D

DMA 接口（DMA interface） 即直接存贮器存取数据，是指 I/O 设备与存储器之间直接交换数据，不需要 CPU 介入的传送方式。由于 DMA 传送时数据流不需经 CPU 的累加器，所以也不需 CPU 软件控制，但需要有一个专用硬件——DMA 接口片用以控制数据交换，从而加速了数据传送的操作速度。DMA 接口要能控制进行数据交换，必须能发出地址信号，修改地址指针，控制传送的字节数，判断 DMA 是否结束以及发出 DMA 结束信号。因此 DMA 接口片必须有以下功能：能向 CPU 发出总线请求信号；当 CPU 发出响应信号后，接管对总线的控制，进入 DMA 方式；发出地址信息，能对存储器寻址及能修改地址指针；能发出读、写等控制信号；能决定传送的字节数，及判断 DMA 传送是否结束；发出 DMA 结束信号，交回总线使用权。常用的芯片有 8237DMA 控制器。

DMA 控制器（DMA controller） 它的逻辑功能是在外部设备与内存间直接数据交换过程中起控制作用。一般 DMA 控制器应有如下的硬件和功能：①地址寄存器：存放所存取的存储字的地址。操作开始时，指出要存取的存储字的首地址。在每个 DMA 传送周期内，每传送一个数据，其内容加 1 或减 1，指定下一次要传送数据的地址。②字计数寄存器：用于对要传送的存储字数目计数。操作开始时，应填入所要传送的存储字的总数。每传送一个字，内容减 1，当它等于零时，可作为传送结束的标志。③状态寄存器或控制寄存器：可指定一寄存器或若干位，用以识别数据流的方向，提示是否有 DMA 请求，DMA 逻辑是否有效，DMA 传送方式的选择以及DMA 结束标志等。

一个 DMA 控制器往往是多通道的结构，以控制多台外设的 DMA 操作， 此外 DMA 控制器能控制多台外设的 DMA 优先问题。

DMA 控制器已有专用半导体芯片，如 MC6844 及 8257 都具有优先逻辑； 可编程的 4 通道 DMA 控制器有 Z8410，以上都是 8 位数片。MC68450（4 通道）、Z8016、NS16203 和 TMS9911 等都是 16 位数芯片。

达·芬奇（Leonardo da Vinci 1452～1519） 意大利著名艺术家、科学家、发明家。生于托斯卡纳的芬奇镇。少年时已显露艺术天赋，15 岁左右到佛罗伦萨拜师学艺，成长为多才多艺、学识广博的艺术家、科学家和发明家。1482 年后，应聘在米兰、罗马、巴黎等宫廷中任职。

达·芬奇是意大利文艺复兴时期文艺、科学史上杰出的代表人物。在艺术方面，他与米开朗琪罗、拉斐尔并称文艺复兴三杰，尤以《最后的晚餐》和《蒙娜·丽莎》等画驰名。在科学方面，他的研究涉及数学、力学、物理学、解剖学和生理学等诸多领域。认为实验是认识真理的重要途径， 提倡在科学研究中要反复观察和实验，从而对近代科学的诞生和发展，起了促进作用。曾用虚速度原理解释静力学的基本问题，描述过合力的平行四边形法则，确定了不同物体的重心、特别是半圆和四面体的重心，研究了水平抛体的下落、将重物沿斜面的运动分解为两个分量，理解了作用等于反作用、且方向相反。结合绘画研究过光影、明暗、色彩和各种透视现象，研究了介质对物体颜色的影响，设想光的传播如同投石击水引起的水波一样，作过针孔实验，并以光线的直进加以阐明。在工程领域，他有不少发现、发明和独特见解，设计了各种飞行器、连续纺纱机、高效起重机、

辗压机、挖土机等。

达朗贝尔（Jean le Rond D'Alembert1717～1783） 法国数学家、物理学家、启蒙思想家。生于巴黎。自幼聪明好学，爱好广泛。早年研究法律，当过律师。后来从事医学和自然科学的研究。1739～1740 年，他向巴黎科学院提交关于固体在液体中的运动和积分学的两篇论文，因而被选为该院的院士。1744～1747 年，他发表关于风的一般成因的推论的论文， 因而获得柏林科学院的奖金，并被选为该院的院士。

在物理学上的贡献主要在力学方面。1743 年，在其名著《动力学的论文》中，提出动力学的基本规律，即在物体运动的任一瞬时，作用于物体上的外力和惯性力互相平衡，也就是把牛顿运动定律加以变换，使它可以作为静力学问题来处理。达朗贝尔还指出，作用在一力学体系中每一个质点上的主动力、约束反作用力和惯性力，形成一个平衡力系。上述原理被称为达朗贝尔原理。把达朗贝尔原理和虚功原理结合起来，就会得到达朗贝尔-拉格朗日方程，这是研究经典力学问题的最基本方程，拉格朗日也为此作出了贡献，故以二人名字命名。还与欧拉、丹·伯努利共同奠定了数学物理学的基础，得出表示弦横向振动的二阶偏微分方程的解法。在解流体力学中的一个椭圆型偏微分方程时，首次运用了复变函数。

达朗贝尔曾任《科学艺术和手工业百科全书》（简称《百科全书》） 的副主编。在该书中主张按弗兰西斯·培根的原则，将人类知识分为历史、哲学（科学）、美术三大类。十分注重技术与科学的关系，认为《百科全书》不仅是为了提供知识，主要是改变读者的思想。

达朗贝尔判决（d'Alembertcriterion） 法国物理学家达朗贝尔对运动量度的争论进行了评述，目的是想平息这场论战，历史上把此称为“达朗贝尔判决”。1743 年达朗贝尔在他的《动力学论》一书的序言里，首先指出发生争论的原因，是由于双方对运动物体遇到障碍时所表现出来的效果，没有一个共同的标准。其次，他认为当物体平衡时，力可以用质量与物体虚速度的乘积来量度；当物体作减速运动时，力可以用质量与物体速度平方的乘积来量度。即力既可表示为单位时间内运动的改变，又可表示为单位距离内运动的改变。这样就给出了量度运动物体效果的一个很好的标准，并且也是一种有效的测量手段。第三，“判决”这两种量度是等价的，是可以互相推导出来的。同时还模糊地谈到了动量的变化和力的作用时间有关，活力的变化则与物体运动的距离有关，这是达朗贝尔的贡献。当然，达朗贝尔的“判决”并没有完全平息这场争论。运动量度的争

论，直到能量概念及能量守恒与转化定律提出后，才作出明确的评价。正如恩格斯在《自然辩证法》一书中指出：“机械运动确实有两种量度，但是也发现，每一种量度适用于某个界限十分确定的范围之内的一系列现

mv²

象。 一句话，mv是在机械运动中量度的机械运动； 2 是在机械运动

转化为一定量的其他形式的能力方面来量度的机械运动。”这场争论对力学的发展起了积极作用，因为由于争论促进了力学思想的活跃，不仅弄清了动量和能量这两个物理量之间的区别与联系，而且也促进了三大守恒定律的形成。

大气（atmosphere） 围绕天体的气体总体。它的性质取决于天体的大小、质量、温度、旋转速度及其组分。地球大气是围绕地球的气圈，由

多种气体混合而成，并包含一些水汽及悬浮粒子。在环境科学中，大气就是指地球大气。

大气是经过许多化学过程和光化学过程发展起来的。大气近地表面的化学成分几乎是不变的，它是以氮、氧为主的混合气体。随着高度的增加， 较轻的元素占优势。在 100 公里以上，由于太阳的紫外辐射，氧、二氧化

碳及水汽等均被分解。在 300 公里左右，原子氧是大气中最主要的成分，

800 公里左右处氦和氢处于优势。在 800 公里以上的高度，大气质点之间的碰撞变得很少很少，以致一些向外飞的质点可以逃逸大气。

大气组分

水汽是一个十分多变的成分。其质量混合比即每克干空气含水汽的成分，在对流层的下部为 10-3 至 10-2 克，在平流层中为 2×10-6 克，在平流层中的 30～35 公里高度上，臭氧浓度变得最大，约为 10-5 克，这是由于氧分子被波长短于 240 纳米的太阳辐射分解后经分子-原子碰撞而形成的。

根据温度垂直分布的特征，可将大气划分成许多层。①对流层。大气最低的一层，其“顶”高随纬度而不同，在两极附近高约 10 公里，热带地

区高约 16 公里。对流层中的平均温度从地面到对流层顶随高度而降低，在低纬度处自 300K 到 180K，高纬度处从 260K 到 230K。对流层是人们生活所在的一层，也是影响环境的重要天气现象的一层。对流平衡是该层的主要热力结构，即太阳辐射引起地面加热，再由于湍流混合与对流引起热量向上输送，大气的运动也将热量从加热较强的赤道地区向极地方向输送。② 平流层。从对流层顶向上延伸到约 55 公里的高度，也称同温层。在约 30 公里以下的平流层下部于中纬度处温度基本保持不变，于高、低纬度处温度随高度缓慢变化。平流层的上部温度一般随高度的增加而增加，极地温度在夏季和冬季分别可增加至 290K 和 250K。平流层的热力结构主要决定于臭氧、二氧化碳和水汽这些少量成分的辐射平衡。③中间层。从 55 公里

