同学的广泛应用 协同学的研究对象是由大量子系统组成的复杂系统，它吸取了平衡态相变理论中的序参量和绝热消去原理，采用随机理论建立序参量的演化方程，并以信息论、控制论的基础建立起自组织的理论框架，对诸如激光、非线性光学、流体力学、化学、气象学等自然科学领域，它一般都可以给出定量结果，对涉及社会科学问题它也能给予定性说明，因此，协同学刚一诞生，便受到各方的重视。由哈根领导的德国斯图加特学派，目前是世界上非平衡统计物理的主要学派之一。1981 年哈根本人因他对激光理论的研究工作和在协同学的创立和发展方面的突破性成就而荣获美国富兰克林研究院的米切尔森奖章。1984 年被授予联邦德国功勋科学家称号。

谐音（harmonic） 频率为基频整数倍的分音。一般来说，发声体的振动都不是单一频率的振动，而是复合振动，它可以分解成几个不同频率的分振动。如除频率为 f 的振动外，同时还包含频率为 f 的整数倍如 2f、3f⋯⋯等振动，每一个振动频率产生一个音，它们都称为谐音。其中频率为 f 的称为第一谐音，频率为 2f 的称第二谐音，等等。第一谐音即为基音， 其余称为泛音。

心理声学（psycho acoustics） 声学的一个分支。它研究声音与引起听觉反应之间的关系，既属声学范畴，亦属心理物理学范畴，所以是一门边缘学科。人们对声音有判断悦耳与否的能力，有不同程度的喜怒哀乐的反应；此外，噪音对人们的情绪和工作效率有一定的影响。研究心理声学的目的主要是探索这些听觉心理反应的规律和物理量，并开发它们在各方面的应用，如建立各种噪声的评价标准、掌握声音掩蔽作用的定量规律、发展立体声技术、评价听音的音质等。信号发生器（signal generator） 产生所需参数的电测试信号的仪器。它是工厂、科研部门、维修单位和实验室作为调试无线电设备、电子仪器、电子线路以及传输网络等用的信号源。它的用途广、品种多。按工作频率范围分为低频（音频）、视频、高频和超高频信号发生器等。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

1. 正弦信号发生器。产生正弦电压信号的仪器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围有音频信号发生器（20～20000 赫）、视频信号发生器（1 赫～10 兆赫）、高频信号发生器（100 千赫～30 兆赫）、甚高频信号发生器（30～300 兆赫） 及微波信号发生器（109～1011 赫）等。

2. 函数发生器。产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号的仪器。又称波形发生器。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。可供通信、仪表和自动控制系统及非电测量领域使用。

3. 脉冲信号发生器。产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的仪器。主要用于线性系统的瞬态响应的测试。也用于雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的调试及性能的测试。

4. 随机信号发生器。产生噪声信号和伪随机信号的仪器。主要应用于

测定系统的性能、噪声系数及系统的动态特性等。

星际航行（interplanetary and interstellar navi-gation ） 包括行星际航行和恒星际航行。前者是指太阳系内的航行，后者是指太阳系以外的恒星际空间的飞行。不载人的行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。1977 年发射的“旅行者”号探测器进行的是一次行星际航行。它在发射和入轨以后，在接近木星时利用木星的引力加速并使它的航向偏转，飞向土星。然后利用土星的引力加速，飞向天王星。最后将离开太阳系，飞出宇宙。通过木星、土星和天王星的飞行轨道，大约每隔45 年才有一次机会，因此“旅行者”号探测器必须在 1977 年发射。“旅行者”号探测器从地面发射后，在地球附近进行第一次制导，目的是消除入轨时由运载火箭造成的误差。第二次制导大约在飞向木星的途中进行， 目的是消除第一次制导所造成的误差。以后还将进行 6 次制导。在太阳系内的飞行时间延续了数年。

利用现代火箭技术能使发射速度达到 20 千米/秒，飞出太阳系，但还不能实现恒星际飞行。因为用该发射速度航行达到最近恒星“比邻星”， 约需 65000 年。航天器只有达到接近光速，恒星际航行才有实际意义。现阶段已有设想中的可用于未来恒星际航行的推进系统，但无法在短时期中实现。根据爱因斯坦狭义相对论，在以接近光速飞行的航天器上，时间进程比地球上慢。设 T 是航天器上的时间，T0 是地球上的时间，v 是航天器的速度，c 是光速，则有关系式：

T = T 1 - (v / c)² 。

例如，当 v=0.9c 时，有 T=0.436T0；当 v=0.9999995c 时，航天器上的时间仅为地球上时间的千分之一。这样就有可能在人的寿命期限内，完成一次往返极为遥远的恒星际航行。

“旅行者”号飞行路线简图

星形联接（starconnection） 亦称“Y 形联接”，简称“Y 接”。一种典型的电路联接方式。因其示意图形状而得名。三相电源的星形联结三相电源联接方式之一。

将三相交流发电机中的三个单相绕组的始端联接在一起成为公共端， 使三个尾端送电至负载的接法。参见“三相四线制”。

三相负载的星形联结当每相负载的额定电压与电源的相电压相同时所采用的联接方式（图 1）。三相对称负载（如三相交流电动机）的星形联接既可使用三相三线制电源，也可使用三相四线制电源。此时各相电路上的电流（线电流）也是对称的，仅位相两两相差 2π/3；而中性线电流为零，故可以省去。但若为不对称负载的星形联结，中性线将有电流流过， 只能采用三相四线制交流电源。

图 1 三相负载的星形联接

电阻的星形联接亦称“星形网络”。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三角形联接，如实线部分所示，变换式为

图 2 电阻丫接变换为△接

R = R + R + Ra R b ，

ab a b

c

R = R + R + Rb Re ，

te b c

a

R = R + R + Rc Ra 。

ca c a

b

形变（deformation） 物体在外力作用下所发生的形状和大小的改变。弹簧被拉而伸长，梁受负荷而弯曲，都是形变的例子。如形变不超过一定限度，撤去外力后，物体能完全恢复原状，这种形变称为弹性形变。其极限应力值称为弹性极限。材料的弹性极限值常随温度的升高而减小。如形变超出了这个限度，即使撤去外力，物体仍不能完全恢复原状，这时的形变称为范性形变或塑性形变。

行波（travelling wave） 又称前进波。从波源发出后在空间不断向前传播的波。即在没有外部边界的介质中形成的波。例如在空气中传播的声波和各种电磁波。由于介质具有开放性，不会发生反射现象，因此行波具有转输能量和动量的特性。除驻波外，一般的波都是行波。

行星（planet） 绕太阳或其他恒星公转的天体（彗星、流星或卫星除外）。行星一词原意为天空中游荡的天体，希腊语中该词的含义是“流浪者”。行星本身一般不发射可见光，以反射太阳光或其他恒星的光而发亮。太阳系有九大行星，按距太阳由近到远的次序是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。人类对行星的认识和研究可追溯到遥远的古代，在我国的甲骨文中就有木星的记载。九大行星中最先被知晓的是水星、金星、火星、木星、土星。我国早在战国时期就有“五星”之说。太阳系中的另外三颗行星是在发明望远镜和建立开普勒定律、牛顿万有引力定律后发现的。1781 年赫歇耳用自制望远镜发现了天王星。

九大行星的物理参数

法国的勒威耶和英国的亚当斯各自推算出海王星的位置，德国的伽勒于 1946 年用望远镜找到了它。最微弱的冥王星直至 1930 年才为美国的汤博发现。至于是否存在第十颗甚至更多的行星，仍在探索之中。此外，太

阳系还存在 2000 颗以上质量较小的行星，称为小行星。

旋光性（optical activity） 平面偏振光通过某种物质后振动面发生旋转的性质。能使平面偏振光的振动面旋转的物质称为旋光性物质。可用旋光本领定量表示物质的旋光性，它与物质中分子数目有关。对于晶体，旋光本领常常以 1 毫米厚度的材料作为标准。如水晶的旋光本领为21.7

°，即偏振光通过 1 毫米厚的水晶后，其振动面将旋转 21.7°。对于液体， 取 10 厘米为单位厚度，并以每立方厘米含旋光物质 1 克为单位浓度。例如溶液全长为 d 厘米，每立方厘米含 m 克旋光物质，所产生的旋转角为ϕ，

10ϕ

则旋光本领为α= md 。旋光本领与材料的温度和光的波长有关，例如

aD20，表示该旋光本领是用 D 谱线在 20℃时测得。

旋光性有重要的应用，利用它可测定某些旋光物质如樟脑和糖等的含量。目前已发现一些生命物质的旋光性质，如葡萄糖是右旋旋光物质，不同的氨基酸和脱氧核糖核酸（DNA）也有左右旋区别。对着光的传播方向看， 电矢量按逆时针方向转动时，称为左旋；按顺时针方向转动时，称为右旋。相应地有右、左旋椭圆偏振光和圆偏振光。

旋转泵（rotary pump） 用来排除容器里气体的机械装置，也称为机械泵。机械泵的种类较多，其中旋转式或者旋片式真空泵在物理实验中最常见。

旋片式真空泵的构造如图所示。圆筒形气缸由青铜或者铜材料制成。缸内钢质偏心圆柱柱体作为转子，能绕固定轴转动，转轴在气缸中心线的正上方，转子直径比气缸直径小，与气壁密接成一条直线，在剖面图上为一个点。沿着转子的直径嵌入两金属翼片，像光滑的刮板，由于弹簧（压簧）的向外作用，使翼片向外伸张，与气缸的内壁紧密接触。被抽气体由注入孔进入气缸，只有当缸内气体压力大于大气压和压簧压力之和才可能由排气孔排出。排气孔中的弹簧和钢珠的作用是单向通气的活阀装置，即只排而不入。

通常旋片式真空泵是由两个单级泵串联组成的。被抽的气体经过进气管先进入第二级泵，由第二级泵排出来的气体经过通道再进入第一级泵， 最后由第一级泵排出。在进气管里装有过滤网，用来防止固体颗粒落到泵里，第一级泵的排气口上装有活阀，有气体排出时，把它顶开，没有气体排出时，就借助大气压使它压紧排气口。

旋转泵

1—排气孔 2—弹簧 3—金属翼片 4—气缸

5—弹簧 6—金属翼片 7—偏心圆柱体 8—气体注入孔

9—转子和气缸密接点 10—钢珠

整个泵放在一个盛有泵油的外壳里，油面要略高于排气阀，使整个泵都浸在油里。泵油的作用是使泵的各个部件得到润滑和冷却，又使泵得到可靠的密封。为了防止泵油的渗漏，经常换用耐油橡胶制成的密封垫圈。压板固定时，各处压力要均匀，周围要有专用垫盘，以免污染环境。

旋转磁场（rotating magnetic field） 空间分布按一定方向做周期性旋转变化的磁场。在这种磁场中，每一点处的磁感应强度的大小和方向都按一定规律做周期性变化。例如，旋转磁极式发电机中通过转动电

磁铁而产生旋转磁场，该旋转磁场再与固定的电枢绕组相对运动而产生感应电动势。感应电动机则是利用旋转磁场对载流导体产生安培力作用将电能转化为机械能。旋转磁场可由旋转磁体产生，也可以在定子绕组中以适当的方式通以交流电而产生。

选择题（coded answer question） 解答问题时只要从给出的一组答案中选取正确答案的试题。物理测验中的选择题按题目结构和应答方式可以分成以下几类：两分式识别选择题、多项选择题、配置型选择题、组合判断型选择题等。

1. 两分式识别选择题。题目要求从所给的一组备选项目中识别出符合要求的正确答案。例如：下列物理量中哪些是矢量？①温度，②力，③速度，④力矩，⑤动量，⑥动能，⑦质量，⑧加速度，⑨电流强度，⑩热量。这种选择题最适宜于测试应试者的两项分类能力，它只能了解考生的记忆水平。

2. 多项选择题。多项选择题要求应试者在一组备选答案中挑选出符合要求的正确答案，它使用得最广泛。按正确答案的个数，多项选择题在物理测验中分为单一和复式答案两种。①单一答案多项选择题：它由题干和备选项目组成。其中只有一个正确的备选项目，即答案。其他错误的项目叫做似真选项，这些选项有似是而非的似真性，对概念不清、思路混乱的被试者起到一定的诱答作用。单一答案多项选择题可以是三选一、四选一或五选一。备选项目数越大，命题和答题的难度也越大。备选项目数少， 考生猜中的概率就高。②复式答案多项选择题：它由题干、备选项目和最终复式选项三部分组成。复式答案多项选择题的一组备选项目中，正确答案的个数没有限制。最后按各种方式组合备选项目，给出一组（一般是 4 至 5 个）最终复式选项。例如有三个备选项目 A、B、C，最终复式选项可设计为(Ⅰ)只有 A 对，(Ⅱ)只有 A、B 对，(Ⅲ)B、C、D 对，(Ⅳ)全部都对， (Ⅴ)C 和 D 对。让应试者从中选出全部由正确答案的编号组成的一项，这种复式答案选择题保持了单一答案选择题几选一的特点，从而保持了对这两种多项选择题的评分和统计分析的一致性。复式答案多项选择题也叫做多重选择题，如果题目不给出最终复式选项，就要求考生直接选出所有正确答案，会明显增加部分猜对的可能性，并造成统计分析上的困难。严格地说，对不设最终选项的多重选择题，只有选出所有正确答案，才算答对， 选错和少选都不能得分。单一答案选择题和给出最终复式选项的多重选择题的优点是便于统计分析，这使它们能在大规模的考试中广泛使用。

3. 配置型选择题。要求考生在一组题干跟一组备选项目之间作出对应的选择。例如：题中图(a)～(e)表示一物理量 y 是另一物理量 x 的函数。对下列三种情况，分别选择一个最适当地阐明两个已确定的物理量之间关系的图线。把结果填在题后的表格中。

y x

①在恒温下，一定质量理 气体的压强想气体的压强跟体积的乘

积。

②在恒压下，一定质量 气体的摄氏温度。理想气体的体积。

③在恒温下，一定质量 气体的体积。气体的压强。

答：①\②\③

配置型选择题能测试同一学科多方面的知识和能力，知识覆盖面较广，但选择题命题较费时。

1. 组合判断型选择题。它由备选项目完全相同、但题干不同的若干个多项选择题复合而成。例如：以下是五种运动和三种情况：A．单摆的振动， B．水平放置的弹簧振子的振动，C．竖直上抛运动，D．斜上抛运动，E．带电粒子垂直磁场方向射入匀强磁场的运动。

①物体运动到某一时刻所受合外力为零，但是速度最大。

②物体运动过程中所受外力恒定，但运动过程中某时刻速度可以为零。

③物体运动过程中所受合外力是个变力，但速度大小却不变化。

判断以上五种运动中，存在①所述情况的是（ ），存在②所述情况的是（ ），存在③所述情况的是（ ）。

这种组合判断型选择题的最大优点是知识容量和覆盖面远较一般选择题大。考生要使所学的知识融会贯通，才能正确答题，所以它能测试较高层次的理解能力。它的命题和解题难度比一般多项选择题大。

薛定谔（Erwin Schrodinger 1887～1961） 奥地利物理学家。生于维也纳。中学时代兴趣就很广泛，喜爱自然科学、语言和诗歌。1906 年入维也纳大学，受玻耳兹曼继承人哈森诺尔的深刻影响。就在这期间， 掌握了连续介质物理学中的本征值问题，为他后来的研究工作奠定了基础。1916 年毕业于维也纳大学，获博士学位。在第一次世界大战中服过役， 利用闲暇研究物理学。1921 年任苏黎世大学教授。1927 年任柏林大学教授。1933 年任牛津大学教授。1936 年任格拉茨大学教授。1956 年任维也纳大学教授。

薛定谔是波动力学的创始人，获 1933 年诺贝尔物理学奖。1926 年 1～ 6 月，一连发表了四篇论文，题目都是《量子化是本征值问题》，系统地阐明了波动力学理论。在爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和德布罗意的物质波理论的启发下，感到玻尔原子模型所描述的电子在量子化的固定轨道上绕行和跃迁的理论不能令人满意，设想用波动力学来代替通常的力学描述。认为对于电子的运动来说应当能够找到一个波动方程，就像波动方程决定着光的传播那样，这个方程决定着这些波。通过通常力学： 波动力学=几何光学：波动光学这样的类比，成功地确定了一系列做不同运动的电子的波动方程，只有当系统的能量取普朗克常数所决定的分立值时，这些方程才有确定的解，从而奠定了波动力学的基础。这些方程被称为薛定谔方程。在玻尔理论中，电子轨道的分立能量值是假设的，但在薛定谔理论中，它们完全是由薛定谔方程确定的。薛定谔方程在量子力学中占有极其重要的地位，它是描述微观粒子运动状态的基本方程。在粒子运动速率远小于光速的条件下，它与经典力学中的牛顿运动定律的价值相似，它还为处理与光谱有关的问题提供了方便而简单的方法，成为当今物理学工作者不可缺少的工具。同年 3 月，发现并证明了波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，是量子力学中的两种形式。与此同时，引入波函数

（即ϕ函数）来描述微观客体的态，还建立了微扰的量子理论——量子力

学的近似法。

然而，由于薛定谔所受的教育是以完全的决定论为基础的经典物理学，他把波函数ϕ解释为三维空间中的振动振幅，把ϕϕ*解释为电荷密度， 把粒子解释为波包，这样就无法解决“波包扩散”的困难，于是玻恩提出的波函数的统计解释，几乎为物理学界普遍接受。但是，薛定谔不喜欢用波和粒子所作的双重描述（对于波的统计解释），他想只用波来建立理论， 这就导致他同一些重要物理学家特别是玻尔之间的争论。

薛定谔对分子生物学的发展也作出了贡献。1944 年，发表了《生命是什么？》一书，该书宣传了基因是分子的观点，指出热力学、量子力学和化学理论都可以应用到生命本性的研究中去，引进非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式的突变等概念，还试图从物理学的角度解释 DNA 是怎样带有大量遗传基因的，从而使薛定谔成为分子生物学的先驱。

学期教学计划（syllabus for semester） 每学期物理教学的总体安排计划。制定学期教学工作计划主要包括以下内容：①学期教学的目的要求：从掌握基础知识、培养能力、思想教育等方面提出总体要求。② 各个课题教学时数的分配。③各种实验（演示实验、分组实验、随堂实验等）的安排。④复习和学生成绩考核的安排。⑤其他有关教学工作，如课外物理活动、教学参观等事项的安排。

为此，学期教学进度表一般应包括以下几项栏目：周次、课时、课题

（教学内容）、实验（包括演示、分组、随堂）、复习、考核和课外活动。

学生分组实验（students’laboratory work） 在教师指导下， 让学生以若干人为一组，用准备好的实验器材，利用整节课的时间，在实验室中进行的物理实验教学。学生分组实验首先要求学生明确实验目的、原理和步骤。实验时按程序规范操作，仔细观察，正确读数并记录，最后按规格写好实验报告。

学生分组实验一般可以分成以下几种类型。

学会并熟练运用基本测量仪器的实验：物理量的测量在物理实验中是十分重要和基本的。学生在中学阶段要接触许多量具和测量仪器，如刻度尺、弹簧秤、天平、温度计、安培计、伏特计、万用电表等。要知道这些仪器和器材的用途，准确熟练掌握仪器的使用方法、读数、精密度，了解部分仪器的原理、构造、性能，能根据装置图（或电路图）对基本的仪器进行正确的配套组装。

运用已知规律，测定某些物理量的实验：这类实验让学生运用已学过的物理知识和规律，去测定某些物理量，是中学物理实验中的一个重要内容。例如运用欧姆定律和电阻定律来测定金属的电阻率，运用外电路电阻的变化对电路影响的规律来测定电源的电动势和内电阻，运用单摆的周期公式测定当地的重力加速度等都是这类实验。这类实验有助于学生综合复习和运用旧知识，加深对物理规律的认识，培养动手能力。

验证物理规律的实验：这类实验是在学生已经学完某一知识内容后， 为了巩固对该物理规律的认识而设计的。例如验证牛顿第二定律的实验， 验证玻意耳—马略特定律的实验。实验要求学生通过验证，明确实验的指导思想，加深对规律的认识，培养实验的基本技能。

探索型实验：这类实验要求在教师的指导下，让学生运用已学过的知识，通过实验来探索物理规律。它的教学过程可以分为以下几个环节：提

出问题，明确实验目的（要研究哪些物理量或物理现象之间的关系），了解实验方案（通过什么实验手段对有关物理量或现象进行研究），进行实验、获得结果，分析结果、找出规律。例如“研究电磁感应现象”（楞次定律）。这类实验对学生和教师都有一定的要求，着重培养学生运用实验手段的探索能力，有助于他们掌握物理的思想和方法。

简单设计型实验：这类实验要求学生能自己设计一些简单的物理实验。学生能根据实验目的正确选择器材，设计装置，确定实验步骤，记录所测物理量，从而得出结论。例如要求测定小灯泡的电功率。这类实验的要求较高，给学生很大的活动余地，有助于培养学生的思维能力和动手能力。

学生分组实验是实验教学中的一个十分重要的环节。同一个课题也可以设计成不同类型的实验。在实验中，培养学生严谨的科学态度和动手动脑的良好习惯。

为了达到预期的实验效果，要加强教师的指导作用，一般应注意抓好以下几点：①要求学生实验前先预习，明确实验的设计思想、原理、装置、步骤；并逐步要求学生自己设计记录表格，以备填写。②实验仪器布局要合理、科学。对该调零的仪器使用前要先调零。③培养学生严格按照规范使用仪器，进行操作。例如电学实验中应切断电源再联接线路，串联在电路中的可变电阻器的滑动头应先置于阻值最大处等。④应记录原始数据， 尊重实验事实，培养学生实事求是的科学态度。⑤运算时注意有效数字的位数不可超过仪器和器材的精密度。⑥要注意让每一个学生都有充分的动手机会，并注意相互的配合和协调。

学习物理的思维过程（process ofconceptualwork in learning physics） 在学习物理中的心智活动过程。即把观察到的物理事实和现象在头脑中反复加工，使感性认识上升为理性认识的过程。该过程从问题开始，在寻求问题解答中深入，在检验答案中发展，以得到相应结论而告一段落。①发现问题。思维是从问题开始的，所以物理学习中要学会善于发现问题。在初中物理学习中发现问题的一般方法主要有：因果法。见到一个物理现象，要习惯于寻求产生的原因是什么，这就提出了一系列的物理问题。比较与联想法。比较同一物体的不同部分或不同物体、不同现象之间的异同；比较新事实与原有知识之间的矛盾，联系到类似现象之间的异同等，常常可挖掘出不少物理问题。②表达问题。发现问题后要进一步明确问题的特点与条件，理解问题的症结所在，正确地归纳和表达问题。

③提出假设，分析解决问题。为了解决问题，要提出假设，建立物理模型， 分析物理过程，考虑解答问题的方法。这样，思维就在寻求问题解答中深入。④检验结论。根据假设，一旦找到解答，还要回到原来的问题中，弄清解答是否符合原来问题的条件，思维就在检验的过程中进一步发展。学生通过具体事例了解并掌握这些基本的思维和过程，对于提高自己的思维能力是十分重要的。

学习物理的思维特点 （ features of conceptualwork in learning physics）获 取物理知识过程中，心智活动的某些特殊表现。心理研究和物理教学实践表明，中学生学习物理具有如下思维特点。①建立和掌握物理概念时应该重视思维定势具有重要作用。如在初中力的概念的教学中，力的定义是：力是物体和物体间的相互作用。因此在教学中无

论是做实验还是提问题，或是运用概念分析问题，如果反复扣住了相互作用，造成一种一提到力，学生就会出现相互作用的心理倾向，这种思维的定势在刚建立概念的时候对于把握概念、规律的实质是很有作用的。②在思考和分析物理问题时易于用生活观念代替物理概念。生活中存在的大量物理现象，使学生形成了许多生活中的物理观念，这些观念与反映事物本质特征的严格的物理概念是不相符的，致使学生在较长时间内不能纳入以概念、规律为依据的物理学思维轨道上来。这说明物理概念和规律要真正被学生接受，必须重视在运用过程中的思维训练。③表现出强烈的思维独立性与批判性，特别是当现象与本质不一致的时候，这种批判性将持续很长时间，如对力不是维持运动的原因，轻物和重物自由落体情况完全相同等 ， 持 有 明 显 的 批 判 态 度 。 学 习 物 理 的 思 维 障 碍

（thoughtdisturbancesinlearning physics）使物理学习出现困难的最主要心理原因。中学生学习物理产生思维障碍来自两个方面。一是学生原有的思维品质的缺陷，表现为思维的凝固性和片面性；二是来自物理环境、物理知识中的非本质因素和表面形式的影响，表现为思维的干扰性。

1. 凝固性思维障碍。这是指学生不能用发展的、开放的方式进行思维，是不能正确接受新知识或不能正确解决新问题的一种心理障碍。这种障碍突出地表现为先入为主和消极的思维定势两个方面。先入为主是指学生以自我为中心，从个人的日常经验和日常概念出发，想当然地对物理事件进行判断。当科学的结论和日常经验的直觉一致时，学生能用科学的概念进行思维，而当科学的结论与日常经验的直觉相反时，往往更相信自己的日常经验，用日常经验对问题做出解释。因此从某种意义上说，物理学习就是用科学的物理概念去置换头脑中先入概念的过程。如果这种置换的过程未能完成，在新的学习或解释问题中就必然出现先入为主的思维障碍。消极的思维定势是指学生把自己头脑中已有的、习惯了的思维方式不适当地生搬硬套到新的物理情境中去，是一种在满足已有成功的基础上所形成的主观的、僵化的心理准备。这种消极的心理准备限制了思维的灵活性，对相近或相关问题容易引起定向反射，把思维限制在狭窄的通道上。克服凝固性思维障碍的有效途径是多方位地进行思维，其中包括批判地对待自己原有的日常概念和日常经验，也要尽可能多地认识事物的各种形态。

2. 片面性思维障碍。这是指学生不能全面分析问题，只满足于对事物的一知半解，只凭对事物的局部了解就草率得出结论的一种心理障碍。这种障碍突出地表现在思维方法的片面性和不注意隐蔽因素两个方面。前者是只从事物局部表现分析问题，不能自觉地去把握整体、深入本质的思维缺陷。后者是不能自觉地分析、挖掘、利用给定问题中的隐蔽条件，只利用一些明显但不充分的条件去解决问题的思维缺陷。克服片面性思维障碍，就要学会全面地分析物理问题，要做到这一点，仅凭普通逻辑思维的训练是不够的，更重要的是要用辩证的观点分析问题，使辩证逻辑思维和普通逻辑思维在物理学习中并用，逐步做到全面地而不是片面地，发展地而不是静止地，相对地而不是绝对地看问题。这些都是良好思维品质的基本特征，也是避免相应的思维障碍产生的可靠保证。

3. 干扰性思维障碍。学习物理知识和解决物理问题都是信息传递的过程，而信息在传递过程中都要不同程度地受到干扰。对于学生来说，信息

传递中的干扰可分为客观干扰和主观干扰两大类。学习物理中的干扰性思维障碍就是由于主观干扰而形成的，它突出地表现在一是不能排除多余信息的干扰，即不能从给定的物理情境中挑选出与问题有关的条件或因素， 同时滤去与问题无关的条件或因素。这些无关的条件或因素对正确解答问题形成一种干扰，使思维出现障碍。二是以数学形式代替物理思维，即以绝对化的、偏离物理模型的数学形式进行思维时，本来是物理语言和工具的数学，却成了一种干扰，影响学生对问题的物理实质的思考。克服干扰性思维障碍的有效途径是多接触真实、具体的物理情境，认识它们的复杂性，提高从真实、具体的物理情境中正确建立物理模型，分析物理过程的能力。与此同时，学习时要注意从物理实质上而不是单从数学形式上去理解知识，使用数学公式则要注意其物理意义。

学习物理的兴趣特点（interests in studyingphysics） 中学生要求获取物理新知识的一种积极的心理表现。中学生对物理学习的兴趣状况大体有四种。①直觉兴趣：他们只满足于被新奇的物理现象所吸引， 希望看到鲜明、生动的物理现象和物理实验，初中低年级学生的兴趣状况常常在这种阶段。②操作兴趣：学生要求通过自己的活动对自然现象和实验结果施加影响，表现为对动手操作具有浓厚的兴趣，这种兴趣的特点是只对操作对象本身感兴趣，忽视了对事物本质的认识，初中的多数学生和部分高中学生处于这种兴趣阶段。③有因果认识的兴趣：学生的兴趣中心已发展到进一步探求现象变化的原因，理解它的物理实质。多数高中学生对事物的因果关系特别感兴趣。④概括认识的兴趣：学生要求通过个别事物的因果联系来找到和掌握更多事物的一般规律，物理规律的普遍性对他们极具吸引力，达到这种兴趣的学生是极少数。

中学生学习物理的兴趣水平可分为两个层次，一是直接兴趣，即对事物本身感兴趣，二是间接兴趣，即对事物的原因、后果更感兴趣。中学物理教学首先要重视直接兴趣，从认识物理现象本身的兴趣开始，通过建立物理图景来展现物理现象和过程，从而不失时机地转向间接兴趣，即引起认识事物内部规律的兴趣，使兴趣不断得以深化。

荀勖（？～289） 中国晋代律学家。字公晋，颍阴（今河南省许昌市）人。在晋朝任中书监。他的重要贡献是制造了 12 支发音精确的笛管（直吹，相当于今日的洞箫），并于秦始皇十年（274）首次提出了管口校正数的计算方法。

在荀勖以前，我国古笛的制作没有一定成规，笛的 7 个孔位平均排列， 不能符合乐律的准确要求，且用正规的乐律来考校，又不能相应。这主要是因为五度相生律的计算方法是从弦上产生的，应用在管上时，由于管内空气柱振动的波腹不能恰在管口，因而发生误差。再加上这种笛的管口与孔口都有空气柱逸出，对管口与孔口进行校正就相当复杂。然而荀勖根据制笛的实践经验，经过长期反复试验，终于得到了某律笛的管口校正数相当于该律律长与比它高四律的律长之差。按现代公式约可表示如下：

K = A 0

− 64 A

81 ⁰

如黄钟笛的管口校正数 K 等于黄钟律长（A0）减去姑洗（高于黄钟四

律）即 64 A

的律长；所得的校正数 K 就是黄钟笛上宫音（黄钟宫）孔位与

81 ⁰

吹口的相距长度短于其空气柱长的差数；由三分损益法计算得到的黄钟笛全长减去该校正数值 K，即得到黄钟笛的实际长度。其他 11 笛的笛口校正数与笛的实际长度，依此类推。荀勖的管口校正数是世界早期声学的重大成就之一。

Y

压差阻力（Pressure drag） 物体在流体中运动时，由于流体的作用造成物体前半部压力的总作用力，大于物体后半部压力的总作用力，这两者的差就是压差阻力。当物体运动速度较大，即雷诺数较大，以致物体后面出现旋涡时，压差阻力便成为主要阻力。但物体运动速度较小，即雷诺数较小时，阻力主要来源于粘滞阻力。压差阻力与物体形状有很大关系， 若将物体制成流线型，则仅在尾部才形成涡流，涡旋范围小，能量损失小， 故压差阻力也大为减小。

压电晶体（piezoelectric crystal） 见压电性。

压电性（piezoelectricity） 晶体受压而处于应变状态时，在晶体内会产生电场的性质。也可以观察到它的逆效应，即外加电场后会引起晶体应变。石英晶体具有压电性，是一种最常见的压电晶体。利用压电效应可以把机械能转换为电能，或者把电能转换为机械能，因此压电材料常用作换能器。此外压电性还可用于制造延迟线，当电讯号转变为机械波时， 将以声速在石英棒中传播，由于声速远小于光速，从而实现了讯号的延迟。

压电性的微观机理在于晶体中离子电荷的位移。没有应变时，电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以内部电场为零；但当晶体处于应变状态时，电荷发生位移，电荷分布不再对称，从而将出现净极化电荷，并伴生电场，这就表现为压电效应。由此可见，只有无中心对称的晶体，才会发生应变极化，从而产生压电效应。

压力（pressure） 又称压强。垂直作用在物体单位面积上的一种力。它存在于固体、液体、气体的内部，或流体与固体、固体与固体相接触的界面上。习惯上，在力学和工程学科中用“压力”一词，而在物理学中用“压强”一词。由于流体不能产生切变，不存在切应力，因此对于静止流体，不管力是如何作用的，只存在垂直于接触面的力；又因为流体的各向同性，所以不管这些面如何取向，在同一点上，作用于单位面积上的力是相同的。此时压力可作标量，但一般限于有关流体的问题中。在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，即牛顿/米 2。另外常用的单位有巴、标准大气压、托、千克力/厘米 2、毫米水银柱等。

压强（pressure） 见压力。

亚里士多德（Aristotle 公元前 384～前 322） 古希腊哲学家、科学家。生于希腊的斯塔古拉。17 岁起随伯拉图学习和工作了 20 年，曾被聘为亚历山大大帝少年时的导师。公元前 335 年，他曾在雅典兴办一所叫做“吕克昂”的学校，并创建了自己的学派，被称为“消遥派”。

亚里士多德批判了其师柏拉图的唯心主义理念论，把自然作为科学研究的客观对象，并首先进行分类，促使自然科学与社会科学逐渐演变为若干门独立科学。他所命名的“物理学”是泛指研究无生命物质的构成形式、运动现象及其原因与目的的科学。他在《物理学》（8 卷，张竹明译，商务印书馆 1982 年版）、《天论》（4 卷）、《起源与衰灭》（2 卷）、《气象学》（4 卷）等著作中首先提出了物理学中一系列基本理论问题，如物质、空间、时间、运动等，并认为它们是彼此密切相关的，主张物质、空间与时间的连续性，反对存在“真空”的观点。其次他认为物理学基本上是思辨的，物质的原初性质是两对对立物：“热与冷”、“干与湿”；而

月层以下的一切物质是由土、水、气、火四种元素组成的；月层以上的天体则是由更纯洁的第五种元素“以太”构成。再次他也研究力学、声学和光学。他的两条力学运动定则（见亚里士多德的运动定则）都是错误的。他把声音看作为一种运动，把回声解释为声的反射（见古希腊罗马的物理知识）。他还反对欧几里得的视觉论。

亚里士多德的物理学，今天看来，根本性的缺陷在于：①自然观带有浓厚的目的论的拟人色彩；②方法论只注意简单的观察和严格的推理；③ 在总结前人的具体成就时，抛弃了前人的进步思想，其中包括日心说和原子论。由于这些缺陷，造成了他的学说被教会加以神圣化的条件，成为后继物理学发展的严重障碍。

亚里士多德的运动定则（rule of motion of Aristotle ） 由亚里士多德提出的、研究物体位移运动的直觉经验定则。主要有两条：第一条，他认为“下落运动的快慢有两个原因：①运动所通过的媒质不同（如通过水或土或空气），②运动物体自身轻或重的程度不同，如果运动的其他条件相同的话”。因此他关于落体运动的定则是：“物体下落的时间与重量成反比，如一物重量是另一物的两倍，则在同一下落中只用一半的时间。”第二条，除上升下落外，地上物体的其他一切运动，他认为都是在作强迫运动：“任何运动的事物都必然有推动者。”因此他关于强迫运动的定则是：“设动力为α，运动物体为β，经过距离为γ，发生位置移动的时间为δ，则同一动力α在同一时间内将β/2 移动 2γ，或在δ/2 内使β/2 移动距离γ。”由于教会的吹捧，这个错误的运动定则在 16 世纪以前一直被看作是神圣不可侵犯的教条。

颜色（colour） 通过视觉系统所感知的可见光的色彩。

分类 颜色可分为非彩色和彩色两类。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。纯白是理想的完全反射体所显示的颜色，对任何波长可见光的反射率为 1；纯黑是理想的完全吸收体所显示的颜色，其反射率为 0。黑灰白等非彩色系列实质上决定于物体对光的不同的反射率，在视觉上表现为不同的明亮程度。明度是人眼对物体的明亮感觉，明度变化相应于亮度变化。愈接近白色，明度愈高；愈接近黑色，明度愈低。非彩色是中性色， 它们对不同波长光的反射没有选择性。

彩色指黑白系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调和饱和度。黄褐色物体与红色物体相比，前者对可见光波段中各种波长的光有较大的反射率，故黄褐色物体比红色物体有更高的明度。色调是彩色赖以区分的特性。光源的色调实质上是指它的光谱成分对人眼产生的综合感觉。物体的色调取决于光源的色调和物体表面对各种波长的光的反射（或透射）情况。饱和度指彩色的纯洁性。可见光谱中各种单色光的饱和度最大。物体色的饱和度取决于物体表面对反射光谱的选择。非彩色没有色调和饱和度这两种特性。

颜色空间 表示颜色三种特性的锥形立体空间，见图 1。垂直轴代表黑白系列明度的变化，底端是黑色，顶端是白色，中间是各种过渡灰色。水平面的圆周表示色调，不同的点代表不同的光谱色调，圆和垂直轴的交点为中灰色，它的明度与圆周上各种色调的明度相同。圆周上饱和度最大， 越接近圆心饱和度越小。颜色空间是理想模型空间，用以理解颜色三种特性的相互关系。

三原色 各种颜色可用红、绿、蓝三种光谱色按不同亮度比例相加混合而成，所以这三种光谱色称为三

图 1 颜色空间

原色，又称加法三原色。相应地还有所谓减法三原色，它们分别是红、绿、蓝的补色，即青、品红和黄。在减法混合中，每一减法原色控制了它所吸收的光谱色，三者的变化分别控制红、绿、蓝出射光的比例，从而得出各种混合后的颜色。减法混合和相加混合具有相同效果。在没有特别注明时， 通常是指加法三原色。色度图当用三原色相加混合成某一种特定颜色时， 必须取某种特定的亮度比例。用三色系数来表示这种比例的值，并用 R、G、B 分别表示红、绿、蓝的三色系数。规定白色的三个三色系数均为 1.00， 即对于白色来说，R=G=B=1.00。这是一种归一化表示法，使三色系数都是无量纲的数。下表是彩色电视彩条测

试图中八个彩条的三色系数。表示只有一个三色系数不为零的彩色量，称为基色，即原色。一般用三原色各自在总量中的相对比例表示颜色，并称它为色度坐标，用 r、g、b 表示。例如白光的色度坐标为：

r = g = b =

1

1+ 1+ 1

= 0.33

麦克斯韦首先使用一个直角三角形来表示颜色，称为色度图。三角形顶角分别代表（R）（G）（B）三原色。横向底边和纵向侧边分别为色度坐标 r 和 g。因为 r+g+b=1，故不必画出 b。图 2 所示即为国际上正式采用的麦克斯韦直角三角形标准色度图。图中 W 点为白光在该色度图上的点。

图 2 色度图

在直角三角形外围，有一条舌形曲线。线上各点为可见光波段内不同光谱色的位置。曲线内任一点都代表三原色按比例相加混合而成的某种颜色。在舌形曲线附近的点，饱和度高，颜色深浓。接近色度图中间部

分的点，接近白色，饱和度低，颜色浅。

色度坐标可能出现负值。例如对非常饱和的光谱色，不能用三原色作相加混合而得到。这时要把少量的三原色之一加到光谱色一侧，用另两个原色去实现匹配，这样就出现色度坐标的负值情况。

应用把用三种不同发光材料制成的红、绿、蓝色荧光点排列在一起，

使人们在较远的距离上观察时看不出各个彩色小点，而只感觉到是某种相加混合后的颜色斑。彩色电视机荧光屏就是由无数个这种颜色斑组成。天线收到的是景物彩色分解成的三种三原色信号ϕ（R）、ϕ（G）和ϕ（B）， 经三个光电接收器后给出三股光电流 IR、IG 和 IB，再经放大去分别控制彩色显像管荧光屏上的三种发光材料，从而复现原来的景色。