到 80 公里左右。温度随高度的增加而降低，在中间层顶出现温度极小值， 夏季该值约为 150K，冬季约 220K，这是由于在该高度直接吸收的太阳紫外辐射较少的缘故。实际上在 60 公里以上已是电离层的底部，在这层中每立方厘米有 10～103 个电子。④热成层。由中间层顶再向外延伸至大气边缘。它的能量来源是通过直接吸收 200 纳米以下的太阳辐射而得。温度随着高度的增加而增加，在 500 公里处增加至 1500K 左右，然后温度基本上不再随高度变化。这个区域处于太阳的直接控制之下，高层大气的密度也有日变化和太阳活动 11 年的周期变化、相应于太阳旋转周期的 27 天变化、年变化和半年变化以及强磁暴时的强变化，其中的物理现象较为复杂。随着

高度的增加，电离作用愈来愈强，电子浓度的峰值出现在约 300 公里的高度上，白天约为 106 个电子/厘米 3，晚间为 106 个电子/厘米 3。

地面上的大气压力平均约为 1013 毫巴，大气密度约为 1.2 公斤/米 3。大气压力和密度都随着高度的增加而迅速降低。与高度大致成指数关系。地球大气由于它的组分和对温度的调节作用以及对有害辐射的防御作用， 使得地球上有生命存在。

大气窗口（atmosphericwindow） 电磁波辐射在大气中传播时衰减较少的一些波段。由于大气对电磁辐射的选择性吸收等原因所致。与电磁辐射的波段分类相对应，大气窗口可分为：可见光窗口、红外窗口和微波窗口（见图）。

■大气窗口图

在波长为 0.3～0.7 微米的可见光波段，由于大气分子和气溶胶对电磁辐射的散射作用而使它在大气中传播时有不同程度的衰减，衰减特别小的波段就是可见光窗口，例如氩离子激光器发射的 0.4880 微米、氦氖激光器

的 0.6328 微米以及红宝石激光器的 0.6943 微米等。在红外波段，大气对电磁辐射的吸收衰减主要是由水汽、二氧化碳和臭氧造成的，其中以水汽为最重要。它的吸收带位于 1.1、1.4、1.9、2.7、6.3 微米附近以及 13 微米以上。二氧化碳的吸收带中心位于 2.7、4.3 和 14.7 微米附近。臭氧的吸收带中心位于 4.1、4.7 和 9.6 微米附近。这些吸收带之间的波长空隙就是红外窗口，最大的红外窗口是 8～13 微米，这是一个较宽的波段，只是在 9.6 微米处有一臭氧的强吸收带。在红外窗口常用的激光波长为 1.06

微米和 10.6 微米。波长为 1 毫米到 1 米的微波辐射在大气中的衰减是由于氧分子及水汽的吸收所致。氧分子在微波段的两个吸收带是 4～6 毫米和

2.53 毫米，水汽分子的两个吸收带是 1.35 厘米和 1.64 毫米。在这四个吸收带之间的一些弱吸收波段是微波窗口。通常使用的窗口有 3 厘米、1.55 厘米、8 毫米、3.3 毫米和 1.4 毫米。后两个窗口大气干扰较大，但有较高的分辨能力。

大气窗口对大气辐射和遥感遥测具有特别重要的意义，因为可见窗口和红外窗口恰好与地表物体的反射辐射波段、发射辐射波段分别相对应， 这使得工作波段选择在大气窗口的传感器能接收到目标物的特征电磁信息。如利用红外窗口进行热成像遥感、拍摄卫星云图等。气象雷达和通讯卫星使用的波长也都是选择在微波窗口或更长的射电波段。

大气电学（atmospheric electricity） 研究大气中发生的各种电现象的一门学科。地球的周围被大气圈所包围，按电学性质来划分，大气圈可分为电离层和非电离层。60 公里以下大气各成分基本上处于中性状态，为非电离层，60～1000 公里的高度，在太阳紫外辐射的作用下，大气成分开始电离，产生大量的正、负离子和自由电子，形成电离层。电离层对无线电波传播有很重要的作用，它能使投射来的无线电波经电离层反射而到达数千公里或更远的距离。电离层对不同频率的无线电波反射的效果不同。

电离层一般还可分为 D、E、F1 和 F2 四层。D 层在 60～90 公里，仅在白天存在，夜晚消失，无线电波通过 D 层被吸收减弱，很少能反射，该层的电子浓度较低，约 103 个/厘米 3。E 层在 110 公里附近，比较稳定，电子浓度在 104～105 个/厘米 3。F1 层在 160 公里附近，F2 层在 300 公里附近，

F1 与 F2 层共同组成 F 层，白天分开，夜间合为一层，F2 层的电子浓度最高，白天达 106 个/厘米 3。电子浓度与无线电波临界频率 fc 的关系为：

N = 1.24×10⁻⁸ f ² ，

其中 N 为电子浓度。若 F2 层也不能反射无线电波，则该无线电波将穿过整个电离层。

大气电学表明，100 公里高度附近的电离层是一个良导体。非电离层

中由于存在三种离化源：即：大气中的放射性物质、地壳中的放射性物质和来自太空的宇宙线，它们能使大气分子和原子电离而成离子，因此大气中通常存在一个垂直向下的电场——大气电场。一般大气电场只有垂直分量，而没有水平分量。晴天大气电场在地面附近最大，平均为 120 伏/米， 在工业区由于污染等原因，地面场强可达 300～400 伏/米。晴天大气电场值随高度增加而很快递减，在 10 公里高度上，电场值降到地面值的 3%左右。大气中带正、负电荷的离子在电场力作用下，正离子向下运动，负离子向上运动，形成了一股源源不断的由大气流向地球的传导电流——晴天大气电流。大气电学表明，如以全球而言，流向整个地表的传导电流约达到1800 安培。由于有电流，因此大气具有某一电导率，其值大约为2×10-16/ 欧姆·厘米。通常把大气电尝电流密度和电导率三者称为大气电要素。当雷暴过境时，大气中的电场方向会反转，即大气相对于地球为负电位。当闪电发生时，地面由于尖端放电而向上输送正电荷。一个完整的闪电由梯式先导、直窜先导、回击等过程组成，闪电的平均持续时间约 0.25 秒，包

含数次闪击的一次闪电将往地面输送约 20 库仑负电荷。大气电学当前研究的重点是闪电频数和闪电分布及全球电量平衡问题、闪电定位技术以及特殊闪电研究等。

大气光学（atmospheric optics） 研究大气中发生的各种光现象的一门学科。自从利用光作为通讯和探测目标物的手段以来，大气对光的散射和衰减作用受到人们广泛的重视。60 年代出现的激光技术，并以此为基础发展起来的通讯、探测和武器系统等都需要考虑大气对它们的影响。大气的物理状况在各种天气条件下是不断变化的，它们对光传播的影响会使光学系统的效能、适应性降低，有时甚至使系统目的无法达到。大气光学就是研究各种天气条件下大气对光传播的影响，如对光的散射、吸收、衰减和消光等效应，从而为解决光学系统问题提供物理依据和计算方法，并被用来探测大气中特定的污染物，使激光雷达成为监测污染的手段之一。近年来在大气光学研究中形成的一些理论，如非球形和均匀粒子的散射理论、三维辐射传输理论及波在介质中传播的多次散射理论等，可近似地解释许多大气光学现象。根据米氏散射理论研制的激光雷达，已较广泛地用于边界层气溶胶、能见度及云的定量和半定量探测。我国在研究大气的吸收和散射原理、大气光学特性及光像的观测和理论、电磁波在湍流大气中的传播、激光大气遥感和微波大气遥感等方面作了大量工作，取得了显著的成果。在今后的大气光学研究中，关于气溶胶和云对辐射的影响以及激光束在大气中传输的理论等问题，将会取得进一步的发展。

大气含水量分布（distribution ofwatervaporin atmosphere） 对流层和平流层中水汽的垂直分布。水汽是地球大气的一种主要的有明显变化的成分，其变化与凝结、降水过程有关。水汽的浓度易变，尽管它的总

质量很大，但它的滞留时间很短，一般只有 10 天左右。对每一温度，空气中都有一个水汽的凝结上限，由水汽饱和的分压力确定。在对流层的较低暖气层中，大气含有高深度的水汽。在高冷区域，水汽敏锐地受饱和值的限制。未饱和空气中的水汽含量可用水汽压或摩尔分数 Nv 表示，摩尔分数由下式给出：

N = 水汽摩尔数 ≌ 水汽摩尔数 。

^v 总摩尔数 干空气摩尔数

大气能见度（atmospheric visibility） 具有正常视力的人在大气背景中能识别出具有一定大小目标物的距离。根据观测者与目标物的具体位置，能见度可分为水平能见度、斜视能见度和铅直能见度三种。大气能见度是常用的大气光学性质，它对交通航行、高空摄影、天文观测及军事行动等都有直接的影响。大气能见度可被划分为 10 个等级。

能见度等级划分

在夜间由于物体和背景的亮度大大减小以及人眼对亮度、色彩的响应较为迟钝，所以白昼与夜间的能见度分别用不同的公式加以计算。

大气声学（atmosphericacoustics） 研究声音在实际大气中的发生、传播，运用声学手段探测大气的一门学科。早期的大气声学仅研究可听声在低声大气中传播的问题，直到 19 世纪后半叶，大气声学的研究才得到较快发展。斯托克斯、雷诺、丁铎尔等人分别研究了风、风梯度、温度梯度对声音的折射效应以及大气起伏对声音的散射效应。瑞利在 1877 年出版的巨著《声学原理》中，对包括上述工作在内的声学研究成果在理论上给以全面的总结和提高。本世纪初，随着同温层的发现，人们注意到声音的“反常”传播现象，即强大声源所发出的声音可以在较远的距离听到， 而在较近的距离反而听不到。图示为在一次爆炸后测出的声音传播图。图上阴影区表示听到爆炸声的地区，称可闻带，而空白区表示听不到爆炸声的地区，称为沉默带。由图中看出，可闻带和沉默带相间分布，并且基本上以爆炸源为中心而对称分布。研究表明，这种反常现象是由于声波在大气中折射所产生的。大气基本上可看作水平方向性质均一，而在垂直方向分成若干薄层媒质，每个薄层内温度、密度等性质基本相同。如果大气中两个相邻的气层温度不一样，则声波在它们的界面上发生折射。如果各层之间的气温分布随高度增加而递减，那么

■一次性爆炸产生的声音反常传播图

声波传播方向向上偏折。相反，如温度随高度增加而增加，即所谓逆温层现象，则声波向下偏折。反常带的产生就是当强声源发出的声波向上传播时，遇到高空的逆温层，而使声音传播方向折向远方的地面，从而形成反常可闻带。其间的沉默带是由于地面直接声波以及折射声波不能到达

而形成的。如果声源足够强，反常可闻带的声波经地面反射后还可形成第二、第三反常可闻带。反过来，利用这一原理，可以通过大规模的爆炸， 并根据爆炸声波反常传播的观测而间接深测平流层以下温度层结构的状况。如根据这一反常传播现象首先推断出平流层中存在着逆温层。声波由于在地面和 50 公里高度上逆温层之间的轮流反射而传播很远，又形成所谓“大气波导”。在某种具体剖面上计算出声波传播路径或简正波声场便成为大气声学中的基本课题之一。

大气声学还广泛应用于低层大气中气象扰动的研究。60 年代末，在原有“声雷达”基础上经过改进的“回声探测器”，对大气物理的研究起了很大推动作用，同时也促进了大气声学许多方面的进展，如声传播过程中相位和振幅起伏的研究，用次声“透射”大尺度的大气过程等。当前国际大气声学的研究重点是与声遥感有关的声波在湍流大气中的传播规律和涉及城市环境污染治理的噪声在大气中的传输问题。

大气探测学（atmosphericsounding） 研究大气探测原理和方法的一门学科。大气探测就是利用各种探测手段对大气现象进行系统的观察和测量。大气探测是大气科学的基础，一般可分为：地面气象观测、高空气象观测、大气遥感、气象卫星探测以及特殊观测等。

人们很早就开始了对天气现象和气候的观察，15 世纪以前就有了关于雨量测定的记载。自 17 世纪发明了气压计后，开创了仪器观测大气的历

史。从 1643 年到 20 世纪初的二百多年时间里，是地面气象观测发展并趋

于成熟的阶段。到本世纪 20 年代末，随着无线电技术的发展，法国、原苏联、德国、芬兰等国都开始研制无线电探空仪，发展高空探测技术，大气探测进入发展阶段。40 年代中期，气象火箭的探测进一步把探测高度从20～30 公里提高到 100 公里。从 40 年代到 60 年代，随着第一颗气象卫星的发射，发展了大气遥感技术，从根本上扩大了探测范围，提高了对大气过程探测的连续性，一颗极轨气象卫星每隔 12 小时就给出一次全球气象观

测资料。近 20 年来，以地面为基础的站网探测和气象卫星探测已组合成探测系统，实现了直接观测和遥测技术的结合。随着现代科学技术的发展， 红外、微波、声波、自动化、计算机、卫星技术等广泛地被采用，大大丰富了大气探测的内容，形成了一个以多学科为基础的独立学科，并以崭新的面貌出现在科学的前沿。

大气探测主要有直接探测和遥感探测二种。直接探测是通过各种感应元件直接测量大气要素，其原理是根据元件的物理、化学性质受大气作用而产生反应的特性。如氯化锂湿敏电阻测湿就是利用氯化锂在大气中因吸湿而使元件电阻率改变的特性来进行测量的。遥感探测是根据大气中光、电、声等信号的传播特性，反演出大气要素的时空分布。如微波遥感测湿就是根据大气中的水汽在 1.35cm 波长处有强辐射的特点来进行的。此外也可人为地在大气中施放某些示踪物质，以分析它的传播和演变规律，由此推测大气的状况。近年来，已对大气中某些物理和化学过程进行实验室模拟，如建立大型云室，以考察云内的物理规律；建立大型风洞，模拟大气边界层的状况，探索动力学规律等。

大气污染（air pollution） 大气中的污染物超过一定浓度后对人类生活及生物造成的有害影响。大气污染最早始于人类用煤作燃料。随着煤的消耗量急剧增多，工业区和城市大气受到了烟尘和二氧化硫的严重污

染。二次大战后，石油成为主要燃料，二氧化硫污染发展迅速，由此曾造成数起重大污染事件：1930 年 12 月比利时马斯河谷重工业区的烟雾事件， 致使 63 人死亡。1948 年 10 月美国宾夕法尼亚州的多诺拉镇烟雾事件。1952

年 12 月 5 日～9 日的伦敦烟雾事件，在该事件中，死亡人数达数千。现代交通工具汽车急剧增加，它所排出的氮氧化物和碳氢化合物废气，在阳光的曝晒下会生成有刺激性的光化学烟雾，如 1943 年美国洛杉矶发生的浅蓝色烟雾事件。

大气中的污染物主要来自：①矿物燃料燃烧，它释放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物及烟尘；②工业生产过程中生成的污染物—

—氟化物和各种金属及其化合物等有害气体及粉尘；③大气层核试验所带来的放射性降落物；④农业上施用的农药也会飞散入大气；⑤从海洋来的一些盐粒、活火山的微尘与气体；⑥大气中的烟尘和粉尘，一般是金属、硫酸盐、有机化合物和放射性物质，它们也会吸附一些有害的气体。这些污染粒子的半径为 1 微米到几百微米。半径小于 10 微米的在大气中长期漂

移，称为漂尘，危害较大。半径小于 10 微米的，由于重力作用而很快沉降， 称为降尘，危害较小。

大气中有害物质的浓度越高，污染越严重，危害也越大。有害物质的浓度除了取决于该物质的总排放量以外，还与排放源的高度、局部地区的气象、地形有关。污染物一旦进入大气，就会扩散稀释。风越大，扩散越快，反之，扩散越慢。特别是在出现逆温层时，即冷空气在下面，热空气上升的情况下，污染物往往可积聚到很高的浓度，造成局部地区的大气污染，比利时马斯河谷重工业区的烟雾事件就是一例。地形或地面状况复杂的地区，如山谷和盆地，会形成局部的山谷风、海陆风、热岛效应等热力环流，烟气不易扩散，且容易回旋，致使污染浓度增高，形成严重污染。降水可对大气起净化作用，但由于污染物随雨雪降落，使大气污染转化为水污染和土壤污染。高烟囱排放可使污染物扩散，它虽然降低了污染物的近地面浓度，但扩大了污染区域，并使一氧化氮、二氧化硫等物质在大气中滞留的时间更长。

大气污染对人体健康有多种有害影响，主要是对呼吸道系统的刺激， 严重的可造成窒息而死亡。对农林业的损害表现为作物枯黄，产量降低， 品质变劣。有害气体的氧化可转化为酸及腐蚀生的粒子物质，这些物质的干、湿沉淀物将腐蚀金属及建筑材料。总之，大气污染会严重扰乱生态平衡。

大气物理学（atmospheric physics） 研究发生在大气中的各种物理现象和物理过程的一门学科。它研究大气的化学组成与物理结构；水的相变与云雾降水的形成；各种尺度的大气运动；辐射能的吸收、放射、传输及其转换过程以及大气中各种各样的声、光、电现象等。采用最新技术来探测地球大气的状态参数和利用现代数理方法来描述大气物理过程的内在规律性，是当今大气物理学的显著特点。

大气物理学的范围很广，涉及从气溶胶微粒到行星尺度的大气环流； 从贴地层到整个大气上界，亦包括其他行星大气在内；从大气探测方法到人工影响天气气候等。它不仅要探求地球大气本身的运动规律，而且还要研究大气圈与水圈、生物圈、岩石圈和冰雪圈之间的相互联系和相互作用。近 20 多年来，人们更加关注对大气科学的研究，其主要原因是：①人类与

日俱增的工业生产活动使污染和人们有意无意中改变环境的可能性成为十分突出的中心问题。②面对人口的迅速增长，世界粮食资源问题使人们意识意到气候变动的严重影响，特别是对发展中国家的影响。③人造卫星的出出和电子计算机的发展给大气研究提供了有更力的工具，使人们有可能把大气作为一个整体来加以研究。近年来，全球大气研究集中于一个大规模的国际研究计划——全球大气研究计划。该计划由大气科学家和各国气象局共同组织，其目的是研究关于整个大气的环流和运动特性的一些基本问题以及气候变迁的机制。

随着现代科学技术的迅速发展，电子计算机、气象卫星、红外、激光、微波、声波等新技术以及各种新型雷达的相继诞生并引入大气研究领域， 使大气物理学有了新的进展。大气探测新技术的广泛应用不仅可搜集过去难以获得的观测资料，而且创新了一系列研究方法，使人们对大气现象的物理本质有更深刻的了解，拓宽了大气物理学的研究领域并逐步发展成三个基本的分支：①研究大气的化学组成、物理结构以及大气运动和运动系统，从而更深入地了解它们的物理本质及其演变规律，以提高天气和气候预报的准确率。②研究和探讨大气中发生的各种动力和物理过程，如辐射能的传输与转换，云雾与降水，大气湍流与污染，大气声、光、电等，探索人类活动对大气状态的可能影响和人工影响天气、气候的方法。③为上述目的以及国防和国民经济建设中监测天气或其他特殊需要，研究和发展各种大气探测方法，以获取各种必要的气象资料。