染料或油漆的混合所产生的颜色是减法混合过程。如蓝色和黄色油漆混合后产生绿色。因为蓝色油漆吸收黄色和其它颜色而反射光谱蓝和邻近的绿色波长。而黄色油漆反射黄色和邻近的绿色波长，吸收蓝色和其它颜色。所以两种油漆混合后都反射绿色波长的光，成为绿色。彩色照相也是减法混合过程。在感光胶片的片基上，分上中下三层涂不同感色性能的乳剂膜，分别记录被摄物中的红、绿、蓝三原色。人们观察重叠在一起的三原色时，便感觉到某种颜色。胶片上层感蓝色光，含有黄色成色剂。中层感绿色光，含有品红色成色剂。下层感红色光，含有青色成色剂。彩色胶片曝光显影后，上、中、下三层分别为黄色、品红和青色影像层。白光通过时，三层分别起减蓝、减绿和减红原色作用，使被摄物在彩色负片上的颜色成为与原颜色相反的补色。相纸或正片的制作原理与负片相同。负片的补色影像经晒印后，使正片显出原来物体的颜色。

演示电表（demonstrative electric meter） 供课堂教学演示用的大型电表。是一种磁电系测量机构。电表外型如图 1 所示，表头由蹄形永磁钢、极靴、宝石轴承、轴尖、游丝和带阻尼绕组的无框架动圈等部件组

图 1 电表外型图

图 2 仪表内部接线图

成。通过玻璃面板可透视其内部结构。在面板上装有机构调零旋钮、转换开关、测量输入接线柱和通路极接线柱。仪表内部接线如图 2 所示。电表底部抽屉里备有十块通路板。

演示实验（demonstration in teaching physi-cs） 是指课堂上进行的、密切配合讲授内容的、以教师为主要操作者的表演示范实验。它是激发兴趣，引入新课，探究规律，深化、巩固、应用概念和规律等教学环节的重要组成部分。它能够充分发挥教师的引导和示范作用，并为学生独立地进行观察思考创造条件。

演示实验的要求

1. 要有明确的目的。在课堂教学中确定、选择和设计演示实验，都必须从每堂课的具体目标出发。在一堂课内的几个演示必须有明确的目的。

①如果在引入课题时运用演示实验，其目的往往侧重于引起学生对所研究问题的兴趣，激发求知欲望。这类演示实验应尽可能生动、有趣，几乎学生意料之外，起到揭示矛盾产生悬念的作用。例如在初中讲物体浮沉条件时，老师将一段石蜡先后分别浸没在盛有无色透明液体的两个烧杯中，结果石蜡在第一个烧杯的液体（水）中上浮，而在第二个烧杯的液体（酒精） 中下沉。学生立即产生了探究物体浮沉条件的自觉愿望，并联想到看上去两杯相同的液体其实是不同的液体，这就为引入课题作了准备。②如果在形成概念和规律的教学过程中运用演示实验，其目的往往在于提供必要的

感性素材，引导学生思维活动的发展。因此，要求这类演示实验能突出事物本质的联系，使学生建立正确、清晰的物理图景。③如果运用演示实验来深化、巩固、应用物理概念和规律，就应注意选择能突出思考性和理论联系实际要求的实验。

1. 效果要明显、直观。演示实验必须同时使每个学生从各个方向都能清楚地看到所演示的现象。为此，①器材装置的尺寸要足够大，测量仪表的刻度线要适当粗些，还应充分考虑仪器背景的色泽对比、器材放置位置的高低、器材可动部件的活动余地和物体的运动余地及方向等因素，必要时应借助机械放大、光放大、电放大等手段。②演示现象明显、直观还包括这样的含义：即强化有用信息的刺激作用。调动学生各部分感官的协同作用，比用单一感官要好。只要有可能，采用声、光并茂的演示，学生获得的印象更为深刻。

③仪器结构要力求简单，演示操作要简便可靠，重复性好。提倡用简单的方法自制教具进行演示，有利于激发学生的兴趣和从心理上消除对实验研究的神秘感，形成对物理实验的亲切感。为此，教师在课前应做好充分准备，亲自操作，熟悉仪器性能，了解实验的准确程度，估计实验的时间，视察演示环境等。

演示实验中的观察指导

演示实验方案确定后，为要达到演示的目的，关键在于对学生的观察进行指导。它有两层含义：一是演示本身应能吸引学生的观察注意；二是教师在演示过程中及时指导，教给观察方法。

1. 明确观察目的，做好观察的思想准备。在演示之前，要让全体学生明确为什么要做这个实验，打算怎样进行，出示的仪器应有所交待。切忌草率从事，甚至学生还没有思想准备时，演示已经结束，这是不可能达到演示目的的。

2. 突出观察对象，追逐观察目的。在演示中，应创造条件，突出观察对象，排除次要因素的干扰，要引导学生把注意力集中在观察对象上，追逐这一对象随其他条件的改变而发生变化的规律。

3. 从整体到局部，再从局部到整体，培养观察思路。观察的全面性是客观反映事物属性的前提，应当利用演示实验培养学生正确的观察思路。要引导学生从观察对象本身的变化跟与之有关的其他因素来认识局部跟整体的关系。

4. 纵向、横向对比，把握事物特征。观察的深刻性在于透过表面现象抓住事物的本质，利用对比观察是使思维向纵深发展的好方法。在演示实验中，经引导学生善于察觉条件的差异及产生结果差异间的联系。通常可以采用纵向对比、横向对比、正反向对比的方法

5. 教师在演示教学中，一定要注意使学生的观察和思维活动紧密结合起来，用观察促进思维活动的展开，又用思维指导观察活动的进行，使学生逐步认识物理概念、规律，逐步发展观察和思维能力。

演绎（deduction） 以一些基本规律或性质（大前提）作基础，对个别的事物或现象（小前提）进行推理，从而确定这些事物或现象具有的特性或规律（结论）。从一般性的结论推出个别性的结论，这就是演绎方法演绎推理是一种必然性推理。演绎的主要形式是三段论，即大前提、小前提、结论。演绎推理的思维过程是：根据已知的一般性规律，通过分析，

并限制条件，运用数学的推导，得出个别性的规律。例如得出电阻串并联的等效电阻关系式，是根据欧姆定律和电荷守恒定律这两个一般性规律运用演绎推理的结果。

由演绎得出的结论仍要用实践来检验，因为任何逻辑推理都必须由实践作最后的验证。在物理学发展史上，没有一个物理学家认为自己的演绎推理不需要实验验证，也没有一项由演绎推理而得到的物理成果未经实验验证就得到确认。对于正确和真实的演绎推理，实践检验不仅验证了结论， 而且进一步证实和丰富了前提。例如海王星的发现，就是运用演绎法的例子，它不仅证明亚当斯、勒维烈的演绎推理是正确的，而且进一步证实了万有引力定律。以后勒维烈又进行同样的演绎推理，认为有一颗未知行星作用于水星，许多天文学家花了几十年时间寻找这个行星，都没有成功， 直到爱因斯坦广义相对论建立后，才弄清万有引力定律只是近似正确，越靠近太阳，准确性越低。以上两例都表明，演绎推理的结论必须由实践检验。

物理学家在研究问题时，并不一定意识到自己是在使用演绎法推理， 而演绎法往往在这个推论过程中起了关键作用。例如在研究β衰变中能量亏损现象时，泡利坚持能量守恒定律的大前提，并预言：在β衰变中失去的能量，可能被一种尚未发现的微小的中性粒子带走，1956 年中微子的存在被实验证实。所以说，演绎推理是提出中微子假说的关键。

物理学研究中的演绎方法，以假说作为大前提，进行逻辑推理，用实验验证结论，进而验证大前提是否正确。物理学史表明了这种方法的成功， 伽利略对自由落体运动的研究就是一个典型例子。又如麦克斯韦方程组被提出之前，仅仅是一种假说，以它为大前提，可演绎推理出振荡电路能发出以光速前进的“波”，即电磁波的结论。此后赫兹用莱顿瓶放电做实验， 得到了电磁波，并验证了它的一系列物理性质，麦克斯韦的理论才被全面证实。

在物理演绎方法中，大前提或来源于已为实践证实的物理真理，或在已有真理和实验基础上得出假说，直接或间接建立在实践基础上，结论需经过实践的检验。因此，物理学研究中的演绎方法同亚里士多德纯理性思辨的演绎方法有着根本的区别。

眼睛（eye） 眼是人们获得光信息的感觉器官。就其作为视觉系统接收器来说，它如同一架变焦距照相机。就其能传递信号、使大脑视觉中枢作出反应来说，它如同一架彩色电视机。

眼球的结构 人眼的结构如图 1 所示。它是由角膜、网膜和巩膜围成的球体，直径约 24 毫米。球体的对称轴称为光轴。视网膜中部有一小凹区， 称为中心凹或中央凹。晶状体节点与中心凹的连线称为视轴。光轴与视轴的夹角约为 5°。眼球外层有一层硬膜作为保护层，它由角膜和巩膜组成。前面透明部分为角膜，后面为巩膜。把角膜当作单一的折射球面时，它的等价光焦度约为 43.05 屈。前房充满房水，比重为 1.0036～1.012，深约 2～ 4 毫米，折射率与晶状体大致相同。房水对成像不起作用，但为角膜和晶状体提供营养。虹膜相当于照相机中的可变光阑。它中间的圆孔叫瞳孔， 当入射光强或个人感情变化时，瞳孔的直径可以改变，由缩瞳肌和扩瞳肌控制。晶状体形状像一块凸透镜，厚约 3.6 毫米，光焦度为+19.11 屈，直径约 9～9.5 毫米。它的前表面的调节能力比后表面强，故眼的调节主要是

前表面的曲率变化。晶状体的折射率为非均匀分布，越靠近中心，折射率越高，对减少像差和提高折光能力极为有利。晶状体之后为后房，充满玻璃状液体，折射率为 1.336。晶状体后面是网膜，其中布满视觉神经，相当于照相机中的感光底片。眼球外部有肌肉控制眼球的转动，使网膜中心凹对准要观察的物点。网膜上有一小区域，不能看见物体，是神经纤维进入脑部的地方，称为盲点。

眼的光学数据 人们通过大量实际测量，已取得了人眼的解剖学数据。为了计算人眼的光学性能，可采用较简单的光学系统来代替构造复杂的真实眼。这种眼称做模型眼或示意眼。有代表性的是古尔斯特兰德模型眼，其数据如下，距离皆以毫米为单位。

（续表）

眼的调节 眼是一架变焦距照相机，它的变焦距镜是晶状体。通过改变晶状体的曲率半径、厚度和折射率，就能改变眼的像方焦距，使不同距离的物点在视网膜上形成最佳的像。眼球完全放松时，无穷远的物体成像在网膜上。为了观察较近的物体，晶状体的曲率要增大，焦距要缩短。这种调节能力有一定限度。眼睛处于最松弛和最紧张调视时所能清楚地看到的物点距离，

分别称为远点和近点。正常眼的远点在无穷远。近视眼的眼球过长， 无穷远点成像在网膜之前，要用凹透镜作矫正。远视眼的眼球过短，无穷远点成像在网膜之后，要用凸透镜作矫正。年龄的增长使眼的调焦能力衰退，儿童的近点在 10 厘米以下，老年人的近点逐渐加大，

形成日常所说的老花眼。若眼球在不同方向平面内的

曲率不同，要用非球面透镜来矫正，称为散光眼。物体太近，会使眼睛疲乏，只有在适当的距离上，才能使眼睛舒适而长时间地工作，这个距离称为明视距离，习惯上规定为 25 厘米。

能够分辨细节的最近两点对眼睛所张的视角，称为最小分辨角。在网膜中部的中心凹（又称黄斑），分辨本领最高，在白昼时它的最小分辨角为 1'。网膜边缘部分，分辨本领急剧下降，故人眼只有在中央视角约 6°～ 7°小范围内才能分辨物体细节。在夜间，最小分辨角约为 1°左右。瞳孔能自动调节，白昼时直径约 2 毫米，黑夜时可达 8 毫米。

眼的视力 人眼分辨最小目标物的能力称为中心视力，简称视力，它反映了网膜中心凹视功能的大小。网膜上承担接收光信息的感光细胞约有一亿七千万个，分为视锥细胞和视杆细胞两种。前者集中在中心凹，它的分布决定了网膜上的视力分布。后者则分布在中心凹以外。国际上把能分辨的两点或两线间的最小间隔，称为视力。把人眼看做理想光学系统时，若瞳孔直径为 2 毫米，则对于波长为 0.5550 微米黄绿光的瞳孔分辨极限角为

θ = 1.22  λ

D

= 3.4×10⁻⁴ 弧度≈1'

这相当于在网膜上的像为 4.9 微米，正好是一个视锥细胞的线度。也相当

于能看清距离眼球 5 米远线度为 1.46 毫米的物体的能力。

为了检测视力，用一定的目标物让被检测人在一定距离外观看。这种目标物称为视标。常用的有“E”形和“C”形视标。国际上规定 1.46 毫米为视标的细节单位，叫做 1 分视角，即正常眼的最小视角。E 形视标的面积为 5'视角，线条宽度为 1'视角。受验人和视力表的距离与正常眼能辨认的距离的比值，为受验人的视力。如果受验人在 6 米处只能分辨正常眼在10 米处分辨的字，则受验人视力为 0.6。我国 E 形视标分成 12 组，规定观察距离为 5 米。第 1 组为 10'视角，对应视力为 0.1；第 2 组为 5'视角（图2），对应视力为 0.2，⋯，第 12 组为 0.67'视角，对应视力为 1.5。

图 2E 形视标

眼的损伤

紫外光的损伤电火花、水银灯和焊接光产生的波长在 0.280 微米左右的紫外光容易引起角膜炎和结膜炎，出现刺眼、眼痛和流泪等症状，甚至引起视力障碍。阳光经白雪反射后容易诱发雪眼炎。

可见光的损伤 室外工人在强烈阳光下工作，如不加保护，会引起室外耀眼。直接观察太阳时，晶状体将阳光聚焦在网膜上，会使网膜烧伤，称为蓝光危害。氩离子激光能量很大，会引起网膜下出血或破坏。调 Q 激光能量更大，它对网膜的烧伤作用远大于太阳光，故切忌用眼窥测激光束。

红外光的损伤 红外光损害将引起人眼的调节障碍，使视力过早减退， 提前成为老花眼。玻璃制品工人长期接触红外光，容易引起晶状体混沌， 俗称火热白内障。人眼应避免直接透视红外激光，如波长为 10.6 微米的二氧化碳光，它会被眼组织内水分吸收，造成角膜溃疡。

视觉暂留 当物光撤去后，人眼网膜上所成的像能暂留一个短时间的现

象。据测定，视觉暂留时间为 1 ～ 1

16 10

秒。根据这种现象，制作了电影。

每隔 1

24

秒对赛马场面拍摄一张照片，然后用同样的速度连续放映，由于视

觉暂留时间大于连续画面的时间间隔，致使网膜上形成动态奔马情景。

验电器图

M.金属杆 I.绝缘塞 C.圆筒

验电器（electroscope） 用静电方法检验物体是否带电和粗略测定电势的仪器。根据静电相互作用的原理制成，构造简单、使用方便。其中应用广泛的是金箔验电器，构造如图所示。在一个接地圆筒 C 内通过绝缘塞 I 插入一根带有金属球的金属杆 M，在金属杆下端粘有一对金属箔。若带电体与金属球接触，金属箔因带同种电荷而推斥，张开一定角度，并由此可检验物体是否带电。带电体的电荷愈多，电势愈高，张角愈大，反之则愈小。验电器是中学物理教学中常用的演示仪器之一。

杨（ThomasYoung1773～1829 ） 英国物理学家。生于米尔弗顿。早在童年时代，就显露出非凡的才能和惊人的记忆力。9 岁时能自制一些物理仪器。14 岁时已掌握牛顿的微分法和拉丁、希腊、法、意、希伯莱、波斯、阿拉伯等多种语言。后进伦敦圣巴塞罗医学院学医。21 岁时以其第一篇医学论文成为英国皇家学会会员。此后曾跟随外科医生约翰·亨特在伦敦从事生理光学的研究工作。曾先后在爱丁堡、剑桥、格丁根进行深造。杨氏的后半生主要从事物理学的研究工作。

1801～1804 年任英国皇家学会教授。1802～1828 年任英国皇家学会秘书。他还是巴黎科学院院士。杨是波动光学的奠基人之一。在德国深造期间便对牛顿的光的微粒说发生怀疑。在格丁根的博士论文中提出关于声和语言的论题，根据对光学的研究结果，论证了声和光都是波动，不同颜色的光和不同频率的声都是不同的波。1800 年发表的《关于声和光的实验与研究提纲》论文中，系统论述光的波动观点，向牛顿光的微粒说提出挑战， 认为解释强光跟弱光传播的速度一样，用波动说比微粒说更有效；指出用波动说还可以证明微粒说无法解释的冰洲石的双折射观象。1801 年，进行著名的光的干涉实验，用强光照射小孔，以它作为点光源，送出球面波。在离开小孔一定距离处，放置另外两个小孔，它们把前一小孔送来的球面波分离成两个很小的部分作为相干光源。于是在这两个小孔发出的光波相遇的区域产生了干涉现象。在双孔后面的屏幕上可得到明暗相间的干涉图样。后来发现用双缝代替双孔会得到更明亮的干涉图样。1803 年，引入“干

涉”这个术语，并试图说明光线所引起的衍射，把干涉与衍射联系起来。证明光线在密度较大的介质上反射时，会发生半波损失。测量了不同颜色的波长，对于红光得到的值为 0.7 微米，对于紫光得到的值为 0.42 微米。

1807 年，提出如下思想：光与辐射热之间的差别仅仅是波长不同。1817 年，当他得知菲涅耳和阿拉哥关于偏振光的干涉的实验后，提出光是横波。在此之前，把光学理论应用于医学之中，奠定了生理光学的基础。1793 年， 提出眼睛观察不同距离的物体是靠改变眼球水晶体的曲度来调节的观点， 这是最早的眼睛光学原理的解释。1803 年，提出人们对于颜色的辨别是由于视网膜上有几种不同的结构，分别感受红、绿、紫光的假想，以此可以说明色盲的成因。建立了三原色原理，认为一切色彩都是由红、绿、蓝三种原色按不同比例混合而成的，这一原理已成为现代绘画、印刷、电视、照相等技术的基础。在材料力学方面，研究了剪形变，认为剪应力是一种弹性形变。 1807 年，提出弹性模量的定义，为此后人称弹性模量为杨氏模量。

杨氏实验（Young experiment） 英国科学家托马斯·杨于 1801 年用两个点光源所作的光的干涉实验。他用光的波动性解释了这个干涉现象。杨氏实验在历史上确立光的波动性方面具有重大意义。普通光源都不是单色点光源，不满足光的相干条件。在杨氏实验中，先将强单色光照射到开有小孔 S 的不透明遮光屏上，从而把小孔 S 作为单色点光源。然后在遮光屏后方再放置另一块开有两个小孔 S1 和 S2 的屏板。从 S1 和 S2 中出射的光的频率、光的偏振方向和位相均相同，因而是相干光源，故在远处放置的接收光屏上可观测到这两束光的干涉条纹。S、S1 和 S2 如果是相互平行的狭缝，干涉条纹便是明暗相间的直线条纹图样。在干涉图样中，两条相邻的强度极大的亮纹或两条相邻的强度极小的暗纹之间的距离称为干涉条纹的间距，它与 S1 和 S2 相对于接收屏中心点所张的角距离成反比。杨氏实验装置中的典型数据为：双孔间隔为 0.1～1 毫米，接收屏与双孔屏的距离为 1～10 米，屏上可观测范围为 1～10 厘米。利用一些简单手段，也可以观察杨氏干涉现象。例如在一块小玻璃片上涂一层薄墨，用针尖在墨层上划出极靠近的两条线；或者用已曝光的黑色废胶片，取刀片在上面划两条极靠近的线，然后利用这种双缝去观察单丝灯，并使狭缝与光源灯丝平行，就可看到明暗相间的干涉条纹。在观察时，眼睛必须贴近双缝，与光源相距约几十厘米。由于一般所用的光源不是单色的光源，不同波长的光波形成不同间距的干涉条纹，因而将观察到彩色的干涉图样。如用激光作为光源，由于激光的高度单色性和相干性，就可省去小孔 S 而直接把激光投射在 S1 和 S2 上，在接收屏上便能观测到稳定清晰的干涉条纹。但是不可用自制的双缝直接对着激光观察，以免损伤眼睛。

杨振宁（1922～） 美籍华裔物理学家。生于安徽省合肥县（今合肥市）。1942 年毕业于西南联合大学。1945 年赴美留学，师从费米和特勒。1948 年获芝加哥大学理学博士学位。1955 年任普林斯顿大学高级研究院教授。1966 年任纽约州立大学石溪分校爱因斯坦物理学讲座教授和该校理论物理研究所所长。同时担任美国国家科学院院士，北京大学、复旦大学、中国科学技术大学、中山大学、华东师范大学名誉教授。

主要贡献是提出弱相互作用中宇称不守恒，获 1957 年诺贝尔物理学

奖。早在西南联大时，与李政道合作共同提出了对宇称守恒定律的疑问。在美国普林斯顿大学高级研究院，两人相遇，又继续合作从事这一课题的研究。1956 年，提出了在弱相互作用中宇称不守恒的假说，并进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称是否守恒的实验途径。这一假说于 1957 年被吴健雄的实验所证实。同年获诺贝尔物理学奖。一项科学假说在发表的第二年就获得诺贝尔奖，这是第一次。

杨振宁对理论物理学作出了一系列贡献，取得突出的研究成果，主要包括基本粒子、量子场论、统计力学和凝聚态物理学等领域。1949 年合作提出了基本粒子的第一个复合模型“费米-杨模型”。1952 年提出统计力学中二维伊辛模型的自发磁化强度，同年合作提出了关于相变的理论。1954 年与密耳斯共同提出规范原理和矢量介子场理论（杨-密耳斯场理论），为现代规范场理论的形成奠定了基础。1957 年与李政道合作提出二分量中微子理论。60 年代初期合作进行了高能中微子实验分析和关于ω粒子的研究，提出弱相互作用是由中间矢量玻色子传递的假设。1961 年与拜尔斯合作对凝聚态物理学中的磁通量的量子化进行了解释。1962 年提出非对角长程序的观念。1964 年合作进行了 CP 不守恒分析。1974 年提出规范场的积分理论。1975 年与吴大峻合作提出规范场与纤维丛的关系。1967 年至 1985 年合作提出了高能碰撞理论。杨振宁要促进中美科学技术交流方面做了大量出色的工作。发表研究论文与报告 200 多篇，并有《基本粒子》（1962） 等专著多部。

扬声器（loudspeaker） 俗称喇叭。将电信号转换为声信号并将声音有效地在空气中辐射出去的一种电声器件。其状态一般是截面积按一定规律逐渐增大的筒形，与声源连接的一端截面积小，另一端截面积大，以提高发声效率。声频信号输入扬声器后通过电磁压电或静电等效应，使膜片或纸盆振动，引起周围空气振动以发出比较宏亮的声音。表示其性能的主要指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、效率、额定阻抗、指向性以及失真等参数。高保真扬声器还需由音质听感来评价。

按工作原理的不同，扬声器分为电动式（永磁或电磁）、晶体式（压电式）、电容式（静电式）、空气压缩式等类型。其中以永磁电动式使用较为普遍。按辐射声音方式的不同，扬声器又分为直接辐射式、喇叭式等。高质量的扬声器采用组合成，各扬声器单元按放音的频率范围分别设计制造，通常分低音单元、高音单元，有的还加中音单元。

遥测（telemetering） 在远离被测对象的地点获取有关被测对象的参量的测量技术。遥测起始于 20 世纪初，人们当时就用无线电波将高空

气球所获得的气象信息传送给地面观测站。到 30 年代，无线电遥测用于有人驾驶飞机和无人驾驶飞机的试飞，检查飞机飞行中的性能。1954 年，脉冲编码调制遥测系统研制成功，遥测技术步入数字化时代。由于航中、航天技术和武器系统飞速发展的需要，在半导体集成电路工艺和计算机技术发展的推动下，建立在现代通信理论基础之上的航空、航天遥测系统，成为遥测技术领域中最先进的部分。它很快被推广到工业和民用部门。

遥测包括三个基本过程：

1. 将需要测量的变量或参数通过各种传感器转变成适于远距离传输的信号。

2. 将遥测信号（通常同时有许多路信号）通过预先准备好的信道传送

到远处的接收观察地点。传送媒质可以是光、声、电（包括利用导线和无线电波）、磁等。

1. 在接收地点对遥测数据进行记录、处理、显示，按观测者的要求形成最终的数据或图形。

下图为典型的遥测系统的简化框图。被测对象的若干待测参量，经过相应的传感器变换成适合于传输和测量的电信号，通常是电压或电流。多路复用装置将各路遥测电信号按一定的信道传送。多路复用装置输出的一组电信号沿传输信道传送到远离被测对象的观察点。在无线电遥测系统中，传输信道通常由发送端的调制器、发射机、发射天线以及接收端的接收天线、接收机和解调器等组成。在最简单的有线电遥测系统中，一根导线即可作为信道。信道输出的一组电信号由分路装置分离出各路遥测信号，经数据处理设备处理后送显示终端显示出图像或数据等结果。

S1

1

S2 e

ex x S2

SN

SN

遥测系统框图

实际上，遥测中包含着它的极限情况，这就是遥信，所谓遥信就是对远距离被测对象的工作极限状态（例如机器的启停状态，阀门的开关状态） 进行远距离的测定。

遥测技术在国民经济、科学研究和国防等领域应用非常广泛，例如应用在石油、电力、交通、气象、医疗、城市公用事业、原子能利用、无人驾驶飞机、导弹、卫星和飞船等方面。采用遥测技术，可以提高自动化水平，提高劳动生产率，缩短研究试验周期，改善劳动条件和提高管理调度质量等。

遥感（remote sensing） 从空间远距离检测地球表面物体所辐射或反射的电磁波在空间和时间上的分布，以获取大气、陆地或海洋环境信息的技术。它借助于专门的光学、电子学和电子光学探测仪器，把遥远的物体所辐射（或反射）的电磁波信号接收记录下来，再经过加工处理，变成人眼或计算机能识别的图像，从而揭示出所探测物体的性质和变化规律。早在 19 世纪中叶，就有人试验从气球上拍摄地面照片。20 世纪 30 年

代，人们开始研究彩色、彩红外和多光谱摄影技术，并在 50 年代后获得实际应用。60 年代初，美国密执安大学研制成实用的红外和多光谱扫描仪， 提供了新的遥感手段。在可见光和红外波段遥感技术发展的同时，微波遥感技术自 60 年代以来也有和很大进展，使遥感技术发展为一门综合性技术。实验证明，任何物质，只要它的温度在绝对零度以上，都会辐射和反射包括各种波长的电磁波，例如紫外线、可见光、红外线和微波等。辐射和反射的电磁波频谱随物质和温度的不同而有所差异。遥感技术正是从这一点出发，通过各种遥感仪器，得以实现对各种物体进行探测和识别的。

现代遥感技术系统主要包括运载工具（又称遥感平台）、遥感仪器和图像处理等部分。

遥感平台 装载遥感器的工具。常用的遥感平台有飞机、气球、人造卫星和航天飞机等。用飞机作为平台的遥感技术称为航空遥感。由于飞机的飞行高度可从几百米到 2 万米，因而能获得多种不同比例的遥感图像，具有很大的灵活性。人造卫星和航天飞机可用作外层空间的遥感平台。遥感卫星可以在外层空间运行数年，它为地球环境的动态观测和数据更新提供丰富的资料。

遥感器 远距离检测地物和环境所辐射或反射的电磁波的仪器。通常它装在各种不同类型和不同高度的遥感平台上。利用各种波段的不同的遥感器，可以接收物体辐射的或反射的电磁波，经过处理和分析，有可能反映出物体的某些特性，借以识别物体。按设计时选用的频率或波段来划分， 常用的遥感器有紫外遥感器、可见光遥感器、红外遥感器和微波遥感器等。

遥感图像处理 对遥感器获取的原始图像进行处理的方法。常用的遥感图像处理方法有光学的和数学的两种。遥感图像的光学处理包括一般的照相处理、光学的几何纠正、分层叠加曝光、相关掩模处理、假彩色合成、电子灰度分割和物理光学处理等。光学处理有时称为模拟处理。数字处理是指用计算机图像分析处理系统进行的遥感图像处理。数字处理方式灵活，重复性好，处理速度快，可以得到几何精度高的优质图像，容易满足特殊的应用要求，因而得到广泛的应用。

遥感技术是 60 年代蓬勃发展起来的一门综合技术。随着空间技术、电子计算机技术和环境科学的发展，遥感技术产生了质的飞跃。它为自然资源勘探、环境动态变化的监视、对军事工程部署的侦察等提供了新的技术手段。它的主要特点可概括为四个字：“遥”、“感”、“快”、“广”。所谓“遥”就是人们能从更遥远的地方来观察目标。例如人造卫星的轨道高度一般约 1000 公里左右，地球资源卫星上拍的一张照片，它所覆盖的地

面面积可达 34000 平方公里（大小相当于一个海南岛），甚至可以把半个地球全拍下来。所谓“感”就是利用现代化的仪器，大大延伸了人的感官。所谓“快”，就是得出结果的时间快。例如，用航空摄影测量，对一个大城市，一般每一、二年才可重复测量一次。若用地球资源卫星，每 18 天就可覆盖全球一遍，每星期就能拍摄和积累地面景象一万张。所谓“广”就是利用材料、能源、激光、计算机等技术的成就的范围广，涉及的学科范围广。例如它涉及到空间物理、大气物理、地理环境、生态系统等方面的基础研究领域。此外，遥感技术的应用范围广。不管是层云密布的白昼， 还是伸手不见五指的黑夜；无论是人迹难以达到的热带森林，还是渺无人烟的浩瀚戈壁；不论是地面上的自然资源，还是海洋里的宝藏，在遥感技术面前都将一览无遗。

遥感技术的应用是多方面的。下面仅举几例说明之。

1. 资源遥感：通过航空或航天遥感进行地面大范围的勘测；加速荒地、森林、水利和地热资源的调查；监视农作物的长势、病虫害、水流污染、森林草场火灾蔓延；监视河床演变、海岸变化，洪水泛滥等动态变化等等。例如应用合成孔径侧视雷达，在印尼、南非等热带雨林覆盖下，揭露出油气田和铀、铜矿床；应用红外扫描，查明了地中海沿岸和太平洋海岛附近浅海中的淡水，解决了沿岸城镇的供水问题；还发现了南极冰天雪

地中的地热和温泉。

1. 环境监测：例如，利用气象卫星云图及地球卫星图像进行综合分析，可以提出中、长期旱涝预报，取得控制蝗虫迁移、土壤盐渍化的动态情报。

2. 区域分析：例如在英国本土上，过去进行一次土地普查需动员 6 千

人，工作 6 年，现在利用遥感资料重编五万分之一的土地利用图，仅需 4

个人工作不到 9 个月。

1. 全球研究：例如利用卫星遥感技术，可使延绵几千公里的地壳深部断裂历历在目，为动力地质学研究板块运动、地球演变、大陆漂移及地震分析等提供直观依据。

总之，遥感技术除用于军事侦察外，还广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文和环境保护等各个领域，使人类改造自然有了更大的自由。

遥控（remete control） 综合应用自动控制、通信、计算技术等对某个对象或系统进行远距离控制和监测的技术。早在 19 世纪，人们就用

摇控的方法点燃地雷。在 20 世纪初，在电气工程、输油管道和化工系统等方面，采用简单的有线控制进行生产过程的自动化已得到广泛的应用。1917 年美国开始研制无人驾驶飞机，无线电遥控的距离已达几百公里。从 50 年代起，美国和原苏联积极发展导弹武器，更推进了遥控技术的迅速发展。1957 年，原苏联发射了第一颗人造卫星，至 1969 年美国“阿波罗”飞船

载人登月及 1983 年美国“哥伦比亚”号航天飞机升天，航天事业的进展把遥控技术推向了一个新的高度。

遥控技术综合应用了自动控制技术和通信技术来实现对被控对象的远距离控制和监测。遥控系统主要由控制站、控制信号的形成和传输系统、执行设备、被控对象以及被控对象状态的监测系统组成。其工作原理如图所示。为了使控制站能了解关于被控对象所处的状态，一般由监测系统产生监测信号并传送给控制站的计算机（或操纵员）。在遥控过程中，计算机（或操纵员）对预定程序和监测信号进行比较，如果被控对象当前的状态与所要求的状态有差异，就由计算机（或操纵员）发出控制指令。根据控制指令形成控制信号，并由控制信号传输系统传给执行设备，执行设备根据控制信号使被控对象产生相应的动作，使之达到所要求的状态。

所需状态信号

控制系统方框图

被控对象可以是固定的，如油田、工厂、电站、铁道等；也可以是活

动的，如飞机、导弹、卫星和宇宙飞船等。固定的被控对象又可分为集中型（如工厂、电站）和分散型（如油田、铁道）。控制信号由控制站通过电缆传到被控端，称为有线遥控；控制信号通过无线电传到被控端，称为无线遥控。有线遥控抗干扰性强，主要用于固定的被控对象；无线遥控主要用于活动的被控对象。遥控系统按传输控制信号形式的不同又分为模拟遥控系统和数字遥控系统。模拟遥控系统是用模拟变换的方法将控制信号变换为适于信道传输的信号，它具有简单、成本低等优点；数字遥控系统是用数字信号传输控制信号，它具有可靠、精确等优点，因而用途广泛。遥控技术不论在民用或军用方面都有广泛应用。例如：输油管道的无

人管理；对导弹的控制和导引（即制导）。

液晶（liquid crystal） 既有液体的机械性能如可流动性和低粘滞性，又有晶体的各向异性光学性质的一类物质。如胆甾醇苯酸脂加热到145℃时，该固体熔解为白色混浊液体，呈浓雾状，但是该液体实际上又很像晶体，显示出光的双折射性质。这时如果对这种混浊液再加热达到 179

℃，就转变为清彻透明的液体。所以，液晶相是某种物质从固相转变到液相过程中的一种中间相。凡是有液晶相的物质称为液晶。

液晶相可以通过加热固体得到，这称为热致液晶；也可通过将某种晶体溶解在适当的溶液中而形成，这称为溶致液晶，例如显示出液晶结构的生物膜就是一种溶致液晶。

液晶并非稀有物质，目前已发现很多液晶材料，它们基本上都是有机化合物，其结构中多数含有芳族分子。液晶分子呈长棒状，长度在 1.5～4 纳米之间。

液晶材料已被广泛应用于光电显示。此外，利用液晶材料对光的选择性反射，还可应用于温度指示。

叶企孙（1898 ～1977） 中国物理学家、教育家。生于江苏省上海县（今上海市）。1918 年赴美留学，1923 年获哈佛大学博士学位。1924 年回国，历任东南大学理学院教授（1924～1925），清华大学（1928 年以前为清华学校）物理系教授、系主任、理学院院长（1925～1953），西南联合大学物理系教授（1938～1946），中央研究院总干事（1941～1943）。建国后，历任清华大学校务委员会主任委员、物理系教授、系主任、理学院院长（1949～1953），北京大学物理系教授（1953～1977）。1955 年受聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员。

叶企孙的重要贡献是在中国开拓实际物理学和培养物理人才。1921 年他和杜安、帕耳默合作测定了普朗克常数，他们的测定值在当时是最精确的，16 年后才有更精确的测定。1923 年他从事高压下铁、镍、钴的磁导率的研究，改进了实验方法，并把压强从 200 多个大气压提高到 12000 大气压，取得了不同于前人的新成果。1924 年他回国后，主要从事铁磁性等方面的实验研究，从而成为中国现代研究磁学的开创者之一。1925 年他在清华学校创办物理系，强调理论与实验并重，大力提倡在大学开展科学研究， 在此办学方针的指导下，清华大学在 30 年代培养了大批人才，对中国物理学的发展有重大贡献。当时培养出的著名物理学家有王淦昌、施士元、周同庆、龚祖同、王竹溪、彭桓武、钱伟长、钱三强、王大珩、林家翘等人。在西南联合大学任教期间，培养出的著名物理学家有杨振宁、李政道等人。他还担任了清华大学特种研究所委员会主任委员，组建了金属、无线电、

航空、农业、社会学等研究所，开创了中国大学办研究所的先河。建国后， 他除从事铁磁学研究外，还开展了自然科学史的研究工作。

一级相变（first-order phase transition） 参见相和相变。

移测显微镜（travelling microscope） 测量物体小长度的仪器， 又称为读数显微镜。也是一种不能直接接触测量的仪器设备。例如毛细管的内径，小频闪相片的小球位移等。读数显微镜是由显微镜和带二维或者一维刻度标尺及其机械联动装置组合起来的专用长度测量仪。显微镜中的目镜焦点处，设置十字叉丝，用以与被测物的测量位置处重合，读出重合时的坐标值。读数显微镜从机械结构分一维与二维测量两种。一维的读数显微镜，刻度尺的最小分度为 1 毫米，借助于鼓轮上的 100 等分刻度线， 使毫米间的读数精确度提高到 1/100=0.01 毫米。二维型的读数显微镜，在两个互为垂直的方向上各有两条刻度尺，最小分度通常都是 1 毫米，但分

别采用螺旋测微器和游标卡尺的读数原理，使仪器的准确度分别为 0.01

毫米的和 0.05 毫米。二维型的读数显微镜还可测量显微镜观察台面的角度位置，读数也用游标法。量程通常为水平方向 5～10 厘米，垂直方向 3～4 厘米。读数显微镜的操作与显微镜相同，防潮、防高温等有关条件都必需按照产品说明书要求实施，以延长其使用寿命。

以太论（ether theory） 一种关于以太的学说。以太最初是由古希腊学者假设的一种弥漫物质（指天或上层大气）。由笛卡儿把以太首先引入科学，并赋予它某种力学性质，即表示一种充满整个宇宙、做旋涡运动的球形的无重的物质，它不能被人的感官直接知觉到，但能传递力，并能对物体产生作用。此后以太被惠更斯用于光学研究，提出光以太说，认为光的介质以太是由紧紧挤在一起的、极硬的、而又有弹性的微粒子所组成，这样不论对它用力敲击或轻轻相碰，它都会以同样速度复原。如果考虑到光以太的这种构造，就可直接推导出两束光线互不妨碍的原理；光的传播并不是微粒子的平移运动而是振动；发光体可解释为构成发光体的微粒子做激烈振动，它将这种振动传给周围的以太粒子；从发光体各点发出的这样一个个波面是微弱的，但这些波相互叠加，得到加强后可传到很远的地方。惠更斯的光以太说是比较粗糙的，因而无法与牛顿的光的微粒说相比拟，再加上牛顿的巨大威望，使以太论在 18 世纪倍受压抑，几乎毫无进展。

19 世纪初，托马斯·杨用关于以太的四个基本假说来说明他的波动光学原理：①稀薄的、具有很大弹性的以太充满整个宇宙；②发光体在以太中激起波动；③不同颜色的感觉取决于传递给视网膜的以太振动的频率；