大气压（atmospheric pressure） 又称大气压强，简称气压。重要的气象要素之一。由于地球周围大气的重量而产生的压力，其大小等于单位面积上大气柱的重量。1643 年意大利物理学家托里拆利用水银柱做实验，证实了大气压的存在（见托里拆利实验）。帕斯卡受其启发，于 1646～ 1647 年又以不同方式重做一系列实验，证实了大气压随高度的增加而减少，并证实了水银柱的高度与当时当地的大气条件有关，从而预示了气压计用于气象预报的前景。在海平面附近，大气压的值相当于 760 毫米水银

柱产生的压力，即为 1.01325×105 帕，通常称为 1 个标准大气压。同一水平面，由于温度等因素的影响，大气压也有差异，这种差异会引起空气的流动，形成风。

大统一理论（grand unified theory） 统一描述强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用的一种理论。寻求不同相互作用的统一理论是长期来物理学家努力的一个目标。牛顿早在 17 世纪将天体的力学运动规律和地面上的力学规律（如自由落体、平抛、斜抛等）统一为牛顿力学。19 世纪60 年代，麦克斯韦统一了电现象、磁现象及光现象，建立了统一的电磁学理论。爱因斯坦曾长期致力于寻找引力相互作用和电磁相互作用的统一理论，但没有成功。本世纪 60 年代末。一些物理学家建立的电磁相互作用和

弱相互作用的统一理论，即电弱统一理论，取得了成功。其后在 70 年代初， 强相互作用又取得了进展。这些理论有一个共同特点，即具有所谓“定域规范对称性”，或者说它们都是规范相互作用理论。于是一些物理学家在此基础上尝试建立大统一理论。按照这一理论，各种基本相互作用的强度与所涉及的能量有关。随着能量的增加，强相互作用的强度迅速减小，电磁作用的强度也会减小，而弱相互作用的强度则将增加。大约在 1015GeV 能量标度上，这三种基本相互作用的强度将变得相同，这时它们便统一为

一种相互作用。可见，强作用、电磁作用和弱作用是这种统一相互作用在目前加速器能量标度（■102GeV）上的不同表现。这种大统一理论能够对目前一些其他理论无法说明的事实（如电荷量子化、夸克和轻子的种类等） 作出解释。该理论还预言质子将会衰变，其平均寿命约为 1030 年，但是迄今的实验并不支持大统一理论的这个结论。实验的结论是，质子的寿命＞ 1031 年。不过，寻找统一相互作用理论的尝试始终是物理学家所追求的一个目标。

戴维南定理（Thevenin theorem） 又称等效电压源定理。将有源二端网络简化为一电压源的定理。内容如下：任一线性有源二端网络可等效为一个电压源，即等效为一个电动势ε和一个电阻 r0 的简单串联电路，其中电动势ε等于网络的开路电压 V0，内阻 r0 等于从网络两端观察所得到的除源网络的总电阻。所谓“除源网络”是指把要简化的网络内部所有电动势看作零（即短路），而其它部分不变时所得到的无源二端网络。例如一有源二端网络是一电压源（电动势ε和内电阻 r0 的串联），则所谓“除源” 就是除掉电动势ε而保留电阻 r0 戴维南定理对计算复杂电路中某一支路的电流这类问题特别有效。这时只需将除去这一支路之外的其它电路看作有源二端网络而加以简化，就变成简单电路。由此即可方便地算得该支路中的电流。

单摆（simple pendulum） 见摆。

单板机（single board computer） 是将微处理器芯片和 1～60 块其他支持芯片安装在同一块印刷电路板上的微型计算机。它有两大类型。第一类单板机是主要为了用户熟悉微处理器及配套芯片的硬件、软件功能开发成的实验器，还可用于小规模过程控制，仪器、仪表和机械产品智能化以及小型数据处理。例如 Z80 单板机，把 CPU、RAM、ROM、I／O 接口等部件装在一块印刷板上，板上还带有小键盘作为输入设备，并备有七段数码显示器以显示程序和数据，可配接盒式磁带机和微型打印机，都配有监控程序，有的还配有初级和高级语言程序，并配有 CRT、ASCII 键盘和软盘驱动器及其他外部设备。第二类单板机又称为单板模块，是以计算机系统总线为基础，配有各种 CPU 板、存储器板、I/O 板、外设控制器板、模拟信号输入输出板，快速乘法器以及高速 DMA 接口板等等。用不同规格型号的这类单板模块配上相应的机箱、电源、外部硬件和软件产品，可以构成不同功能的微型计算机系统，还可构成多微机系统和微机局部网络工作站。

单板机给用户和生产厂都带来许多好处，可简化系统结构，简化系统软件和硬件的设计，系统易于扩充、维修和更新。

单片机（chip microprocessor） 只用一块集成电路基片制作的微电脑。一台微型计算机的全部功能（CPU、ROM、RAM、I/O 接口和时钟发生器等）集成在一块芯片上，称之为单片机。它是一类控制型的计算机。

近十几年推出的 4 位微型机全是单片机。如日本电气公司的μCOM46 系列，美国得克萨斯仪器公司的 TMS1000 系列等，主要用于家用电器、办公室自动化、工业控制、智能仪表、辅助教育等方面。应用数量占微机市场的 70%左右。目前 8 位单片机品种已达几十种，有代表性的是 Inter80 系列，莫托洛拉的 68 系列，译洛格公司的 Z8 等主要用于事务处理、过程

控制、生产管理、情报处理、监视与检测等各方面。把系列软件和应用程序全部在半导体生产厂调试好并做成掩膜 ROM，可大批量生产的完整单片机，既可单独作为完整的计算机来使用，又可接上一些接口芯片进一步扩大功能。

单色光（monochromatic light） 理想化的仅包含一种波长成份的光。如果以波长为横轴，光强作为纵轴，单色光在这样的坐标系中可用一条垂直于横轴的没有任何宽度的几何直线表示。单色光的谱线宽度为零。单色光波应该是在时间和空间上都是无始无终的简谐波。

从发光机理来看，原子或分子的发光总是由大量原子或分子来完成的。各个发光原子或分子之间相互干扰，不可能存在某种统一的规则，使它们在同一时刻发出同一波长的光。即使单个原子或分子的发光，也是一种随机过程，且只是在有限的时间间隔中发光。所以，实际光源所发出的光只能是有限长度的波列，它们包含了多种波长成份。这种包含多种波长成份的光称为复色光。在光强-波长坐标系中，复色光表现为连成一片的有限面积，或某些有一定宽度的垂直谱线。

用滤色器或干涉滤光片可从复色光中取出具有狭窄波长范围的光来， 也可以用单色仪从复色光中取得某一条光谱线。这些具有极小波长范围的光称为准单色光。在光强-波长坐标系中，准单色光可用中心波长处的钟形曲线表示。在λ = λ处，光强为极大。光强为极大值的一半所对应的波长

与中心波长之差△λ称为谱线宽度。准单色光满足条件： △γ

γ

<< 1。钠

光灯、汞灯和一些常用的激光器都是准单色光源。实用中常常把准单色光称为单色光。

单色仪（monochromator） 提供一种颜色的光或在狭窄波长区段的光的仪器。通常用棱镜或光栅等分光元件把复色光分解成准单色光。它能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，且所输出单色光的波长可根据要求连续调节。它的光学系统主要由三部分组成：入射准直部分、色散系统和出射聚光系统。附图为一棱镜单色仪的光路。入射准直部分由入射狭缝 S1 和准直凹面反射镜 M■组成；色散系统由平面镜 M2 和三棱镜 P 固定在一起组成，它们置于色散工作台上，可绕 O 轴转动。出射聚光系统由聚焦凹面反射镜 M3 和出射狭缝 S2 组成。

■单色仪光路图

光源发出的光经透镜 L 照亮入射狭缝 S1，进入S1 后投向准直镜 M1，经 M1 反射后成为平行光射向平面反射镜 M2，M2 反射后仍为平行光射向三棱镜P。由于棱镜的色散作用，经棱镜折射后，成为不同方向的平行光，各种不同波长的光束方向各不相同，波长长的偏向角小些，波长短的偏向角大些。同种波长的一束平行光射到聚焦镜 M3 上经反射后会聚于 M3 焦面上的一点。由入射狭缝 S1 上各点的该波长的光，在 M3 焦平面上形成一条谱线，谱线即狭缝 S1 的像。若光源包含多种波长成分，则在 M3 的焦平面上便获得很多谱线（也可以是连续谱）。出射狭缝 S2 位于 M3 的焦平面上，因 S2 较窄， 于是落在 S2 处的单色光就从狭缝射出。

在仪器的底部有读数鼓轮，它与万向接头转动杆及把手相连。当转动

把手时，棱镜就转动，鼓轮的读数反映了棱镜转动后的位置，从而也反映了出射光的波长。鼓轮旁有反射镜，便于读数。

单色仪可用来测量光学材料的透射率曲线，确定光源的光谱能量分布及光电探测器的光谱响应等。

单位制（systemofunits） 见物理量。

导出单位（derivedunit） 见物理量。

导弹（guided missile） 依靠制导系统控制飞行轨道的火箭或无人驾驶飞机式的武器。其任务是把炸药弹头或核弹头送到打击目标附近引爆以摧毁目标。具有射程远、速度快、精度高、威力大等特点。