④一切物体都吸引以太，因此在物体之中及其附近，以太密度大，而以太的弹性则保持不变。这样就克服了惠更斯光以太说的一些缺陷，解释了一些惠更斯无法解释的光学现象。托马斯·杨和菲涅耳在光学领域的研究工作，使光的波动说取得成功，以太论也得以获得复兴和发展。此后，法拉第在电磁学领域主张近距作用说，它假设空间中有一种能传递电荷的媒质，即电磁以太的存在，带电体（或磁体）之间的力，不是超越距离作用的，而是通过电磁以太的传递起作用。麦克斯韦看出了法拉第学说中所包含的深刻而新颖的物理思想，提出电磁以太说，即空间存在着电磁现象借以产生、处于运动之中的以太物质；场的各种实在的属性被赋予以太，场不过是运动以太的激发态；以太绕力线旋转形成一个个涡元，在涡元之间

有带电粒子，当粒子偏离平衡位置时，粒子和涡元之间产生相互作用。麦克斯韦以此来说明电磁运动的规律，并运用数学方法提出著名的电磁场方程组。根据这个方程组他还预言，电磁场的扰动以波的形式传播，其速度等于光速，也就是预言了光也是一种电磁波。这样以太不仅在电磁学中取得了地位，而且电磁以太同光以太也统一起来。

时至 19 世纪末，以太论被物理学家普遍接受，对物理学的发展起了一定的作用。但是它缺乏可靠的实验根据，也给物理学的进展带来困难。主要反映在：①为了满足光在传播中的各种性质，以太必须具有形形式式的特点，如绝对静止、密度极小、弹性极强、刚性极大等，这使人们难以理解。②为了测出地球相对以太参照系的运动，以太应有漂移现象，然而由迈克耳孙和莫雷所作的实验虽然精度很高，可是得到的结果却是否定的， 地球相对于以太不运动，这样以太论便开始走下坡路。随着爱因斯坦狭义相对论的确立，以及实验证实了光的传播、电磁波和一切相互作用的传播都是通过各种场来实现的，以太论作为一种过时的学说终于被物理学家所淘汰。

然而人们的认识仍在继续发展，一是宇宙微波背景辐射发现后，有人重提以太，认为宇宙背景就是以太；二是对真空研究的深入，人们认识到真空并非是绝对的空，那里存在着不断的涨落过程（虚粒子的产生以及随后的湮没），于是有人提出机械以太论应被淘汰，但以太论的某些精神： 不存在超距作用，不存在绝对虚空意义上的真空等仍然活着。

逸出功（work function） 又称功函数或脱出功。一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所必须做的功。不同金属具有不同的逸出功。如钨的逸出功为 4.5 电子伏特（eV）（1eV=1.602×10-19 焦耳）， 镍为 4.3 电子伏特。对同种金属，其逸出功往往又与它的晶轴取向和表面状况密切有关。在金属表面涂以钡、锶、钍等氧化物后，逸出功显著减小。如表面涂钍的钨的逸出功为 2.63 电子伏特，而表面涂铯的钨的逸出功仅为

0.71 电子伏特。因此在电子管、光电管中常用涂有氧化物的金属作为阴极。

固体表面吸附气体后，逸出功也会发生变化，因而测量逸出功变化已成为研究固体表面性质的一种方法。

异质结（heterojunction ） 由两种不同的半导体材料做成的 PN 结，是超晶格的基本单元。它比同质 PN 结有较高的发射效率。例如，异质发射结晶体管的电流放大系数是同质结晶体管的几倍到几百倍。

目前已能制造的异质结按材料可分为：硅异质结，如硅与无定型硅异质结、硅与掺氧多晶硅（或多晶硅）异质结、硅与微晶硅异质结等；化合物异质结如砷化镓与镓砷铝异质结、锑化铟与锑化镓异质结等。此外还可按能带结构对异质结进行分类。

音叉（tuning fork） 一种定音调的声学器件。用金属制成，形状像拉丁字母 U，下端附有柄，可安装在一端开口的作为共振腔的空木箱上， 以增加发音强度。用锤击其上端，即发出一定频率的声音。它是由小号演奏家肖尔在 1752 年发明的。由于它发出的音质非常纯，所包含的泛音极弱，常作为测定乐器音调的标准。它本身也可以制成乐器，如音叉琴，即是由一套按级定音的音叉构成，如用键盘机械装置的毡锤敲击，就会发出悦耳的音乐。音叉发出声音的频率与其两臂的长短和厚薄有关，如果两臂

长而薄，发出的声音的频率较低；如果短而厚，则发出的声音的频率较高。

音调（pitch） 声振动频率的高低。也是听觉分辨声音高低的一种属性。据此可把声音按其高低加以排列成为音阶。音调主要决定于声音的频率，它随频率的升降而升降。声振动频率越高，振动周期越短，听到的音调就越高。但音调不是单纯由频率决定，它还与声压及波形有关。低频纯音的音调随声压增加而下降；反之，高频纯音的音调却随声压增加而上升。

音调的单位为“美”（mel），规定频率为 1，000 赫而声压级为 40 分贝的纯音所产生的音调为 1，000 美。任何一个声音的音调，若被听者判断为 1 美纯音音调的 n 倍，则这个声音的音调就是 n 美。类似响度的音量表， 也可制定音调量表。音调定量判断的方法是让听者调节发生器产生一系列纯音，使它们在音调上听来间隔相等。这样取得的平均判断构成了音调量表。

不同频率声音的音调值见下表。

不同频率声音的音调值

音乐声学（ musical acoustics） 声学的一个分支。主要研究乐音的产生、乐律的物理属性与主观属性，以及乐器的发声机理和主观评价等。早在战国之前，我国劳动人民就总结出计算乐律的方法——五度相生法，定出了五音，相当于现在简谱中的 1、2、3、5、6，这是世界上最早的自然律。约百余年之后，希腊的毕达哥拉斯才在弦琴上用同样方法求得了各音律的比数。乐音的物理特性主要有声压与频谱，而音乐家以音强、音高、音色（音品）作为乐音的三大要素，其实声压决定它的强度，频谱决定它的音色，音高在声学上称为音调，由频谱中的基音频率决定。乐器与人的歌唱发音器官的发音原理包括激励器、共鸣器和辐射器三部分。近年来发展起来的电声乐器是用电路来模仿激励器与共鸣器，辐射器则是扬声器，由于充分利用电声设备的合成、变音和扩音作用，形成了独特的创作方法和风格。

音量（volume） 即响度。

音品（tone quality） 又称音色。声音的基本属性之一。不同的物体（如各种不同的乐器）和人发出的声音所具有的不同的声音品质。也是人们在听觉上借以区别具有同样响度和音调的两个声音所以不同的特性。音品主要由声音所包含的泛音的多少和各泛音的相对强度决定的。因此对于纯音不存在音品问题，它是伴随复合音出现的。两个发音体即使所发的声音音调相同（即基音频率相同），响度也相同，但人耳仍能分辨出来，就是因为它们的音品不同。例如，钢琴和黑管都发出基音频率为 100

赫的音，但由于它们的泛音不同，人们仍能清楚地分辨出哪个是钢琴音， 哪个是黑管音。这是因为钢琴音由 16 个泛音组成，黑管由 10 个泛音组成； 而且各泛音的频率和振幅也不相同。因此，声音的音品是一种复杂的感觉， 主要由刺激人耳的声音频谱决定，但也与其波形、声压和频谱的频率位置有关。因此一个录下的声音用不同响度级重放时具有不同的音品。

音色（tone quality） 即音品。

音障（sonic barrier） 又称声障。当飞机的飞行速度接近或超过声速时，在机翼或飞机的其他部位出现激波，形成强烈的空气压缩薄层， 并与机面相互作用使物体表面气流分离，造成升力下降，阻力骤增的现象。此时，由于飞机周围的空气压力和温度等急剧变化，飞机的安定性变坏， 甚至操纵失灵。音障阻碍飞机飞行速度的提高。为了克服音障，进一步提高飞行速度，除采用大推力动力装置外，人们还设法改进飞机外形，采用尖前缘的薄翼型、后掠翼等结构，使飞机的速度提高到超音速。

阴极射线管（cathode ray tube） 将电信号转变为可见图像的电子束管。通常指用于显示图形、字符的电子束管，如示波管、字符图形显示管。阴极射线管的基本部件有电子枪、荧光屏和管壳。

电子枪在电子管里产生并能控制、聚焦、偏转电子束的电极结构。下图所示为阴极射线示波管结构图。电子枪的一端是阴极，它是一块金属托片，其上敷以钡和锶的氧化物。当金属托片背面的钨灯丝加热阴极时，涂敷在表面的氧化物就发射电子，这些电子被比阴极电位高的套筒式的第一阳极加速，后经控制电极聚焦成束状电子流。电子枪是电真空器件中的主要部件。

阴极射线示波管

荧光屏 由内测涂有荧光材料的玻璃屏构成。在受电场或磁场控制的电子束轰击下能显示图形和字符。屏上涂的荧光材料不同显示的颜色和余辉也不同。观察用示波管常用发绿光的荧光粉；供摄录的示波管则采用发光光谱与胶卷相匹配的蓝色荧光粉。字符图形显示管的荧光屏，有两层发光颜色不同的荧光粉，加速电压较低时，电子束穿入外层荧光粉使之激励发光；加速电压较高时，电子深入内层荧光粉，此时以内层粉发光为主。调节电压可以得到 2～4 种不同颜色（如红、橙、黄、绿）。

阴极射线管偏转电子束的系统有两种：一种采用静电偏转，显示电信号波形的示波管常采用静电偏转系统。如上图所示，垂直偏转板加信号电压（即 y 偏转板），水平偏转板加锯齿波电压作为时基（即 x 偏转板）。另一种采用磁偏转系统。它由两组偏转线圈构成 x 偏转线圈（或行偏转线圈）和 y 偏转线圈（帧偏转线圈）。线圈组套在射线管的颈部，它们通以电流产生磁场实现对电子束的偏转。磁偏转系统可以电子束实现大角度偏转，因而屏幕较大的射线管一般都采用磁偏转系统实现电子束的偏转。

银河系（the Galaxy ） 地球和太阳所在的恒星系统。在整个宇宙中它只是一个普通的星系。因其投影在天球上为一乳白亮带，故以银河得名。我们肉眼所能见到的天体，除了三个朦胧似光斑样的近邻河外星系外， 其余都属银河系成员。银河系是一个扁平状透镜形的系统，它的主体是直径约为 25 千秒差距（1 秒差距=3×1013 千米=3.26 光年）、厚约为 1～2 千秒差距的银盘，其中央平面称为银道面（简称银面），银盘中心隆起的球

状区域称为核球。恒星在核球区高度密集，中心致密区称为银核。银盘外面是一个范围广大、近乎球状分布的系统，称为银晕。银晕外面是银冕， 也呈球状。银河系的质量为 1.4×1011 太阳质量，但总体密度仅为 7×10- 27 千克/米 3，其中恒星约占 90%，气体和尘埃组成的星际物质约占 10%。银河系含有 1000 亿颗以上各种类型的恒星，常以成双、成群、成团的形式出现。气体和尘埃有相当一部分以银河星云的形式出现，其余的弥漫散布于星际空间。化学成分是氢占 73%，氦占 27%。

银河系在绕其中心旋转，旋转速度随中心距离不同而各异。太阳系位于银河系的边缘部分，其旋转速度约为 250 千米/秒。它有一个微弱的磁场，磁力线平行于旋臂，磁场使星际粒子沿磁力线排列，光线穿过这些物质会发生偏振，估计磁场的平均强度约为 10-3 高斯。

银河系的起源同宇宙理论紧密相关。按照大爆炸宇宙论，原星系（包括银河系）是由于宇宙中物质密度的起伏和引力不稳定形成的。我们观测到的全部星系都是在 1010 年前高密度原始物质因密度发生起伏，出现引力不稳定和不断膨胀，逐步形成原星系，并演化为包括银河系在内的星系团。目前对银河系的起源了解得还很不够，尚在研究之中。

引力波（gravitational wave） 物体做加速运动时所发出的引力辐射。爱因斯坦等人证明了广义相对论的引力场方程包含有波动解，从而首先从理论上预言了引力波的存在。引力波在真空中以光速传播，其强度很弱。由于引力波与物质的相互作用极其微弱，对它的探测极为困难。20 世纪 70 年代初有人宣称利用很大的防震的金属圆柱形谐振腔，测到了来自太空的引力波信号。但其后这一结果没有复现。70 年代末美国的射电天文学家报导了对射电脉冲双星（PSR 1913+6）公转周期变短的长期观察结果， 该结果与因引力波辐射而损失能量的理论预言相符。这被认为是引力波存在的间接证据。

引力质量（gravitational mass） 参见质量。

引力子（graviton） 理论上设想的传递引力相互作用的媒介粒子。与电磁相互作用情况类比，人们相信质量周围存在引力场，当物体加速运动时将发出引力辐射或引力波。按照量子论的观点，引力场也具有粒子性。构成引力场的基本粒子就是引力子，其质量为 0，自旋为 2，在真空中恒以光速运动。早在 1916 年，爱因斯坦根据他的广义相对论就预言了引力波的存在。但是由于引力相互作用的强度非常微弱，所以对它的探测和测量极为困难。至今尽管不断有人宣称已探测到某些天体（如脉冲双星）的引力辐射，但由于这类实验背景噪声很大，无法重复，所以很难得到公认。此外，引力场量子化问题在理论上还存在某些根本性困难。这些理论上和实验上的困难促使不少物理学家正在通过各种努力进行深入研究。

应变（strain） 连续体在体内应力作用下其形状尺寸所发生的相对改变。三种最简单的应变是：①线应变或相对伸长率，即物体内任一点处单位长度的长度增加量。由于单位长度可以在不同方向上选取，所以，在连续体内同一点处的不同方向上，线应变一般并不相同。②角应变或切应变，即在连续体内一点处，两互相垂直的有向线元所夹直角在形变后角度的减小量。在连续体的同一点处，可以沿不同方向引出这两根互相垂直的线元，所以，在连续体内同一点处，由于互相垂直的一对线元有不同取向， 一般就有不同的角应变。③体应变或体积膨胀率，即连续体内一点处单位

体积连续体的体积增加量。

线应变的简单例子是，长为 l 的均质杆，在两横断的端面上受到均匀分布的拉力，使杆的长度伸长了△l，则杆中每一点处沿杆长方向的线应变是△l/l。角应变的简单例子是，均质长方体的两相对侧面上，受到与侧面相切和均匀分布的一对剪切力作用（见图），变成了一个平行六面体，则在物体中的每一点处，沿水平向右和竖直向上两方向所夹直角的角应变是

ϕ。

理论分析表明，知道了连续体中一点处三个互相垂直方向上的线应变，以及这三个互相垂直的方向中每两个方向所夹直角的角应变，就可以知道这一点处沿任意方向的线应变和任意两垂直方向所夹直角的角应变。

角应变

应力（stress） 由外力、非均匀温度场或因物体内在缺陷而形变等原因引起的物体内部单位截面两边所出现的作用力。应力是矢量，其大小和方向与物体内各点位置以及所取截面的方向有关。在物体中一点 P 处， 以单位矢量 n 为法向的截面上的应力 pn 可按如下方法确定：过 P 点作一法向为 n 的截面微元△S，如截面正侧物质通过此截面对负侧物质作用的力为

△F，则 P 点处以 n 为法向的截面上的应力 pn 是

Pn =

lim ∆F ，

∆S→ 0 ∆S

应力方向与截面法向 n 一般不相同。应力在 n 方向的分量称为正应力或法应力，应力沿截面切向的分量称为剪应力或切应力。在物体中的同一点处， 由于所取截面方向的不同，应力的大小和方向一般也不相同。物体中一点处方向各不相同的截面上的应力全体，构成了此点的应力状态，它可由此点处三个互相垂直的截面上的应力来描述。设这三个截面的法向分别沿直角坐标轴 Ox1、Ox2 和 Ox3 方向，以 Pij 表示法向沿 Oxi 的截面上的应力的 xj 分量，又以 nj 表示单位矢量 n 的 xj 分量，则法向为 n 的截面上的应力 pn 的 xi 分量 pni 是

pnj = ∑pij n j 。 j=1

物体中一点处的九个应力分量 pij 构成此点的应力张量，物体中一点处的应力张量能完全描写此点的应力状态。

游标尺（vernier calipers） 又称游标卡尺，也是最常用的长度

计量仪器。其构造如图所示。左测脚固定在主尺上，跟主尺垂直，右测脚和左测脚平行，和窄片一起固定在游标尺上，可以随同游标尺一起沿主尺滑动。上面一对测脚可量槽的宽度、管的内径等；下面一对可量零件的外尺寸，例如厚度和管的外径；右端伸出的窄片可量槽或筒的深度。主尺上有毫米刻度线，并注明刻度值，游标尺上也有刻度线，可用来准确读出主尺最小分度的几分之几的数值。

如果游标尺共有 10 个等分刻度，则游标尺能准确读出到主尺最小分度

的 1/10，即 0.1 毫米。如果游标尺共有 20 个等分刻度，则可读到主尺最

小分度的 1/20，即 0.05 毫米。如果游标尺共有 50 等分刻度，可读到 0.02 毫米。

游标尺

有效数字（significant figure） 实验中能够测量到（包括最后位估计在内）的数字。对于同一个待测量，测量方法不同，测量仪器准确度不同，可能得到的有效数字位数也不同，即有效数字不同。例如物体的长度 l=1.0453（米），是用米尺量度到的，米尺的最小刻度为 1 毫米，即借助于米尺，其中的 1.045 可读出，而 0.0003（米）=0.3（毫米）却是最小刻度间估读出来的。所以以上五个数字都是从测量得到的，都是有效的； 如果将 l 写成：1.04532（米），显然是不合适的，因为最后两位是估计数或估读数，在一般的测量中，最小分度能估读到百分之一是不可能的，因此为了达到参考的目的，规定有效数字的最后一位可以是估读的。真正用到准确的数，最后位估读数都不能带。

最后位估读的方法通常有如下三种：

(l)最小分度 1/10 估读法。例如：l=2.04×10-2（米）的值，测量者认为，待测物的长度 2.03×10-2 和 2.05×10-2（米）都是不对的，说明实际长度在（2.04-0.005，2.04+0.005）×10-2（米）范围内，因此范围的宽度为+0.005-（-0.005）=0.01 是最小分度的 1/10，这种估读法为 1/10 估读法，是最常用，也是物理实验所要求的估读法。

(2)最小分度 1/5 估读法。例如物体的长度测量结果是 2.02×10-2

（米）、 2.03×10-2（米）和 2.04×10q（米）。三种结果都可以，几乎分辨不出，但是 2.01×10-2（米）和 2.05×10-2（米）是完全不可能的。因此范围宽度为 0.02（米）是最小分度的 1/5。

(3)最小分度 1/2 估读法。不难推出，如果测量值在（2.0375， 2.0425） 范围内，则称为 1/2 估读法。

估读所采用的方法应根据需要来选择，在精确度尽可能高的要求时， 可采用 1/10 估读法，如果测量对象本身长度在各方向上参差不齐或者不稳定，就可采用 1/5 或者 1/2 估读法，或者 1/10 估读法在多方位、长时间多测些数据，然后求平均，表示测量值。注意：有效数字的位数从本质上来看，是描述了测量结果的精确程度，反映了测量仪器的准确度和测量值的量度水平。有效数字位数越多，测量仪器的准确度越高，量度水平也越高， 反之则低。

有效数字位数不是测量结果的质量好坏。有些场合要求精确度很高， 因此选用仪器、测量方法都要相应提高；有些场合并不要求精确度很高， 而要求测量速度快，有效数字位数只要少数几位就能满足要求，那么选用的仪器和测量方法可相当简单以提高速度。所以在实验覆盖面的整个范围，先预测有效数字位数少的量，对总体有所了解，然后根据需要有目的地高精确度测量所需要的数据，以达到实验目的。测量的精确度不是越高越好，而是根据需要来合理确定。该高的不高，就会将“精细”结构遗漏掉；该低的不低，就会得到不稳定的结果，而且本质被随机现象所替代。因此物理实验的重要目的之一，就是根据特定的要求正确选用仪器和测量方法，使实验结果的准确度和可靠性都有规定的保证。

在有效数字表示中，小数后的“0”不能随意取舍。虽然数值上似乎相等，但有效数字的位数反映了测量的有关信息，不能随意更改。

整数、无理数（如π，ln2）等因为不是实验测量到的数，所以没有“有

效”程度的含义，可根据需要取它们的位数，例如π=3.14159265⋯，如果取 3.14 则形式上为三位数，3.14 比π小 0.00159⋯，所以不确定度可写成0.002 即 3.140±0.002，实际为四位数，即π在（3.138，3.142）范围内。在单摆振动的周期表示式里，有

T = 2π ,

式中的 2 是整数，不考虑有效数字的位数，因此在数据分析里，整数和无理数以及循环小数，都不考虑它们的有效数字位数，因为它们都可以比测量到的数，取得更精确的值，不会影响实验结果的不确定度。

有效数字的获得（gain of the significant figur-es） 是物理实验中最基本的测量概念。在中学阶段，有效数字的获得有如下两种方法：直接比较法和指零法。两种方法的典型仪器是米尺和天平。

米尺是与待测物体直接比“高低”，从刻度尺上读出数据的，因此是直接比较法，读出的数据，其有效数字的位数由尺的读数和最后位的估读数决定，这种方法获得有效数字，是最简单、易接受并能准确把握。

天平虽也是与待测物直接比轻重，但不能直接读出数据。特别是天平还未平衡即将平衡时，可以根据天平摆动的灵敏度及规律算出物体的质量。实际上天平的平衡是相对的，指针与空载时的零点完全重合是几乎做不到的，所以往往利用灵敏度与偏离零点的偏格数，算出待测物的质量并定出质量的有效数字。

例如用天平称衡待测物体的质量时，有如下规律。砝码的质量为 32.560

克时，天平指针右偏 3.0 分度；砝码质量为 32.590 克时，指针左偏 0.3 分度。利用杠杆原理，可以得到待测物的质量：

32.590 − 32.590 − 32.560 × 0.3 = 32.587(克)

3.0 − (−0.3)

或者

32.560 + 32.590 − 32.560 × 3.0 = 32.687( 克)

3.0 − (−0.3)

因此不难得到，最小的修正量为：

32.590 − 32.560 × 0.1 = 0.0009 = 0.001

3.0 − (−0.3)

上述计算方法，常常使天平“加”和“减”砝码的次数减少，因而提高测量速度，并且能准确定出有效数字的位数。在电学实验中的电桥、电势计也采用了指零法，虽然指零仪器仪表不同，但原理都是相同的。

有效数字的运算规则（ operational rule of sig-nificant figures） 是实验数据的一种最基本又最重要的处理方法。在中学阶段可归结为有效数字的加减、乘除和其它运算三种方法。掌握运算方法，不仅可提高数值运算速度，而且对参与运算的数的分析和研究可提出更合理的实验方法，得到更准确、更可靠的实验结果。

加减运算 假定实验直接测量值

A=3.2846（ 单 位 ）， B=3.145×102（单位）， C=1.323×10（单位），

待测量 y 与 A、B、C 的关系为： y=A+B-C

=3.2864+3.145×102-1.323×10。

假设它们的单位都是相同的。不难看出，A、B、C 的估计位的大小，分别为 0.0004、0.005×102=0.5 和 0.003×10=0.03。可见，y 的有效数字最后位只能是小数后的第一位。所以，对 A 和 C 应该调整成 3.3 和 13.2，则

y=3.3+314.5-13.2=304.6，

最后结果为： y=3.046×102（单位）。

注意：有效数字相加、减，其最后结果的有效数字位数没有一定的规律，但最后位取决于参与运算数的最大不确定度。上述 A、B、C 中最大不确定度来自 B，所以 y 的不确定度也与 B 相同。因此不难推出这样的道理， A 和 C 的测量精确度太高，根本没有必要，所以最佳方案是，A 和 C 都测到小数后第二位，并且先运算，得到：A-C=3.29-13.23=-9.94，

然后第二步取：A-C=-9.9，

第三步相加 B：A-C+B=-9.9+314.5=304.6，

最后得到结果： 3.046×102（单位）。

在 A-C 的运算里，如果 A 和 C 的值很接近，那么其差的有效数字位数会变得很少，说明测量的精确度和其差的精确度并不一致，在实验中应尽量避免。例如测量水的质量，通常都是两次秤衡法最后求得的。当选用的烧杯不合适，即 m 杯>>m 水时，因

m 杯+水-m 杯=0，即 m 水=0。

所以有效数字的运算过程，包含了许多物理实验中的方法和仪器选择是否准确、合理等重要信息，为进一步分析和研究提供了依据。

乘除运算 假定实验测量值

A=2.3425（ 单 位 ）， B=1.35×10-3（单位）， C=3.843（单位），

待测量 y 与 A、B、C 的关系为：y=A·B/C，那么 y 的有效数字位数又怎样来确定呢？在说明确定的方法之前，先在不确定位的数上，加短横表示其数值是估读的，即 A=2.3425， B=1.35×10-3，C=3.843。然后运算 A·B的积，为了清楚，列出横、竖式：

A·B=2.3425×1.35×10-3

所以最后应写成：A·B=3.2×10-3 或者 3.16×10-3。有趣的是

2.34×1.35=3.2 或者 3.16 结果仍没有变，而 2.3×1.35=3.10 已开始变化。所以不难得出这样结论：有效数字相乘时，首先确定最少的位数， 然后运算各数都调整成相同位数，再按乘法规则运算，最后结果的位数， 基本保持不变。由上例可知，A 的有效位数为 5 位，B 为 3 位，因此根据四舍五入法则，将 A 化成 3 位，然后相乘，得到结果取 3 位，更严格应取 2 位。在运算的中间结果，可多取一位，在运算的最后结果最好位数相等。不难理解，有效数字相除的规律与相乘的相同。所以 y 的运算，写成如下的运算步骤：

y = A·B / C = 2.3425× 第一步调整位数，即

1.35×10⁻³

y = 2.34×

1.35×10⁻³

3.843

第二步计算结果，可得到：y=0.822656⋯×10-3，第三步定位，即取结果的位数与最少位相同，即

y=8.2×10-4（单位）。

注意：定位时，不考虑小数点，也不考虑幂指数，单纯比较数的大小，比较时，结果的数不能大于直接参与运算的数。例如参与运算的数 3.84 写成384，结果的数 82＜384，取 822 或者 823 显然大于 384，是不合适的，因此结果取为 82，然后写成科学记数形式。在 A 和 B 的乘积里，取 31（＜135） 而不取 316（＞135）也是这个道理。在上述运算比较时，取 3.84 而不取

1.35 或者 2.34，是因为 3.84 的有效数字位数最少。由上述讨论，不难写出下面例题的结果：

1.24568×10³ ×2.35×10⁻⁶ −

y = 5.348×102 = 5.5×10

同样可以看到，1.24568×103 和 5.348×102 两个量的测量精确度高于2.35×10-6，由运算法则可知是没有必要的，即测量前应该先估算一下最少位数是多少？能否设法提高？然后确定其他量的测量方案，最后写出实验步骤，计算测量结果。

其它运算在中学物理实验中，其它的运算包括：n 次幂、开 n 次方、指数、对数和三角函数等运算。通常这些运算结果的有效数字位数与变量的有效数字位数相同。例如

3.42² = 1.18×10，

3.42³ = 4.0×10，

= 1.849，

= 1.507， ln3.4354 = 1.2341， sin25.3° = 0.428。

实验中有时运算公式较复杂，可以综合运用上述三种运算方法，以求

得合理的实验结果。

有效质量（effective mass） 晶体内电子的等效质量。晶体内电子由于受到晶格周期势的作用而不同于自由电子。但人们发现，可以把这

种周期势场的作用归结为使电子的质量由自由电子质量 m0 变为 m*，并称m*为“有效质量”。此时晶体中的自由电子的能量和动量关系（E=p2/2m*） 与自由空间中电子的能量和动量关系（E=p2/2m*）形式完全相同。有效质量概念的引进给讨论晶体中电子的运动带来了方便。这种近似方法又称为有效质量近似。

有效质量与能带的形状有关。由于晶体各向异性，它通常是一个二阶张量。

右手定则（right-hand rule ） 一种确定物理量方向或指向的法则。用于如下两方面。

右手定则（1） 确定矢积方向的法则。矢量 A 和 B 的矢积是矢量 C，

即

C 的大小为

C=A×B，

C=ABsinθ，

式中θ是 A 和 B 的夹角。C 的方向按右手定则垂直于 A、B（将它们的起点放在一起）所构成的平面。右手定则指的是，伸出右手，选取适当方位，能使四指按自然的生理结构，从 A 出发，经由 A、 B 间小于 180°的夹角转向 B，则伸直的大拇指所指方向即为 C 的方向（如图 1）。也可以设想有一个右手螺旋，当用右手从 A 出发，经由 A、 B 间小于 180°的夹角转向 B 而旋转这螺旋时，它的前进方向即为 C 的方向。因此，在矢积运算中，右手定则也称右手螺旋定则。

图 2 右手定则（2）

右手定则(2) 又称“发电机定则”。确定感应电流方向（即指向）的法则。伸出右手，四指平摊，大拇指与其余四指垂直。设想使磁场线垂直地从掌心进入，而大拇指指向导体的运动方向，则其余四指所指即为感应电流的方向，也即把这装置看作“发电机”时导体内感应电动势的指向（由负极指向正级）（如图 2）。在开始学习电磁感应课程时，右手定则对于确定感应电流方向是必须掌握的。但到后来，这种方向往往可通过楞次定律或矢积运算确定。

宇称（Parity） 常指“空间宇称”。描述粒子或粒子系统在空间反演变换下变换性质的物理量。它只取两种值，即+1 和-1。空间反演变换就是将空间坐标轴的方向改变为相反方向的变换。量子力学中微观粒子的状态是用波函数描写的。如果波函数在空间反演下保持不变，即ϕ（x，t）

=ϕ（-x，t），就说该粒子的状态具有“偶宇称”（P=+1）；如果波函数在空间反演下变号，即ϕ（x，t）=-ϕ（-x，t），就说该粒子的状态具有“奇宇称”（P=-1）。实验已经证明，强作用和电磁作用中宇称是守恒的， 但在弱作用过程中，宇称不守恒。弱作用中宇称不守恒是李政道和杨振宁于 1956 年首先从理论上预言，第二年吴健雄首先利用极化钴的β衰变实验证实了这个预言。

宇宙（universe） 广漠太空和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙一词语出战国尸佼《尸子》：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。” 辩证唯物主义认为，宇宙是无限的，它处于不断的运动和演化之中。宇宙是多样而又统一的，它的多样性表现在物质及其相互作用的各种形态，它

的统一性体现在其物质性，即客观存在性上。人类对宇宙的认识由太阳系到银河系，再扩展到河外星系、星系团乃至总星系。迄今，人们借助于天文仪器已可观测到一百多亿光年远处的宇宙。宇宙天体呈现多种多样的形态，有质量密集的星体，也有密度极小的松散的星云，此外，整个宇宙空间还充满辐射场，它相当于 3K 的电磁黑体辐射。各种星体也千差万别，它们的大小、质量、密度、温度、颜色，以及年龄和寿命等有很大差别。

物理学和天体物理学中具体研究的宇宙可理解为“观测到的宇宙”或“我们的宇宙”，这是指现在所能观测到的现象的总和，又称“总星系”。在这个前提下，所谓“宇宙的年龄”、“宇宙的大小”、“宇宙的质量” 以及“宇宙的创生”等才是有意义的。宇宙速度（cosmic velocity）物体以一定程度摆脱地球和太阳引力的束缚飞向宇宙空间所需的最低速度，也就是不计空气阻力和光压等的影响时，从地球表面向宇宙空间发射人造地球卫星、行星际飞行器和恒星际飞行器所需的最低速度。这三种速度分别称为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

第一宇宙速度又称环绕速度。人造卫星围绕地球表面做圆周运动时的速度，也是发射人造地球卫星所需的最低速度。在人造卫星环绕地球表面做圆周运动时，提供向心力的是地球对人造卫星的万有引力，即

mM

G R2

v 2

= m 1

R

式中 v1 为第一宇宙速度，m 和 M 分别是人造卫星和地球的质量，R 是地球半径，G 是万有引力常数。因为地面附近的引力等于重力，即

mg = G mM

R2

从上两式得出第一宇宙速度是

v1=

=7.9 千米/秒。

人造卫星的速度由于某种原因而减小到小于第一宇宙速度时，将会坠落地面；如果在轨道上某处的速度大于这个速度，只要轨道不与地球表面相交， 它的轨道就是一个椭圆。

第二宇宙速度 又称逃逸速度。航天飞行器脱离地球引力场所需的最低发射速度。根据机械能守恒定律，飞行器以第二宇宙速度 v2 离开地球表面时的机械能应与它脱离引力场并耗尽其全部动能时的机械能相等。飞行器离开地球质心的距离为 r 时，引力势能是-GmM/r，所以

1. mv² − G mM

= 0 ,

1. ² R

由此可得第二宇宙速度是

v2 =

它是第一宇宙速度的

= = 11.2千米 / 秒

倍。

第三宇宙速度航天飞行器脱离太阳引力场所需的最低发射速度。已知

脱离地球的最小速度与环绕地球的速度之比为 ∶1，所以可推知从地球

轨道上的固定位置发射航天器脱离太阳引力场的最小速度是地球环绕太阳

速度的

倍。地球环绕太阳的速度是 v*1=29.77 千米/秒≈30 千米/秒，

所以这个最小速度是

v^* = 2v^* = 42.10千米 / 秒

2 1

但是，航天飞行器如要脱离太阳引力场，首先就要脱离地球引力场的有效范围，在这个范围以外，地球的引力场与太阳引力场相比可以略去不计。这个范围本身的线度与地球公转半径相比也可略去不计，即相对于太阳来说，当飞行器基本脱离地球引力范围时，其位置仍离地球不远。如以 v3 表示第三宇宙速度，则飞行器初动能 mv² / 2 应该正好等于克服地球引力所做

的功 W （ 1 2 ） 与克服太阳引力所做的功 W =m （v^* * ） ² / 2 之和，

1 = 2 mv2 2 2

v^* *是航天飞行器基本脱离地球引力范围时相对于地球的公转速度，

v^* * = v^* - v^*。当v^* 与v^*取相同方向时，v^* * =|v^* *|有最小值：

2 2 1 2 1 2 2

V^** = v^* - v^* = 42.10 - 29.77 = 12.33千米 / 秒

2 2 1

将此数值代入

1 mv² = 1 mv² + 1 m(v^* *)²

2 3 2 2 2 2

得出第三宇宙速度为

v3 =

宇宙线（cosmic ray ） 来自宇宙空间的高能粒子流。进入大气层之前的宇宙线称为“初级宇宙线”。初级宇宙线进入地球大气层并与大气中的原子发生碰撞后产生的粒子流称为“次级宇宙线”。初级宇宙线包括高能电子、高能质子、以及少数α粒子和重原子核，是各种天体演化过程的产物，它的起源和传播是高能天体物理学研究的一个课题。次级宇宙线的成分主要包括μ子和电子，以及γ光子等。本世纪 50 年代高能加速器问世以前，主要通过宇宙线实验发现基本粒子，并对这些粒子的性质以及它们之间的相互作用和相互转化进行研究。例如，μ±子、正电子、π±介子、K±、Σ±、Ξ−等基本粒子都是首先从宇宙线实验中发现的。目前宇宙线物理的研究重点已逐步转向对高空初级宇宙线的研究和利用。

宇宙学（cosmology） 是天文学的一个分支。它从整体的角度来研究自然界的整体——宇宙的创生、结构和演化。它的内容主要包括宇宙论和观测宇宙学两大部分。宇宙论是以物理学理论及观测事实为基础，对宇宙的创生、宇宙物质结构和宇宙演化进行研究和探讨；观测宇宙学侧重于探测、发现宇宙在大尺度时空上的特征。两者的有机结合，使宇宙学逐渐成为一门较严密而自洽的学科。

远在几千年前，人类就开始思考自然界在整体上的性质，特别是它的大小、结构和起源，并形成了一些朴素的认识，如中国古代的“盖天说”、“浑天说”、“宣夜说”，以及源于古希腊并风行于中世纪欧洲的托勒密等的“地心说”等。这些观点可看作是早期的宇宙学说。至 16 世纪，哥白尼创立了“日心说”；17 世纪，牛顿又开辟了用力学方法去研究宇宙的新途径，建立了经典宇宙学。但是在那些年代，人类对自然界的认识非常有限，缺乏有力的观测手段和严密的理论分析，因此对宇宙的研究有很大的臆测成分。

到了 20 世纪初，情况有了很大改变。1915 年，爱因斯坦创立了广义相对论。1929 年哈勃发现了河外星系的谱线红移。按照多普勒效应的理论，

这表明河外星系都在离开我们而运动，并由此得出了宇宙处在不断膨胀之中的结论。在大量的观测数据基础上，哈勃给出了后来以他的名字命名的定律：R/R=常数（式中 R 表示宇宙的空间尺度，上标“·”表示对时间的导数）。以上这两大成就为宇宙学奠定了理论和观测基础。至此，现代意义上的宇宙学宣告诞生。

按宇宙的产生和演化过程，即以宇宙时来划分，现代宇宙论大体上可分为三大部分：量子宇宙学、极（甚）早期宇宙论和标准热宇宙模型（又称“大爆炸学说”）。在宇宙时 10-43 秒前，这是宇宙创生期，由量子宇宙学来描述。根据量子力学中的海森堡不确定关系Δt·ΔE～h·Δx·Δp～ h，考虑到此时宇宙的能量密度很高（～1019GeV），因此经典的时空概念并不适用，难以按照常规的概念来区分时间以及空间概念。为此，以当代英国科学家霍金为首的一些学者提出了量子宇宙学理论。他们认为此时整个宇宙的状态应用宇宙波函数来描述，由路径积分方法可导出宇宙波函数需满足的 Wheeler-Dewitt 方程，随后求解此方程。 Hartle-Hawking 波函数作为该方程的一个解，能较合理地显示宇宙的创生，并能与宇宙的演化相吻合。近年来由于虫洞理论的提出，人们发现可存在多宇宙结构，各个宇宙间可通过虫洞机制产生相互作用。目前的量子宇宙学尚处于发展阶段。

在宇宙时由 10-43 秒至 10-10 秒之间，能量密度小于 10-19GeV 到 10GeV 之间的宇宙演化阶段称之为极（甚）早期宇宙时期。若将标准热宇宙模型外推到宇宙极（甚）早时期，会在理论上遇到一些疑难问题，如视界、平直性、过多磁单极等。80 年代初，美国的古思和原苏联的林德等人提出了暴胀宇宙论。按照粒子物理理论，宇宙在这时期会经历一系列相变。首先是自然界中的三种基本相互作用（电磁作用，强作用和弱作用）是统一的； 但是随着宇宙的膨胀，能量标度下降，真空对称性破缺，从而使强作用与其它两种作用的差异显露出来；其后，随着能量标度进一步减小，宇宙又经历了第二次相变，使电磁作用和弱作用的统一性也破坏了。前者称之为GUT 相变，后者称之为 W-S 相变。在 GUT 相变中，原来对称的真空变为非对称真空。非对称真空包括了具有能量较高的假真空和能量最低的真真空。在相变前处于能量最低的真空态的宇宙，在相变后由于真空态的变异， 将处于能量较高的假真空态。按照量子理论，能量较高的状态是不稳定的， 因此宇宙就会从能量较高的假真空态进入到能量最低的真真空态，从而使宇宙发生指数形式的膨胀——暴胀。这种暴胀理论可以解决上述诸多的疑难。然而，尽管暴胀宇宙论能较好解决这些疑难，但在宇宙演化过程中， 却提不出任何新的可观测预言，因此也引起了部分科学家的质疑。宇宙究竟是否真的经历过暴胀阶段？另一方面，按拓扑学观点，在上述的相变过程中，在宇宙空间会形成一系列拓扑荷：畸壁、宇宙弦、单极子、脉系等。目前研究得最多的是宇宙弦，这是一种线性的一维拓扑荷。无限长直的宇宙弦称之为直弦，而线性封闭成圈的宇宙弦称之为环状闭弦。由于相变时能量很高，宇宙弦有很高的质量线密度和强大的张力，在它们自身演化中会不停地振动、扭曲、割接，并吸聚大量的宇宙物质，因此可能逐渐形成如今我们所观测到的星系和星团。宇宙弦具有这种形成大尺度物质结构的“晶种”作用，为我们解释宇宙中大尺度物质的形成和分布提供了一种理论依据。