导弹一般按发射器与目标的位置分类。从地面发射并攻击地面目标的称为地地导弹，这种导弹还可按射程远近分为近程（小于 1000 公里）、中程（1000～8000 公里）和远程或洲际（8000 公里以上）导弹，也可按弹道式地地导弹和巡航式地地导弹分类。从舰艇发射攻击地面目标的称为舰地导弹。从地面发射攻击空中目标的称为地空导弹。从舰艇发射攻击空中目标的称为舰空导弹。从空中发射攻击空中目标的称为空空导弹。从空中发射攻击地面目标的称为空地导弹。

导弹通常由弹头（战斗部）、弹体结构、动力装置和制导系统组成。战斗部主要包括壳体、战斗装药、引爆装置和保险装置几部分。弹体结构是把导弹各部分连结起来的支承结构。动力装置是导弹飞行的动力源。导弹的动力装置常用固体或液体火箭发动机。制导系统用于控制导弹飞行方向、姿态、高度和速度，引导导弹或弹头准确地飞向目标。有多种制导方式如无线电制导、惯性制导、寻的制导等都可以达到制导目的。弹头是导弹武器系统的核心部分，还需要导弹武器系统中的其他组成部分协调一致地工作，才能完成导弹攻击的任务。

• 1 引信 2 战斗部 3 燃烧箱 4 弹翼 5 氧化剂箱6 舵 7 尾翼 8 制导设备 9 发动机 10 助推器导弹结构示意图

导纳（admittance） 在具有电阻、电感和电容的交流电路中，通过任一两端网络的交流电流 i 与该网络两端交流电压 u 之比。它等于该两端网络的复数阻抗 Z 的倒数。常用符号 Y 表示。例如，对于 RLC 串联电路，

总阻抗为Z = R + j（ωL − 1

ωC

），所以它的导纳为

Y = 1

R + jωL − 1 

 ωC

 1 − ωL

= R + j

 1  2

 ωC





1  2

R ² + ωL −

=G+jB。

ωC

R² +  ωL −

ωC

其中复数导纳的实部称为电导，常用符号 G 表示；复数导纳的虚部称为电纳，常用符号 B 表示。导纳的模为

y = ｜Y｜ =

= 1 。

导数（derivative） 在物理上用来描绘变化率或者两个变量变化时的相互关系。在具体使用和计算时，导数被化为差分表达式，而推导这些差分表达式的依据，就是泰勒级数展开。

函数 f（x）在 x=a 处的值为 f（a），在 a 附近的其它 x 函数值要用 a 的有关式子组合起来，可写成如下级数展开式：

f (x) = f (a) + f ' (a)(x − a) +

f ' '(a) 2!

( x − a)²

+ + f ⁿ (a) n!

(x − a) ⁿ +

式中 f′（a）就是 x=a 点的导数值，f″（a）就是 x=a 的二阶导数，

等等。注意 x=a 的 n 阶导数，不是将 a 代为 x，再求 n 次导数，而是 f（x） 对 x 求 n 阶导数后，将 x 由 a 代入得到的数值。上式就是泰勒级数表示式。

在差分计算里，把 a 附近的点限定在（a±△x）的范围内，n 是一个整数，△x 为某一常数差值。现在取 xi=a，x-a=△x，则 x=xi+△x，上述泰勒级数可改写成：

f '(x )

f '' (x )

f ⁿ (x )

f (x

+ △x) = f (x ) + ⁱ △x + ⁱ △x ² + + ⁱ △x² +

^{i i} 1! 2! n!

如果取 xi=a，x-a=-△x 即 x=xi-△x，则上式变为：

f(x

_i − △x) = f(x i

) − f '(x i ) △x + f '' (xi ) △x2

1 2!

f ⁿ (x )

+ + (−1) ⁿ · ⁱ △xⁿ +

n!

为了计算一阶导数 f′（xi），并使公式中出现的表示式和因子尽可能少，忽略△x3 项及其它更高项的项，采用以上两级数相减的函数差分形式，即得到：

f '( x ) = f(xi + △x) = f(x i − △x)

ⁱ 2·△x

或者写成：

f ' = fi+1 − fi −1 ，

ⁱ 2△x

即

y' = yi+1 − y i−1 。

ⁱ 2·△x

上式就是一阶导数的中心差分表达式。

为了计算二阶导数 f″（xi），忽略△x4 项及其它更高次的项，采用以上两级数相加的函数差分形式，

f '' (xi

或者写成：

) = f (xi + △x) − 2f(xi ) + f( xi − △x) ，

△x²

y'' = yi +1 − 2yi + yi−1 ，

ⁱ △x²

上式为二阶导数的中心差分表达式。

应用同样的方法，可以求得三阶导数、四阶导数甚至更高阶导数的中心差分表达式。

导体（conductor） 具有大量能在外电场作用下自由移动的带电粒子（电子或离子），因而能传导电流的物体。金属是最常见的一类导体。金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚，而成为自由电子，余下的正离子（原子实）形成规则的点阵。金属中自由电子的浓度很大，约为 1022/cm3。金属导体的电阻率约为 10-8～10-6·m。铜、铝、铁及某些合金是常用的导电材料。

电解质（酸、碱和盐）的水溶液及熔融电介质也是导体，其中的载流子是正、负离子。大部分纯液体虽然也能离解，但离解度很小，所以不是导体。例如纯水（去离子水），其电阻率高达 1010Ω·m 以上。如果在纯水中加入电解质，其离子浓度将大为增加，约达 1020Ω/cm3，电阻率降至约 10-1Ω·m，便成为导体。电解液在通电过程中伴随着化学变化，因此， 它常应用于电化学化工业（如电解提纯，电镀等），并把它称为“第二类导体”。

电离的气体也能导电，其中载流子是电子和正负离子。在通常情况下， 气体是良好的绝缘体。但是如果在加热或用 X 射线、γ射线或紫外线照射等条件下，可使气体分子离解，因而电离的气体便成为导体。电离气体的导电性与外加电压有很大的关系，且常伴有发声、发光等物理过程。电离气体常应用于电光源制造工业。

道耳顿分压定律（Dalton partial pressure law） 简称分压定律， 是关于混合气体压强的一条基本实验定律：容器中混合气体对器壁所产生的压强等于在同样温度和同样体积条件下组成混合气体各成份单独存在时的分压强之和。道耳顿分压定律是英国物理学家和化学家道耳顿在 1802 年通过实验确定的。对于实际的混合气体，只有当它的压强较低时该定律才近似地成立；对于混合的理想气体，则严格成立。

若各种气体的单位体积内所含分子数分别为 n1，n2⋯，则单位体积内混合气体的总分子数为 n=n1+n2+⋯。混合气体的压强为 p=nkT=（n1+n2+⋯） kT=n1kT+n2kT+⋯=p1+p2+⋯，其中 p1=n1kT，p2=n2kT2，⋯，是各组分气体分别施于器壁的分压强。所以道耳顿分压定律的数学表示式为：

p = nkT = ∑ni kT = ∑pi0

i i

在实际问题中，质谱分析法是测量各分压强的主要方法。利用理想气体状态方程和道耳顿分压定律，可以导出混合理想气体的状态方程。

倒易点阵（reciprocallattice） 又称倒格子。为解释和理解晶体中的 X 射线衍射现象而引入的一个重要概念。如果某晶体点阵的一组基矢为 a1、a2、a3，我们按下面的关系定义一组新的基矢

b = 2π

a2 × a3 ，

¹ a ·(a × a )

b = 2π

1 2 3

a 2 × a1 ，

² a × (a × a )

b = 2π

1 2 3

a1 × a 2 ，

³ a × (a × a )

1 2 3

由这组基矢可得到一个新的点阵，这个新点阵称为原来晶体点阵的倒易点阵。倒易点阵中的每个阵点和晶体点阵的晶面具有倒易关系，倒格矢kh=h1b1+h2b2+h3b3 所标志的一个倒阵点可用于代表晶体点阵中密勒指数为

（h1h2h3）的一族晶面。晶体对 X 射线的衍射可看作晶体中各晶面族反射 X 射线的结果，借用倒易点阵的几何图象可直接而形象地描写晶体 X 射线衍射。倒易阵点与衍射图样上的衍射斑点有直接联系。

倒易点阵的概念在固体理论中亦有重要作用。晶体中电子或声子等的状态常用波数矢量（简称波矢）来描述。倒易点阵基矢的量纲是[长度]-1， 与波矢有相同的量纲。由倒易点阵所组成的空间可理解为状态空间（波矢空间）。在倒易点阵中选定一阵点为原点。作出由原点出发的诸倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面所围成的最小多面体称为第一布里渊区。它的体积等于倒易点阵原胞的体积。完整晶体中运动电子和声子等的能量和状态都是倒易点阵的周期函数，因此只须用第一布里渊区中的波矢来描述能带电子和点阵振动等的状态。任何类型的波通过晶体点阵传播时，其能量

（或频率）都是波矢的多值函数，在布里渊区内该函数是连续的；在布里渊区边界处，能量会发生不连续变化。固体的能带便是这样形成的。

德拜固体模型（Debyesolidmodel） 德拜在 1912 年为改进爱因斯坦固体模型而提出的一种计算固体热容量的模型。由这个模型可以得到与实验符合得很好的热容量公式。

德拜考虑了如下的模型：①假设固体是各向同性的连续介质，可以传播弹性振动。②固体中 N 个互相耦合的原子的振动可变换为 3N 个不同简正振动频率的近独立的简谐振动，振动有一个最高频率 wm（德拜频率），固体中任何弹性波都可以分解为这 3N 个简正振动的叠加。③振动在固体中的传播有三种模式：一个是纵波，对一定的波矢 k，纵波只有一种振动方式， 即在传播方向上的振动，传播速度为 ct；另外两个是横波，即在垂直于传播方向的两个相互垂直的方向上的振动，传播速度为 ct。利用这个模型， 首先可求得固体内能 U=U0+3NkTD（x），式中

3 x y³dy

D( x) = x3 ·∫0 ey − 1

是德拜函数，y = hω ，x = hω m 。设Q = hω m 为德拜特征温度，

kT

于是热容量为

kT

 T  3

D k

QD e ^yy⁴dy

C_v = 9Nk

 ∫ T y 2 。

 Q_d 

0 (e

− 1)

在高温极限下，即 T>>QD，可得 Cv≈3Nk，与经典能量均分定理结果

相符。在低温极限下，即T << QD ，可得Cv ≈ 3Nk

4π ⁴

5

( T ) ³

QD

，这就是德

拜 T3 定律（Cv～T3）。对于非金属固体，上式与实验相符。一般的

金属固体在3k以上也符合T³定律。实际上T³定律只适用于大约T＜ 1

30

QD 的温度，也就是绝对温度几度以下极低温范围。进一步研究表明，

当弹性波的波长与晶格常数可比拟时，固体不再可被看作为各向同性的连续介质模型，德拜的理论不适用，需改用晶格动力学理论来讨论固体热容量。

德布罗意（LouisVicotrdeBroglie1892～1986） 法国物理学家。生于迪耶普。中学时代就显示出文学才华。1910 年获巴黎大学文学士学位。后来喜欢上盛行的自然科学，经过学习，1913 年获理学士学位。第一次世界大战期间服过役。1924 年获巴黎大学博士学位。1926 年起在巴黎大学任教。1932 年任巴黎大学理论物理学教授。1933 年当选为法国科学院院士， 1942 年任该院常务秘书。1953 年当选为英国皇家学会会员。

德布罗意是物质波理论的提出者和量子力学的创始人之一，获 1929 年诺贝尔物理学奖。1923 年，把爱因斯坦关于光的二象性思想推广到物质客体上去。1924 年，发表了他的博士论文《量子论研究》，在论文中大胆提出，并非所有的物质性质都能用“是由微粒组成的”这一理论来解释，

认为对于光子建立起来的两个关系式：E = hv、λ = h ，同样也适用电

p

子，进而去类比一切实物粒子，提出这样两个假设，即所有具有动量 p 和能量 E 的物质客体，如电子等，都具有波动性，其频率和波长分别由下式给出：

v = E ，λ = h ，

h p

式中λ为波长，这两个假设成为建立波动力学的物质基础。同年，在没有一个已知事实支持这个理论的时候，断言电子流通过屏上的小孔时应出呈现出光线在同样条件下所呈现的现象。此后，人们相继用实验证实了电子、原子、中子都具有波动性。德布罗意的理论最终得到了完全证实： 实物粒子都具有波动性，被称为德布罗意波，即物质波。德布罗意也是波动力学的创始人，他提出的物质波理论，受到了薛定谔的高度重视，薛定谔沿着德布罗意的思想，建立了薛定谔方程，创立了波动力学。德布罗意著有《波和运动》（1926）、《波动力学导论》（1929）、《物质和光： 新物理学》（1939）。

等概率假设（postulate of equal probability） 本假设是统计物理学中的一个先验的基本假设。它可以表述为：“对于给定能量、体积和粒子数而且处于统计平衡的孤立系统，在相空间能量层 E～E+△E 之

间，各个可能的微观状态出现的概率相等。”满足这个概率分布的统计系综（简称系综）称为微正则系综。

在统计物理中所讨论的孤立系统，不是指那些绝对孤立、各个力学量

（如能量、动量和动量矩）完全不能改变的系统，而是指在外界环境对系统的随机影响极其微弱的条件下，其状态可以允许在属于 E～E+△E 能量层

的各个状态之间发生跃迁，但不能在属于不同能量层或不处于△E 内各个状态之间发生跃迁的系统。因为有这种允许的跃迁，才有可能使系统处于不同的微观状态，才有必要讨论各个状态出现的概率。等概率原理正是为描述这样的孤立系统处于统计平衡而提供了充分必要的条件，因此它构成了平衡态统计物理的基本假设。

基于等概率假设，从微正则系综出发，可以建立起一整套统计物理的理论，并且导出热力学的基本公式和定律，得到与实际观测相符合的结果

（例如气体的状态方程），这就证明了等概率假设的正确性。

等厚干涉（interference of equal thickness） 参见薄膜干涉 等倾干涉（interferenoe of equal incliantion） 参见薄膜干涉低维固体（low—dimensional solid） 结构或性质上明显地表现出

零维、一维和二维特征的固体材料。毫微米大小的半导体和金属的原子簇是典型的零维固体。某些聚合物，例如聚乙炔，其电子沿碳链方向的耦合比不同链之间的耦合强得多，具有一维特点。石墨夹层化合物的结构是层状的，这是一种二维固体。此外，固体的表面，表面上的吸附层，两种材料的界面或厚度很薄的薄膜等也都属于二维系统。

通常的三维固体其线度要比组成原子（分子）的线度大得多，所以可忽略其边界效应的影响。但当固体某些方向上的线度缩小到与原子（分子） 线度可比拟时，边界效应将变得明显。因此随着物体维度的减小，会出现某些新的现象和独特的性质。例如，一维导体是不稳定的，在低温下会变为半导体或绝缘体，即发生所谓佩尔斯相变。又如，在两种不同的半导体相接触所形成的异质结（如 GaAs—AIxGa1-xAs）的结界面处，电子被限制在一个很窄的势阱中，此时电子在垂直于界面方向上的运动是量子化的， 形成一系列分立能级，而与界面平行方向上的运动是自由的。这是一种“二维电子气系统”。在低温、强磁场下二维电子气的电导和磁化率等具有与三维体系不同的特点。例如二维电子系统会发生量子霍尔效应。

低温物理学（Low temperature physics） 研究物质在低温下的物理性质及有关低温的获得和测量技术的学科。物理学中的“低温”通常指液氮常压沸点（77K）以下的温度。77K 附近称为液氮温区，20K 附近为液氢温区，4K 附近为液氦温区，1K 以下则称为超低温。随着低温技术和低温物理的发展，现在人们更习惯于将液氢常压沸点 4.2K 以下的温度才称为低温。

低温下物质的热运动明显减弱，并导致原子的排列和磁矩的取向等等有序程度的增加。因此在低温下，固体的许多物理性质将明显地不同于常温时的情况，甚至出现突变。尤其在 4K 以下接近绝对零度时，某些物质显示出一些在较高温度下从未观察到的现象，其中最典型的现象是固体的“超导电性”和液氦的“超流动性”，对于物质的超导性和超流性现象的研究至今仍是低温物理学的最主要的课题。

获得 4.2K 以下温度最常用的方法是降低液氦面上的蒸气压，利用这种方法可使液氦温度达到 1K 以下。利用顺磁盐绝热去磁或 3He—4He 稀释致冷机可达到 10-3K 温区。在绝热去磁技术中如果用核磁矩代替电子磁矩， 则可进一步将温度降到 10-6K。

低温下使用的温度计主要有气体温度计、蒸气温度计、电阻温度计、温差电偶温度计和磁温度计等。1K 以下的温度可通过测定 4He 或 3He 的蒸

气压、碳或某些纯金属的电阻和某些顺磁盐（如硝酸铈镁等）的磁化率来确定。

狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirae 1902～1984） 英国物理学家。生于布里斯托尔。1918 年入布里斯托尔大学，1926 年获剑桥大学哲学博士学位。1932 年至退休，一直任剑桥大学数学教授。1971 年任佛罗里达大学教授。1930 年当选为英国皇家学会会员。他还是中国物理学会名誉会员。

狄拉克是量子力学创始人之一，获 1933 年诺贝尔物理学奖。1925 年， 海森伯访问剑桥大学，对当时还是研究生的狄拉克影响很大，开始致力于量子力学理论的研究。同年，提出了量子力学的一种数学形式 q 数（非对易代数）理论，发展和简化了海森伯的矩阵力学体系。1926 年，薛定谔统一了量子力学的两种表达方式后，狄拉克进一步发展了这种统一，使量子力学理论体系最后得以完成。1927 年，首次提出二次量子化理论，为建立量子场论找到了一个出发点。预言了感生辐射和原初辐射的量子的等同性，这种等同性是量子电子学的基础。1928 年，把相对论力学方法，应用到量子力学之中，提出了相对论形式的薛定谔基本方程。这个方程描述了电子或其他自旋为 h/2 的基本粒子在速度接近于光速时的运动规律，被称为狄拉克方程。在狄拉克的理论中，把相对论、量子论和自旋这些在以前看来似乎无关的概念和谐地统一起来，还论证了电子磁矩的存在，并赋予真空以新的物理意义。