从宇宙时 10-10 秒至今的宇宙演化过程，可用标准热宇宙模型描述。按照大爆炸学说，根据现代物理理论，可导出宇宙的空间尺度与温度、宇宙时以及能量密度之间的明确的关系式，从而可清晰地描绘出宇宙在该时期各个阶段演化的物理图像。该学说还给出了一些重大的预言，其中一些已被后来的观测所证实。目前该理论已为大多数科学家所接受。

哈勃定律的发现可认为是观测宇宙学形成的起点，在以后 20 年中，由于受到科学技术上的限制，一直没有太大的进展。直到第二次世界大战后， 射电天文学得到了飞速发展。美国 5 米直径的 Hale 大型光学望远镜建成和投入使用，导致了 60 年代天文学上一系列重大发现，其中最有代表性的3k 宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际分子等的发现使观测宇宙学进入一个崭新的阶段。随后 20 年中，又陆续有多架大口径和大视场光学望远镜以及大型高灵敏度射电望远镜投入使用。此外，紫外、X 射线和红外波段天文望远镜一个接一个地被送入太空，天文观测摆脱了地球大气的限制，进入了空间时代。现在，人类几乎能在从γ射线到射电波段整个电磁波谱范围内观测太空天体的辐射。此外，对宇宙线、中微子以及引力波的探测都得到了长足的发展。目前人们已能观测到空间尺度达上百亿光年， 时间尺度达上百亿年的宇宙时空区域。

除了已提到的哈勃定律和 3K 宇宙微波背景辐射等重大发现外，其他已有的一些主要观测结果还有：①“大尺度结构”：据估测，宇宙中的星系可能有数百亿个之多。根据对几万个星系的统计分析，宇宙中存在着星系的团、超团和空洞，在千万光年至亿光年的尺度上是不均匀的，呈现出所谓“海绵或泡沫结构”。在更大尺度上则较为均匀。对现有类星体样本的统计分析，没有充分证据说明类星体也有类似分布。②天体时标：根据对地球和月球上最古老的岩石及太阳系中陨石的各种物理和化学性质分析， 以及对银河系球状星团的观测和推算，估计目前已知天体的年龄均小于 2

×1010 年。③元素丰度：宇宙中最有代表性的天体是恒星。观测发现，恒星的表面主要由氢组成，其次是氦，仅在其内部有少量的重元素。对太阳系及邻近恒星、银河系及其它河外星系观测分析表明，在这些天体系统中， 氦与氢的质量比值均为 0.3 左右，氦丰度（氦元素质量与总质量的比值） 约为 0.27～0.34。下表列出了宇宙物质结构层次的基本特征作为参考。

阈值条件（thresholdcondition） 激光器实现激光输出的临界条件。在激光器的工作物质已实现粒子数反转后，对频率在工作物质荧光谱线宽度范围内的光能产生光增益。但由于存在着众多的损耗因素，如反射

镜的吸收、衍射，工作物质不均匀造成的折射和散射，以及激光输出等因素，所以为了使谐振腔内的光振荡继续维持、加强，并继续实现激光输出， 必须要求增益大于损耗。设谐振腔长为 L，两块反射镜的光强反射率为 R1 和 R2，增益系数为 G（v），第一块反射镜面处的光强为 I0，则通过增益介质到达第二块反射镜面时的光强为 I0eG(v)L；反射光强为 R2I0eG(v)L。再经过长度为 L 的工作物质并在第一反射镜面处反射后，光强变为R1R2I0e2G(v)L，以此规律不断重复。光束在腔中每经过 1 次往返，其光强便改变 R1R2e2G(v)L 倍。如果这倍数小于 1，光强将减小，因此不可能建立激光振荡。所以，实现激光振荡的阈值条件为

R1R2e2G(v)L≥1，

即增益系数必须满足上述条件。由于增益系数与粒子数反转成正比，因此相应地存在一个粒子数反转阈值，简称阈值反转。阈值条件还有多种表达方式，如阈值电流密度，阈值功率密度，其含义都是一样的。

元激发（elementaryexcitation） 又称准粒子。描写固体中微观粒子的集体运动状态所引进的具有各种不同性质的基本激发单元。

固体材料是由大量粒子（电子、离子等）构成的一个复杂的多体系统， 粒子之间存在着较强的相互作用。在绝对零度时，系统的能量状态最低， 称为基态。当温度升高或在别的外扰动作用下，固体中的微观粒子将做种种复杂的集体运动，体系跃迁到各种能量较高的激发态。固体的许多物理性质都与系统的各种激发态有关。理论研究表明，对于能量靠近基态的低激发态，往往可以看成是一些独立的基本激发单元的集合，这些基本激发单元称为元激发，有时也称为准粒子，它们具有确定的能量和相应的准动量。元激发概念的引入，可使固体这样一种有复杂相互作用的多体系统简化成接近于理想气体的准粒子系统。这时固体中的许多与低激发态有关的物理现象和性质，都可用各种元激发以及它们之间的相互作用来描述。

固体中典型的元激发，即准粒子，有声子——晶格振动的元激发；准自由电子——晶体周期场中电子的元激发；电磁耦合场量子——电磁场与声子耦合的元激发；激子——束缚的电子-空穴对，以及极化子——电子与晶格畸变场耦合的元激发等。

声子 晶格振动能量的量子。在温度 T≠0K 时，晶体内的原子绕格点的振动可用简谐振子近似。各点振动之间有一定的位相联系，因此这种晶格的集体振动便形成了平面波，称为“格波”。声子就是这种格波能量的量子。由于每个声子有确定的能量和准动量，可相当于一个粒子，但它又不是一种真实的粒子，故称为准粒子。声子的引入，使人们不仅对晶体的热学性质有了较深刻的认识，而且采用声子概念后可以用声子-电子、声子- 光子等互作用模型来揭示晶体的光、电特性，使人们对物质的认识更为深入。

准自由电子 晶体中的电子。它具有有效质量 m*。晶体中的电子受到晶格周期势场的作用，因而它不是自由的电子。但是理论上发现，这种晶格势场中的非自由电子可用一个不受到相互作用、质量为 m*的自由粒子来等价。m*称为等效质量，它不等于自由电子质量 me。这种具有有效质量 m* 的自由粒子就称为准自由电子。显然，准自由电子有效质量 m*的数值中包含了晶格势场与自由电子相互作用的信息。引进准自由电子概念后，对晶

体中电子运动的描述可大大简化。

电磁耦合场量子 电磁波和格波耦合的量子。当光入射到固体时激发了固体的晶格振动，将产生相应的格波。这时，光波电磁场就会和格波电磁场相互作用，从而形成既非光子又非声子的一类复合准粒子，称为电磁耦合场量子。这种复合准粒子具有晶格振动和电磁振动的双重特性。当耦合较弱时，在低频区或长波区，这种复合粒子具有声子的主要特征；在高频区或短波区，即光波区，则主要具有光子性质。

激子 在同一原子内形成的束缚的电子—空穴对。是固体的元激发之一。当入射光的能量小于禁带宽度时，从价带激发的电子不能到达导带而成为自由电子，只能落在禁带内靠近导带底部的激发能级上，这时这种电子就能与价带顶部留下的空穴通过库仑力的作用相互吸引，形成束缚的电子-空穴对。与成对产生的导带的自由电子和价带的自由空穴不同，激子的运动不产生光电导。激子从一个原子转移到另一个原子运动时，会在晶体内形成一种激发波，这种激发波的量子就是激子。

原胞（primitive cell） 晶体内原子周期性排列的最小重复单元。同一种晶格内原胞的选择是可以任意的，但必须是最小的重复单元，而且在原胞内只包含一个原子。如图 1 为一个二维晶格，在这晶格内原胞是一

个四边形，如四边形 1，四边形 2，四边形 3 均可选作原胞，而四边形 4 就不是原胞。

图 1 二维晶格的原胞

三维晶格中的原胞是一个平行六面体，它的边矢量 a1，a2，a3 称为基矢。如简立方晶格中的立方体就是一个原胞。由于顶角原子被 8 个立方体所共有，因此在一个立方体内，每个顶角占有 1/8 个原子，所以每一个立方体内总共只含有一个原子，这种立方体称为简立方晶格的原胞。

在体心立方晶格中，一个立方体内包含有两个原子，所以这种立方体不是体心立方晶格的原胞。人们习惯选取如图 2 所示的由边矢量 a1、a2、a3 所组成的平行六面体为体心立方晶格的原胞。在这个原胞内只包含一个原子。

同样在面心立方晶格中，一个立方体内包含有四个原子（因为每个面心原子为两个立方体所共有，故立方体内六个面心原子共占有三个原子， 此外还有一个顶角原子），所以这立方体也不能选为面心立方晶格的原胞。一般习惯选取如图 3 所示的由边矢量 a1、a2、a3 所组成的平行六面体作为面心立方晶格的原胞。

图 2 体心立方晶格的原胞图

1. 面心立方晶格的原胞

原子（atom） 见原子结构。

原子半径（atomic radius） 表征原子线度的量。反映了物质在这个线度上存在具有共同特征的某一层次的内部结构。可通过如下方法估算出原子的大致半径。一摩尔某种原子的数目等于阿伏伽德罗常数 NA，如果这种原子的原子量为 A，所构成的固态或液态物质的密度为ρ，则 A 千克

4 3

这种原子的总体积为 A/ρ。如果再假定每一原子占有的体积为 3 πr （r

4 3

为原子半径），则有 3 πr NA=A/ρ，由此可得到原子半径估算公式：

r = 。由于r～ 3 A / ρ ，所以由此式算出的各种原子半径几乎都差

不多，其数量级大约是 10-10 米。例如锂（A=7），铝（A=27），铜（A=63） 及铅（A=207）原子的半径分别约为 1.6×10-10 米，1.6×10-10 米，1.4× 10-10 米和 1.9×10-10 米。按照玻尔模型的观点，随着原子序数 Z 的增加， 核外电子受到原子核正电荷的吸引力增大，因此电子离校的距离减小；另一方面，每个核外电子都有占据能量最低的轨道的倾向，但由于泡利不相容原理，虽然第一层能量最低电子的轨道半径小，但电子不能都在同一轨道，因此 Z 增加时电子在核外排列的轨道层次将要增加。以上两种效应有抵消趋势，所以最终使各种原子半径变化不大。

玻尔半径 氢原子玻尔模型中电子的稳定轨道半径，其值为

4πε h²

r = ⁰ n² （n=1，2，⋯），其中ε

为真空电容率，h 为普朗克常数，

me2 0

m 和 e 分别为电子的质量和电荷，n 为量子数。若令 n=1，便得到第一玻尔

4πε h²

半径，常用 a

表示：a = ⁰ =0.529×10-10 米。第一玻尔半径常简称为

0 0 me2

玻尔半径。玻尔半径是由一些基本物理量所构成的具有长度量纲的量，在原子物理学中常常取它作为长度单位。

最可几半径 与玻尔模型不同，在量子力学中对于氢原子中的电子运动，不能给出严格的轨道，只能给出它的位置分布概率。对于氢原子最低的，也是最稳定的能量状态来说，电子的位置概率分布是球对称的。出现概率最大的位置离原子核中心的距离即为最可几半径。由量子力学公式算出其值恰好等于玻尔半径 a0。

玻尔半径或最可几半径给出了氢原子的线度。一般原子的半径可通过 X 射线衍射或场离子显微镜等实验直接测量，所得到的数量级都大致相同。

原子磁矩（atomic magnetic moment） 原子所具有的磁偶极矩。原子磁矩来源于电子轨道运动所产生的轨道磁矩，电子的自旋磁矩，以及原子核磁矩。原子核的磁矩很小，通常只有电子自旋磁矩的千分之一，在原子物理中一般可不考虑。

电子轨道磁矩 与原子中电子的轨道运动相联系的有“轨道角动量”L 和“轨道磁矩”μL 它们之间存在如下关系

e

μ _L = − 2m L，

式中 me 和 e 分别是电子的质量和电荷绝对值。上式中的负号来源于电子的电荷为负，所以电子轨道磁矩与轨道角动量的方向相反。轨道角动量和轨道磁矩在空间某一 z 方向的分量为

LZ=mh，

μL_Z

= −m eh

2me

= −mμ _B ，

其中 m 为电子轨道磁量子数，h=h/2π， h 为普朗克常数。μ

为“玻尔磁子”，常作为电子磁矩的单位。

= eh 称

^B 2me

电子自旋磁矩电子具有自旋角动量 s，相应地具有自旋磁矩μs，其间存在如下关系

μ = −g e s，

s s 2m

gs 称为电子自旋的“g 因子”。自旋效应实质上是一种相对论性量子现象。按照相对论量子力学（狄拉克理论），gs=2。如果进一步考虑到电子与自己所产生的电磁场之间的相互作用，按照“量子电动力学”， gs=2

（1.001159652389±282×10-12），此结果与精确的实验很好相符。自旋角动量沿空间某 z 方向的投影只能取两种值：

s = m h = ± 1 h，

z s 2

所以电子自旋磁矩的 z 分量也只能取两种值：

μ = −g m μ

= μ 1 g μ 。

sz s s B

2 s B

单电子原子磁矩 电子的轨道角动量和自旋角动量合成为总角动量J=L+S，电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为总磁矩μ=μw+μs。由于μs 和 L 的比值与μs 和 S 的比值不同，μ与 J 并不同向。通常取μ沿 J 方向的分量μJ 称为总磁矩，且它与总角动量之间存在如下关系：

μ = g e J ，

^J 2m

其中 g 因子或“朗德因子”可通过量子力学中的角动量理论算出。

多电子原子磁矩 为了得到多（价）电子原子的总磁矩μJ 和总角动量

J 之间的关系，应区分两种情况：“LS 耦合”和“JJ 耦合”。先求出所有电子的总轨道角动量L = ∑LI ，以及总自旋角动量S = ∑Si ，然后再求出

i i

总角动量 J=L+S，这种耦合方式称为 LS 耦合。如果先求出每个电子的总角动量 Ji=Li+Si，然后计算多电子原子的总角动量J = ∑Ji ，这称为 JJ 耦合。

i

由于角动量矢量按特定方式在空间取向（所谓“空间量子化”），而轨道角动量和自旋角动量的空间取向方式有不同特点，所以上述两种耦合方式并不等价。究竟采取何种耦合方式，要视具体物理问题而定。在大多数情况下，电子间的库仑相互作用比每个电子的自旋轨道间的相互作用重要， 此时应采用 LS 耦合。对于某些情况（如重原子或高激发态原子），每个电子的自旋轨道相互作用比电子间的相互作用重要，此时应采用 JJ 耦合方式。无论何种耦合方式，原子的总磁矩与总角动量之间总具有正比关系， 但比例系数不同。

原子光谱（atomic spectrum ） 原子内电子运动状态发生跃变时产生的发射光谱或吸收光谱。原子光谱的波长通常落在红外、可见光和紫

外区。

研究简史 1814 年夫琅和费首次发现太阳光谱中有许多暗线。1859 年， 德国物理学家基尔霍夫发明了分光计，并与德国化学家本生一起创立了光谱分析方法。他们发现各种化学元素具有特征光谱线，并据此发现了元素铯和铷。至 19 世纪 60 年代，已观察到 1200 多条太阳光谱暗线，并确认出

其中 800 多条为地球上已知元素的谱线。其后又发现了氢和碱金属原子光谱的线系结构，并得到了经验公式（如氢光谱的巴耳末公式）。这些结果对于深入到原子领域的研究，以及后来玻尔模型和量子力学的建立和发展起到非常重要的作用。

基本规律性 原子光谱的结构决定于原子的能级结构。按照量子力学理论，原子中的电子可能处于一系列能量确定的状态，即定态。原子定态的能量可表示为 E（α），其中α表示一个或几个量子数。例如在最简单情况下，氢原子的能级仅仅与“主量子数”n 有关，n 可取 1，2，3，⋯等

任何正整数的值，这时α就表示 n，且有 E =-I 1

，其中 I=13.6eV，是氢

n n2

原子的电离电势。当 n=1 时，E=-I，相应于最低能级。能量最低的状态称为“基态”；能量高于基态的状态称为“激发态”。处于较高能态的电子可通过发射光子而跃迁到较低能态；反之，处于较低能态的电子可通过吸收光子而跃迁到较高能态。再根据能量守恒定律，原子在这种跃迁过程中所放出的或所吸收的光子的能量（hv）应等于两能级之差值，即 hv=｜E（α ₁）-E（α2）｜，其中 h 为普朗克常数，v 为光的频率，它与光的波数之间

的关系是 k= 1 = v ，其中λ为光的波长，c 为光在真空中的速率。于是有

λ c

k = 1 =

λ

1 | E(a hc

₁) − E(a 2 )|

氢光谱线系的规律性可用上述公式得到说明。上式右侧是两项之差，其中

每一项称为光谱项。对于氢原子来说，光谱项为 T（α）=T（n）= RH ，

n2

其中 R = I

即为氢原子的“里德伯常数”。上述每一条光谱线的波数可表

^H hc

示为两谱项之差这一事实，也称为“里德伯-里兹组合原则”。

原子光谱的精细结构 当考虑到原子中电子的自旋磁矩和轨道磁矩的相互作用后，原子的能级 E（α）不仅与主量子数 n 有关，而且还与角量子数 l 或与总角动量量子数 j 有关，即 E（a）=E（n，j）。于是 n 取确定值的能级将按 j 值的不同而分裂为几条能级。不过由于电子的自旋与轨道相互作用相对来说很小，所以能级随 j 值的改变很小。谱线的这种多重结构称为“精细结构”。如果考虑电子的磁矩和原子核磁矩的相互作用，原子的能级还会进一步发生更为精细的分裂，使原子光谱呈现出“超精细结构”。此外还有光谱线的“兰姆位移”，这是原子核的电荷对其附近真空产生影响等原因而引起原子某些能级（如 2S1/2）产生非常微小改变所致。

在外界电场和磁场中的原子光谱 外界电场和磁场对原子中电子的状态会产生影响，从而引起原子能级改变或分裂。这种效果将会在原子光谱中反映出来。外电场引起谱线的分裂称为“斯塔克效应”；外磁场引起谱线的分裂称为“塞曼效应”。

应用和发展 原子光谱技术是研究原子结构、分子结构、固体性质以及外界电磁场与物质相互作用特征的重要手段，这一技术已广泛应用于化学、天体物理学和等离子体物理学等领域。原子光谱的发展在本世纪 60 年代又促进了激光技术的产生和发展，从而使光谱技术从精度和广度上达到了更高的水平。

原子核（atomic nucleus） 原子的中心，几乎集

中了全部原子的质量，其线度约为 10-15 米的微观客体。卢瑟福α粒子散射实验最早证实了原子的这一核心部分的存在。

原子核的组成 目前通常认为原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。原子核的核子数常用 A 表示，质子数用 Z 表示，中子数用 N 表示，且有 A=Z+N。原子核的质子数 Z 就是它的电荷数，也是元素周期表中的原子序数。原子的化学性质和一般物理性质几乎完全决定于其原子核

的质子数。原子核可用符号^A X 或^A X 表示，其中 X 是元素名称。例如氢

核记为 ¹H ，氘核记为 ² D ，氦核记为 ⁴ He 等，或简单地记为

1 0 1 1 2 2

¹ H， ²D和⁴He 等。Z 与 N 都相同的原子核称为核素；Z 相同 N 不同的原子

1 1 2

核称为同位素；N 相同 Z 不同的原子核称为同中子素；A 相同而 N 和 Z 不同的原子核称为同量异位系。

原子核的质量和结合能原子核的质量并不等于组成核子质量之和，还与它们之间的结合能有关。对于核素^A X ，它的核由 Z 个质子和 N 个中子组成，核的质量应为 mx=Zmp+（A-Z）mN-Δm，其中 mp 和 mN 分别表示质子和中子质量，Δm 称为质量亏损，B=Δmc2（c 为真空中的光速）就是结合能， 它也就是这些质子和中子结合为原子核时所释放出来的能量。结合能在数值上也等于将该原子核拆成 Z 个质子和 A-Z 个中子时所必须花费的最小能量。原子核的结合能 B 与总核子数 A 之比称为该核每个核子的平均结合能， 记为ε=B/A。例如氘（ ² H ）的结合能为 B=2.224MeV，平均结合能为ε

=1.112MeV；氦核（ ⁴ He）的 B=28.296MeV，ε=7.074MeV。核子平均结合能与总核子数 A 的函数关系如上图所示。从图中可以看出，平均结合能曲线总趋势是两头低，中间高。该曲线在开始时有些起伏，逐渐光滑地达到极大值（～8MeV），然后又缓慢地变小。当结合能小的核变为结合能大的

核时，会释放出能量。从图中可以看出，有两条途径可以获得这种能量， 一是重核分裂，如一个重核分裂成两个中等质量的核；二是轻核聚变为较重的核。

核子的平均结合能

原子核的大小和形状 原子核除轻核外，平均结合能近似为一常数。若将原子核近似地看成是平均核子数密度ρ、半径为 R0 的均匀小球，则有

4 πR³ρ = A ，即

3 0

R0＝r0A1/3 r0=（3/4πρ）1/3=1.2×10-15 米，

其中 r0 的值为一经验常数。实际的核常常偏离球状，不同的核具有不同形状。同一核处在不同状态时，其形状也有差异。通常可分为球形、长椭球、

扁椭球等。例如¹⁶O 的基态呈球形，但其激发态则偏离球状；稀土元素原子核的基态呈椭球形状。实验上可通过中子或电子散射来测定核的形状。稳定核与不稳定核 现在已知的原子核共约 2000 余种，自然界中天然

存在的元素原子核约为 300 余种，利用高能粒子轰击稳定核而产生的人造

原子核约 1600 余种。天然核中大多数是稳定的（约 280 余种），但原子序

数很高的重元素原子核是不稳定的（约 30 种）。人造原子核都是不稳定的。不稳定核将通过放射性衰变而最终蜕变为稳定的核。

原子核物理学（nuclear physics） 物理学的一个分支。研究原子核的性质、结构、相互作用及运动规律的学科。原子核是原子的核心， 其线度只有原子线度（～10-10 米）的万分之一（即～10-15 米）。在原子内部，核外的电子运动是主要的。原子核的存在对原子性质的贡献仅仅在于其质量和电荷。原子核的其他性质（如磁矩、电四极矩等）对原子的影响则相当微小。另一方面，核外电子的行为对原子核的性质也几乎没有影响。因此，原子和原子核是物质结构中截然区分的两个层次，它不同于分子和原子的关系，也不同于原子核和基本粒子的关系。决定原子结构特征及其基本性质的是电磁相互作用，而决定原子核结构特征及其基本性质的是强相互作用（核力）。原子核物理学的内容通常包括，原子核和核力的性质， 核结构和核模型，放射性衰变及其规律，核反应，核裂变和核聚变等，广义地说还包括宇宙线，基本粒子，中子物理，射线与物质相互作用等。原子核物理学也是原子能技术、同位素和放射性在工农业、医学等领域应用的基础。现代原子核物理学的实验需要大型设备，如加速器和反应堆等。目前在核结构、核力以及核反应机制等许多方面还存在不少基本问题有待解决。物理学家普遍认为，核力是构成核子内部更基本的组分粒子（夸克） 之间的强相互作用的一种剩余效应，犹如分子力是原子内部电磁相互作用的一种剩余效应一样。所以，对于原子核的认识或许有待于对基本粒子和基本相互作用的研究和认识的深化。

原子结构（atomic structure） 原子是物质结构的一个层次， 是构成元素的最小单元，其线度约为 10-10 米。在这一线度上，各种原子具有类似的内部壳层结构。原子结构可用量子理论进行描述。

发展简史 古代原子说“原子”一词来自希腊文，涵义是不可再被分割的东西。公元前 4 世纪，古希腊哲学家德谟克利特就提出了这个概念，把它作为构成物质的最小单元。但差不多同时代的亚里士多德等人则认为， 物质是连续的，可被无限分割。后一种观点在中世纪占优势。但是随着科学，特别是化学的发展，物质的原子说在 16 世纪以后逐渐地占了优势，并为人们普遍接受。1808 年，英国化学家道耳顿在实验基础上提出了原子是构成化学元素的最小单元这个观点。

汤姆孙模型和有核模型 随着科学实践的不断发展，人们发现原子并不是不可分割的。1879 年汤姆孙发现电子，这是原子存在内部结构的有力证据。其后许多物理学家对原子结构提出了各种模型，其中比较引人注目的是汤姆孙本人于 1898～1907 年建立的“汤姆孙模型”。在这个模型中，原子内的正电荷均匀分布在整个体积内，带负电的电子则镶嵌在其中。为了解释元素周期表，他假设电子分布在一个个同心圆环上，每一环上最多只能安置有限个电子。另一类代表性的模型是原子的“有核模型”或“行星式模型”。1903 年林纳从阴极射线被物质吸收的实验中发现，原子内部似

乎是非常空虚的。于是长岗半太郎提出了如下设想：原子内的正电荷集中于中心，电子则绕着该中心运动。1909 年卢瑟福散射实验为原子有核模型提供了有力的实验依据。1911 年，卢瑟福在此基础上经过严格的理论推导，最终建立了原子结构的有核模型。

玻尔模型 按照经典物理学，卢瑟福的原子有核模型是不稳定的，并且也无法解释原子的光谱线结构。为了反映原子结构的稳定性以及原子光谱分立性等实验事实，丹麦物理学家玻尔在两个基本假设和一个条件（角动量量子化）的基础上建立了氢原子结构的模型（参见玻尔模型）。在玻尔模型中，绕核运动的电子的轨道半径只能取某些分立的值（r=na0）；电子

的能量也只能取某些分立的值（ E = -I 1

）。当电子从一个能级跃迁到另

n n 2

一个能级时，将发射或吸收一个光子，其光子的能量等于两能级之差。于是玻尔模型很好解释了氢光谱的实验结果。

但是玻尔模型存在着根本性困难。它无法解释比氢更复杂的原子的光谱；即使对氢光谱，这个模型也无法解释其中的精细结构部分。此外，玻尔理论中引进的角动量量子化条件也显得极不自然，似乎需要寻找进一步的，且可以通过直接实验验证的基本出发点。

原子结构的量子理论 1923 年，法国物理学家德布罗意提出了电子具有波动性的观念，从而开创了原子结构量子理论的研究。束缚在原子线度内的电子具有显著的波动性，这种电子的运动状态可用波函数ϕ（x，t） 描写。电子波是一种“概率波”，｜ϕ（x，t）｜2 代表 t 时刻电子出现在x 点处的概率密度。经典物理学中的轨道概念于是在这里不再适用。电子波函数所满足的基本运动方程称为“薛定谔方程”，原子中电子的状态可以通过求解该方程而得到。

原子内电子的状态 被束缚在原子中的电子由于其波动性而产生干涉，并且只有当电子波的波长或频率满足某些条件时，相干后才能形成稳定的驻波分布状态，称为定态。由于电子波的频率与其能量成正比（E=hv）， 上述定态条件也可表述为，只有当原子中电子的能量满足一定条件时才能形成稳定状态。这正是原子内电子能量量子化的依据。类似地，定态的轨道角动量平方L2 以及轨道角动量沿任一z 方向的分量Lz 也都只能取某些分立的值：L2=l（l+1）h2，Lz=Mlh，这里 h=h/2π，h 是普朗克常数，l 和 m1 分别称为角动量量子数和磁量子数。原子中电子的状态可用它的能量、角动量、角动量沿任一 z 方向的分量和它的自旋沿 z 方向的分量这四个物理量来表征。这些物理量都取分立的值，与它们相应的四个量子数是：主量子数 n，角动量量子数 l，磁量子数 m1 和自旋磁量子数 ms。这四个量子数的可能值分别是：n=1，2，3，⋯，l=0，1，⋯，n-1，即 n 确定时，l 可取 n 种可能值：ml=-l，-l+1，⋯，-1，0，1，⋯l-1，l，即 l 确定时，ms

可取 2l+1 种可能值； m = - 1 ， + 1 ，即只有两种可能值。原子中电子的

^s 2 2

状态可用波函数表示为ψnlmlms（x，t）或用符号表示为｜nlmlms＞。

泡利不相容原理 多电子原子中的电子不能都挤在最低能量状态，需要满足泡利不相容原理的要求。根据这个原理，原子中不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的以上四个量子数。

原子壳层结构 原子中电子的能量主要决定于主量子数 n，所以可以认为 n 相同的电子处在同一（能量）壳层上。随着 n 的增加，存在许多壳层。与 n=1，2，3，4，⋯相应的壳层分别称为 K、L、M、N⋯壳层。在同一壳层内，角量子数 l 相同的电子又构成“支壳层”。l=0，1，2，⋯，（n-1） 等支壳层分别用 s、p、d、f、g⋯表示。于是主量子数为 n，角量子数为 l 的支壳层中有 x 个电子的组态可用 nLx 表示。例如，在第三壳层的第二支壳层中有两个电子，现在可表示为 3p2。因为当 l 的值一定时，磁量子数ml 可取 2l+1 种可能值；且 ms 又可取两种可能值，所以每一支壳层可容纳

n−1

的最多电子数为 2（2l+1）。每一主壳层可容纳的最多电子数便是 2

l= 0

（2l+1）=2n2。根据这些规律，表 1 中列出了各主壳层中（n 一定）和各支壳层中（n，l 一定）可容纳的最多电子数。

表 1 原子中的电子壳层

原子中的电子按能量由低到高的顺序填充壳层，从而得到基态原子中的电子组态（见表 2）。原子的壳层结构来自严格的量子力学理论，它可以解释元素的周期表。惰性气体原子的电子都有完全的壳层结构，例如氦

（Z=2）原子的两个电子恰好填满第一壳层；氖（Z=10）原子的 10 个电子

恰好填满第一和第二壳层；氩（Z=18）原子的 18 个电子恰好填满第一和第二壳层，以及第三壳层中的 s 和 p 支壳层。其他如氪（Z=36）、氙（Z=54）、氡（Z=86）等原子也都具有这种完全壳层结构。这类原子因此具有最稳定的化学性质，常温下都是单原子分子气体。排列在惰性气体之后的是碱金属元素锂（Z=3）、钠（Z=11）、钾（Z=19）以及铷（Z=37）、铯（Z=55）、钫（Z=87）等，这些原子最外层都只有一个（价）电子，这个电子与原子的其余部分结合较弱，容易离去。所以碱金属的电离能具有极小值，电离后形成一价正离子。另一类称为卤族元素原子，如氟（Z=9）、氯（Z=17） 以及溴（Z=35）、碘（Z=53）、砹（Z=85）等，它们的最外壳层都只有 7 个电子，其中 2 个填满 s 支壳层，5 个填充 p 支壳层。所以这类原子很容易从外界吸收一个电子而形成完全的壳层结构。这类元素的化学亲和势较高。可见，元素周期表中同族元素的性质所以相似，是由于它们具有相似的最外壳层（即价电子壳层）电子组态。元素的化学性质和物理性质的周期性来自原子的电子壳层结构。

原子的壳层结构有时会显示出某些“反常情况”。例如在表 2 中，钾

（Z=19）的最外层一个电子并不按次填充到 3d 支壳层，而是落在 4s 支壳层。这是由于 4s 态电子的能量反而比 3d 态低些。类似的情况还很多。量子力学对这些反常情况也都能作出解释。

原子物理学（atomic physics） 物理学的一个分支。在线度为 10-10

米的称为原子的层次上，物质结构具有普遍的结构特征。原子物理学就是在这一层次上研究原子的内部结构和运动规律，从而揭示出决定这种结构和运动规律的相互作用。主要内容通常包括：原子结构模型，核外电子的运动（包括轨道运动和自旋运动）及分布规律，原子和分子光谱的基本特征及精细结构，原子和外界电磁场的相互作用，原子的电离和碰撞过程等。原子物理学在本世纪初开始迅速发展，它的理论基础是量子力学。原子物理学的发展也推动了原子核物理学、固体物理学、激光和波谱学以及加速器技术的形成和发展。

原子质量单位（atomic mass unit） 物理学中计量原子质量的单位。在国际单位制中规定取一个碳同位素原子¹² C 的静止质量的十二分之一为原子质量单位，用“u”表示，1u=1.6605402×10-27 千克。各种核素的原子质量就是它的原子量和原子质量单位的乘积（换算时 1u 取

1.66054×10-27 千克）。例如，氢原子（ ¹ H ）的质量 m=1.007825u，即 1.67343

×10-27 千克。历史上曾采用过以氢原子质量作为原子质量标准（定为 1）， 后来又曾改用氧¹⁶O 原子质量的十六分之一作为原子质量单位。

圆偏振光（ circularly polarized light） 光在传播过程中， 电矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上的投影为一圆，则称为圆偏振光。

表 2 原子的电子组态（Z≤36）

使自然光通过尼科耳棱镜，产生平面偏振光。再让平面偏振光垂直射入λ/4 波片，且使前者振动方向与后者光轴方向的夹角为θ=45°，以便使进入波片后分解成的 o 光和 e 光的振幅相同，即 A0=Ae=Acos45°，其中A 为平面偏振光的振幅。当它们沿同一方向在波片内传播且从波片射出

π

时，o 光和 e 光之间的相位差为Δϕ= 2 ，于是合振动为圆偏振光。

为了检验圆偏振光，可让待测光通过尼科耳棱镜。转动尼科耳棱镜一周，如果观察到的透射光强度无变化，则待测光可能是自然光或圆偏振光。如果此时再在尼科耳棱镜后加一块λ/4 波片和第二块尼科耳棱镜，并转动第二块尼科耳棱镜以改变它的透光方向，观察透射光的强度变化。若转动一周中视场始终不变，则待测光为自然光。若第二块尼科耳棱镜有一个位置可使视场全暗，则待测光为圆偏振光。

圆周运动（circular motion ） 轨迹为圆周的运动。在圆周运动中，若在任何相等的时间间隔内通过圆周上弧长相等的圆弧，称为匀速圆周运动。匀速圆周运动其实是匀速率圆周运动，其速度方向是时刻变化的。匀速率圆周运动的加速度大小始终不变，等于 v2/R，v 是沿着圆周运动的速率，R 是圆周半径，这加速度的方向指向圆心，所以称为向心加速度。若圆周运动不是匀速率的，其加速度有两个分量，一个指向圆心，大小为v2/R，v 是瞬时速率，称为向心加速度，另一个沿着圆周的切线方向，大小为 dv/dt，称为切向加速度，dv/dt＞0 的运动是速率沿着运动方向增加的圆周运动，dv/dt＜0 的运动是速率沿着运动方向减小的运动。

阅读理解题（ comprehension question） 一种测试阅读能力的试题。阅读理解题要求考生阅读一篇与物理知识有关的文章（例如物理学史的文章，物理知识在生活、技术上应用的科普文章），然后回答若干道

（一般是 5～6 道）问题，以检测考生对物理知识有关的广泛科学信息的理解程度。文后的问题主要测试考生能否基本上看懂文章，能否将所学的

物理基础知识应用于对新知识的理解，以及在理解文章意义的基础上，能否提出与文章所述不同的观点。

阅读理解题提供了一种测试物理知识迁移能力的重要手段，即在已有物理知识的基础上，学习理解新知识的能力。阅读并有条理、科学地组织和表述自己对所阅读内容的理解，是一种进行科学技术信息交流的最基本技能。这种技能是考生今后在任何学习和工作中都会以不同方式遇到的， 具有较好的预测效度。

例如一篇题为“声学显微镜”的短文，介绍了利用声波成像和声学显微镜的设计原理，并和光学显微镜作了比较。文后的第一个问题要求考生“将声学显微镜和光学显微镜比较，它所具有的两个优点和两个缺点”， 更深入的问题是“文中提到在某些媒质中高频波将会发生衰减，给出另一个有关波衰减的例子，并说明发生衰减的理由”。

乐音（musical sound） 和谐悦耳的声音。一般指乐器和歌唱所发出的声音。它是物体做有规律振动时发生的声音，其波形图是周期性的曲线。它是复音的一种，在听觉上能产生明确的音调、音色。语言中的元音也是乐音。

云室（cloud chamber） 一种早期显示带电粒子径迹的探测器。由英国物理学家威耳孙于 1911 年发明，故又称威耳孙云室。云室主要为一柱形空腔，腔内充满空气、水和酒精的饱和蒸气。当荷电粒子进入云室时， 利用信号触发膨胀机构，使云室内的蒸气急速膨胀，温度下降，形成过饱和状态。此时带电粒子路径上的气体分子如果发生电离，过饱和蒸气便立即以离子为中心凝结成雾滴，在适当照明下便能看到或拍摄到带电粒子的径迹。根据径迹长短、浓淡和在磁场中弯曲的情况，可测量出粒子寿命、质量、电荷、能量等性质。

云室在早期的原子核和粒子物理研究中曾起到重要的作用，例如正电子就是首先利用云室装置从宇宙线实验中发现的。由于云室的灵敏时间短，工作效率不高，目前在科研中已很少应有。当前在原子核和核子物理学的研究中常用的探测器是核乳胶、气泡室、流光室、多丝正比室和漂移室等。

匀强电场（uniform electric field） 电场强度恒定的空间区域。在匀强电场中，各点处电场强度 E 的大小和方向相等；电力线相互平行且间距相等；电场中的等势面为垂直于电力线的平面。例如面电荷密度为σ 的无限大带电平面的两侧空间中的电场分别为匀强电场，电场强度的值为

σ

E= 2ε ，其中ε0 为真空介电常数。其等势面平行于带电平面。充电平行板

电容器的内部区域也存在匀强电场，电场强度的值为 E= Q

εr ε 0S

，式中εr

为介质的相对介电常数，Q 为电容器一极板上的电量，S 为电容器极板的面积。电场强度的方向为从带正电极板指向负电极板。该区域内的等势面平行于电容器的极板。

运动（motion） 物质的固有性质和存在方式。从一般意义上说，运动是宇宙中发生的一切变化和过程，既包括保持物体属性、结构和形态的量变，也包括改变物体属性、结构和形态的质变。运动和物质不可分离， 运动是一切物质的存在方式，物质是一切形式运动的主体。运动可分为物

理运动、生命运动和社会运动三种基本形式。物理运动主要有：基本粒子运动，原子—分子运动，宏观物体运动，地球物理运动，天体运动。运动是在空间、时间中发生的，正如相对论所揭示的，空间、时间与物质运动具有统一性。尽管运动形式是多种多样的，它们之间却是可以互相转化的， 但是任何运动形式转化为别种运动形式时，运动的总量不变。

运动方程（equation of motion） 物体在运动时其位置与时间之间关系的数学表述。例如，一个做简谐振动的质点，其运动方程是

x=Asin（ωt+ϕ），

x 是质点的坐标，t 是时间，振幅 A、圆频率ω和初相ϕ都是常数。此外，物体在运动时所遵循动力学规律的数学表示式也称为此物体的运动方程，例如，一个弹簧振子的平衡位置是 x=0 时，它的运动方程是

ma=-kx。

这里 m 是振子的质量，a 是加速度，k 是弹簧的倔强系数。

运动观（outlook of motion） 关于运动的根本看法或根本观点。古代运动观以直观经验和思辨为基础，具有朴素的特点。近代英国培根提出运动是物质最主要的特征。笛卡儿提出运动量不生不灭的思想。至 19

世纪 40 年代迈尔、焦耳和亥姆霍兹一批科学家进一步证明运动既不能创造，也不能消灭，只能被转移。20 世纪初爱因斯坦狭义相对论揭示出质量、惯性是随着物体运动状态的不同而变化的，物体的质量与能量相互联系、相互制约。广义相对论则揭示出物质的分布和运动状态决定着时空结构的规律和引力场状况，而时空结构和引力场状况又决定着物质的运动，进一步证明和深化了物质、运动、时间、空间内在统一的观点。量子力学揭示出连续性的波有分立间断的粒子性，而分立间断的粒子有连续的波动性， 从微观领域深化了物质运动连续性与间断性内在统一的观点，辩证唯物主义运动观认为运动与物质是不可分离的，不可能有不运动的物质，也不可能有离开物质的运动；认为运动既不能创造，也不能消灭，运动形式可以互相转化，但运动的总量不变；还认为运动是物质的固有性质和存在方式， 是绝对的、无条件的，但是并不否认静止，它指出静止是从一定的关系上考察运动时，运动表现出来的特殊情况，是相对的、有条件的。

运动量度的争论（argument on motion quan-tification） 17 至 18 世纪围绕物体运动的力的正确表示法的一场争论。所谓“物体运动的力”是指一个正在运动的物体所具有的使另一物体运动的能力，或者一个运动物体克服障碍和阻力的能力。这个力如何来量度呢？笛卡儿提出应把物体的大小和速度的乘积称为“运动量”，即 mv，并用它作为物体运动的力的量度，还推测了Σmv 守恒。而莱布尼兹认为应把物体的质量和速度平方的乘积，即 mv2 来作为物体运动的力的量度，并指出在所有自然过程中是Σmv2 守恒而不是Σmv 守恒；只有接受他的这种力的量度，才能避免永动机的可能性。

从 17 世纪末起，欧洲许多物理学家甚至哲学家都卷进了这场争论。笛卡儿学派和莱布尼兹学派各执一词，互不相让。争论集中在碰撞问题上， 笛卡儿派坚持Σmv 守恒，可是长期把 mv 当作标量处理；莱布尼兹派则坚持Σmv2 守恒，却又未能把讨论局限于完全弹性碰撞（因为只有在完全弹性碰撞过程中，才没有机械运动向其他运动形式的转化，机械运动本身才是守恒的）。应当说，在这场争论中双方都掌握了部分真理，但都未达到全

面和准确的认识。

运动论（theory of motion） 物理学史上用运动解释自然现象的一种观点。古希腊以亚里士多德为代表，他把运动看作是事物的可能状态向现实状态的转化。这种运动可分为四类：①位置的变化，②质的变化，

③量的变化，④实体的转化，即生成或消灭。中世纪以牛津派的布雷德沃丁和巴黎派的布里丹为代表，后者认为物体不同位置的属性是物体在运动中一瞬间接一瞬间地获得的。到了 17 世纪以笛卡儿和莱布尼兹为代表，他们认为运动是普遍存在的，每种运动形式则受其规律所制约。笛卡儿在《哲学原理》中指出“物质中多样性全部是依靠物质各个部分的运动的”。莱尼兹提出世界由单子构成，单子不是物质实体，但充满活力；单子没有广延性，它不可分割，因此物质的本质不是广延性而是运动。在 17 世纪与运动论相对立的观点是以牛顿和他的学生克拉克为代表的动力论，他们认为力是运动状态变化的原因，一切自然现象都要用力来说明，因此对不同领域的运动现象都要追溯到同一起源自然力。然而运动论认为，在自然界中更加基本的不是力，而是运动，并把物质的运动都归结为力学的运动形式， 因此运动论服从于机械因果律。而动力论则把物质的性质归结于力学的性质，因而动力论也服从于机械因果律。所以运动论与动力论既有区别又相联系，但这两种观点随着现代物理学的诞生和整个机械论的衰落而都被物理学家们所扬弃。

运动学（kinematics ） 经典力学的一部分。研究物体间的相对位置随时间变化的规律或在运动中所经过的轨迹，即用几何方法描述物体的运动，而不讨论运动发生的原因。在初级的力学中，只讨论质点和刚体运动的描述方法。质点运动学讨论质点位置、速度和加速度概念和它们在不同坐标系中的表示。要描述一个刚体的运动，就应描述刚体上每一点的运动，但刚体上各点的位置是相互关连的，所以，刚体运动的描述方法不同于质点运动的描述方法。刚体的位置可以由刚体上一点的位置和描写刚体在空间中取向的三个角度确定。刚体上各点的速度可由刚体上一点的速度和刚体的角速度共同决定。刚体上各点的加速度可由刚体上一点的加速度、刚体的角速度和刚体的角加速度共同决定。所以，角度、角速度和角加速度是刚体运动学中的基本量。流体和可变形体由于其中每一部分的运动情况有更大的自由程度，在一般情况下，其运动的描述是比较复杂的， 已经不是初级力学中所讨论的运动学问题。运动学虽说是经典力学中的一部分，但有它独立存在的价值。例如，要求一种机械按一定的方式运动， 在设计中，就是一个纯粹的运动学问题。另一方面，运动学又是动力学的基础，因为只有知道如何描述一个运动，才能进一步研究这种运动和力的关系。

运算放大器（operational amplifier） 能对信号进行数学运算的放大电路。它曾经是模拟计算机的基础部件。采用集成电路工艺制成的运算放大器，除了保持原有的高增益和高输入阻抗等特点外，还具有低的零点漂移和低噪声，具有一定的带宽，价廉物美及可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数—模和模—数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。

运算放大器的电路结构有三种主要形式。①单端输入—单端输出形式。斩波稳定式直流放大器等采用这种形式。②差分输入—单端输出形式。

大多数集成运算放大器采取这种形式。③差分输入—差分输出形式。直流放大器和部分集成放大器采取这种形式。

运算放大器常被用来实现电信号的反相放大、同相放大和差分输入/输出放大。由于其开环增益极大（达数十万倍），引入反馈很容易控制其放大倍数。当电压增益 k=1 时，就成为一个性能极好的跟随器。它还可以实现模拟相加和模拟积分等运算，在模拟计算机中获得广泛应用。

Z

杂质半导体（ impurity semiconductor） 在纯净半导体中掺入杂质，使它产生载流子以提高半导体的导电能力，这种掺有杂质的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有 N 型和 P 型两种。

N 型半导体 半导体材料硅（Si）、锗（Ge）都是四族元素，它们的每个原子有 4 个价电子。在半导体硅中掺入五族杂质如磷（P）、砷（As）或

锑（Sb）等，因为这些杂质原子都有 5 个价电子，当它们进入硅晶体而替

代硅原子时，其中 4 个价电子与近邻 4 个硅原子的 1 个价电子组成 4 个共价键，余留 1 个便成为可以导电的电子。由此可见，1 个五族杂质原子为半导体硅提供了 1 个自由电子，而本身成为带正电的杂质离子。我们把这类杂质称为“施主杂质”，而掺有施主杂质的半导体称为 N 型半导体。

P 型半导体如果掺入硅晶体的是三族元素如硼（B）、镓（Ga）、铝（Al） 等，因为这些原子都有 3 个价电子，当它们进入硅晶体替代硅原子时，需

要接受 1 个电子（即产生 1 个空穴）才能与近邻 4 个硅原子形成共价键。

所以 1 个三族杂质原子从硅晶体中接受一个电子，本身成为一个带负电的杂质离子，我们把这类杂质称为“受主杂质”，而掺有受主杂质的半导体称为 P 型半导体。

噪声（noise） 见噪音。

噪声污染（noise pollution ） 人为造成的、对人们的生活、工作、学习和休息带来干扰的声音。经频谱分析可知，声波谱具有连续谱、线状谱以及二者的叠加等三种。在环境声学中，声压级可用分贝（dB）来表示，低于 75 分贝的声音对人的听觉无损伤，普通办公室的声压级为 50 分贝，织布车间的声压级为 100 分贝，人耳的听阈变化范围为 0～120 分贝。

噪声污染主要来自：①工厂中各种机械设备。如织布机、电锯、鼓风机、冲床等；②城市交通运输。城市中的现代化交通工具是流动噪声源， 对环境影响范围较大，汽车噪声一般为 80～90 分贝，铁路两旁的火车运行噪声更大，由飞机频繁起降产生的噪声污染特别严重；③建筑施工中的打桩机、空气压缩机等；④社会活动，包括娱乐场所、高音喇叭、商业活动中心等也会发出噪声。

噪声对人体最大的危害是使听力衰退，严重的会造成耳聋、鼓膜破裂。此外，对人的神经系统、心血管系统等方面也带来影响。噪声还影响人的睡眠，干扰人们交谈。在嘈杂的环境里，人们心情烦躁，极易产生疲劳， 使劳动生产率大为降低。但噪声污染属感觉污染，没有污染物，也不会累积，一旦污染源停止活动，噪声污染也随之消失。

噪音（noise） 又称噪声。从物理本性上可分为声噪声和电噪声两大类。前者是由于机械扰动引起的，是相对于有调和谐音或人需要的声音的干扰；后者是相对于电信号的干扰。声噪声有两种意义：①通常是指无规则的、间歇的或随机的振动。②指任何难听的、不谐和的声音，有时也指在有用频带内的任何不需要的干扰声音；它不单由声音的物理性质所决定，还与人们的生理和心理状态有关。噪音对人的影响包括产生生理损伤和引起各种心理反应等。人长期处在噪音过强的环境中工作，会引起听力损伤或噪声性耳聋，甚至导致某些疾病（如心血管方面）发生。对于脉冲

性噪音（如射击、爆炸等）甚至立即会使鼓膜破裂、中耳链失效。噪音还会对人引起心理影响，如引起烦恼、降低工效、分散注意力和妨碍睡眠。此外，特别强大的噪音能损坏建筑物和影响仪器设备的正常运转。

随着工农业、国防建设的发展以及文化生活水平的提高，噪音也随之增加。据美、俄等工业发达国家统计，噪音级每年约以 1dB 的趋势增加。噪音已成为环境三大公害（污水、污气、噪音）之一。噪音对环境是一种污染，必须加以控制。噪音控制可从以下三个环节着手：①控制噪音源；

②控制噪音的传输路径；③控制噪音的污染区。其中噪音源的控制是最直接也是最重要的。公认的噪音源包括飞机、卡车、汽车、风镐和其他建筑机械以及工厂内各种类型的机器设备。各国均依法规定在市区禁止使用汽车喇叭、限制飞机起降频率。采取的技术措施包括安装减噪音装置、减震装置和供从事高噪音职业的人员使用防护设备。目前工业噪音的允许评价标准为 90dB（如美、俄、日等国）。我国也规定各类工厂的噪音不得超过90dB，工厂噪音级在 85～90dB 的每年要给有关人员作听力检查，对听力已有下降者要采取保护措施。

在电路中出现的噪音，又称为电噪声，简称噪声。

噪声干扰损害所需信号的质量并降低实际测量的可靠性。放大系统（包括元器件、网络）的噪声一般指的是热噪声。热噪声又称白噪声，它来源于电路中电子的持续杂乱运动或冲击性的杂乱运动所形成的频率范围相当宽的杂波。例如，电子的热运动（热骚动）以及电子的不够均匀的流动都会产生持续存在的噪声；雷电或电火花等将会在电路中感应产生冲击性的噪声。热噪声普遍存在于电子元器件、网络和系统中。

热噪声通常有两种表示方法：①噪声系数 F 表示法。常用在低频（几赫兹）至高频（几十兆赫兹）的范围内。噪声系数是放大系统输入端信噪比与输出端信噪比之比。如果放大系统没有噪声，则 F=1。②噪声温度表示法。常用在微波频段内。一个放大器的噪声温度定义为：如果在放大器输入端串接一个电阻，其大小等于信号源电阻，当在某个温度 Te 时，其上产生的热噪声等于放大器本身的噪声，则称 Te 为放大器的噪声温度。

噪声系数与噪声温度的关系是：当输入和输出信号为单一频率时，

Te（K）=290（F-1）。

噪声是客观存在的，它对有用信号造成干扰，破坏信息的正常传输。当噪声的大小与信号大小相接近时，系统便无法正常工作，噪声是限制接收机获得最大灵敏度的主要障碍，因而如何抑制各种噪声在电子技术中十分重要。为减少外部噪声（如人为噪声），工矿企业必须严格执行有关噪声的环境保护和频率管理法规，采用高稳定度的频率源和优质电子器件， 对高频设备应加强屏蔽和电源滤波等措施，否则会严重干扰周围系统的正常工作。例如，居住在有大功率高频设备的工厂附近的居民，会发现电视机工作不正常。为消除内部噪声，抑制系统第一级放大部分的噪声是关键。首先要采用低噪声的元器件，如选用高质量的电阻、电容等，有时甚至将放大器安放在极低温度下工作，这对减少热噪声是十分有效的。其他减小噪声的措施还有采用镀银馈线、缩短馈线等，以便减小有用信号在馈线中的损耗，提高信噪比。

增益系数（gain coefficient） 光束传播方向上光强的单位长度

增长率。又称放大系数，是激光器的重要参数。

定义 设激光器中光行进的方向为 z 轴。增益介质（即激光工作物质） 位于 z=0 到 z=L。设在 z 处光强为 I（z），在 z+dz 处光强为 I（z+dz）=I

（z）+dI（z）。介质对光的增益系数 G 定义为

1

G = I(z) ·

dI( z) dz

若已知 z=0 处光强为 I0 ，在 z=L 处光强为 I′，则可求得增益系数为

G= 1 1n I' 。

L I 0

不同介质的增益系数不相同；同一种介质的增益系数亦因工作条件的不同而不同。

激光器增益系数 设激光上、下能级为 E2 和 E1，粒子数为 N2 和 N1，其间跃迁辐射的谱线线型函数为 g（v）。设增益介质在光强为 I（v）的辐射场作用下产生受激发射。在光行进方向上自发发射远小于受激发射，故可

忽略前者。因为ρ（v）= I( v)n ，ρ为辐射能量密度，n 为介质折射率，c

c

n

为光速，故 dt 时间内受激发射光子数为 I（v） v N1B12g（v）dt，受激吸

n

收光子数为 I（v） v N1B12g（v）dt。在 dt 时间内，光子数的增加决定了

辐射能量密度ρ的增量 dρ，也就决定了光强 I 的增量 dI。根据增益系数定义，可求得

G（v）=（N -N g2 n

2 1 g1

） v B21hvg（v），

式中 g1，g2 为能级 E1 和 E2 的统计权重，h 为普朗克常数。

从上式可看到，增益系数是频率 v 的函数，激光器中不同纵模有不同的增益系数。增益系数与 E2 和 E1 能级间跃迁谱线具有同样的线型函数。在谱线中心频率 v0 处，g（v0）与线宽Δv 成反比，故 G（v0）也与线宽Δv 成反比。如果光强 I 很小，并把 N1 看作近似为零，则 G（v）决定于 N2， 即与激励速率成正比。

增益饱和 粒子数反转ΔN 与入射光强度和频率有关。当光强达到一定程度时，ΔN 不会再增加，称为饱和现象。粒子数反转ΔN 的饱和将导致增益饱和。设光强 I 达到 Is 时，ΔN 开始饱和，称 Is 为饱和参量。对于均匀加宽介质，当 I<<Is 时，中心频率 v0 处增益系数为 G0（v0），称为小讯号增益系数。当 I 增大，可与 Is 比拟时，中心频率 v0 处增益系数为

G（v ）=G （v ）/（1+ I ）

0 0 0 Is

即当 I=Is 时，G（v0）下降到小讯号增益系数的一半。

对非均匀加宽介质，在频率为 v1、光强为 I 的光波作用下，介质的增益系数 G（v1）为

G（v ） = G （v ） / （1 + I

s

1

） 2 ，

其中 G0（v1）为小讯号增益系数。当 I=Is 时，G（v1）下降到小讯号增

益系数的 。

烧孔 光强 I 的光波使均匀加宽介质对各种频率的光波的增益系数下降同样倍数。而对非均匀加宽介质则不同，光波 I 只能引起以 v1 为中心频

率、频宽在（1+ I

Is

）1/2Δv 范围内的增益系数下降。而且不同频率处增益

系数下降值不同。下图(a)为均匀加宽情况，曲线 a 代表 I～0 时的小讯号增益系数。曲线 b 代表 I=Is 时的增益曲线。图(b)为非均匀加宽情况。增益曲线上出现的局部凹陷，称为烧孔效应。

增益系数图

在气体激光器中，一个频率的光包含沿腔轴正反两个方向传播的波列。根据多普勒效应，将引起增益曲线上与中心对称的两个烧孔。烧孔面积代表对振荡模式有贡献的反转粒子数。面积之和越大，振荡模式的输出功率也越大。靠近中心频率处，两边对称位置的烧孔逐渐重叠，使面积减小。在中心频率处，两烧孔面积重合，总面积最小，相应的输出激光的功率也降到最低。在激光输出功率随频率的分布图中出现的这种下陷，称为拉姆凹陷。

综合（generalization） 把研究对象的各部分、各层次集合起来进行考察研究的方法。其目的是寻找事物间的联系和相互作用，通过比较加以概括和提炼，从而更本质地认识它们的同一性。综合有各种形式，以综合的范围以及它们在物理学中的地位为依据，可以分为大综合和小综合两种。

大综合往往牵涉到物理学多个分支领域，概括数代人的工作，它是对已知的理论和实践的大总结，并在新的基础上以更简明的形式，更深刻、更本质、更全面地认识物理运动的特性和规律。这种综合在物理学发展史上往往有特别重要的地位，对科学技术的进步和对社会生产的发展，都有巨大的推动作用。例如 19 世纪中叶，由于人们对热运动、机械运动、电磁现象以及化学等领域的研究日益深入，越来越多的事实确切地证实运动不灭，于是出现了能量守恒定律这样一次大综合。它揭示了各种物质运动形式不仅可以相互转化，而且在量上有一种确定的关系。这次综合，使自然科学领域特别是物理学达到了空前的统一。分子运动论就是这次综合的产物，也是人类第一次进入微观领域，进行定量的理论探索。不久，物理学又一次意义重大的综合是麦克斯韦电磁理论的建立。麦克斯韦在前人理论和实践研究的基础上，把电学、磁学、光学融成一体，以非常简明的形式揭示了它们的关系。物理学的重大综合开始时往往只是一种猜测性、探讨性的尝试。目前把引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用统一起来的研究，正是这样一种综合的尝试。

物理学研究中的小综合，主要是指对某一具体课题、具体研究对象的综合。这种综合是以具体研究对象的分析作基础的。通过这样的综合，可

以全面地概括出研究对象的特性和规律。例如气体状态方程是三个气体实验定律的综合。

综合在物理学研究工作的进程中往往起着承前启后的关键作用。有些物理因素的作用和联系，孤立地进行研究是不能发现的，只有通过综合， 把它们放在统一的物理运动和过程中，把它们看作互相联系的一个环节， 它们的特性和规律才易暴露出来。例如为了解释黑体辐射现象，普朗克就将维恩定律和瑞利—金斯定律综合起来，在经验事实的基础上，提出一个辐射公式，结果与事实完全相符，说明普朗克的综合是成功的。意义更为重大的是普朗克为了对这一综合成果作出合理的理论解释，提出了辐射能量不连续变化的大胆假设，并把能量的最小单位称之为“能量子”或“量子”。正是普朗克在综合基础上提出的这一假设，直接引导物理学进入了新的发展时代——量子论时代。

张力（tension，tensile force） 绳或杆等细长物体被拉伸后其横截面两侧部分间的作用力。例如，绳的上端固定，下端悬一重物 W，绳被重物拉伸。这时，绳中任一横截面的下部将对此横截面的上部作用一方向向下的张力，而横截面的上部将对横截面的下部作用一方向向上的张力，不计绳的重量，这一对作用和反作用的张力大小 T 等于重物的重量： T=W。如果绳和杆被拉伸而略有伸长，产生的形变是弹性形变，则张力是横截面的一方对另一方作用的弹性力。若绳和杆之类的物体形变（伸长）十分微小，以致可以忽略不计，则此张力就被看成刚性杆或不可伸长的绳中横截面两侧相互作用的非弹性拉力。

张宗燧（1915 ～1969） 中国物理学家。浙江省杭县（今杭州市） 人。1934 年毕业于清华大学物理系。1936 年赴英国留学。1938 年获剑桥大学博士学位。后赴丹麦，在著名物理学家玻尔领导下进行量子场论研究。1939 年赴瑞士，在泡利指导下继续研究量子场论。1940 年回国后，在重庆中央大学任物理系教授。1945 年以英国文化协会高级研究员身份再次到剑桥大学工作。1947 年赴美国普林斯顿高级研究院、费城卡内基工业大学工作。1948 年冬回国后，先后被聘为中央大学教授，北京大学教授，北京师范大学教授、理论物理教研室主任，中国科学院数学研究所研究员、理论物理室主任。1957 年当选为中国科学院数学物理学化学部学部委员。毕生致力于理论物理学、统计物理学、量子场论等方面的研究。早在 1936～1938 年，从事合作现象、特别是固溶体的统计物理理论等方面的研究，并作出了有价值的贡献，受到国际学术界的重视。1938 年起进行量子场论方面的研究，在量子场论的形式体系的建立，特别是在高阶微商、高自旋粒子的量子场论等方面，取得多项国际先进水平的、创建性的成果。1947 年发表

《含有高次微商的场论》。1949 年发表《相对论性的场论》和《论外斯场论》，扩充了外斯理论中的波动方程，使之成为决定空间性曲面上的波函数如何随曲面的变化而变化的方程。这一工作使相互作用表象的理论得到更普遍的基础。1952 年后，在非定域方面作了深入研究，发表《含有高次微商的量子理论》，取得了我国在此领域具有代表性的成就。1957 年还用狄拉克提出的电子的古典理论研究所创造的方法，讨论粒子在标量介子场作用下包含有辐射阻尼效应的经典运动方程，指出在这样的情况下，粒子的静止质量必须随着运动而变化。此外，在统计物理学与他人合作研究中提供了一个简便、可靠的求固溶体位形自由能的方法；在相对论的量子力

学与不齐次洛伦兹变换群的表示之间的关系研究中，作出了不齐次洛伦兹变换群的任一幺正表示对于它的齐次洛伦兹变换子群是完全可分解的证明。他在发展我国理论物理，特别是量子场论研究的事业、培养科学人才方面，也作出了重要贡献。

赵友钦（13 世纪中叶～14 世纪初） 自号■督，人称■督先生或■ 督子。元代民间科学家。江西鄱阳（今江西省波阳县）人。他是宋室汉王第十二代孙。宋朝灭亡后，为避祸隐入“道家”，浪迹江湖。后来在浙江衢县龙游东鸡鸣山定居，并在山上筑起观星台，观察天象。他时常外出游学，到过衢州、金华等地。

赵友钦观察到日、月光通过壁间的小孔，小孔虽然不圆，得到的像都呈圆形；日食时，像和日食圆缺的分数相同。为了进一步研究小孔成像规律，他创造性地做了这样一个光学实验：在两个相邻房间的地面上挖两口直径四尺多的旱阱，右阱深四尺，左阱深八尺。左阱里可以放一张四尺高的桌子。另做两块直径四尺的圆板，每块板上密插一千多支点燃的蜡烛， 放入右阱底和左阱的桌面上作为光源。两个井口分别用中央开了孔的板来遮盖。烛光通过遮板中央的孔把光线投射在楼板上形成像。楼板是固定的像屏。

实验分五步：

用不同的带孔盖板（中央的小孔，大小和形状均不相同）来遮盖左、右阱口；吹熄部分蜡烛（改变光源）；在楼板水平悬挂大木板作为新的像屏（改变像距）；移去左阱里的桌子，把蜡烛放在阱底（改变物距）；用中央开有不同形状的大孔盖板遮盖左、右阱口。经过一系列对照实验，他得出了：“是故小景随光之形（小孔成的像与光源形状相同）；大景随空之像（大孔成的像与孔的形状相同），断乎无可疑者”的结论。他还从理论上对小孔成像规律作了研究和探索。上述实验内容被记录在他所著《革象新书》的“小罅光景”一部分中。这个大型实验，在世界物理学史上是首创的。

赵友钦还提出中天观测法以求恒星的赤经差，并对“视角”、“月相”、光的直线传播和照度等问题作过研究。除《革象新书》外，他注《周易》数万言，还著有《金丹正理》、《盟天录》、《推步立成》等书多种，可惜都佚失了。

照相机（camera） 使物体成像在记录底片上的光学仪器，主要由镜头、光圈、快门、取景器、测距器、卷片机构及机身等构成。

镜头最简单的镜头由单片凸透镜制成。由一片凸透镜和一片凹透镜组合为消色差镜头，可以提高照片的清晰度。现代通常使用多片多组透镜组合而成的正光镜头，并在每一块与空气接触的镜面上加上一层呈紫色、米黄色或深蓝色的增透膜，以便减少光的反射干扰，使透入的通光量增加。镜头圈上通常有三组数字，表示相对孔径、焦距和出厂编号。例如 F1∶ 3.5=75mm，表示该镜头的焦距为光束直径的 3.5 倍，镜头主焦距为 75 毫米。照相机的镜头大致可分为标准镜头、广角镜头、长焦距和变焦距镜头等。

光圈 用来调节通光量的可收缩光阑称为光圈。光圈缩小，景深延长。景深是被摄物前后的清晰范围，故光圈调节对画面选取有重要作用。光圈的刻度数字代表焦距与光圈直径之比，数字愈小，光圈愈大。光圈刻度常记为 1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22，32 等，其中每级光圈相

差 1.4 倍。光圈的调节收缩，有手动、半自动和自动三种。

快门 控制曝光时间的装置。快门速度的选择序列以 50%递减，记为 1，

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 ， 4 ， 8 ， 16 ， 32 ， 64 ， 128 ， 256 ， 512 ， 1024 等，单位为秒。但

照相机快门调速盘上只标出分母，且将尾数简化。上述递减序列于是记为1， 2， 4， 8，15， 30， 60， 125， 250， 500， 1000 等。还有一个手控曝光时间装置，标记是 B。快门有机械快门和电子快门两类。后者用光电元件和电子线路控制曝光时间。现代高级照相机还使用电脑控制，有多种自动曝光方式。

取景器 在拍摄照片前，先从取景器观看被摄景物的范围。取景器中看到的景物和实际拍摄的景物总有一定差别，称为视差。一般从取景器中看到的景物都比底片上拍摄的略小，以保证被摄物完全拍出。取景器分框式取景器、光学平视取景器和反射式取景器三种。现代流行的单镜头反光照相机采用平视五棱镜取景器。这种取景器的优点是，更换镜头后从取景器中看到的景物仍和拍摄的景物范围一致。

测距器 根据被摄物的远近来调节照相机镜头到底片间的距离，俗称调焦。用来调焦的装置称为测距器。过去老式照相机采用目测法测距，通过估计被摄物距离，然后转动距离标尺调焦。利用光学原理进行测距的装置称为光测式测距器。测距时，转动镜头前镜片或整个镜头，使测距器中心的虚实双影重叠，从而达到调焦目的。在单镜头和双镜头反光照相机中， 从毛玻璃上可看到被摄物影像，转动镜头调焦环使毛玻璃上形成清晰的像，测距即完成。目前的照相机普遍使用自动测距系统。当快门上弦时， 镜头被推出。按下快门钮时，自动测距系统通过两块反光镜自动进行距离测定。同时对正在开始后缩的镜头加以控制，使它在准确距离位置上停下来并迅速曝光。这些都在瞬间完成。

卷片 可分为机械卷片和电动卷片两类。后者利用电子线路和微型电动机进行自动卷片。它又可分为内藏式和外配式两种。内藏式卷片机构装于照相机内，用 1.5 伏电池作电源。在按下快门钮完成拍摄程序后，微型电动机即自动推进一张底片。高级的单镜头反光照相机大都采用单独出售的电动卷片器。这种卷片器有较快的卷片速度，可以在一秒钟内拍摄两张照片。

机身 即暗箱，是照相机的主体。它的功用是容纳其它机件，并起暗箱作用。机身材料可采用金属、胶木或塑料等。

折射率（refractive index） 表示物质折光性能的物理量。它只是在两种媒质相比较时才有意义。根据光的折射定律，光从第一媒质入射到第二媒质时，入射角正弦与折射角正弦之比，即为第二媒质相对于第一媒质的折射率。任意两种媒质之间的折射率称为相对折射率。任何媒质相对于真空的折射率称为绝对折射率。

折射率也等于两种媒质中光速的比值。如果 v1 和 v2 分别表示光在媒质1 和媒质 2 中的速度，则媒质 2 对媒质 1 的相对折射率为 n21=v1/v2。真空中的光速为 c，故任一媒质的绝对折射率 n 等于 c 与光在此媒质中的速度 v之比。为方便起见，绝对折射率常常简称为折射率。故两种媒质的折射率之比就等于它们两者的相对折射率。由于真空的折射率为 1，故其它媒质的折射率都大于 1。空气的折射率为 1.00029，非常接近真空的折射率。

折射率与材料的温度和光的波长有关。气体的折射率一般都在常温常压下给出。因折射率随波长而变，通常所说的某媒质的折射率是指对钠所发出的波长为 0.5893 微米的黄色 D 线而言的，记为 nD。如果采用波长为0.5876 微米的氦 d 线，则材料的折射率记为 nd。这两种光的波长都接近于视觉最灵敏的波长。

混合媒质的折射率当有两种以上的媒质混合在一起时，它们的折射率可用如下两种混合法求出。一种是简单加法。用 m1 和 m2 分别表示两种媒质的质量，单位为克；以 r1 和 r2 分别表示两种媒质的经验恒量（n-1）/ρ（ρ 为媒质密度），或另一个恒量折射度（n2-1）/（n2+2）ρ；则混合物的折射率由下式决定：

mr=m1r1+m2r2。

另一种混合法称为对数混合法。用 V 表示媒质的体积（质量/密度）， 两种不同媒质混合后的折射率由下式决定

lgn =

V1

V + V

lgn₁ +

V2

V + V

lgn₂ 。

1 2 1 2

对于气体，两种方法都适用。对于液体，后一方法较适用。

折射率测定 固体材料的折射率常常可用如下方法测定：用含磷的二硫化碳溶液配制成折射率在 1.33 到 1.95 之间的一系列液体，把不规则的小块固体浸没在这样的溶液中，当固体和溶液的折射率相等时，在显微镜观察中小块固体将消失。此外，还有很多测量折射率的方法。如最小偏向角法，干涉条纹移动法，或者利用阿贝折射计、布儒斯定特定律、薄透镜焦距与其曲率半径的关系式等等。

真空（vaccum） 真空一词的原意是虚空，即一无所有的空间。随着物理学的发展，人们认识到真空的概念实际上非常复杂。

低气压空间 在真空技术中常常把远小于 1.01325×105Pa（即一个大气压）的稀薄气体空间称为真空。

在托里拆利实验中玻璃管上部获得的真空，是人类第一次得到的最好的真空。1654 年，德国马德堡市市长盖利克把直径 40 厘米的两个中空铜制半球对接在一起，用经过松节油蜡浸过的皮环密封后抽气使成真空，从两边各用 8 匹马向相反方向拉，竟没有拉开这个铜球。此外，他还进行了一系列有关空气、真空、大气压的各种性能的实验，如真空不能传声、放在真空中的蜡烛会熄灭、鸟和鱼都死亡等，从此以后，真空的存在已不再被人怀疑了。

目前在科学技术中常常将低气压空间划分为五个范围：粗真空（105～ 102Pa）；低真空（102～10-1Pa）；高真空（10-1～10-5Pa）；超高真空（10-5～

10-9Pa）；极高真空（＜10-9Pa）。不同真空度意味着有不同的气体分子数密度。如在标准状况（0℃，1.01325×105Pa）下，任何气体的分子数密度约为 2.7×1025 米-3；在 10-5Pa 时，约为 1015 米-3；在 10-9Pa 时，约为 1011 米-3。实验中可通过真空泵（即抽气机）获得真空。人类目前已能利用宇宙飞船进入太空，太空是一个很好的真空环境。真空技术广泛应用于电真空器件的制造、金属冶炼和提纯，以及医药工业，食品和生物制品的真空干燥和包装等。在表面物理、加速器技术和受控热核反应等领域中，也都离不开真空技术。

量子理论中的真空 从量子理论的观点来看，真空并非是一无所有的虚空。爱因斯坦将场的观点引进引力问题的研究后，曾提出真空是引力场的一种特殊状态的观点。按照量子场论的观点，物质（包括有静质量的物质和静质量为零的电磁场物质）存在的基本形式是量子场。量子场的激发或退激代表粒子（包括实物粒子），如电子，或场粒子，如光子γ的产生和消失；量子场能量最低的状态代表不存在任何粒子的状态，称为基态， 也就是现代物理学中的“真空态”。真空态虽然不存在粒子，如电子、光子等，但仍然存在量子场。这些量子场在不停地振荡（称为真空零点振荡）， 各种量子场之间还存在相互作用，因此真空中还存在着“虚粒子”的产生、消灭和相互转化等现象。真空的这些物理性质会产生许多可观察效应，而且其中的一些效应确实已通过非常精密的实验得到了证实（如原子能级的“兰姆位移”等）。可见，真空实际上包含了非常丰富的物理内容，对它从理论上和实验上作进一步的研究已成为现代物理学的一个重要课题。

真空极化（vacuum polarization ） 荷电粒子与真空相互作用的一种效应。根据现代物理学（量子场论）的观念，真空并不是没有任何物质的虚空。真空中虽然不存在真实粒子，但由于量子场的不停的运动（零点振荡）以及各种量子场之间的相互作用，在真空中仍然存在各种“虚粒子”的产生、消灭和相互转化。虚粒子的性质（如电荷、自旋等）与相应的真实粒子完全一样，但其质量可取任意值。

如果真空中有一带正电荷的粒子，如质子，则该正电荷在其附近将形成极强的电场，该电场将吸引真空中的虚电子，排斥虚正电子，从而改变虚电子云的电荷分布。这种现象类似于电介质的极化效应，故称为真空极化。真空由于质子正电荷的存在而发生极化后，在以质子为中心的任何球面内将出现净负极化电荷。这时粒子本身的电荷（称为裸电荷）将被周围的真空极化电荷部分屏蔽，从而使远处探测到的电荷（称为物理电荷）不同于裸电荷。这一结果称为“电荷重正化”。通过实验（例如散射实验） 测得的电荷显然是物理电荷，而不是裸电荷。所以，真空极化效应在物理上是可观察的。由于真空极化效应，库仑定律在 10-15 米线度上将要被修正；原子的某些能级将发生位移（能级的兰姆位移），从而使光谱线发生更细微的分裂；电子或μ子的自旋磁矩将引起修正（电子的反常磁矩）。真空极化效应仅仅发生在荷电粒子附近的真空中，而且它所引起的各种修正都非常微弱。尽管如此，不少实验仍然以极高的精度证实了这个量子效应。

真空计（vacuum gauge） 用于真空或低压系统内测量压力的装置。可分为绝对真空计和相对真空计两类。前者可通过其本身所测得的物理量直接求出气压的大小，例如 U 型管、麦克劳真空计等；后者必须经过绝对真空计的校正才能测定气压，例如电离真空计、热传导真空计等。

麦克劳真空计 利用玻意耳定律测定一个系统的压强的水银式真空计。玻意耳定律指出：气体压强的增大与其体积的减少成比例。测量时， 将被测系统中的一部分取样气体隔绝于真空计中并使其减少一定量体积， 则压力的增加会产生一个可直接读取压强大小的水银柱高度差。麦克劳真空计可测压强范围为 103～10-4Pa。

薄膜真空计 利用弹性薄膜变形引起电容值相应改变的原理制成的真空计。一弹性薄膜将真空计分为两个小室，即参考压强室和测量室。测量

低压强（p＜100 帕）时，参考室抽成高真空，其压强近似为零。当测量室压强不同时，薄膜变形，薄膜与固定电极间的电容值变化。通过电桥可测量电容的变化，从而确定相应的压强值。若采用零位法测量，可在固定电极与薄膜间加一直流电压，使薄膜恢复原状，由所加直流电压可知压强值。薄膜真空计可用于高纯气体监测、低真空精密测量和压强控制，也可用作低真空测量的副标准。

电离真空计 利用气体电离的原理来测量压强的真空计。分为热阴极和冷阴极两大类。热阴极电离真空计的规头的外形和结构类似真空电子管，通常有三个电极，即阴极、阳极和收集极。阴极发射电子，电子从阴极向阳极运动的过程中使气体电离，产生的正离子数与空间的气体密度成正比，也即与压强成正比。阴极一般采用钨丝，阳极成栅网状，使电子能在其两侧来回穿行以增加电子的行程，故又称为栅极。收集极为圆筒形， 在栅极外侧。其压强测量范围为 10-1～10-5 帕。当工作压强高于 10-1 帕时， 钨丝寿命缩短。

冷阴极电离计靠阴极光电发射（或场致发射）和正离子轰击阴极所引起的二次发射提供电子，利用磁场加长电子行程。一般其轴向磁场约 300～ 400 高斯，阳极电压为 1000～2000 伏，灵敏度系数为 10-2 安/帕，压强测量范围为 1～10-4 帕，冷阴极电离计结构简单、牢固，在工业真空系统中作真空粗略指示或控制用。

热传导真空计 利用气体在不同压强下热传导能力不同的原理测量气体压强。在规头的灯丝中通以一定的加热电流，在不同气体压强下，散热能力不同，灯丝的温度就有差异，灯丝的电阻值亦有不同。若用一附加的热电偶测量热丝的温度，则此种规头称为热偶规；若利用热丝本身的电阻值来反映温度，则此种规头称电阻规或皮喇尼规。热传导真空计主要用于100～10-1 帕压强范围的测量。热传导真空计的测量值受气体种类影响，且表面易污染，也受环境温度影响，故准确度不高，只能作粗略的真空指示用。

振荡器（oscillator ） 无须外加激励而能自行产生稳恒而持续振荡的装置。它所产生的交流信号的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆赫以上；输出的功率可以从几毫瓦到几十千瓦。最早用来传递信息的电信号是由火花放电器产生的一种衰减振荡波。以后又用电弧电路产生等幅振荡波。1913 年人们第一次用真空三极管产生高频等幅振荡波。随着真空电子器件和固态电子器件的发展，已不难获得各种波形的振荡信号，其功率和频率范围也大为扩展，并已广泛应用于通信、广播、雷达、电子计算机和测量仪器等方面。

振荡器依振荡波形的不同，可分为正弦振荡器和非正弦振荡器两类； 依工作原理可分为负阻振荡器和反馈型振荡器。较常用的正弦波振荡器有LC 振荡器和 RC 振荡器两种。它们都是反馈型振荡器。

图 1 反馈型振荡器原理图

图 1 是反馈型振荡器原理图。由两部分组成，A 代表主要由有源器件构成的放大器，β代表由选频网络或移相网络构成的反馈电路。当开关与 2 接通，在 A 的输入端加入频率为 f 的正弦电压 ui，放大后的输出电压为 u0，由β反馈的电压为 uf。如果 uf 和 ui 大小相等，相位相同，则用 uf 替代 ui，

输出 u0 将保持不变。满足上述条件时，当开关与 1 接通，即使电路没有输入激励，仍能得到输出电压 u0。因此使反馈型振荡器维持自激振荡的条件是 Aβ=1。它包含 Aβ的模值为 1，称为振幅平衡条件，它保证 uf 和 ui 幅度相同；相位为零，称为相位平衡条件，它保证 uf 和 ui 的相位相同。振幅平衡条件和振荡 u0 的大小，取决于放大电路的非线性特性。相位平衡条件和振荡频率 f 的数值，取决于选频网络的频率特性。