1930 年，发现狄拉克方程的解具有异常的性质，即除正能解外还有负能解，负能解使正能电子向负能态跃迁是不合理的。为了克服这一困难， 提出“空穴假说”，即认为真空实际上是所有负能态都被填满的最低能态， 如果有一个负能态没有被填满，就是出现了一个“空穴”（缺少一个负能电子），它相当于一个正能电子。在此基础上作出预言，应该存在和电子质量相同而电荷相反的正电子。还提出正负电子对能够由光子在真空中产生出来，而正负电子相碰撞时，就湮灭变成光子。1932 年，狄拉克所预言的正电子，被美国物理学家安德逊在研究宇宙线时发现，这是人们从实验中最早发现的反粒子。狄拉克理论不仅揭示反物质的存在，而且加深了人们对物理真空的新认识，导致物理真空性质的研究成为量子场论的重要课题之一。

狄拉克对量子统计、量子电动力学、引力理论等也作出了重要贡献。1926 年，发现用反对称波函数表示全同粒子系统的量子统计法，被称为费米—狄拉克统计法。找到两种量子统计法的理论与量子力学波函数的对称性的关系，证明了遵守玻色—爱因斯坦统计法的质点组的总波函数，对于质点的变换是对称的；遵守费米—狄拉克统计法的质点组的总波函数，对于质点的变换是反对称的。1931 年，论证了以基本磁荷为基础的对称量子电动力学存在的可能性。1932 年，与福克、波多利斯基共同提出多重时间形式，成为现代量子力学的先驱。1933 年，根据电子的电荷量子化，提出可能存在磁单极的假说，但至今未在实验上得到最后证实。1937 年，提出引力随时间变化的假说。此后又研究引力理论的哈密顿表述形式问题，以便把引力场进一步量子化。

笛卡儿（RenéDescartes 1596～1650） 法国哲学家、物理学家、数学家。生于都兰。曾在欧洲著名的拉弗莱什耶稣会学院学习。1616 年毕业于普瓦捷大学。1618～1625 年到欧洲各国旅行。1629～1649 年间在荷兰定

居，在那里完成了他大部分哲学、物理学和数学等著作，如《方法论》（1637） 及其附录《几何学》、《屈光学》和《气象学》、《形而上学的沉思》（1641） 和《哲学原理》（1644）等。《论光》等则是他死后 1664 年才出版的。

笛卡儿在科学上的贡献是多方面的。但他的哲学思想和方法论，在其一生活动中则占有更重要的地位。他是笛卡儿主义的创始人，力图建立自然界的普遍图象。在这个图象中，一切物理的和其他现象都可以解释为由相同物质构成的大的和小的粒子的运动的结果；而有了物质（空间）和（机械）运动，就能按照物质运动本身的规律，构造出全部世界，无须上帝照管。这类机械论的自然观以后曾统治自然科学的发展达两个多世纪。在古代演绎方法的基础上，他还创立了一种以数学为基础的演译法：以唯理论为根据，从自明的直观公理出发，运用数学的逻辑演绎，推出结论。这种方法和培根所提倡的实验归纳法结合起来，经过惠更斯和牛顿等人的综合运用，成为物理学特别是理论物理学研究的重要方法。

在物理学方面，笛卡儿发展了伽利略的运动相对性的思想，说明了运动与静止需要选择参照物的道理。比较完整地表述了惯性原理：只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直至遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。引入运动量的概念，它表示为运动物体的大小与其速度的乘积。明确提出了动量守恒的思想：物质和运动的总量永远保持不变；但他没有认识到动量是矢量。对碰撞和离心力等问题曾作过初步研究，给后来惠更斯的成功创造了条件。提出大气压随高度的增加而减小的看法。从光的发射论的观点出发，用网球打在布面上的模型来计算光在两种媒质分界面上的反射、折射和全反射，从而首次在假定平行于界面的速度分量不变的条件下导出“sini/sinr=常数”的折射定律；但他的假定条件是错误的。

在数学方面，笛卡儿最杰出的成就是创立了解析几何学。在笛卡儿时代，代数还是一个比较新的学科，几何学的思维还在数学家的头脑中占有统治地位。笛卡儿致力于代数和几何联系起来的研究，于 1637 年，在创立了坐标系后，成功地创立了解析几何学。他的这一成就为微积分的创立打下了基础。

笛卡儿主义（Cartesianism） 泛指笛卡儿的思想以及他的继承者的思想。产生并流行于 17 世纪的法国和荷兰，在西欧大陆其他各国也有一定影响。笛卡儿倾向于新科学，因为他认清了宗教迷信和经院哲学对人生有百害无一利，只有新科学才能给人类带来幸福。在这一点上，他和弗·培根是一致的，因此他们被称为近代科学的两位伟大的旗手。笛卡儿明白科学的发明可以帮助各种技艺，减轻人类的辛劳，但是他决不止于为生产技术而研究科学，而要追求科学的原则，认识科学的底蕴，因此他不限于追求经验、利用经验，还要追问人是怎样研究科学的，这就是要提高到世界观的水平，建立新的科学的哲学。他认为只有这样才能真正造福人类，关于这一点，他在 1637 年出版的《谈正确引导理性在各门科学中寻找真理的

方法》（简称《方法谈》）和 1644 年出版的《哲学原理》中都进行了阐述。他的哲学思想是：在心物、心身关系上，主张两者是相互排斥的，提出思维的本性与生物体相分离，因而在“形而上学”的范围内建立起近代典型的二元论。在认识论上，强调理性认识，贬低感性认识，认为感觉与经验不是真知识的来源，只有理性才能认识事物的真相。在自然观上，指出整

个自然界包括有生命的动植物在内，都像机器那样在作永不停止的运动， 并力图建立自然界的普遍图象：对自然现象，否定了经院哲学的“目的因”、“质料”、“形式”等概念，而采用以“广延”为本性的微小粒子为基础的物质论；对物体作用，否定隔开一定距离发生作用的那种力，认为空间是充满着物质的，其各部分的运动只因相互碰撞才发生变化；对宇宙图景， 否定真空的存在，引入以太概念，提出旋涡说。指出正是由于以太的作用， 物体才能组成具有稳定形状的体积，以及在宇宙中形成许多大小、速度和密度各异的旋涡。指出行星所以绕太阳运转，就因为太阳周围有一个巨大的旋涡，这个旋涡足以推动地球和其他行星运动；月亮所以绕地球运转， 则是在地球周围有次旋涡或较小旋涡；在旋涡中重物趋向中心，轻物离开中心，因此重物总是落下地面。这样，笛卡儿不仅把行星的圆周运动，而且把重物的下落都归之于旋涡的吸引效果，由此构出全部世界，无须上帝照管。这类机械论的自然观，由罗奥（1620～1672）、雷吉斯（1632～1707）、克拉奈（1621～1690）、雷鸠斯（1598～1679）、科尔德莫阿（1626～1691）、马勒伯朗士（1638～1715）等继承，而统治自然科学的发展达两个多世纪。

第二类永动机（perpetual motion machine of the second kind） 参见热力学第二定律。

第一类永动机（perpetual motion machine of the first kind） 见热力学第一定律。

第一推动者（Primum mobile） 意指宇宙运动的原动力，最早由亚里士多德提出。他认为一切运动都有其第一推动者，如果第一推动者是不被推动的而是推动别的物体运动的，则是指神。中世纪的托马斯·阿奎那则把第一推动者看成是上帝存在的证明。到了 17 世纪，牛顿认为物质、时间和空间不是上帝创造的，但原子却是上帝创造的，至于原子和虚空构成万物系上帝和自然的共同操作。在此基础上他提出“我不知道没有神臂的推动，在自然界中会有哪一种力量能引起各种横向运动。”当行星向太阳垂直落下时转变为一个横向的轨道时，他又认为“好像它们全都是上帝在离我们系统遥远的天区创造的”。虽然牛顿的第一推动与亚里士多德的第一推动有所不同，但在牛顿尚不了解行星的横向运动或轨道运动的起因时，却依然归于神臂的推动和上帝的创造，从而陷入了唯心主义。

地磁场（geomagnetic field） 地球的磁常 1600 年英国物理学家吉伯首次指出了地磁场的存在。地球本身是一个巨大的磁体。磁极的位置有长期变化。1970 年，地磁北极位于北纬 78.6°、西经 70.1°处。两极区的磁场强度约为 48～53A·m-1，赤道附近约为 24～32A·m-1。

地磁场由基本磁场和变化磁场两部分叠加而成。基本磁场又称稳定磁场，其分布与均匀磁化的球体或磁偶极子的磁场相似，是地磁场的主要部分，约占 94%。它是由地球本身的磁性结构产生的。关于这种磁性结构及其起源有多种假说。例如有一种假说认为，地心附近存在大量导电性炽热流体，它们的对流运动和地磁场的存在使地球成为一个能自行维持的、巨大的发电机，由此形成环形电流以及相应的基本磁场。基本磁场相当稳定， 但也会因为局部地壳性质出现异常和外来磁场的影响而发生某种程度的变化。变化磁场则是由太阳辐射、太阳粒子流和宇宙线的影响而产生的，其分布并不规则，并且随产生条件的变化而变化。例如，太阳发生磁暴时， 变化磁场将首先受到严重影响。

地球上某一点的电磁状态常用磁偏角、磁倾角和地磁场强度水平分量这三个量表示，简称地磁三要素。

1. 磁偏角。地磁场强度矢量所在的铅垂平面与地球子午面之间的夹角。我国于 11 世纪首先发现磁偏角。当时的北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中就有过这样的记载：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”而欧洲直到 15 世纪末，哥伦布横渡大西洋时才发现地磁偏角现象。地球上不同地点的磁偏角不同，主要随经度发生变化。船舶和飞机航行时，用磁罗盘测得的是地磁方位角。必须知道所在地的磁偏角，才能正确地确定方位。目前在导航中，磁罗盘已逐步被回转罗盘所代替。