LC 振荡器由 LC 谐振回路作反馈电路的反馈型正弦振荡器。其放大电路主要由晶体管或电子管构成。自振频率基本上决定于谐振回路的电感 L 和

电容 C，即自振频率 f≈ 。因谐振元件 LC 的取值受体积限制不宜

过大，使振荡频率不会太低，一般为几百千赫到几百兆赫。频率稳定度Δ f/f 一般为 10-2～10-4 量级。谐振元件 L 或 C 的数值调节十分方便，振荡器的频率改变可用可变电容器或可变电感器简易实现，因而在广播、通信、电子仪器中有广泛的应用。

LC 振荡器依 L、C 在电路中的接法不同而有调集振荡器、哈特莱振荡器、科皮兹振荡器等主要类型。图 2 是调集振荡器电路。它由放大电路、

变压器反馈电路和 LC 选频电路组成。其振荡频率为 f0≈ 。

图 2 调集振荡器

图 3 用运算放大器构成的文氏桥振荡电路

RC 振荡器 用 RC 移相网络作反馈电路的反馈型正弦波发生器。典型的RC 振荡器有文氏桥振荡器和移相振荡器。它们适用于 1 赫到 1 兆赫的低频振荡，频率稳定度约在 10-2～10-3 量级之间。图 3 是用运算放大器构成的文氏桥振荡电路。反馈电路由 R1C1、R2C2 串并联而成，在某一频率上，其输出亦与输入同相，两者构成正反馈。R1C1 串联支路、R2C2 并联支路和反馈电阻 Rf 和 Re 恰好构成一个电桥的四个臂，因而称为文氏桥振荡器。文氏桥振荡器的自振频率 f0 在 R1=R2=R 和 C1=C2=C 时为

1

f0 = = 2πRC 。

为保证文氏桥振荡器起振，其放大电路的放大倍数 K 必须大于 3。为减小输出波形的失真，放大器应工作在线性区。用同轴电位器或双联电容器同时改变 R1、R2 的电阻值或 C1、C2 的电容值，可以连续改变振荡频率。测量用的可变低频信号发生器，大多采用此类振荡电路。

振动（oscillation） 又称振荡。物体在其平衡位置附近所作的往复运动。例如钟摆、弦线、音叉、鼓膜等的运动。物理量在其平均值或平衡值附近的来回变动，例如交变电磁场中的电场强度或磁场强度，又称为电磁振荡。处于稳定平衡的机械装置或处于稳定平衡的物理状态在受到扰动后，都会发生振动，所以振动是自然界的普遍现象，大至宇宙，小至分子和原子，无不存在振动；各种形式的运动，包括力、热、电和光以至生物学运动中，都有振动这种运动形式存在。在许多情况下，振动对于人类活动是一种消极因素，例如振动会影响精密仪器的工作性能和精密制造的

加工精度，会加剧构件的疲劳；噪声作为一种声学振动，乃是人类社会中的一大环境污染，等等。另一方面，在许多情况下，振动又是人类活动中的积极因素，例如无线电通讯、振动筛选、振动沉桩等都是利用振动原理而发展的服务于人类的工程技术。利用机械的或微观粒子的振动而发展起来的计时技术，则在人类生活和科学研究中发挥了极大作用。振动与人类的生存和发展之间的休戚相关的联系，促使它成为科学研究和工程技术中的一个重要课题。

虽然振动可以出现在各种不同的现象中，但是各种不同性质的振动服从统一的规律，可以用统一的方法进行研究。最直观和形象的振动是物体位置的变化，因位置发生变化而形成的振动称为机械振动。力学系统能发生机械振动的必要前提是具有惯性和弹性，弹性使偏离平衡位置的系统倾向于恢复到其平衡位置；惯性则使系统返回平衡位置的过程中逐渐积累动能，在系统到达平衡位置后，继续向另一侧运动。正是由于弹性和惯性， 才引起力学系统反复越过其平衡位置而来回振动。除弹性和惯性两个必不可少的条件外，阻尼和激励是影响振动的其他两个因素。阻尼使振动能量不断损耗而转化为内能，激励则是由外界或振动系统本身提供的信号或能量输入，它能激发、维持或抑制系统的振动。弹性、惯性和阻尼是描述振动系统性质的参数。

振动可以分为单自由度振动和多自由度振动两类，前者只须一个坐标即能描述振动系统的位置，例如钟摆的振动就是单自由度振动。需要多个坐标才能描写振动系统位置的，称为多自由度振动。在多自由度振动中， 又可分为有限多自由度振动和无限多自由度振动，前者例如两个串连的单摆的振动，后者例如弹性杆的振动。单自由度振动和有限多自由度振动用常微分方程描写其运动所服从的力学规律，无限多自由度振动需用偏微分方程描写这种规律。

振动系统的参量和激励可用时间的确定函数描述时，其振动也可以用时间的确定函数来描述，这种振动称为定则振动。作定则振动的系统的参量若不随时间变化，称为常参量系统，否则称为变参量系统。与定则振动相对的是随机振动。在随机振动中，系统的参量或激励是随机变化的，无法用时间的确定函数来描述。但是随机变化具有一定的统计规律性，这种振动需用统计方法研究。

振动还可以分成线性振动和非线性振动两类。惯性（质量）不随时间变化，而弹性力和阻尼力分别是坐标和速度的线性函数时，称为线性振动。线性振动的微分方程是线性微分方程，这种振动满足振动的叠加原理，即多个激励所产生的响应是每个激励所产生响应的线性叠加。由于线性微分方程有一套成熟的解法程序，而根据线性叠加原理可以把复杂的激励化成简单形式激励的叠加，所以线性振动是振动理论中最成熟的部分。不是线性振动的振动称为非线性振动，它的振动规律须用非线性微分方程描述。在实际问题中，如果振动的运动范围超出一定限度，以至线性模型不再适用时，就必须考虑非线性因素的影响。

按激励控制方式的不同，还可把振动分为自由振动、受迫振动以及自激和参激振动。自由振动是振动开始以后，不再受到其他激励的振动，受迫振动是在独立于振动系统运动状态的外界激励下产生的振动，自激振动的激励来自振动系统本身，且随振动的消失而消失，参激振动则是通过周

期地或随机地改变振动系统的特性参量来实现的振动。

一般的振动是一种复杂的运动现象，主要通过理论分析和实验研究两条路径来探求其运动规律和控制其运动过程，两种方法是相辅相成的。目前日益发展的计算技术和测试手段给研究振动开拓了广阔的前景。

振动曲线（curve of oscillation） 以时间为横轴、以振动量为纵轴时，振动量随时间变化的曲线图。例如简谐振动 x=Acos（ωt+ψ）的振动曲线（见图）是以ψ为初相的余弦曲线。振动曲线能从几何方面给出振动量随时间的变化情况。

振动曲线

振动中心（center of oscillation） 复摆上与转轴垂直、并通过复摆质心的平面上的一个特殊点。在此平面上，该点 S 与复摆质心 C 以及平面与转轴的交点 O 在同一直线上，且 O 点与 C 点之间的距离等于此复摆的等值单摆长，也就是等于这样一个单摆的长度，这个单摆与复摆有相同的振动周期（见下图）。点 S 称为与悬置中心 O 共轭的振动中心。同一个物体因转轴位置的不同可以构成周期不同的复摆，这时悬置中心在复摆上有不同的位置，不同的悬置中心有不同的振动中心与之对应。振动中心的特点是：①当以振动中心作为悬置中心把物体悬挂起来，构成一个新复摆时，与这个新悬置中心共轭的振动中心，就是原来的悬置中心，新复摆的小摆动周期，与原来的复摆的小摆动周期相等。利用这种性质，可以通过测量复摆的周期找出复摆上一对共轭的悬置中心和振动中心，精确测量

出两点之间的距离 l，再利用单摆周期公式 T=2π ，可以求出当地的

重力加速度 g。②过振动中心施一与复摆转轴以及与图中 OS 垂直的打击力时，在转轴上感受不到任何冲击作用。所以振动中心又称为打击中心。

O 点为复摆的悬置中心，C 为复摆的质心，S 为复摆的振动中心

蒸发和沸腾（evaporation and boiling） 物质从液态变为气态的两种方式。

发生在液体表面的汽化现象叫做蒸发。蒸发在任何温度下都能进行。蒸发的快慢与液体的性质、液体温度、表面面积、表面清洁度和表面附近的通风程度等因素有关。

在一定压强下，当液体达到一定温度时，液面和液体内部同时发生迅速汽化的现象叫做沸腾。开始沸腾时，液体内部和容器壁上涌现出大量小气泡，小气泡起着汽化核的作用，液体分子进入这些小气泡而使液体汽化。当小气泡内的饱和蒸气压增大到和外界压强相等时，小气泡急剧增大，并从液体中冒出，液体就剧烈沸腾。这时液体吸收的热量都用于使物质从液态变为气态，液体温度保持不变。液体沸腾时的温度，称为沸点。液体沸腾时，液体内部形成的气泡中的饱和蒸气压至少必须等于外界压强，气泡才能不断膨胀并上升，因此沸点与压强有关。当外界压强增大时，沸点就相应升高。如在两个大气压下，水的沸点就从一个大气压下的 100℃升高至 120℃。沸点还与液体性质有关，如在一个大气压下，水的沸点是 100

℃，水银的沸点是 357℃。

蒸发和沸腾是汽化的两种方式。但从相变角度看，它们没有根本的区别。无论蒸发还是沸腾，液体变为同温度的气体都要吸收热量，这是因为，

物质从液态变为气态时需消耗一定的能量用于克服分子之间引力作功和反抗外界压强作功，在液体温度保持不变时，这部分能量必须从外界输入。单位质量的液体由液态转变为气态所需吸收的热量称为汽化热，又称汽化焓。不同物质有不同的汽化热，同一物质的汽化热随温度上升而减少，在临界温度时，物质处于临界状态，气态和液态的差别消失了，因此汽化热为零。

物质从气态转变为液态的过程称为凝结。气体凝结时向周围环境放热，每单位质量的气体所放出的热量叫做凝结热，其数值等于汽化热。

汽化热的单位是焦耳/千克、焦耳/克或焦耳/摩尔。由于历史原因，有些书上仍用卡/克作为单位。

蒸汽机（steam engine） 参见热机。

整流电路（ rectifier circuit） 利用器件单向导电特性将交流电变成直流电的电路。通常发电厂供给的电源是交流电，而电子设备则常需要各种不同电压的直流电，因此须用整流电路提供所需的直流电。常用的整流器件有金属整流器件、电子管整流器件和半导体整流器。由于半导体器件具有效率高、可靠性好、易维护等优点，目前常采用半导体器件。

根据整流器件在电路中的接法，整流电路可分为

单相各种整流电路表

注：表中 P0 为直流输出功率，P0=I0V0。

半波、全波、桥式和倍压等电路形式。根据交流供电方式，又分为单相整流和三相整流电路。对于小功率整流器常采用单相供电。

整流电路的主要技术指标有纹波因数 r，变压器次级功率利用系数 F 和反峰电压 UR 等。

1. 纹波因数负载上交流分量的有效值与直流分量之比。r 值越大，说明电路的性能差。

2. 变压器次级功率利用系数直流输出功率 P0 与变压器次级功率容量

P 之比，即 F = P0 。F 值小，说明利用系数差。

2 P2

1. 反峰电压整流管的最高反向工作电压，它应小于管的反向击穿电

压。

上表列出了单向半波、全波和桥式整流电路的电路、整流波形及各项

技术指标。

从表中可发现：桥式整流电路的输出波形与全波整流电路相同，其变压器不需要中间抽头，整流管的反向耐压比全波整流电路的低一半，因此被广泛采用。

郑复光（1780～1853 年后） 清代物理学家，字元甫、浣香。安徽歙县人。少年时即成为贡生，但他淡于仕途功名，以教读为生。他从青少年时起就偏爱科学，性好潜思，涉猎颇广，于数学、物理学都有一定的成就。他曾游历名山大川，足迹遍至广东、云南、山西、陕西等，还数次北游北京，曾到北京观象台实地了解窥筩远镜的使用情形。并与名流学者包世臣、何子贞等交往甚多，于是见闻益广，学识日精。

大约在 1820 年前后，郑复光在游学时见到扬州“取影灯戏”和广东“量天尺”等光学仪器，受到了很大的启发和激励。回家后开始研究光学。在1835 年前，他曾研制成功望远镜，用来观察月球，能见到“黑点四散，作浮萍状”。他还在多年的观察、实验和研究的基础上，归纳出一套具有独特形式的几何光学理论，著成《镜镜詅痴》初稿，书名时以解释为“就镜照物问题之愚见”，颇具自谦之意。后经多年的反复琢磨和修改，至 1846

年才刻印出版。全书共 5 卷，约 7 万余言，分 “明原”、“类镜”、“释圆”和“述作”四部分。“明原”中不仅

对几何光学中的重要基本概念（如光色、光的性质、影和像、光线光束、眼镜、反射镜和透明体等）作了说明，还介绍了光的直进、独立传播、反射和折射四条基本定理。“类镜”中介绍了镜的质料和性能，是关于镜子的综述。“释圆”部分是郑复光建立起来的独特的光学理论体系的核心。他提出了根据两组参数（“顺三限”、“侧三限”）来决定透镜的主要特性。并在此基础上讨论各种透镜成像的变化规律，指导光学仪器的研制。“述作”部分著录了 17 种光学仪器。《镜镜詅痴》是我国物理学史上一部重要的光学专著。

郑复光的另一部科学著作《费隐与知录》是以问答形式写作的。内容涉及物理、天文、气象、生物、医学和烹调等，共 225 条（其中光学 20

余条）。此书刊行于 1842 年。此外他还著有《笔算说略》、《筹算说略》、

《郑元甫札记》、《郑浣香遗稿》等。

正电子（positive electron） 参见电子。

正态分布律（ normaldistribution） 是一种常见的随机分布规律，可描述实验的可靠性及其误差大小。假设在相同条件下，对物理量 x 进行多次重复测量，测量次数为 n，各次间的测量互为独立，无相互影响， 则物理量 x 的平均值为：

x = ∑ xi / n ，

i=1

x 测量列的均方差σ为：

σ = ，

x 平均值的均方差σ⁻ 为：

σ ⁻ = σ / 。

测量值 xi 出现的概率为：

y(xi ) =

1 ( xi −x )²

e 2σ² 。

y（xi）-x 曲线如上图所示，由图可知，σ越大，曲线越平坦，最大值也将降低，但是曲线下的面积始终为 1。

利用概率分布密度函数可估计测量值 xi 在给定区间[xa，xb]内出现的

概率，表示如下：

P(xa

≤ x ≤ xb ) = ∫

x_b

y( x)dx,

x_a

即是曲线下阴影部分的面积。

利用概率分布密度函数可计算数学期望：

x = ∫−∞ xP(x)dx

利用概率分布密度函数可计算标准差：

σ² = ∫∞ (x − x)² P(x)dx = ∫∞ x² P(x)dx − x²

−∞ −∞

正弦交流电（sinusoid alalternating current） 大小和方向随时间按正弦（或余弦）规律变化的电流，简称交流电。其电流强度 i 或电压 u 随时间变化的波形如图 1 所示。

图 1 正弦交流电波形

正弦交流电的产生 正弦交流电的产生方式在致有两种：一种是由交流发电机产生；另一种是由电于振荡器提供。电力网中的交流电是由交流发电机产生的。交流发电机的基本原理是：矩形线圈在匀强磁场中绕着与磁场垂直的轴线作匀速转动，这时穿过线圈的磁通量将随时间发生周期性变化，于是线圈两端就会感应产生随时间作正弦变化的电动势。这种电动势的最大值与磁感应强度、线圈的匝数、线圈的面积以及线圈的转速等有关。交变电动势的频率由线圈的转速决定。在大容量发电机中，常常采用线圈不动而磁场转动的结构方式，电枢线圈镶嵌在固定不动的发电机机壳内侧，交流电就从电枢线圈两个端点引出。这时，若接通外电路，则在电路中将产生交流电。为了获得频率恒定的交流电，发电机的转速必须固定不变。发电机的转动部分由于受到机械结构强度的限制，其转速不能太高， 因此所产生的交流电的频率也就不可能很高，一般被限制在 10000 赫以

下。我国电力网交流供电的标准频率为 50 赫。

在法拉第于 1831 年发现电磁感应现象后的第二年，第一台最简单的交

流发电机随即问世。交流电开始得到广泛应用则是在 19 世纪 80 年代以后的事，那时相继发明了变压器、三相交流发电机和异步感应电动机等，交流电路的理论于是也随着这些应用的需要而逐步建立并不断发展起来。例如用相量表示正弦量的方法，就是 1893 年施泰因梅茨提出的。1907 年发明了真空三极管，从而，为利用电子线路获得更高频率的交流电提供了可能。例如在实验室中，以及在广播电视、载波通讯、无线电遥控、高频感应加热、电视振动台和声呐等装置中，都需要高频交流电。

正弦交流电的表示法

正弦函数表示法正弦交流电和其他一般随时间 t 按正弦函数规律变化

的量一样，可以表示为 a=Amsin（ωt+ϕ），它可以表示正弦交变电动势、正弦交变电压或正弦交变电流。式中ω为正弦变量的“角频率”，Am 为正弦变量的“振幅”或“最大值”，（ωt+ϕ）称为正弦变量在时刻 t 的“相位”，ϕ是 t=0（初始）时的相位，称为“初相”。当振幅、角频率及初相确定后，正弦变量的瞬时值及其变化的规律就完全被确定，所以它们常被称为正弦变量的三要素。

旋转矢量表示法用一个矢量，令其长度表示正弦量的最大值，矢量的始端位于直角坐标平面的原点，用矢量的旋转角速度表示正弦量的角频率，用 t=0 时刻矢量与横轴的夹角表示正弦量的初相。这样该矢量任一时刻在纵轴上的投影就等于正弦量的瞬时值 y=Asin（ωt+ϕ），如图 2 所示。如果矢量 A 表示电流强度，则有 i=Imsin（ωt+ϕ）。用旋转矢量表示正弦交流电，对于交流电的相互比较和运算，具有直观、简便等优点。

图 2 旋转矢量表示

复数表示法 正弦变量可以用复数表示，复数的模等于正弦交流电的振幅，复数的幅角等于正弦交流电的相位。例如一正弦电流 i=Imsin（ω

t+ϕ），则它的复数记作 Im=Imej(wt+ϕ)，式中 j 为虚数单位

。该复数电

流的虚部，就是该正弦交流电流的瞬时值，即 ImIm=Imsin（ωt+ϕ）。用复数表示正弦交流电后，涉及到正弦交流电及交流电路的运算就可通过复数运算进行。

交流电的有效值和平均值

交流电的有效值交流电和直流电各通过一相同阻值的电阻，在交流电的一个周期内，它们两者所产生的热量相等时，用直流电的量值表示交流电的量值。它是一种计算交流电量值大小的物理量。周期为 T，电流强度

为 i 的交流电的有效值 I 可表示为 I= 。所以有效值又称为“方

均根值”。对于最大值为 Im、角频率为ω、初相为ϕ的正弦交流电，i=Imsin

（ωt+ϕ），其有效值为 I=

= Im

≈ 0.70Im

。同理，

正弦交流电电压的有效值和最大值之间的关系完全类似，为U= Um ≈0.707U 。在交流电路的实际测量中，常常使用有效值。例如，

我们常说照明电路的电压是 220 伏，电器的铭牌上所标明的交流电压和交流电流都是有效值；交流电表上的刻度也都是有效值。

交流电的平均值 在某段时间内通过电路某一横截面的总电量与该段时间的比值。用符号 I 表示。对于电流强度最大值为 Im、角频率为ω的正弦交流电 i=Imsinω t，在 t1 到 t2 的时间间隔内，电流的平均值为

t ₂

∫ Im sinwtdt

I = t1 。 在一个周期内，正弦交流电的平均值恒等于零。通常所

t 2 − t 1

T

说的正弦交流电的平均值是指半个周期内的平均值，即 t1=0， t2= 2 。

因此正弦交流电的平均值为

T

∫ 2 Im sin wtdt 2

I = ⁰

T − 0

2

= π I

_m ≈ 0.637I_m 。

知识（knowledge ） 人们在实践活动中对客观世界的认识和总结， 是反映现象和事物本质属性的概念和规律。知识的广义含义是理论知识、实践技能和方法的总称。例如物理学知识除概念、规律、原理、推论等外， 理所当然地应该包括实验基础、数学表述和物理学方法。知识是能力的基础，只有在掌握和运用知识的过程中才能发展能力。

直接数字控制（directdigitalcontrol-DDC） 用数字量（而不是模拟量）进行测量或者转换成数字量，用数字量进行数据处理，又用数字量进行控制的系统称为直接数字控制。

计算机在自动控制中，可以代替模拟调节仪表，而直接对生产过程进行控制。由于计算机的输入与输出都是数字量，所以又叫计算机直接数字控制系统。它是计算机控制的主要形式之一。

计算机可以代替模拟调节仪表的调节作用，但是不能代替检测元件和执行机构的作用。计算机只代替模拟调节仪表，作用不大，然而一台计算机配上数模通道，模数通道，开关量的输入、输出和打印机后，它的功能远远超过一个模拟调节仪表的作用。由于计算机的运算速度快，如利用分时系统，把程序安排恰当，一台计算机不但可以同时控制许多回路，代替许多模拟调节仪表，而且还可以打开和关闭生产过程中需要打开和关闭的一些阀门，收集生产过程中的数据，处理数据，记录数据，对某些不正常的现象进行报警，像上下限报警等，这样一机多能是模拟调节仪表所不能与它相比的。

单从调节作用方面来看，计算机调节控制比模拟仪表调节控制灵活方便。一个模拟仪表调节器一旦投入运行后，其参数就完全确定了，要改变参数就要改动硬件，这是一件麻烦事。然而计算机可以根据现场的情况， 自动地改变其参数，只要程序设计了这一功能，不需要改换任何硬件，程序就可以自动地根据现场的情况来改变参数。模拟调节仪表若是按 PID（比例、微分、积分）调节，就很难作到有时是 PID 调节，而有时又是 PI 调节。然而带有程序设计功能的计算机控制系统，不仅能按一般的 PID 调节，还可以中途改变调节方式，按 PI 调节或 PD 调节，而且十分容易完成。事实上计算机可在快速、大量采集的数据基础上进行分析和检验，得到可靠和准确的结论，再与最佳控制的目标函数比较，作出反馈控制的数字信息， 控制执行器正确执行，这在非计算机的系统里简直是不能实现的。因此计算机的数字控制已使测量控制系统成为有思维的智能化仪器仪表，即人们常说的电脑控制系统。

直流电（direct current） 电荷流动方向不随时间而改变的电流。常用缩写符号 DC 表示。由化学电池、燃料电池、温差电池、太阳能电池、整流器和装有整流子的发电机产生。稳恒电流是一种直流电，它是指电路中任一段导体内电流的方向和量值都不随时间改变的电流。

直流电主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、直流电力拖动等方面。在商业电源的发展过程中，直流电源是最早被采用的一种电源。19 世

纪 80 年代末，直流电才被交流电取代，因为当时要把它变换为远距离输送

所需的高压电很困难。但自 20 世纪 60 年代以来，由于采用高电压大功率变流器能将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。

直流电动机（direct current motor） 将直流电能转变成机械能的动力装置。基本结构与直流发电机基本相同，只是作为发电机时的直流电输出变成直流电输入，机械动力矩输入变成机械阻力矩输出，动生电动势也成为反电动势。力矩平衡方程和电压平衡方程相应变为

Tem=T′+T0，V=∈+IR。

式中 V′和 T′分别为输入直流电压和输出机械力矩。与交流电动机相比，直流电动机转速易于调节，且调速范围广，易于快速启动、快速制动和平滑调节，故控制方便、可靠。轨钢机、大型挖土机、矿井提升机械、电气机车、大中型龙门刨床等要求调速范围大的机械，大多使用直流电动机拖动。

直流发电机（direct current generator） 将机械能转变成直流电能的电源装置。结构示意如图 1。固定部分包括主磁极（及其励磁线圈）、换向磁极（及其励磁线圈）、电刷和机座等，转动部分包括电枢绕组、电枢铁芯和换向器等。磁极与铁芯构成一定形状的磁路。电枢线圈绕在铁芯的凹槽内。换向器由若干彼此绝缘的铜片构成，每一铜片均与一电枢绕组相连。电刷通过弹簧装置压靠在换向器上。换向磁极置于主磁极之间，用以减少电枢绕组换向时产生的火花。

图 1 直流电机的结构示意图 1—机座；2—励磁绕组；3—主磁极；4—电刷；

5—换向极；6—换向绕组；7—换向器

按励磁方式不同，直流发电机可分为他励和自励两类。他励发电机的励磁电流由其他直流电源提供，使用永久磁铁产生磁场的也属此类。自励发电机的励磁电流由电机本身提供，其中励磁绕组与电枢绕组并联的称并励发电机，串联的称串励发电机，既有并联又有串联的称复励发电机。励磁方式不同，发电能力和基本特性也不同，但工作原理基本相同。图 2 表示与换向器中一对铜片相连的一个电枢线圈。在外力矩 T1 用下，电枢线圈作切割磁场线的转动，产生动生电动势∈和相应的感应电流 I。在图示位置时，电刷 A 的电势高于 B 的电势。转过 180°后，线圈内的电动势和电流均反向，但通过换向器的作用，A、B 间的电势关系不变。电枢线圈中各绕组连续不断地通过图示位置，电刷 A、B 即源源不断地输出直流电能。感应电流 I 的出现使线圈受到与外力矩反向的安培力矩 Tem 的作用。当稳

图 2 直流发电机工作原理

定运行时，机械外力矩 T1 与安培力矩 Tem、空载力矩 T0 达到平衡，即

T1=Tem+T0， 电枢即按一定转速旋转。输出电压为

V=∈-IR，

式中 R 为电枢线圈的电阻。动生电动势ε与电枢转速ω、工作磁通（量）

Φ以及电枢线圈的匝数、有效边长等决定的结构参数 C 成正比，即

ε=CωΦ。

由于整流技术的发展，现在一般都通过整流将交流电转变为直流电。但在一些要求较高或没有交流电源的地方仍使用直流发电机。在自动控制系统中，直流发电机作为校正和测量元件起着重要作用。

直线运动（ rectilinearmotion） 轨迹为直线的运动。质点作直线运动时，其轨迹总能与一直线重合；刚体作平动时，如其中有一点的运动是直线运动，则刚体上各点的运动都是直线运动。在直线运动中速度的方向不变。沿着直线的匀速度运动称为匀速直线运动，沿着直线的匀加速运动称为匀加速直线运动。若匀速直线运动的速度为 v（常数），沿着 x 轴方向运动，初时刻 i=0 时的位置在 x0，则在时刻 t 的位置是

x=x0+vt。

若匀加速直线运动的加速度为 a，初时刻 t=0 的位置和速度分别为 x0 和v0，则在时刻 t 的位置 x 和速度 v 分别为

1 2

x = x0 + v0 t + 2 at ，

x = v0 + at。

指南针（compass） 中国古代的伟大发明之一。它作为一种指向仪器，被广泛应用于军事、测量和日常生活之中，其最伟大的历史功绩，是用于海上导航。最初的指南针叫做“司南”。作为从司南到指南针的过渡形式是“指南鱼”。北宋初年，曾公亮主编的《武经总要》中载：“鱼法用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤， 以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。”这里讲的虽是经验总结，但现在看来，指南鱼的制作是符合科学原理的：把铁片加热到通红，其温度高于七百多度（相当于居里点的温度之上），其磁畴瓦解而成为顺磁体，当蘸水时，急速冷却，磁畴又复成。以尾正对着北方，故在地磁场作用下磁畴排列具有一定的方向性，即鱼被磁化。由于北宋都城在开封，地磁场方向应是北端向下，因此要让鱼尾正对子位（即北方）并略向下倾斜，才能得到最大的磁化强度。这是利用地磁倾角现象的一种方法。“以密器收之”，可能是把铁叶鱼收藏在放置有天然磁石的密器内，减少退磁作用，以保持它的剩磁性。这种指南鱼使用时， 只要在无风处将鱼放入盛水的碗中，让它浮在水面，等到静止的时候，鱼首便会指南。

现已发现的关于指南针的最早的明确记载，见于北宋科学家沈括著的

《梦溪笔谈》之中，他写道“方家以磁石摩针锋，则能指南。”这是一种更为简易的磁化法，也是磁性指向仪器发展史上的一项重要发明。在近代电磁铁出现以前，指南针都是用这种方法制造的。沈括还具体试验了指南针的四种装置方法：①把磁针搁在指甲上；②把磁针搁在碗沿上；③以针横贯灯心草浮在水面上；④以独股茧丝用腊少许粘于针腰，于无风处悬挂起来。

元代陈元靓著的《事林广记》中还记载有木刻指南鱼和木刻指南龟。木鱼、木龟都只有拇指般大，股开一窍，嵌入天然磁石，然后用腊封住。木鱼没入水中即可指南；木鱼则是采用有固定支点的装置，于其腹部下方

挖一小穴，安放在竹钉子上，可以自由旋转，旋定以后也会指南。

我国典籍记载指南针用于航海始于北宋朱彧著的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”该书记述 1099～1102 年间广州海运情况，这表明我国用指南针进行海上导航当始于 11 世纪末以

前。我国在发明指南针以后，大概于 12 世纪中叶到 13 世纪初通过海上航行传进阿拉伯，然后再从阿拉伯传入欧洲。

置信限与置信概率（ confidence limit and con-fidence probability） 用来描述测量精度的一种数学方法。假定 xi 在[xa，xb] 内出现的概率为 P（xa≤xi≤xb），则可写成：

x_b

P(xa

≤ x ≤ x ) =

x_a

y( x)dx ，

如果令δ=x- x ，a=xa- x ，b=xb- x ，则上式可写成：

b

P(a b) y( )d .

a

由于正态分布是对称的，所以常取对称区间[-a，a]来估计δ出现的概率， 即

P（-a≤δ≤a）=P（｜δ｜≤a）

= ∫−a y(δ)dδ

= 2 ∫a

δ ² 。

e− 2δ2 dδ

o

因为δ落在某一区间的概率与标准误差σ的大小密切有关，故常把区间极限 a（亦称置信限）取为σ的若干倍，来研究测量值可能出现的概率。即a=ωσ，

式中ω称为置信系数，ω=a/σ。

令 z=δ/σ，并以 z 为变量，计算 z 落在置信区间[-w，w]内的概率：

z2

P(| z|< ω) =

2 ∫w e − 2 dz , ，

e

这样处理，使 z 变为无单位的比值，适用性更普遍和方便，并用函数φ 表示 P（｜z｜＜w），即

z2

φ = (z = w) = w e− 2 dz

0

上式称为概率积分函数，其值可在任何一本高等数学手册中查到。下表为概率积分函数的数值表。

上表第一种用法是给定 z（=δ/σ）值，查出φ(z)值，即表示误差落在±zσ范围内的概率。如取 z=3，则φ(3)=0.99730，表示 P（｜δ｜＜3 σ）=0.99730，即测量值与平均值的差，落在±3σ区间内出现的可能性为99.73%。取 z=2，误差落在±2σ区间内出现的概率为 95.45%。精密度越高， σ越小，出现相同概率的区间越小。将一些常用的概率与区间列表如下：

P（｜δ｜≤3σ）=0.99730， 即 99.730% P（｜δ｜≤2σ）=0.95450，95.450% P（｜δ｜≤σ）=0.68269，68.269% P（｜δ｜≤1.96σ）=0.95000，95.000%

P（｜δ｜≤0.6745σ）=0.50000，50.000%。

上表第二种用法是根据实验数据出现的频率数，在表中找出相应的概率积分函数φ(z)，从而确定置信限 z，最后找到误差δ的值。例如实验数据中77%的数据符合预测值，其余 23%的数据，不是太大，就是太小，并且均匀分布在期望值两边。查上表可得到当φ(z)=0.76968 时，z=1.2，即δ=1.2 σ，由于σ可根据测量值计算得到，因此 77%的数据落在x ±1.2σ的范围内。

智力（intelligence） 人的大脑功能的表现，是人的先天生理素质、社会历史条件、教育和本人努力相互作用的产物。智力的强弱或发展得充分与否，主要反映在人脑的功能（如感知、记忆、思维、想象）和人脑活动的效果（如认识事物的正确性、敏捷性、条理性等）。智力的主要的基础是先天的脑的生理功能。

智能仪表（intelligence instrument and meter ） 微电脑嵌入式仪表。是大规模和超大规模集成电路出现后的产物，也是计算机技术发展的必然结果。从 60 年代到 70 年代，借助集成技术，出现了各种功能强、体积小、价格低、可靠性高的优质电子仪器仪表。60 年代后期就出现了成套自动测试系统，但由于当时计算机太昂贵而使发展受到限制。70 年代微型计算机的大发展，为自动化测试系统提供了坚实的物质基础。但是

通过通用接口总线将若干测量仪器和计算机系统联接的自动测试系统，往往不能充分发挥计算机系统的作用。然而若将集成到一块芯片上的廉价微处理器或单片微型计算机（带有 RAM、ROM、接口等器件功能的微处理器） 嵌入到仪器内部时，虽然因为内存有限，容不下大的软件包，不能完成计算机系统的所有功能，但却可以承担对测量数据的采样、整理、分布、判断、转换、计算、打印、显示、转储等功能。智能仪表不仅解除了操作人员的体力劳动，还能部分地代替人的脑力劳动。

智能仪表不能看作是仪器仪表与微电脑的简单结合，它是计算机技术同仪器仪表融合的结果，因此与一般仪器仪表相比，智能仪表的功能成倍增加，测量范围大大扩展，精度提高很多，还能解决很多旧式测量仪器根本无法解决的问题。目前，先进国家的仪表 80%以上在不同程度上实现了智能化。但是，由于终端控制元件（例如开关、按钮等）和传感器等方面发展缓慢，在一定程度上影响智能仪器仪表和自动化测量技术的发展。

质点（mass point ） 具有一定质量但可忽略其大小、形状和内部结构的物体。质点是抽象化的力学模型。实际物体都有一定大小，但当其尺寸在所讨论的问题中为很小，以至可以不计物体内部各处运动状况的差别时，就可以把物体看成质点，使问题的处理大为简化，所得结果仍可与实际情况相当符合。此外，物体在平动时，内部各处运动情况相同，也可以把它看成质点。可看成质点的物体实际上往往不是很小，如地球，在研究其公转时就可把它看成质点（在研究其自转时则不能），因此不可以把质点和微观粒子等同看待。

质点力学（mechanics of a particle） 以质点为研究对象的力学理论。质点是指具有一定质量而几何尺寸可以忽略不计的物体。这是为了研究问题的方便而建立的一种实体模型，在客观世界中质点是不存在的。质点力学可分为质点运动学和质点动力学。质点运动学研究质点的位置随时间变化的规律，而不考虑导致质点位置和运动状态变化的原因。质点动力学研究质点受力和运动状态变化的规律，它以牛顿运动定律为基本原理，所以牛顿定律直接应用于某个研究对象所得出的一切结论，都是质点力学的内容。由于任何物体可分割成许多质点，物体的运动就是物体中各质点运动的组合，所以质点力学又是研究各种复杂力学系统的理论基础。

质量（mass） 物质的一种属性。是量度物体包含物质多少的物理量， 也是惯性质量和引力质量的统称。

质量是物理学的一个基本概念，最初，牛顿把质量定义为，物质的数量（质量）是一个同物质密度和体积成比例的量度。这个定义包含了循环论证，因为密度等于质量对体积的比，因而只是在比较同类物质时具有一定意义。

惯性质量是量度物体惯性的物理量。不同物体在同一外力作用下，相对惯性系有不同的加速度，加速度数值较大的物体称为有较大的惯性，或称为有较大的惯性质量；加速度数值较小的物体称为有较小的惯性，或称为有较小的惯性质量。惯性质量大小的量度方法是，选取一标准物体，定义其惯性质量 m0=1 质量单位，则任一物体的质量数值 m 规定为

m = a0 m

a 0

= a 0 。

a

其中a0 和a 分别是受同一外力作用的标准物体和待测物体在惯性系中产生的加速度的大小。实验表明，比值 a0/a 由物体本身的属性决定，与测量物体质量时所施的外力无关。在国际单位制中，质量单位称为千克，作为标准质量单位的物体样品现存于巴黎国际计量局中，是一个铂铱合金圆柱体。

引力质量是量度物体引力作用大小的物理量。实验表明，在同一距离上，不同物体与同一参考物体之间万有引力的大小一般是不相同的，说明不同物体施受万有引力的能力并不相同，因而也就有不同的引力质量。引力质量大小的量度方法是，任取物体 i 和 j，它们在相同距离 r 上与指定参考物体之间的万有引力大小分别为 fi 和 fj，则物体 i 的引力质量 mi 对物体 j 的引力质量 mj 之比是

mi = fi

m j f j

如选定某一标准物体，规定它的引力质量为一个质量单位，于是其他物体的引力质量大小被唯一确定。在这样规定了每个物体的引力质量后，两物体之间的万有引力必与此两物体引力质量的乘积成正比：

fij∼mimj。

引力质量和惯性质量是物质两种不同属性的量度结果，但高精度实验结果得出，惯性质量与引力质量成正比，只要选取适当的单位，可使它们的数值相等。爱因斯坦在他的广义相对论中进一步把物体的引力质量等于其惯性质量作为实验事实，提出了引力场同加速度场局域性等效的概念。在狭义相对论中，如保留质量 m 和动量 p 之间的经典关系式 p=mv，则

一物体的质量 m 不再是一个不变的数值，它随物体运动的速率 v 按下式相关：

m = m0

m 称为相对论质量，m0 是物体静止不动时的质量，称为静质量，式中 c 是真空中的光速。狭义相对论还预言，相对论质量 m 与总能量 E 之间有如下关系

E=mc2，

或总能量 E、动量 p 和静质量 m0 之间有如下关系

E² - P²c ² = m²c⁴

由此给质量注入了新的含义，即物质（或质量）和运动是紧密相关的，质量的多寡反映了物质所具有能量的多寡。

质能关系（mass-energyrelation） 参见相对论。

质谱仪（mass-spectrometerormassspectro-graph） 用于分析各种元素的同位素并测定其质量及含量百分比的仪器。有多种类型，一般由离子源、分析器和收集器三部分组成。常见的倍恩勃立治式质谱仪的基本结构如图所示。所要研究的物质在离子源 N 中形成（一般为一价的）离子发生，经狭缝 S1 进入速度选择器。调节速度选择器中的匀强电场强度 E1 和匀强磁场强度 B1，挑选出速度 v=E1/B1 的离子经狭缝 S2 后垂直进入强度为 B2 的较弱匀强磁场中。离子在这里将作匀速圆周运动，最后落在收集器

（例如照相底片）上。离子的偏转半径 R 与其质量 m、电量 q 间的关系为

m = B2 R = B2 R

q v E1 / B1

不同质量的同位素离子偏转半径不同，将落在收集器上不同位置。已知电量 q，测出R 即可由上式计算出离子质量 m。通过不同位置处离子沉积厚度的测定，又可求得不同质量的同位素在物质中的百分比含量。

质谱仪结构示意图

在原子物理、原子核物理、半导体物理等学科研究中，质谱仪是有力的工具。在核技术和半导体技术中，质谱仪不仅可以测定燃料或材料中各种同位素（例如 235U 和 238U）的含量，而且还用于检测微量的杂质。在矿物的成分分析中，质谱仪是常用的基本仪器。研究人员还用质谱仪分析样品中某些放射性物质同位素的含量，来确定化石或岩矿的生成年代。现代空间技术中，也使用质谱仪测定高空气体或星际空间物质的成分。在生物、化工、冶金、医学以及农业、环境保护等方面，质谱仪都有广泛的应用。

质速关系（mass-velocityrelation） 参见相对论。

质心（centerofmass） 也称质量中心。是描写物体质量分布平均位置的一个几何点。如一个物体各微元的质量分别为 m1，m2，⋯，它们相对于某一原点 O 的位矢分别是 r1，r2，⋯，则此物体的质心 C 对 O 点的位矢 rc 定义为

rc =

∑ mi ri

∑ mi

所以，质心是物体中各点位置的加权平均值，权重就是各点的质量。质心相对于物体的位置并不因 O 点位置的不同而有不同，它能大概地描写物体的质量分布主要靠近哪一点。在认为物体的各部分所受重力是一组严格的平行力时，物体的质心与它的重心重合。但物体的重心只有在重力场中才有意义，物体质心概念与物体是否在重力场中无关。

物体的质心具有许多独特的力学性质。例如，物体在受力时，其质心的运动好比是这样一个质点的运动，这个质点的质量是物体的总质量，这个质点所受的力是物体上各点所受外力的矢量和。又例如，在一般情况下， 随着质心平动的参考系可能是非惯性系，但是，相对于这个非惯性系来说， 若用质心的运动描述其平动部分，则物体的运动规律有比较简单的表示。

质子（proton） 氢原子的核，常用符号 p 表示。也是任何原子核的组成部分，原子核内所含的质子数就是该原子的原子序数 Z。质子是一种非常稳定的粒子（寿命＞1032 年）。质子的质量约为电子质量的 1840 倍， 为 1.67264×10-27 千克，带正电荷，其电量与电子电量相同。质子还带有自旋角动量和自旋磁矩。它的自旋为 1/2；固有磁矩为 2.79 个核磁子（核磁子μN=5.0508×10-27 焦耳/特斯拉）。

质子不是点状粒子，它具有内部结构。1956 年美国物理学家霍夫斯塔特等人通过高能电子对核子的散射实验证实，质子的电荷和磁矩有一个分布半径（称力“电磁半径”），为 0.84×10-15 米。质子的电荷和磁矩随半径大致按指数规律递减。60 年代末的理论和实验又进一步证实，质子内部具有点状结构。构成质子等粒子的更为基本的粒子称为“夸克”，质子是

由两个μ夸克和一个 d 夸克组成，记为 p=（μ，μ，d）。夸克带有分数

2 1

电荷，μ夸克的电荷为+ 3 e，d 夸克的电荷为= 3 e，所以质子的电荷为+e。

这些夸克之间通过交换“胶子”而产生一种强作用吸引力，从而形成质子。

中国古代律学（ Luxue of ancient China ） 用数理方法研究发声体乐音的由来及其音高（频率）之间规律的一门学问，是音乐学，也是声学的一个组成部分。律既指构成音阶的两个音，又指选择音阶各音的构成规律。定律之法是指在实践和经验的基础上，根据弦或管的长度与发音之间的关系，用数理方法找出音阶中的各个音。

中国古代对律学一向比较重视。《尚书·尧典》中就有“同律度量衡” 的记载。二十四史的大部分都有律历志，其中亦有不少关于律的记载。再从出土文物如石磬等的研究看，夏、商时期的人已有绝对音高的概念，且中国古代的五声要早于七声。随着对成组乐音的认识，也就产生了十二律， 其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟。据考古发现，西周中晚期的编钟已刻有以上一些律名的铭文。在此期间，乐器有了大发展，见于《诗经》记载的就有 29 种。此后，晋朝荀勖在制成十二支发音准确的笛管基础上，第一次提出相当准确的管口校正法，并以管作正律器成为标准，这是我国古代声学的先进成就。

中国古代最早的定律之法是“三分损益”法（大约产生于公元前 7～前3 世纪）。这是将主音律的弦（或管）三等分，取其两份（全管长的 2/3， 为损一），或增加一份（全管长的 4/3，为益一），依次确定十二律中其它各律的方法。这是律学中的一项伟大创造。

由于几千年来，中国古代一直采用三分损益法，但依此法计算而得的清黄钟和黄钟的弦长比不是 0.5，而是 0.4933，清黄钟的音分值比 1200 多 24 音分，这个高出的音分值称为古代音差。为消除这个音差，中国古代

乐律家京房、钱乐之、沈重、何承天、刘焯等都作了努力。直至 16 世纪末， 明朝的朱载堉敢于打破常规，善于摈弃旧习，首倡十二平均律，即在八度音之间分成十二个音程相等（相邻两频率的比值即音程都是¹² 2 ）的半音， 顺次组成十二等程律，从而使律学发生重大变革，消除了古代音差，彻底解决了旋宫问题。朱载堉的理论为键盘乐器的创制打下了声学基础，对世界声学的发展作出了贡献。

中国古代元气说（Yuanqi theory of ancient China） 以元气为天地万物的元素和本原的一种学说。中国古代关于气的概念起源较早， 元气的概念出现较晚，但至迟于汉代初年。气的概念是从云气、水气、烟气以及人的呼吸之气中概括出来的，它泛指一切独立于人的意识之外的客观现象。从先秦文献《孟子》、《庄子》、《荀子》中关于气的言论来看， 所谓气有这样几个主要特点：①气是与“心”或“志”对立的；②气是构成物体的材料；③气是占空间、有广袤的。而元气的概念有两层意义：一是原始的气，即天地未分以前的

浑然的气；二是总体的气，即天地之间气的总体。

元气说正式形成于两汉时期。王充运用当时的自然科学成就，创立了以气为基础的元气自然论。他认为天地万物都是由元气构成，而且自然界万物生成死灭的发展变化，都是天地所含元气上蒸、下降、相互作用的结果，天地和元气都是不生不灭的。在王充之后，嵇康、杨泉、范缜、柳宗

元、刘禹锡等人都继承了元气自然论。元气说在北宋时期得到发展。张载是元气说的集大成者，他以太和之气变化流行的过程为道，以气散而未聚无形可见的本然状态为太虚，据此提出了虚空、气、万物统一于元气的元气本体论，并把这一观点贯彻到气与性、气与神、气与理的关系方面，形成了宏大而丰富的唯物主义自然观体系。明清是元气说发展的又一时期， 王廷相、吕坤、王夫之、戴震等人继承了元气本体论，并有所发展。王夫之明确地提出宇宙是元气构成的物质实体，所谓虚空也是充满了人眼不能看到的稀微的气的实体，有形物是气构成的，无形的虚空也是由气构成的， 有形和无形只不过是气的聚、散和显、隐而已。他还以一定的实验观察为基础，指出了无形的元气也是不生不灭的。

经过中国古代元气说者的努力，元气说勾划出这样一幅世界图景：虚空中充满着无形、连续的气，这些气因为内部的阴阳对立不停地运动着， 有形的天地万物即在其中聚而复散，散而复聚，并以气为中介相互作用。在这里，充满着气的虚空、无形的连续的气、气与形的相互转化，是整个世界图景的基本要素。这幅图景虽然是以朴素的形态出现，却包含着不少合乎唯物论、辩论法的思想，其中有些也正是物理学发展史上应该去把握的环节。诸如：①始终坚持物质世界无限发展和普遍联系的观点，力图从统一的天地万物的元素和本原来认识和说明世界；②坚持“气”和“形” 可以相互转化的思想，实际上在一定程度揭示了物质结构连续性和间断性的辩证统一；③明确表述“气”和“形”的总和不生不灭，蕴含着物质和运动不可创生和不可消灭的观念；④表述“一物两体”等思想，以说明事物的内在矛盾性和物质的不可穷尽性。

清代后期以来，随着西方近代自然科学和哲学传入中国，我国古代元气说中的一些严重缺陷：对物质属性缺乏深入探讨、对自然现象缺乏严格论证等也随之暴露出来，于是这种学说被机械唯物主义所取代。

中间玻色子（intermediate boson ） 传递弱相互作用的媒介粒子，自旋为 1。共有三种，两种为荷电中间玻色子，记为 W+和 W-，所带电荷为±e，质量为 81.2GeV；一种为中性中间玻色子，记为 Z0，不带电，质量为 92.5GeV。弱相互作用是通过中间玻色子传递的这个观念早在本世纪40 年代末就已经提出。其后，60 年代末建立的电弱统一理论要求存在三种中间玻色子，并且对它们的质量、自旋、寿命和其他特性作了预言。1983 年人们通过加速器实验首先发现了荷电中间玻色子，然后又发现了中性中间玻色子，这些粒子的性质与理论预言很好相符。

中微子（neutrino） 参见轻子。

中微子通讯（ neutrino communication） 一种用中微子进行发射和接收的通讯方法。其工作原理是根据需要，人为地控制每一脉冲中的质子数量，就可以将必要的信息加进去，再通过中微子束发射出去。产生中微子束的高能加速器好比发送器，而中微子探测器好比接收器。中微子具有下列特点：①它是稳定的中性粒子，自旋为 1/2，静止质量等于零， 始终以光速运动；②它又是与物质作用最弱的粒子，通过地球直径那么厚的物质，只有 10-10 的中微子与物质中的质子或中子发生反应。因此，中微子被用于通讯，较之无线电通讯有下列两个突出的优点：①它能沿直线传播，是当代最快的通讯方式，仅需 0.04 秒就可贯穿地球，其通讯速度比用

卫星传播的无线电通讯要快 5 倍左右；②保密性强，且不受任何干扰。但

实现中微子通讯，目前国际上还正在探索之中。

中性线（neutral line） 简称“中线”。在三相交流电源的星形联接中，自中性点引出的一根导线。其电势为零，故又俗称为“零线”。当与对称负载的星形联接或三角形联接相联时，中性线电流为零，故可省去。当与不对称负载网络相联时，中性线中将有电流，因而不可省去。但中性线电流强度不会太大，故一般可采用比端线细的导线作中性线。在中性线接地的供电系统中，接地中性线不允许安装保险丝。因为万一发生异常使保险丝熔断时，断点以后的负载线路中，载荷小的一相将出现较高电压，从而引起其他用电设备发生事故。

中学物理教师的教学能力（ teaching resou- rcefulness of physics teacher） 是教师顺利完成教学活动和任务所需的个性心理特征和业务本领。中学物理教师的教学能力，主要包含以下三个方面。

1. 掌握教学内容的能力。中学物理教师掌握教学内容的能力应包括以下三个方面。①深入掌握所传授的物理知识。这是指掌握所传授的知识的结构、层次、重点、难点和学科的研究方法、分析研究物理知识的实际应用以及与其他学科知识的联系。②分析研究与所传授的物理知识相关的科学方法和能力。这是指分析所传授物理知识中的各项能力培养因素，并提出实施的手段和方法。③理解物理知识的教育功能。这是指充分并恰当地发掘物理教学中内在的教育因素，把教育性恰如其分地渗透在教学内容和各种教学活动之中。

2. 了解学生的能力。中学物理教师了解学生的能力，主要包括以下三个方面。①分析学生原有的知识和经验。这是指正确分析学生在学习新的物理知识以前所具备的相关知识、日常生活经验和前科学概念。分析它们对新知识的学习可能带来的积极的或消极的影响。②研究学生的智能因素及其发展特点。这是指根据教育心理学的知识和方法，分析、了解学生在学习物理时各项智能发展的水平和特点，使教学既适应学生的智能水平和特点，又促进学生智能的不断发展。③了解学生的非智力因素。这是指了解学生的学习兴趣、动机、态度等非智力因素，从而在教学中激发学生的学习兴趣，培养学生的意志。

3. 组织和实施教学活动的能力。中学物理教学任务是通过各种物理教学活动实现的。组织和实施物理教学活动的能力，是物理教师教学能力的具体体现。它主要包括以下三个方面。①创设物理环境。这是指让学生在物理环境中通过足够量的各种活动来掌握物理知识、促进发展能力。②运用各种教学手段。教学手段是教学中传递信息的工具和媒体。教学语言是最基本的教学手段，因此中学物理教师应具备较强的语言表达能力，语言表达在物理教学中具有极为重要的作用。实验是物理教学过程的一项基本要求和特征。中学物理教师必须具有较强的演示实验和指导学生实验的能力。此外，清晰的板书和生动的板画，对中学物理教学也十分重要。教师还应能指导学生阅读教材并运用各种电化教学辅助手段进行教学。总之， 能否恰当而又自如地运用多种教学手段组织教学，使教学过程的实施尽可能达到最优化，是衡量一个中学物理教师教学水准的重要方面。③及时获取学生的反馈信息。物理教师应在课堂教学中通过各种形式与学生及时交流，并通过形成性测试及时了解学生的学习成效、困难及错误，在此基础上及时加以解决并调整教学。

以上三个方面的能力，主要是就物理教师的课堂教学能力而言的。除此之外，如组织学生课外活动的能力、教学测量与评估的能力等，也是中学物理教师需要具备的。

中学物理教学大纲（课程标准）（syllabus of school physics） 中学物理课程结构的法定依据，它是国家行政当局或学校当局对于课程的目的、教学总要求、教学原则、教学基本内容与要求（目标）、学时等规定的正式标准，也是编写教材、检查与评估教学质量、指导教师教学工作以及考试命题的基本依据。在同一教学大纲下，可以有不同的教材体系与特色，但从基本要求方面来说应该是一致的。

各国、各地区的教学大纲（课程标准）繁简不同，一般应包括以下三个基本方面：①中学物理教学的目的。②课时安排：规定在什么年级开设物理课，学年总课时数和周课时数。③教学内容与教学目标：规定总的教学目标、应学的知识内容及相应的教学要求。

在有些教学大纲（课程标准）中，还对以下几方面提出有关的标准并进行阐述。①中学物理教科书选编要求。②训练的形式和要求。明确教学过程中对学生进行各项训练的形式和具体要求，例如规定实验的活动量应占教学活动总量的比例。③教学原则。对教学过程的组织和教学方法提出若干条基本原则。例如理论结合实际的原则，重视能力培养的原则，调动学生主动性的原则，因材施教的原则，及时反馈的原则等。④对学生学业成绩的评价和成绩核定。规定主要的评价方式，形成性和终结性考查中教学目标各层次要求所占的比重等。

中子（neutron） 一种中性粒子，是原子核的组成部分。常用 n 表示。中子的质子比质子稍大些，其值为 1.67495×10-31 千克。中子虽然不带电荷，但具有自旋角动量和自旋磁矩，其自旋为 1/2，固有磁矩为-1.91 μN，其中μN 为核磁子，负号表示其固有磁矩方向与自旋角动量方向相反。中子是查德威克于 1932 年在α粒子轰击铍和硼原子过程中发现的。中子是

不稳定粒子，它可衰变为质子、电子和反中微子，平均寿命约为 15 分钟（918

±14 秒）。然而，与其他粒子的寿命相比，中子的寿命又非常长，所以又可以说中子是一种相当稳定的粒子。在中子发现后，一些物理学家立即提出了原子核是由中子和质子构成的理论，这一理论已为大量实验所证实。与质子一样，中子也不是点状粒子，它的磁矩也有一个分布半径。迄

今的理论和实验表明，中子是由一个μ夸克和两个 d 夸克所构成的复合粒子，记为 n=（μ，d，d）。这些组成夸克之间通过交换“胶子”而发生强作用，从而形成了中子。

由于中子不带电，容易进入物质和原子核内部，因此形成了多方面的应用。例如通过中子与原子核作用引起的链式核反应来研究原子核的结构和核反应机制（中子核反应）；利用热中子通过晶体物质时发生的衍射来研究物质结构（中子衍射）；利用中子穿透物体时的衰减情况来显示物质内部结构（中子照相）等。中子星（neutron star）处于演化末期的中等质量的恒星。一个原先质量为 4～8 个太阳质量的恒星，在演化过程中当其内部核燃料耗尽，核反应停止后，引力要比白矮星强得多，靠电子简并压力（参见白矮星）抵挡不住引力收缩作用，于是核外电子被挤压进原子核内，与核内质子结合成中子，形成简并中子气状态，这种简并中子气体的压强有可能与引力收缩作用达到平衡，这时就形成中子星。

中子星的密度极高，典型的中子星直径仅为 20 公里，但它的质量却比太阳的质量还大。中子星核心部分密度为 1017～1018 千克/米 3，大体相当于原子核的密度，一立方厘米的中子星物质的质量可达到几亿吨。中子星的另一特征是具有极强的磁场，其强度可达 1012～1014 高斯。

恒星收缩成中子星的过程要发生“爆发”，这是形成白矮星过程所没有的。当它猛烈收缩时，巨大的引力势能被释放出来，把恒星的外壳掀掉， 向星际空间抛射出大量物质，这就是所谓“超新星爆发”的过程。爆发后剩余下来的核心部分质量约为 1.4～2 个太阳质量。若塌缩中心核的质量超过太阳质量的 2 倍，则可能变成黑洞而不是中子星。

1967 年发现了冲脉星（参见脉冲星），首次证明了中子星的存在。现

已发现 300 多颗脉冲星，普遍认为它们是旋转着的中子星。

中子照相（neutron photography ） 一种利用中子束流得到所要显示的物体内部结构相片的新型照相技术。其方法是用一束经过特殊准直处理的中子束流，穿过被检测物体，到达射线转换屏上；转换屏受到中子照射后，产生不同强度的放射线，形成放射性潜像；使胶片感光，从而达到摄影目的。该照相法较之 X 光照相法的优点在于能侦知包在重物质内的物体，而 X 光则不能穿过它们，于是被主要用于：物品检验，探知骨髓癌， 研究喷气发动机中汽油燃烧的过程，以及炮弹中的火药装填是否均匀和有无裂缝等。

重力（gravity） 物体在行星或其他天体表面附近所受的万有引力。物体所受重力的大小称为此物体的重量。由于万有引力的大小与相互作用两物体的质量成正比，所以对指定行星和离行星表面的指定高度来说，物体的重量 W 和其质量 m 成正比：

W=mg。

g 是比例常数，它是物体在行星表面附近自由下落的加速度，称为重力加速度。设行星为半径 R 的正球体，质量按球对称分布，根据万有引力定律，重力加速度是

GM

g = (R + H) ² 。

式中 G 是万有引力常数，H 是物体离行星表面的高度。地球质量 M≈5.93

×1024 千克，平均半径 R≈6.37×106 米，取 G≈6.67×10-11 米 3/秒 2·千克和 H=0，得地球表面上的重力加速度约为 9.83 米/秒 2。

然而地球并非严格的正球体，其质量分布亦非严格球形对称。一般说来，它是一个从两极向赤道平面略有压扁的旋转椭球体，所以在地球表面不同纬度处，同一物体的重量略有不同，两极处的重量较重，赤道处的重量较轻。

地球又是一个有自转的天体，即使忽略空气阻力，在地面上观察到物体下落的加速度并不严格等于假定地球不自转时所观察到的下落加速度。在自转的地球表面上用衡器测得物体的重量（视重）也不严格等于地球对物体所施万有引力的大小。如计及地球自转的影响，重力应该等于物体所受万有引力 F 和地球自转所引起的离心力 Q 的矢量和 W。 Q 的大小是 m ω2（R+H） cosϕ，ω是地球自转角速度，ϕ是物体所在地的地球纬度。考虑了地球自转影响以后，重量的修正值不超过千分之三到千分之四，重力方向的偏差不超过十分之一度。故可近似认为重力就是地球对物体的引

力。重力加速度的实测数值是，在赤道处约为 9.78 米/秒 2，在两极处约为 9.83 米/秒 2。

重力学（gravimetry ） 研究重力场与地球上各个地区重力加速度变化规律的一门学科。人们对地球形状概念的认识是逐步发展的。现代大地测量学上所谓

地球表面物体受力图

的地球形状是指一个理论曲面的形状。这个曲面叫做大地水准面。大地水准面是由平均海平面所定义的一个封闭曲面，海面在重力作用下是一个等位面。这个等位面的形状和大小可以用天文测量、几何测量和重力测量来测定。重力的大小等于重力等位面的梯度，其方向与等位面垂直，这样就把地球形状的研究与地面重力的研究紧密地联系起来了。从全球看，大地水准面是一个不规则的曲面，因此在确定地球形状时，先确定一个和大地水准面最逼近的旋转椭球面——扁球面，然后再确定大地水准面和这个扁球面的偏离。国际间 1924 年曾选定一个扁球面作为参考面，1967 年作了修订，选定的参考椭球面的参数是：长轴 a=6，378，160 米，扁率 e=（a-c）

/a=1/298.247，c 为短轴。实测表明，大地水准面与参考椭球面的最大偏离不超过地球半径的十万分之一。目前，根据卫星轨道运动资料，通过大量计算，得到了比较精确的地球形状。对于轴对称的地球，由重力位的函数的前三项得到的地球形状呈梨形，与参考面相比，在北极略有盈余，南极则有亏损，中纬度为北亏南盈，幅度在 10 米到 30 米之间。

地球的形状是地球内部情况的一种反映，研究地下物质的分布，常借助于地面重力异常场的测量，重力异常等于实测的重力值减去正常重力值。重力异常区在地面上的大小范围和它所反映的地下情况的深度有关， 一般异常的范围越大，所反映的地下情况越深。大范围重力异常时，要考虑地下物质的迁移对地面重力场的补偿作用（地壳均衡）。精确的研究表明，重力除了与地球的引力和自转离心力有关外，还与地外天体的引力有关，主要是日、月的引力，但与前二项相比为一小量。由于日、月与地球的相对位置随时间变化，因而对地球上的某一固定点而言，日、月的引力也随时间变化，这就使地面上的重力有一微小时间变化，且使地球发生形变。这种形变在海洋上表现为潮汐，在陆上及海底表现为地球固体潮，固体潮与地球内部的性质有关。

重心（center of gravity） 在地球表面附近物体各部分所受重力的合力作用点。在地面附近，物体的线度相对于地球的半径来说是很小的，物体各部分所受重力可以认为是一组平行力，这组平行力对物体的作用，可以等价为作用在物体重心上的一个合力，这合力就是整个物体的重力，而合力作用点即为重心。设想把物体分割成许多微元，第 i 微元的质量为△mi，它对空间某一点 O 的位矢为 ri 则物体重心的位矢 rc 是

rc =

∑(∆mi ·g)ri =

∑∆mi g

∑∆mi ·ri

m

这里，g 是重力加速度，△mig 是物体中第 i 微元所受重力的大小，m 是物体的质量，此物体的线度自然认为是远小于地球半径的。重心是一个定点， 与物体的方位和所在位置无关，且与此物体的质心重合。如物体的质量均

匀分布，则物体的重心、质心和它的形心也重合。例如，具有中心对称的均质物体，其重心必在对称中心；有对称面的均质物体的重心必在此对称面上。所以，对于规则形状的均质物体，常可由视察其对称性来直接决定重心的位置。也可用实验方法测定物体重心的位置。例如，可把物体用一柔软细线悬挂起来，悬线延长线必通过物体重心，然后，把物体换一个方向悬挂，则两种不同情况下悬线延长线的交点就是物体的重心。当物体的线度很大，物体各部分所受重力不是一组平行力时，物体的重心不仅与质心不重合，而且它相对于物体的位置将与物体的方位和所在位置有关。物体重心的研究，在实际工程中有广泛应用。例如，为了减少高速旋转物体的振动，需使其重心偏离转轴的距离（偏心距）不超过规定的数值。

朱载堉（1536～约 1610）中国明代律学家、历算家。字伯勤，号句曲山人，明宗室郑恭王厚烷之子。早年从舅父何塘习天文、算术。后因皇族内讧，父获罪系狱，遂筑土屋于宫门外，独居 19 年，钻研乐律、数学、历算。父死后，不承袭爵位，而以著述终身。

朱载堉是“新法密律”也就是后来称为“十二平均律”的理论首创者。这个理论及其计算方法在他的《律历融通》、《律学新说》和《律吕精义》等著作中均有阐述。可见他完成“新法密律”的理论及计算当在 1580 年以前。“新法密律”的主要科学贡献：一是创造了以弦律为主的十二平均律， 即在八度音之间分成 12 个音程相等（相邻两频率的比值都是¹² 2 ）的半音，

顺次组成 12 个等程律。由于相邻各律间的等程性，使新的乐律对任何曲调都能应用，转调自如，极有利于曲调的创作和乐器的制作。二是采用“异径管律”的方法，提出了解决管口校正的新途径，即在计算管口校正数时， 利用不同管径的特点来解决缩小空气柱与管长不一致的问题。他的研究结果得出，在一个八度音程中按音高次序排列的 12 个律管的管径构成了以

²⁴ 2 为比率的等比数列。这两个贡献都是 16 世纪声学的重大成就。

主截面（ principal section） 晶体任一界面的法线与晶体光轴组成的平面。晶体有很多界面，因此有很多主截面。一般取一定的主截面作为参考面。如光入射到某一界面时，就取与该界面有关的主截面作为参考面。

晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面，称为主平面。o 光电矢量的振动方向与 o 光主平面垂直；e 光电矢量的振动方向在 e 光主平面内。当光的入射面与晶体主截面重合时，o 光主平面与 e 光主平面重合，即 e 光和 o 光两折射线都在入射面内。一般情况下，o 光主平面与 e 光主平面并不重合，但两主平面之间的夹角很小。

对于棱镜，与折射棱垂直的平面也称为主截面。在讨论光学系统成像规律时，主平面和主点是三对基点基面之一。

柱形波（cylindrical wave） 见波。

驻波（standing wave） 又称立波或定波。局限于某一区域而不向外传播的波动现象。即在由确定的边界包围着的介质中形成的波。是两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向进行叠加的结果。例如沿一端固定的弦前进的波在固定端反射时就能形成驻波。设一根绳索横跨在音叉和刀口 B 之间，如图所示，当音叉振动时，在绳索上就激起波动，此波向右行进；当此波到达固定点 B 时被反射，产生向左行进的反射波。这两个波在绳索上相互叠加，就形成驻波。这时，绳索上的波从 B 点开始被分成

几段，每段两端的点驻定不动，称为波节，而每段中的各质点则同步地上、下振动，中间的点振幅最大，称为波腹。波腹、波节的位置不随时间改变， 振动能量也不随时间逐点传播，因而称为驻波。

驻波的应用很广，如管弦乐器便是利用驻波的一例。此外，它还导出一个重要概念，即频率的分立。要求两个界面之间的距离(d)是半波长的整

数倍(n)，可以理解为：只有那些频率为 n= v

2d

的波长能建立驻波（v 为波

速）。这个频率分立的概念曾对量子力学的创立起了启发作用。

转动定律（law of rotation） 定轴转动刚体的运动定律。定轴转动刚体绕转轴的角加速度β等于此刚体所受外力关于转轴的总力矩 M 对刚体绕转轴的转动惯量 I 之比：

β = M 。

I

1—波腹；2—波节；3—音叉

在此，转轴被理解为有方向的，M 也是刚体所受各外力对轴上任一点的力矩的矢量和在此轴上的投影；面对此轴看，如果转动是逆时针方向加速的，取β＞0，如转动沿顺时针方向加速，取β＜0。

转动惯量（momentofinertia） 亦称惯量矩。物体绕轴转动时惯性的量度。物体平动时，其动量和平动动能与物体的质量和速度有关，而物体绕轴转动时，其角动量和转动动能除了与物体的角速度和质量有关外，还与此物体的质量对转动轴的分布有关。转动惯量就是描写物体的质量对转轴分布的量。

物体对某轴转动惯量 I 的定义是

I = ∑m r ² 。

i

其中 mi 是物体中第 i 质点的质量，ri 是该质量与轴的距离，求和遍及整个物体。如物体的质量连续分布，上面的求和式应改为积分式：

I = ∫ ρr ²dV 。

v

其中ρ表示体积元 dV 处的密度，r 为该体积元与轴的距离，积分遍及整个物体。一定质量的物体对轴有不同的质量分布时，转动惯量有不同的值。例如质量相同的两圆柱体，粗而扁的圆柱体比起细而长的圆柱体来说， 对圆柱轴线的转动惯量更大。机器的飞轮做得边缘厚实而中间细薄，以使其质量的大部分分布在边缘上，就是要使飞轮在一定质量下有较大的转动惯量。同一物体对不同的轴有不同的转动惯量。一个刚体绕某固定转轴以角速度ω转动时，如刚体对此轴转动惯量为 I，则刚体对此轴的角动量 Lz 和刚体的转动动能 T 分别为

1 2

Lz=Iω，T= 2 Iω 。

在以一定的角速度转动时，转动惯量越大的刚体，其角动量和转动动能越大。

常把物体对某轴的转动惯量 I 写成此物体的质量 m 与一个长度量 k 的平方的乘积：

I=mk2，

k 称为物体对该轴的回转半径。例如，一个均质球体对其直径的转动惯量

2

为I = 5 mr

² ，r 为球体半径，m 为球的质量。相应的回转半径就是 k= 。

这意味一个质量为 m 的质点与轴的距离为 k= 时，它对该轴的转动惯量

与一个半径为 r、质量相同的均质球对其直径的转动惯量相等。

状态参量（state parameters） 描述热力学系统宏观物理性质（状态）的参量。

热力学系统的宏观状态既取决于组成该系统的大量微观粒子的运动状态，又取决于系统所处的外界环境。描述组成系统的微观粒子本身特征和运动状态性质的状态参量称为内参量。例如气体的压强来源于系统内部粒子热运动的状况以及粒子间的相互作用，因此压强是内参量。另一方面， 系统的某些宏观状态与外界环境有关，描述这种状态的参量则称为外参量。例如作用于热力学系统上的外电场和外磁场就是外参量，被封闭在装有活塞的气缸中的气体的体积也是外参量，因为它直接取决于活塞的位置。一个状态参量，可能在某种情况下是外参量，但在另一种情况下成为内参量，这取决于人们对系统和外界环境的不同划分方式。例如，如果把活塞和气缸中气体看作为一个完整的系统，那么由活塞位置确定的气体体积就成了内参量，而作用在活塞上的压强就是外参量。

对于一个确定的热力学系统，状态参量是一组互相独立的可以用于完全确定系统宏观性质的参量，系统的其它宏观性质是这一组状态参量的函数。当一个均匀的热力学系统处于平衡态时，描述这个系统宏观性质的状态参量的数目相对于该系统处于非平衡态时状态参量的数目来说为最少。例如处于平衡态的简单气体系统，状态参量只有两个，它们可以是气体的压强和气体的体积，也可以是气体的温度和气体的体积。一旦选定二个状态参量（例如气体的压强和体积）以后，其他宏观参量（例如气体的温度） 就是这些状态参量的函数，且称这种函数关系为该气体的物态方程。

对于一般的热力学系统，描述其平衡性质的状态参量可分为四类：① 几何参量（例如体积）；②力学参量（例如压强）；③化学参量（例如化学组分的摩尔数）；④电磁参量（例如电场强度）。热力学系统的全部宏观性质都可以表示为这四类状态参量的函数。

准静态过程（quasistatic process） 热力学理论中最重要的过程。在这种过程进行之中的每一步，热力学系统都处于平衡态。

当一个热力学系统的状态随时间发生改变时，它所经历的每一个状态实际上都是非平衡态，此时一般不能用热力学状态参量来描述状态的变化。但是，当宏观变化过程进行得足够缓慢，而且过程中每一个非平衡态恢复为平衡态所需的时间（称为弛豫时间）又极其短暂，则在该过程中的每一时刻，热力学系统可近似地看作处于平衡态。在宏观过程进行得无限缓慢的极限情况下，热力学系统在过程的每一步都处于平衡态。显然这是一种理想过程，这种过程就称为准静态过程。准静态过程虽然不能完全达到，但是可以无限趋近。此外，由于只有对准静态过程，才可以用系统本身的平衡态参量进行描述，因此热力学中所讨论的过程常常首先是准静态

过程。

在外力作功引起系统状态变化的过程中，如果外力导致系统体积改变

△V 所需的时间△t 远远大于该系统从非平衡态恢复到平衡态所需的弛豫时间τ，而且在作功过程中又不存在摩擦阻力，则该过程就可以近似地看作准静态过程。此时外界压强所作的元功可表示为 dw=-pdV，这里 p 就是系统处于平衡态的压强，也就是说，在无摩擦的准静态过程中，可以用系统本身的状态参量变化来表示作功的大小。类似地，在传热导致系统温度发生变化的过程中，如果改变温度△T 所需时间△t 远远大于温度恢复均匀而达到热平衡所需的弛豫时间τ，而且在传热过程中不存在热量损耗，则该过程也可近似看作准静态过程，且可以用系统本身状态参量——温度的变化来表示传递热量的数值。

准确度（ accuracy） 仪器本身的准确程度，与测量者的实验水平无关。通常用最小分度值或者最小分度值与量程值之比的百分值来描述。例如米尺的最小分度值为 1 毫米，所以米尺的准确度为 1 毫米。游标常数

为 0.05 毫米的游标尺，准确度为 0.05 毫米。螺旋测微器的准确度为 0.01

毫米。物理天平的准确度分别为 0.02 克、0.05 克和 0.1 克三种。电流表、电压表的准确度常用最小分度值与量程值之比的百分值，以“级”来表示。例如直流伏特表的测量范围为 3 伏，最小分度值为 0.1 伏，则其准确度为：

0.1 ×100 = 3.3 ，

3

习惯上没有 3.3 级的标准，只有 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、4.0 等几种，所以 3.3 应靠到 4.0 级准确度。级别越高，准确度越低，刻度越希自动控制技术（automatic control technology） 在无人直接

干预的情况下，通过自动化装置对控制信号进行测量、变换、传递和计算， 从而控制被控对象（如机器和生产过程），使被控对象达到预定的运动状态或所要求的控制功能的一门综合性技术。它的基本内容包括自动控制理论、自动控制工具及其应用。

自动控制理论发展初期，主要是以反馈理论为基础的自动调节原理。随着工业生产和科学技术的发展，它已发展成为一门独立的学科，即控制论。它是一门研究各种不同系统（如机器系统、生命系统、社会系统）内部的控制和通信的一般规律的科学。现代控制理论比经典理论有了很大的发展。经典控制论主要是用来解决单输入—单输出的问题，而现代控制论主要用来解决多输入—多输出的问题。

自动控制技术的工具最初是以机械、气动、液压等类型为主；50 年代后，逐步发展为电动（继电器、接触器等）和电子式技术为主，气动、液压、射流技术也有进一步发展。目前，自动控制装置一般是机电式、气动式、液压式和电子式的混合系统。主控制器一般以电子式为主，而执行机构一般以机电式、气动式和液压式为主。随着当前电子计算技术的推广应用，单片机和微机在自动控制中已得到了应用，给自动控制技术带来了新的生命力。

自动控制的应用范围非常广泛。从一般住宅屋顶上水箱水位的继电器控制，到采用大量电子、机电设备组成的自动化流水线生产过程，以及机场和铁路的管理、人造卫星发射等等，都离不开自动控制技术。特别是， 近年来人们把控制论应用到各种社会系统，这就更加证实了这门学科具有

强大的威力。

自发辐射（spontaneous radiation） 原子、分子或离子等微观粒子从较高的能量量子状态自发地向较低的能量量子状态的过渡，称为自发跃迁。在自发跃迁过程中微观粒子所减少的能量等于两个量子状态能量的差值。这部分能量差值如果转化为体系的热运动，并不发射光子，称为无辐射跃迁；如果以光子的形式发射出来，便称为自发辐射。

自感系数（coefficient of self-induction） 简称“自感”。表示导体回路产生自感应能力的物理量。常用符号 L 表示。等于回路中电流的时间变化率为 1 单位时的自感电动势，即

L =   ε ，

dI / dt

式中和 dI/dt 均以绝对值计。若回路由 N 匝线圈组成，则自感也等于回路的磁通链数 Nφm 与电流强度 I 之比，即

L = Nφm ，

I

式中φm 是电流强度为 I 时通过每匝回路（线圈）的磁通量。当介质的磁导率不随电流的磁场发生变化时，上述两定义式是一致的。自感系数决定于回路的形状、大小、匝数以及回路空间的介质分布。少数几种回路的自感可以计算出来，如空心长直螺线管的自感为

L=μ0n2V，

式中 V 为长直螺线管的体积，n 是单位长度上的线圈匝数，μ 0 是真空磁导率。自感的单位为亨利，符号为 H。

自感现象（phenomenon of self-induction） 简称“自感”。

通电回路中，因电流变化而在自身回路中引起感应电动势的现象。1832 年由美国物理学家亨利首先发现。所引起的感应电动势称自感电动势。按法拉第电磁感应定律，一回路的磁通量无论由于什么原因发生变化时，都会在该回路中引起感应电动势。当回路自身电流发生变化时，通过回路的磁通量Φm 也要变化，这就必然引起感应电动势∈。因此，自感是一种特殊的电磁感应现象，自感电动势可表示为

ε = − dφm 。

dt

当回路的形状、大小和所在空间的介质分布都不随时间变化时，线圈中的磁通量与电流强度 I 成正比：Φm=LI，比例系数 L 就是该线圈的“自感系数”。这时线圈中的感应电动势可表示为

ε = −L dI ，

dt

式中负号则是楞次定律所要求的，它表示当回路中的电流增大时，自感电动势与电流方向相反，反抗电流的增大；反之，则与电流方向相同， 反抗电流的减小。自感现象在回路电流变化时总是存在的，在电工、无线电和电子技术中有着广泛的应用。例如，日光灯的镇流器就是一个自感线圈。它在日光灯启动过程中产生自感电动势与 220 伏交流电动势同向叠

加，使灯管中的气体电离而点亮灯管；以后又使自感电动势与 220 伏交流电动势反向叠加，使灯管在较低的电压下正常工作。在各种工程技术中，

自感元件常与电容器等一起组成各种振荡电路，以完成电磁波的发射、接收、滤波、放大和移相等功能。但在某些场合下，自感现象又是十分有害的。例如在供电系统中，切断强大的电流时所产生的自感电动势足以使空气电离而发生火花放电，甚至危及人身安全，引起火灾事故。为此，必须使用带有灭弧结构的特制开关。

自聚焦（self-focusing ） 强激光引起物质折射率发生非线性变化，从而改变激光束本身传播特性的一种非线性光学现象。当强激光通过光学媒质时，由于三次非线性电极化效应，可引起折射率产生如下变化： n=n0+△n，其中 n0 是普通弱光下的折射率，则常数，△n 为激光作用下的感应变化量，与光强有关：△n=n2｜E｜2 其中 n2 是一个与三次非线性电极化率 X(3)有关的量：n2=2πX(3)/n0。激光束截面内的光强分布总是中心强而边缘弱，故当 n2 为正值时，光束中心部分引起的△n 大于边缘部分。于是激光束通过这种媒质时等价于通过一个正透镜，会使光束发生会聚，这就称为自聚焦。若 n 为负值，这种媒质等价于一个负透镜，使光束发散， 称为自散焦。自聚焦有很多利用价值，但是也可能导致光学元件损坏。

自然光（natural light） 光波中含有所有方向的电矢量，而且平

均来说它们对于光的传播方向形成轴对称分布，这种光称为自然光。光波是原子或分子内部能量状态发生改变时辐射出来的电磁波。由大量发光原子或分子组成的光源，在同一时间发出的光波各自具有不同的电矢量方向和不同的初相位。从统计角度看，它们的总和对于光的传播方向形成轴对称分布。因此，在自然光波场中的每一点，对于各个传播方向来说，同时存在各种取向的电矢量振动，它们彼此之间也没有固定的相位关联。自然光通过检偏器时，随着检偏器透光方向的转动，透射光强度保持相同，且等于入射光强度的一半。

《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Natura-lis Priscipia Mathematica） 本书是英国物理学家、数学家、天文学家牛顿的代表作。成书于 1686 年。原著是用拉丁文写的，后有多种文字的译本，中译本出版

于 1931 年。该书的宗旨在于从各种运动现象探究自然力，再用这些力说明各种自然现象。全书是以若干的力学基本概念诸如质量、动量、惯性、力等定义开始的。紧接着阐述了著名的三大运动定律、矢量（例如力和速度） 合成原理等。以下则由三编严谨的论述，展开上述的定义、定律和原理。

第一编是讨论万有引力定律和行星运动的，即在与理论天文学有关问题上应用了这些定律；以纯数学方式确定某一天体围绕另一天体旋转的轨道；求同一物体的不同部分共同施加于另一处于体外或体内的物体的引力之和的数学定理等，共 14 章，篇幅占全书的 42%，此系全书的基础。

第二编讨论了物体在有阻力的介质中的运动，包括流体静力学和动力学问题；液体内的波动过程和旋涡运动的规律；以及论述笛卡儿的以太旋涡假说与开普勒定律不相符合等，共 9 章，篇幅占全书的 30%。

第三编是万有引力理论在天体运动上的应用，包括行星围绕太阳的运动；卫星围绕行星的运动；地面上物体的降落运动和抛射运动；岁差以及潮汐现象等，共 5 章，实际上是牛顿十分壮观的宇宙体系的学说，它结束了为新宇宙观的确立而进行的斗争的一个阶段。

在《原理》中，牛顿所总结的运动方程，明确地揭示了表征外部对物

体的作用强度的力和表征物体运动状态变化的加速度之间的关系。加上由牛顿第三定律所确立的两个不同物体之间相互作用的关系，大大提高了牛顿力学的普适性，从而确立了严格的、用数值表示的机械运动的因果公式， 为解决众多的力学问题提供了强大的理论工具。牛顿还从客观世界的物质统一性观念出发，在《原理》中，对前人发现的行星运动规律进行概括， 发现了它们的内在联系，得出了万有引力支配着行星运行的结论，这样就可以根据万有引力定律进行运算，对太阳系内的行星、卫星及彗星的错综复杂的运动作出精确描述，有力地推动了天体力学的发展。

牛顿的这部著作，奠定了经典力学的基础，集中代表了 16 世纪下半叶

至 17 世纪中叶的主要科学成就。尽管该书第 2 版增加了具有浓厚神学色彩的“总释”一节，但它运用力学规律来描述地球上的物体和天体的运动， 从而把过去一向认为是截然无关的地球上的物体（属于所谓“世俗”的） 运动规律和天体（属于神圣的“天堂”的）运动规律概括在一个严密的统一理论之中，这在人类认识史上是一次重大的飞跃，从科学上动摇了把“天上世界”和“地上世界”对立起来的神学宇宙观。该著作所拟定的力学世界图景和机械地解释自然现象的纲领，对 18 世纪机械唯物主义思想的形成和发展也有重大的影响。同时，该著作体现了与当时流行的形而上学思辨相对立的科学方法，主张理论概括工作应建立在对现象的考察上，通过观察和实验去发现能用数学形式概括的自然规律；强调不作假设而把有关定律作为力学理论的公理，努力去探求公理与现象之间的联系，从而有力地促进了物理学研究中公理化方法的运用，对近代自然科学和方法论的发展产生了巨大的影响。

自旋（spin） 微观粒子的内禀角动量，是描述基本粒子，如电子、质子、中子等特征的一个重要的物理量。

电子具有自旋的假设最早由两位年青的荷兰物理学家乌仑贝克和古兹米特为了解释原子光谱的复杂结构于 1925 年提出。根据他们的假设，原子中的电子除了因绕核作轨道运动而具有“轨道角动量”外，还具有固有的“自旋角动量”，简称自旋。电子自旋角动量的值可表示为

L = s(s+ 1) h，s = 1 ，h = h ， h 为普朗克常数。现在已经认识到，各种

^s 2 2π

基本粒子都具有特定的自旋，且“自旋量子数”s 只能取整数或半整数值。

1

例如π介子的自旋为 s=0，电子、质子、中子的自旋为 s= 2 ，光子的自旋

为 s=1，等等。自旋为正数的粒子称为“玻色子”；自旋为半整数的粒子称为“费米子”。一个粒子系统的角动量应包括两部分，即各组成粒子的轨道角动量和各组成粒子的自旋角动量。孤立系统角动量守恒是指总角动量，即轨道角动量和自旋角动量之和守恒。

在经典物理学中不存在自旋概念。自旋纯粹是一种量子效应，而且还是一种相对论性量子效应。在非相对论性量子理论中，自旋是作为一种假设而进入理论之中的。在相对论性量子理论中，可通过角动量守恒定律和运动方程，自然地导出自旋这个物理量。

在许多物理领域，如物质的磁性，原子光谱的精细结构和超精细结构， 原子核结构，以及超导现象，超流现象等领域中，电子、质子和中子的自旋性质起了决定性作用。

自由电荷（free charge） 在外电场作用下可以在宏观线度上自由移动的电荷。例如金属中的自由电子；酸、碱、盐等溶液以及电离气体中的正负离子（气体中的负离子通常是电子）。

在外电场作用下，自由电荷定向移动形成电流。材料中的自由电荷密度愈大，其导电性能愈好，反之，导电性能就差。

自由落体运动（motion of a free-falling body） 在重力场中初速为零的下落运动。常指的是不存在空气阻力时的这种运动。地球表面附近的上空可以看作是恒定的重力场，在不计空气阻力时，自由落体运动的加速度就是重力加速度，以 t=0 为初时刻，自由落体运动的运动方程

1 2

是 s=y 2 gt ，这里位移 s 以向下为正。

纵波（longitudinal wave） 见波。

纵模（longitudinal mode） 沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式。简单而近似地说，纵模即频率。以气体放电管为例，通常它所发射的光波的频率宽度比较大。如果把放电管放在光学谐振腔内，经过谐振腔的选频， 可使它所发射的光波的频率宽度变窄。例如氖放电管所发射的光波的中心频率为 4.7×1014 赫，频率宽度为△v=1.5×109 赫。如果谐振腔长度为 1 米，满足共振条件的许多光频率中相邻两个共振频率之差△V’=1.5×108 赫。氖放电管配置谐振腔后，发射的光波数为△V′/△V′，即有 10 种频率的光波。如图所示，曲线 a 代表放电管所发光波的频率轮廓，直线 b 的横坐标为中心频率，曲线 a 的半值宽度即放电管所发光波的频率宽度。配置谐振腔后，一定的腔长有一定的相邻共振频率之差。图曲线 a 下面的各条直线的间隔即为相邻共振频率之差。因此原来放电管所发光的频率范围很大，曲线 a 下面的各种频率的光都有。加上谐振腔后就不同，它要求相邻两光频率之差满足一定要求。例如图曲线 a 下面的频率中，只有各条直线代表的频率才可能。当然这些频率的光波也有自然宽度。

光学谐振腔的这种作用称为选模。腔长缩短，共振频率间隔增大，选模作用明显增加。例如上述氖放电

腔中允许纵模数

管，若配置在一个 10 厘米长的谐振腔里，频率间隔为△v′=1.5×109 赫， 就只有一个输出频率。但缩短腔长会显著降低激光功率。因此，一般用其它方法去达到选模的目的。

谐振腔内每一个允许的频率值，在腔内形成一列驻波。每列驻波代表腔内光场沿纵轴的一种分布，习惯上称它为一个模式，或叫一个纵模。腔内如果只有一种光场分布，称单纵模，否则称多纵模。

阻抗（impedance ） 当电压和电流按正弦规律变化时，具有电阻、电感、电容的电路对交流电所起的阻碍和抵抗作用。它等于电路两端电压的最大值（或有效值）与输入电流的最大值（或有效值）的比值。单位为欧姆。

当最大值为 Im、角频率为ω的正弦交流电

i=Imsinωt 流经阻值为 R 的电阻时，电阻两端的电压为

uR=Ri=Rimsinwt=URmsinwt

或 R = U Rm

Im

= UR 。

I

这里 URm 为电阻两端电压的最大值；UR 为电压有效值；I 为电流有效值。可见，在正弦交流电路中电阻两端的电压与电流的频率相同，位相亦相同。它们之间的关系可用如图 1 所示的矢量图表示。

图 1

电感线圈对交流电的阻碍和抵抗作用起源于感应电动势。当正弦交流电 i=Imsinωt 流经电感线圈时，线圈中将产生与电流强度成正比的磁通量

φ=Li，比例系数即为该线圈的电感。感应电动势与磁通量的变化率

dφ

（ dt

= L di ）成正比，因此

dt

u = L di = L d (sin wt) = w I

cos wt

^L dt

Im dt L m

U Lm sin(wt + 90°)

或 w ULm

= UL 。

L

m

这里 ULm 为电感两端电压的最大值， UL 为电压有效值。可见，在正弦交流电路中，在电感上的电压与电流的频率相同，但位相不同，电压的位相超

π π

前电流 90°（或 2 ），或者说电流的位相滞后电压 90°（或 2 ）。它们

的关系可用如图 2 所示的矢量图表示，ωL 称为电感元件的感抗，常用符号 XL 表示，即

XL=ωL，

图 2

其值与交流电的频率 f 和电感值的乘积成正比，即 XL=2πfL。在电容为 C 的电容器两端加正弦交变电压

uc=Ucmsinωt，

在电容器两极板上的电荷为 Q=Cuc=CUcmsinωt。电流强度就是该极板上电荷的变化率，所以通过电容元件的电流为

i = C duc

dt

= wCU d

cm dt

(sin wt) = wCUcm

cos wt

= Im sin( wt + 90°)

或I = ωCU .

其中 Ucm 为电容器两极板上电压的最大值，Uc 为电压有效值，I 为电流有效值。电容上的电流与电压频率相同，但位相不同，电流的位相超前电压

π π

90°（ 2 或），或者说电压的位相滞后电流 90°（或 2 ），它们的关系可

用如图 3 所示的矢量图表示。 1

wt

称为电容元件的容抗，常用符号 Xc

表示，

所以

1

Xc = wC

1

= 2πfC

其值与交流电的频率 f 和电容值 C 的乘积成反比。

图 3

图 4

较复杂的电路总可以看作是由许多电阻、电感和电容元件所组成。电路中的总电压、总电流以及各分电压和分电流之间的大小关系和位相关系与电路的具体结构有关。例如对于 R、L、C 串联电路（见图 4），设电流的初位相为零，有数值为 I，则电阻 R 上的电压初相位也是零，电压有效

π

值为 UR=IR；电感 L 上的电压初位相为 2 ，电压有效值为 UL=XLI=ωLI；电

π 1

容 C 上的电压初位相为- 2 ，电压有效值为 Uc=XcI= wC 。这些关系可以通

过图 5 表示出来。总电压的初位相φ和有效值 U 可以通过这种矢量图算出， 结果为

图 5

U = = I R ² + (X

_L − Xc

) ² ，

φ = tg⁻¹ ( UL − Uc ) = tg ⁻¹( XL − Xc )。

UR R

RLC串联电路总阻抗为

U

Z = I =

R² + ( X

_L − Xc

)² 。

RLC 串联电路的总阻抗Z 与电阻R 和电抗X=XL-Xc 的关系可用阻抗三角形的关系表示。

阻尼谐振动（dampingharmonicvibration ） 物体系统在阻尼作

用下，因能量损失而使振幅逐渐减小的振动，又称减幅振动。以 x=0 表示物体的平衡位置，回复力是-kx，阻尼力是-rdx/dt，r 称为阻尼系数。在此两力作用下，物体的运动方程是

d ²x

m dt ²

• r dx

dt

• kx = 0

这里 m 是物体的质量。令 k/m=ω20，r/m=2β（ω0 是此振动系统的固有频率，β称为阻尼因数），物体的运动方程又可表示为

d² x

dt ²

• 2β dx

dt

+ w ² x = 0

根据阻力（或阻尼因数）大小的不同，此方程有三种不同类型的解。(1)欠阻尼（β2＜ω20）

x=Ae-βtcos（ωt+ϕ），

式中ω=

，A 和ϕ是由运动初条件决定的常数。在欠阻尼情形中，

位移随时间变化的关系如图 1 所示。欠阻尼情形中的阻尼谐振动的“振幅” 不断衰减。阻尼力越大（β值越大），“振幅”衰减得越快。

(2)过阻尼（β2＞ω20）

x=C1exp[-（β-

+C2exp[-（β+ (3)临界阻尼（β2=ω20）

图 1

）t]

）t]。

x=（C1+C2t）-βt，

过阻尼和临界阻尼情形中的运动实际上已不是往复运动。在初速为零时，这两种运动甚至来不及越过平衡位置就很快趋向于平衡位置。由图 2 看出，在这种情形中，临界阻尼运动（曲线 1）比过阻尼运动（曲线 2）更快地趋向平衡位置。所以，在有些希望避免来回振动，并希望尽快地趋向平衡位置的装置（例如电表的指针回零装置）中，采用临界阻尼情形。

图 2

最概然分布（mostprobabledistribution） 参见玻耳兹曼统计。最概然速率（mostprobablespeed） 参见麦克斯韦速率分布律。左手定则（left-handrule） 确定载流直导体在均匀外磁场中受力

方向的一种法则，又称“电动机定则”。

伸出左手，四指平摊，大拇指与其余四指垂直。设想让磁场线垂直地从掌心进入，并使四指沿载流导体中电流的方向，则大拇指所指方向即为该载流导体所受磁力的方向。因为载流导体所受磁力是安培力，一般情形下的受力情况应根据安培定律计算确定。

坐标- 时间图象（coordinate-timegraph ） 也称位置-时间图象或位移图象。质点沿直线运动时，以时间为横轴和以位移为纵轴，描写坐标与时间关系的曲线图。若以 s 表示直线运动中的位移，以 t 表示时间，

左手定则

并假定 t=0 时质点的位移等于零，则匀速直线运动的坐标-时间图象是通过坐标原点的一根直线，如图(a)所示。简谐振动 s=Asin（ωt+ϕ）的坐标- 时间图象是一正弦曲线，如图(b)所示。

匀速直线运动的坐标—时间图象简谐振动的坐标—时间图象

在坐标—时间图象中，曲线上某一点（t，S）处的斜率表示质点在时

刻 t 的速度。

坐标系（coordinatesystem） 在一定的参考系中为确定空间中点的位置所采用的坐标系统。按规定方法选取的一组有序实数称为该点的坐标。如果这样规定坐标的取法，使参考体上的各点有不随时间变化的坐标，

那么，给定了各点的坐标，就相当于确定了参考系本身，这时坐标系本身起到了参考系的作用。于是，物体相对于参考系的运动常常说成物体相对于这种坐标系的运动。常用的坐标系有：直角坐标系、平面极坐标系、柱面坐标系、球面坐标系、椭球坐标系、抛物坐标系等。对于空间同一点， 在不同坐标系中的坐标是不同的。

直角坐标系 又称笛卡儿直角坐标系。以两两互相垂直且过同一点的数轴作为坐标轴的坐标系。在图 1 中，由互相垂直的数轴 Ox、Oy 和 Oz 作为坐标轴所构成的坐标系，就是一个直角坐标系。如轴 Ox、Oy 和 Oz 三轴之间的关系符合右手法则，称为右手直角坐标系；如它们符合左手法则， 就称为左手直角坐标系。通常使用的是右手直角坐标系。空间中一点 P 的直角坐标（x，y，z）的规定方法是，｜x｜、｜y｜和｜z｜分别是 P 点与坐标面 Oyz、Ozx 和 Oxy 之间的距离。若 P 点位置相对于坐标面 Oyz 在 x 轴正向，则坐标 x 规定为正数；若 P 点位置相对于平面 Oyz 在 x 轴负向， 则 x 为负值。坐标 y 和 z 的正负按类似方法规定。

图 1

极坐标系 又称平面极坐标系。在平面上选一固定点 O，O 点称为极点， 从 O 点引出走向的射线 Ox，Ox 称为极轴，平面上一点 P 的极坐标（r，θ） 的规定方法是：r 是 P 点与极点 O 之间的距离，θ是从 Ox 转到 OP 的角度， 若这个角度是逆时针向的，θ取正值，否则θ取负值。r 和θ分别称为 P 点的极径和极角（图 2）。极坐标的这种规定方法称为极坐标系。同一点 P 的极坐标（r，θ）和直角坐标（x，y）之间的关系是 x=rcosθ，y=rsin θ。

图 2

柱坐标系 通过极坐标平面上的极点 O，加上与极坐标平面垂直的坐标轴 Oz 所构成的坐标系（图 3）。空间一点 P 的柱坐标（r，θ，z）的规定方法是：r 和θ就是 P 点在极坐标平面上的极坐标，z 的绝对值是 P 点与极坐标平面之间的距离，如 P 点在极坐标平面上方，z 取正值，否则 z 取负值。同一点 P 的柱坐标（r，θ，z）与直角坐标（x，y，z）之间的关系是

x=rcosθ，y=rsinθ，z=z。

球坐标系 空间一点 P 相对于直角坐标系 Oxyz 的位置也可以用球坐标

（r，θ，ϕ）表示（图 4）。其中 r 是 P 与坐标原点 O 的距离，θ是 Oz 轴与 O、P 连线的夹角大小，ϕ是由 Oz 轴与 P 点所决定的平面（OPP′平面） 与坐标面 Oxz 所夹的角。面对 Oz 轴看，若从 Oxz 平面逆时针向转过ϕ角与OPP′面重合，则角ϕ取正值；否则角ϕ取负值。在球坐标系中，O 点称为极点，r 称为极径，θ称为余纬度角，ϕ称为方位角或经度角。同一点的球坐标与直角坐标之间的关系是

x=rsinθcosϕ， y=rsinθsinϕ， z=rcosθ。

图 4

作图法（graphicalmethod）是数据处理的几何法，也是各变量在实验范围内关系的形象表示法。由曲线的特点和变化规律可建立准确的物理概念和推导出物理规律。

为了准确地揭示出变量间的关系，画出准确的实验曲线，应按如下作图要求完成曲线的绘制工作。

1. 选用毫米方格纸，或者根据图示变量间的关系，选用对数-线性坐标纸、双对数坐标纸或极坐标纸等，作为绘制曲线的坐标纸。

2. 坐标轴的分度值要取得恰当，原则上做到坐标分度和测量分度完全相同。

3. 图上应注明坐标轴的名称、单位及整数值的标度。通常选择测量精确度较高的变量为自变量，即取 x 轴，较低的为因变量，取 y 轴。

4. 图上的实验数据点可用“+⊙• ⋯”等符号表示，符号中的交叉点， 代表测量数据点的位置。数据点外面的框框或线条最好与该点的误差大小取得一致，以示数据不确定度的大小。

5. 根据测量点的分布，用直尺和曲线板描绘出平滑的实验曲线。连成的实验曲线不要求通过所有的测量点，但应通过它们的误差区。没有通过的测量点应均匀地分布在曲线的两旁。如果有可能，根据测量点的误差分布，画出一条宽度合适变化的粗细带子，更能反映出测量点间的关系。

6. 若曲线是一条直线，可用直尺绘出来，并指明直线的斜率值和截距值，最后写出直线的方程：

y=a+bx

在求斜率时，寻找的两点 P1（x1，y1）和 P2（x2，y2）应尽量分离得远些， 并在实验测量点决定的直线上。同时要注意 a 和 b 的有效数字位数，不能随意增减。

因此，作图的过程是数据处理的一个重要部分，对实验点的观察、连接、计算使实验者有可能将实验事实上升到理论上的分析和研究，最后得到物理规律。如果实验曲线不是直线，可以寻找与曲线相像的函数式，进行拟合，从而确定函数式中的某些常数。这在一般物理实验书的曲线拟合章节里都可找到详细的操作方法和步骤。如果曲线找不到合适的函数式， 可以采用多项式拟合法。在物理中许多概念和规律都用多项式表示，并根据需要选择多项式的幂。例如根据落体实验，测到落体不同时刻的位置值， 作出了如下所示的曲线。从曲线可知，当 t=0 时，即初时刻时，物体处在x0 位置，则曲线可用

x=x0+At+bt2

描述。为了验证上述数学公式是否准确，可进行如下变换，变换的目的是变换后的表示式或者是常数，或者是直线方程，因为常数和直线都有检验的方法和准则。如果能变换成直线方程，但检验出来不是一条直线， 显然变换前的公式是错误的，反之是准确的。对于落体多项式的变换，采取如下方法，即取

x − x0 =A+Bt

t

的形式，并令η= x − x0 ，ξ=t，因此η=A+Bξ。如果纵坐标取η变量，横

t

坐标取ξ变量，应该是一条截距为 A、斜率为 B 的直线。如果在η-ξ坐标里，得不到直线，说明 x=x0+At+Bt2 是不准确的，可能是x=x0+At+Bt2+Ct2⋯，反之，不仅原式准确，同时可求出 A 和 B 值，那么落

体的运动规律就可找到了。经过实际数据的运算和作图，最后确实证实了原落体运动规律是准确的。

作图法在物理研究中具有十分重要的意义。作好曲线图，分析研究曲线图，并由此得到数学表示式，将为物理理论的研究提供重要的实验依据。

作用和反作用定律（action and reaction law offorce） 参见牛顿运动定律。

IBM 个人计算机（IBM personal computer） 是当令微型计算机最主要的产品之一。IBMPC、PC/ XT 均以 Intel-8088 作为 CPU，可寻址 IMB 的存储空间。8088 具有与 16 位微处理器 Intel-8086 相同的指令系统，其内部结构与 8086 也基本相同，区别仅在于外部数据总线为 8 位，因此更便于事务处理。IBMPC、PC/XT 不仅配置先进，而且软件丰富，除操作系统外， 还有各种高级语言及应用软件，并有很多厂家不断为其推出新的应用软件。因此 IBM PC、 PC/XT 有着广泛的应用领域，在科学计算、商业金融、企业管理、文化教育、娱乐、实验室、工业控制等各个方面都发挥着巨大的作用。

IBM 公司推出的 IBM PC/AT 以 Intel-80286 为 CPU。 80286 具有 16MB 物理空间的寻址能力，可寻址 1KMB 的虚拟存储空间（具有虚拟存储器管理和存储器保护功能），具有比 8086 功能更强的指令系统和更高的运算速度。目前，以 32 位微处理器 Intel-80386 为 CPU 的微型计算机已为许多用户所使用，它不但能与小型机相媲美，而且在性能价格比、体积小、重量轻及所需维护程度等方面都具有明显的优势。现在更高性能的微处理器Intel-80486 为 CPU 的最新微机也已经大批量生产，进入实用阶段，它标志着微型计算机发展到一个新水平。

IBM PC/AT 个人计算机基本的硬件配置有系统主机板、电源、键盘、显示器和含有一个软盘驱动器的主机，另外，按用户应用的需要还可选用许多扩充部件和外部设备。现在简要介绍主要部件的功能：①系统主机板。在 PC—DOS 操作系统控制下，80286 能直接访问 640KB（RAM）的系统主存

（寻址范围为 1MB），可以将内存再扩充作为 RAM 磁盘用。在 64KB 的 ROM

（只读存储器）含有系统 BIOS、驻留解释 BASIC。需要时，ROM 区也可扩充到 128KB。主机板上有 16 级中断控制，7 个 DMA 通道， 8 个可编程定时

/计数器。实时时钟可为系统提供真实的日期和时间数据，记录系统的配置数据。在主机板上还可插入数学协处理器 80287，以组成 80 位数值数据处理器，提高运算能力。还有喇叭、键盘接口及显示器类型的选择开关。2 个 PC 兼容扩展总线槽口，6 个 AT 扩展总线槽口。②外部存储器。支持高密度软磁盘，格式化后的容量为 1.2MB，也可格式化 360KB 的软盘。高密度软磁盘驱动器可读标准 360KB 软磁盘，但写入后不能在普通 360KB 软磁盘驱动器再读出。适配器可接两个 1.2KB 或 360KB 的软盘驱动器，也可接

1

入 3 2 时软盘驱动器。支持大于 20MB 的硬磁盘驱动器，具有高速的 PIO 数

据传送。适配器可接 2 台容量大至 80MB 的硬盘驱动器。支持数据流磁带机， 容量可从 27MB 至 60MB。③外部设备。可配接 C、G、A（字符/彩色图形适配器）、MDA（单色图形/打印机接口适配器）、E、G、A（加强型彩色图形适配器），以及 640×400、640×480（PGA）、1024×1024 等高精度多色彩的图形适配器和图形显示器。串 /并行适配器可与外部的并行打印机、绘

图仪、数字化仪、终端机连接以及作一般通讯。

IBM PC/AT 机首次通电开始使用，必须运行一次开工例行程序。开工例行程序的软件在系统高级诊断软磁盘中，它能设置真正的日期和时间，并定义系统硬件的配置情况，如系统中安装了几个软盘驱动器，容量为多少， 几个硬盘驱动器，容量又为多少，是什么类型，系统的存储器容量多大， 显示方式以及协处理器是否安装等。这些信息都将存放在 CMOS RAM 中，下次开机时，系统将访问这些信息，并在显示屏上全部显示出来。

IBMPC/AT 是一种引人注目的机器，它取得成功的一个重要原因是采用了像 XENIX 这样强有力的多用户多任务操作系统。另一方面，保留了IBMPC、PC/ XT 的特点，大部份软件和硬件适配器都可以不加修改或稍加修改就投入使用，这就为用户升级提供了方便。

IEEE-488 标准总线接口（normal bus interface of IEEE-488） 美国电气与电子工程师协会于 1974 年通过的一种连接多个设备（如计算机、电压表、电源、频率发生器等）总线的标准接口。连接到总线的设备， 可完成一种或多种功能：控制其它设备的控制器；从控制器获得信息的受话器；将信息送至控制设备的送话器。它不仅可用作测量系统的接口还可用作计算机及其外围设备的接口，特别是微型计算机及其外围设备的接口。

现在大部分生产仪器和外部设备的工厂都已配上了 IEEE-488 接口，据统计，目前世界上已有几千种仪器有这种接口，国内仪器大部分还没有。在微型机中一般作为系统配置的选件，将 LEEE-488 总作成接口卡的形式以供用户选用。因此配有接口卡的机器可通过电缆，将具有这种接口的仪器和设备用 LEEE-488 总线连接起来。

IEEE-488 数据传送时序（transmission time schedule of data in IEEE-488） 假定计算机是控制器，讲者是智能仪表，听者是智能仪表和计算机，数据传送时序（如图所示）如下：①讲者智能仪表等待计算机置 NRFD 为高电平，即表示计算机准备接收数据，讲者将数据送到数据总线上。②在智能仪表将它的 8 位数据放到总线上稳定以后，智能仪表将 DAV 线从高电平跳到低电平，表示数据可使用。③计算机感知 DAV 正在降低， 假设已作好接收数据的准备，用降低 NRFD 线电平来回答。④计算机将数据贮存到内部寄存器后，将 NDAC 线由低电平变为高电平。⑤智能仪表感知NDAC 线电平已经拉高，就将 DAV 信号线拉

高以示计算机总线上的数据不再可用。⑥计算机检出 DAV 的变化之后， 降低 NDAC 为低电平，告诉数据正在离开数据总线。⑦计算机将 NRFD 再拉高电平，表示准备下一个数据。

IEEE-488 数据传送时序

IEEE-488 总 线 各 信 号 线 的 功 能 （ functions of eachsignallineinIEEE-488bus） IEEE-488 总线由 16 条信号线和 7 条地线及一条机壳接地线组成，总共 24 条。16 条信号线中，8 条为数据总线，3 条用于数据字节传送的控制总线（握手线），5 条管理线。

有 关 功 能 如 下 ： DIO1～DIO8：数据总线，为双向，用于传送数据、地址、设备命令及状

态信息。接脚序号为 1～4 和 13～16。

DAV：“讲者”控制的数据有效信号线，当讲者使这个信号变低时，表示它发到数据总线上的数据有效，总线上的所有听者可以读取。接脚序号为 6。

NRFD：“听者”控制的未准备好接收数据的信号线，当它为低时，表示至少有一个设备没有准备好接收数据，当准备好接收一个字节的数据时，该线便被浮空成高电平。接脚序号为 7。NDAC：“听者”控制的未接收完数据的信号线，当所有听者收到数据总线上的信息后，便使此信号变高，当至少有一个设备未接收完数据时，该信号为低。因此可看出，数据传输速率取决于最慢的听设备。该信号接脚序号为 8。

DAV、NDAC 和 NRFD：三条信号线又称为联络信号线，或称为握手信号线。

ATN：由控制者驱动的注意信号线，用此信号对数据总线上的 8 位信息进行解释，引起讲者和听者的注意，当 ATN 信号为高电平时，表示数据总线将传送数据信息，此时讲者和听者才能使用数据总线来发送和接收数据，当该信号为低时，即逻辑“1”，表示数据总线上的信息是接口信息（接口地址或命令），此时，只有控制者可以发送信息，听者、讲者只能接收控制者发来的信息。信号接脚为 11。

EOI：结束或识别线，此线与 ATN 信号线一起用于指示数据传送的结束，或者用来识别一个具体的设备，当数据传送结束的最后一个字节使 EOI 为逻辑“1”，而且 ATN 为逻辑“0”时，表示数据传送结束。当使用 EOI 线识别时，首先 ATN 线必须为逻辑“1”，表示数据总传送的是地址，即对讲者和听者的命令分配，EOI 也为逻辑“1”时，表示传来的是识别信号， 并与数据线将给出的事先设置的字节进行比较，可以知道是哪个设备请求服务，而不需要串行查询。该接脚序号为 5。

IFC：接口清除线，由控制者建立此线状态以控制总线上的各设备。当IFC 为低电平时，整个总线停止操作，即所有讲者停止发送，所有听者不再被访问。该信号接脚序号为 9。

SRQ：这是将通过总线连接的各设备的服务请求线用“或”逻辑连接后形成的一条服务请求线，当它为低电平时，表示有设备请求服务。该信号接脚序号为 10。

REN：远程启动线，当为低时，系统中所有设备处于远控状态，即设备受远地程控数据的控制，本地控制开关和按键均不起作用；若为高，则远程控制不起作用。该信号接脚序号为 17。

PGND：机壳接地线，接脚序号 12。

GND：7 条信号接地线，接脚序号为 18～24。IEEE-488 总线系统如下图所示。

UNIX 系统（UNIX operational system） 包括三部分：核心部分为 UNIX 操作系统；最外层是应用软件和其他系统软件；中间是 shell 命令解释程序，是用户与系统核心部分的唯一接口。

UNIX 系统功能简单实用，使用方便，结构灵活。它采用了一系列先进技术和措施，解决了一系列软件工程问题。主要特点是：①具有分级结构的可装卸文件卷文件系统。整个文件系统形成从目录表开始的树形分级结构。②文件目录表和外设作为文件统一处理。文件无记录、无类型概念， 所有文件均作为无格式的字符流序列。给用户提供了一个简单划一的接

口。③按照用户的要求，系统可动态地产生和消灭子进程，用以执行用户的命令，系统提供用户进程之间简单的通讯功能。④系统提供功能完备而使用灵活的命令程序设计语言，即 shell 语言，它又是该语言解释程序的简称。它是 UNIX 操作系统和用户间的接口。shell 作为操作系统的命令语言，使用户可以利用终端或从命令文件调用操作系统所提供的功能。⑤UNIX 提供十几种程序设计语言和其它大量的子系统，如 C、FORTRAN77、BASIC、PASCAL、汇编程序、正文编辑程序、连接装配程序、符号查错程序、照相排字程序和公式排版程序等。⑥ UNIX 系统的内核及大部分软件都是用 C 语言编写的。C 语言虽不太高级，但使用方便，程序紧凑，效率高，大大方便了 UNIX 系统的阅读、修改并提供了高度的可移植性。

UNIX 系统运行以来由于它的各种特点，应用越来越广泛，现已移植到许多大、中、小、微型机上，成为国际上公认的相当成功的操作系统。

3K 微波辐射背景（3K microwave radiation background） 根据标准热宇宙模型，来自宇宙早期温度非常高的辐射（以光子形式）今天仍应该在各处存在。残留的辐射是各向同性的，与其频谱相对应的温度已降低到只高出绝对温度几度。这个理论预言是由著名的科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉尔夫·阿尔弗在 1948 年提出的。但是，直到 1965 年，这个预言才被两位美国微波天线工程师的发现所证实。为此，这两位工程师， 彭齐斯和威尔逊在 1978 年获得了诺贝尔物理学奖。

在 1964 年之前，伽莫夫等的预言并不为人们注意，因为他们根本没有想到，宇宙的背景辐射是可以测量的。1964 年春，彭齐斯和威尔逊正在为贝尔电话实验室从事改进卫星通讯的研究工作。他们利用架设在新泽西州一座小山上的天线，测量来自高银纬度（即银河系盘面以外区域）的射电波强度。按照当时的技术，这种测量是相当艰难的，因为来自银河系或者其他区域的射电波强度极其微弱，常常被天线结构本身和放大器电路中因电子随机运动所产生的热噪声以及由于通过地球大气层所引起的噪声所掩盖。为此他们作了种种努力，采用低温设备，改进天线结构，剔除了本机噪声，同时，为了消除大气层噪声影响，他们设计了一个方案，即选择在银河系的噪声可小到忽略不计的射电波段（波长为 7.35 厘米），利用它先测出大气层的噪声值，然后再在其后的测量所得数据的处理中将它去除。显然，来自大气层的噪声与天线所指向的大气层厚度有关，即天线指向顶空时较小，而指向地平线时较大。可以预料，在扣除这种带有明显方向性的来自大气层的噪声之后，天线中就收不到这个波长段的射电讯号了。但出乎意料之外，在这波长上，他们收到了相当明显的与方向无关的噪声， 由于这波长属于微波波段，故称之为“微波噪声”（或“微波辐射”）。更有意义的是进一步的观察发现，这种微波噪声既不随昼夜变化，又不随季节变化，非常稳定，以致他们无论怎样改进测试装置和天线结构，都不能去除这种令人“头痛”的“额外噪声”。

这个无时不在的“额外噪声”究意来自何方呢？不久人们就揭示了它的奥秘。由于我们地球所处的太阳系并不在银河系中心，而银河系也不是完全对称的球形结构，因此可断言，这个不随方向和时间而变化的“额外噪声”不是来自任何局部区域，而是来自广袤的宇宙太空。

根据普朗克黑体辐射公式，频率为 v 的辐射能量密度ρv 与辐射频率（或波长λ=c/v）、辐射温度 T 有如下关系：

ρv dv =

8πhv³ hv

dv。

c³ (e kT − 1)

若将一定频率的辐射强度换算成相应的能量密度ρv，然后利用上式，可算出相应的辐射温度 T，该温度被射电工程师们称之为“天线温度”，以此来表示天线所接收到的噪声强度。彭齐斯和威尔逊所接受到“额外噪声” 的辐射温度为 3.5K，由于它比绝对零度大不了多少，因此，这两位工程师还在犹豫，究竟是否要发表他们的结果，他们根本没有意识到这竟是 30 多年来宇宙学中最惊人的发现！

差不多在同时，理论物理学家也在研究宇宙中的辐射问题，一位普林斯顿大学的年轻学者皮伯斯指出：宇宙的早期充满了辐射，在现今的宇宙太空中应当存在由这种强度极大的辐射所演化而来的“活化石”——辐射噪声。根据他的估算，该辐射温度应在 10K 或 10K 以上。当皮伯斯知道了彭齐斯和威尔逊的观测后，又重新进行了计算，结果发现这种剩余的宇宙辐射温度应在 3K 左右。在相互联系之后，彭齐斯、威尔逊和皮伯斯决定各自在同一期《天体物理》杂志上发表他们的文章。彭齐斯、威尔逊在仅一页的文章前，用了一个非常谨慎的标题《4080 兆赫上额外天线温度的测量》（4080 兆赫对应 0.0735m 波长），并在附言上指出，在本期同时发表的皮伯斯等人的文章是对这额外噪声温度的一个可能解释。暗示了这个额外的噪声温度就是宇宙的 3K 微波辐射背景。由于彭齐斯、威尔逊仅在 7.35 厘米这一波段上测量了宇宙的辐射背景强度，所以需要进一步澄清的是， 在其他波长上宇宙的辐射背景的能量密度是否也是温度为 3K 的普朗克黑体辐射分布。通过大量的实验，人们测量了波长从 7.35 厘米到 0.33 厘米宇宙背景辐射电磁波的强度，所得出的结果均表明该辐射是在 2.7K～3K 温度的普朗克分布。然而由普朗克黑体辐射公式可知，对于一定温度的辐射能量密度ρv 随频率 v 的变化有一个极大值。在温度为 3K 时，ρv 的极值所对应的波长应在 0.1 厘米附近。从上述大量实验所测量的波长来看，测量的范围绝大多数是在这一极值的一侧，如果要完全证实宇宙辐射背景确实是满足温度为 3K 的普朗克分布的话，就必须对另一侧波长段进行测量。但困难的是当波长小于 0.3 厘米时，辐射波就难以透过大气层。1974 年人们通过间接方法对波长为 0.132 厘米的辐射进行了测量，结果表明其对应的温度也在 3K 左右。不久前，美国又利用航天飞机测定了小于 0.1 厘米波段的宇宙辐射背景的温度，其结果也是肯定的。现在我们可以认定，宇宙中确实存在着辐射背景。

根据已测定的现今宇宙中的辐射温度，代入到普朗克黑体辐射公式，

并对频率 v 从零到无穷大积分，就可得出宇宙中单位体积内包含各种频率的光子辐射的能量 u；另外再由爱因斯坦光量子理论，频率为 v 的光子的能量为 Ev=hv，而单位体积内频率为 v 的辐射能量密度已由普朗克分布的公式给出。因此宇宙中单位体积内，频率为 v 的光子数应是 nv=ρv/Ev。如果再将此式对频率 v 从零到无穷大积分，就不难得出温度为 T 时宇宙中单位体积内的光子数为 N=2.028T3 ×107 个光子/m3，将现今宇宙辐射温度T=3K 代入，便可推算出现今宇宙光子数密度是 Nγ～5.5×108 个光子/ m3。而现今宇宙中单位体积内的核子数，可从宇宙物质发出的光谱等分析方法

得出，其值 Nn～3×10-1 个核子/m3。于是有

Nγ ～10⁹

Nn

即现今宇宙中存在的光子数是核子数的十亿倍，这是宇宙学中最重要的数据之一。由热宇宙标准模型可知，从光子退耦时起，宇宙中光子数与核子数的比值就不再改变了，所以，上述的比值一直追溯到光子退耦时仍然是正确的。

另一方面，按照热宇宙模型理论，随着宇宙的不断膨胀，宇宙的温度也在下降。当宇宙的温度下降到使每个光子的平均能量低于原子的结合能时，此时的光子已不再能电离原子了，光子也就成了自由光子，它与宇宙物质退耦了。若将原子的结合能除以玻尔兹曼常数 k，则可算出宇宙中光子的退耦温度为 103K。当宇宙温度降至 10qK 时，正是宇宙的演化从辐射为主时期转变为物质为主时期，此时宇宙中单位体积内的辐射能 u 应等于物质能。辐射能 u 与温度 T 的四次方（T4）成正比；物质能可近似地认为是宇宙中单位体积内的核子数 Nn 乘上核子的静能 mnc2（忽略其它轻粒子的静能），根据上述关系就可求出此时的温度，其结果竟仍是 103K！与大爆炸学说，即标准热宇宙模型绘出的结果惊人地一致。

以上这些结果公布后，犹如给沉寂了多年的大爆炸理论注射了一针兴奋剂，并使人们开始对这 20 多年前提出的，多少显得有些不可思议的大爆炸学说在认识上产生了一次飞跃。

根据最新测定结果，宇宙背景辐射温度是 2.7K。