2. 磁倾角。地磁场强度矢量与水平面之间的夹角。我国北宋曾公亮主编的《武经总要》中关于利用地磁场进行人工磁化的记载，表明当时已在实践中知道并开始利用磁倾角。地球上不同地点的磁倾角也不相同，主要随纬度发生变化。磁倾角为零各点的连线称为磁赤道。

3. 地磁场强度水平分量。地磁场强度矢量在水平方向的投影。若以 H 表示某地地磁场强度的大小，H’’ 表示其水平分量，则 H’’ =Hcosθ，式中θ 为该地的磁倾角。除了某些地磁异常区域外，在地理南北极附近各有一个θ=90°、H=0 的地点，这就是地磁两极的位置。

地磁三要素不仅随地点，而且还会随时间变化，但基本磁场随时间的变化十分缓慢。测量和记录地球表面各点的地磁三要素等基本数据，绘制成“地磁图”，并随时发现其变化，对于天文、地质、气象、采矿、航行等都有重要的作用。

地磁学（geomagnetism） 研究地球本体及其周围空间电磁场的起源、变化和分布规律的一门学科。研究内容有：地磁场的测量、地球的基本磁场和长期变化、地球的变化磁场及日地相关现象、岩石磁性和古地磁、地磁场的成因和电磁感应和地球内部的电导率等。

我国古代人民对地磁学的发展做出了重要贡献。远在春秋战国时期， 随着冶铁业的发展和铁器的应用，对天然磁石已有一定认识，指南针是我国古代的四大发明之一，磁偏角的发现，也不迟于 11 世纪。地磁学作为一门科学而不是一项技术确立下来，则要归功于英国的吉伯。1600 年他发现圆球形天然磁性矿石表面磁场倾角的分布与地面相似，提出了“地球是个大磁体”的假说，这是关于地磁学理论的最早论断。随着磁偏角的发现和测量，人们于 1701 年绘制了世界上第一张地磁图：大西洋等偏角图。随后

又发现了地磁倾角的存在，但直到 1839 年之前地磁学的主要内容仍然是地磁测量。1839 年高斯建立了地磁场的球谐分析理论，把地磁场的研究纳入了数理分析的轨道，并证明地磁场主要由球内源产生。近年来，地磁学获得了迅速发展，在高空和地球内部的介质的物性、组成和运动状态的研究中发挥了重要作用，被西方称之为“地学革命”的“板块大地构造”学说的重要支柱就是在地磁学的领域取得的。

地磁场是一个向量场，通常可用 7 个参数来表达，其中 F 表示地磁场的总强度，x、y 和 z 分别表示向北、向东和垂直向下的三个分量，H 表示F 在水平方向上的分量，D 表示地磁偏角，I 表示地磁倾角，如图所示。它们之间满足如下关系：

F2=x2+y2+z2，H2=x2+y2 tgI=z/H，tgD=y/x，

x=HcosD，y=HsinD，z=FsinI。

在 7 个参数中，只有 3 个是独立的，知道其中的任意 3 个，其余 4 个也可计算出来。地磁场的测量就是应用地磁仪器观测某一测点独立的地磁参数，一般有两类方法。一类是连续记录地磁场随时间变化的固定测点， 叫地磁台，通常测量 H、D、z 三个参数。另一类是野外流动磁测点，它不能连续测定地磁场随时间的变化，而是间断地进行地磁参数的绝对测量。为了便于分析，还需将各测点不同时间的观测值，归算到同一指定时刻。这样固定地磁台站和野外磁测点所取得的特定时刻地磁场各参数的数值和它们随时间的变化，构成了地磁场分析研究的基础资料。

地球（earth） 太阳系的九大行星之一，人类居住的星球。按行星距离太阳的次序（由近到远）排列为第三。

结构和成份 地球有辐射带、电离层、大气圈和岩石圈（或称地壳）， 在地壳层以下，地球又可分成地幔和内、外地核。地球内部的分层情况是： 第一层为地壳，厚度约为 33 公里，密度为 3.3×103 千克/米 3，成份主要是花岗闪长岩等；第二层为地幔，在 33～2900 公里之间，其体积占地球总体积的 82%，密度为 5.6×103 千克/米 3，主要成份可能是超基性岩；第三层为地核，2900～5100 公里之间为外核，5100～6370 公里之间为内核，地核中心密度达 13×103 千克/米 3，主要成份由铁和镍等金属物质组成。

地球内部的温度随深度上升。100 公里深处温度为 1300℃，300 公里深处的温度为 2000℃。地核边缘温度约为 4000℃，地心的温度为 5500～ 6000℃。因地表层是热的不良导体，来自太阳的巨大热量不能渗入地下， 故地球内部的热能主要来源于地球本身，可能产生于天然放射性元素的衰变。

地球内部的压力也随深度增加，在地幔中深度每增加 1 公里，压力增

加 470 个大气压，在地核界面上的压力为 137 万个大气压，在地心处为 370 万个大气压。

地球表面包有坚固的地壳，面积为 5.11×108 千米 2，其中海洋占总表面积的十分之七。地球周围的大气圈，由氮、氧、水汽等气体组成。大气圈外的辐射带由带电粒子组成。

基本物理特性 地球近似看成球体，但由于地球自转，赤道将略为隆起，成偏球体。赤道半径为 6378.2 千米，极半径为 6 356.2 千米。据人

造卫星拍摄地球照片，地球呈梨状的旋转体。地球质量为 5.976×1024 千克，平均密度为 5.52×103 千克/米 3。地球上任何质点都受到地球引力和惯性离心力作用，两者合力才是物体的重力。重力随高度递增而减小，亦随纬度而异。赤道处的重力加速度为 9.78 米/秒 2，两极处为 9.83 米/秒 2。有些地方会出现重力异常，这反映地球内部物质分布的不均匀性。重力异常与地质构造和矿床有关。

地球公转周期为 365.25 日，自转周期为 23 小时 56 分钟。地球的轨道为一椭圆，它与地球赤道相交成 23°27′角度，故有四季寒暑和昼夜长短的区别。天文观测表明，地球自转并不均匀，存在着三种变化：长期减慢、不规则变化和周期变化。在太阳与月球作用下，地 球自转轴沿一锥面进动， 周期为 26000 年。

地球的基本磁场可能是由地核内部的电流体系造成，除基本磁场外， 地球磁场还有长期变化和短期变化。岩石磁性研究表明：在最近 5000 万

年，地球的磁场与现在类似，但在地球整个历史发展过程中，地球磁场极性曾发生过数百次逆转。

起源和演化 地球在 46 亿年前起源于原始太阳星云，它同其他行星一样，经历了吸积、碰撞等物理演化过程。刚形成地球时，温度较低，无分层结构，但在陨石的不断轰击、放射性衰变致热和原始地球的重力收缩下，地球温度逐渐升高。地球内部物质开始局部熔融，在重力作用下物质开始分异，较重物质下沉，较轻物质上升，一些重元素（如液态铁）沉到地球中心，形成密度很大的地核。物质的对流伴随着化学分离，最后形成现今的地壳、地幔和地核等层次。

地球上原始大气圈几乎是和原始地壳在同一过程中形成的。原始大气圈中的水蒸气逐渐冷却，凝结成雨滴降落到地面，一部分渗透到地表的岩石中，一部分汇集成大大小小的溪流，注入原始洼地里，形成了地球上最早的江河湖海，这就是原始水圈。

当原始大气圈和原始水圈在地球上出现时，地球上还是一个没有生命的世界。但是，自从地球上有了水和空气，就给生命的产生和生物的发展创造了条件，约在 30～40 亿年前，地球上开始出现单细胞生命，以后逐步进化为各种生物，直至人类这样的高级生物，构成了一个生物圈。

地球表面特征光谱（terrestrial characteristicspectrum） 地面物体对电磁辐射的反射和发射特性随波长的变化关系。所有地表都具有发射和反射电磁辐射的本领。地球表面反射的大部分电磁辐射能量都是太阳提供的，遥感所记录的能量就是被物体反射的太阳辐射的能量。不同地物的反射率大小不同，这主要取决于地物的内部结构、外部特征以及所处的状态。同一地物的反射率大小也随着波长而变化，图 1 是土壤和植被等的反射光谱特征曲线，根据反射特性，人们可以在遥感图片上识别不同的地物。此外，对于同一类地物，由于具体结构不同，其反射光谱特性也不同。如对于同属森林的落叶林和针叶林，它们的反射率在可见光波段相差很小，甚至相等，而在近红外波段却有着明显的差别（见图 2）。这一特征使得人们在对给定目标

■图 1 波长（微米）■图 2 波长（微米）

物应用遥感测量时可以选择适宜的工作波段，如为获得某林区的枫树和松树的分布图，则根据图 2 选取近红外波段显然是合适的。

地物的发射光谱特征可以用发射本领ε来表征，1≥ε≥0。地面物体可看作为一灰体。在温度相同的情况下，物体的发射本领与其表面特征和内部热学性质有关。一般来说，金属因其比热小、热导率高等原因而有较低的发射本领，但当它表面形成氧化物后，发射率急剧增加。非金属的发射本领ε＞0.8。不同的岩石由于其表面特征及内部热学性质不同，发射光谱特性也不同，据此在红外扫描的图片上可识别它们。为有效地利用遥感数据，人们必须了解所要研究地物的光谱特征，由于影响地物光谱的因素复杂且不易控制，因此，在进行地物光谱特性测量和识别时，应特别注意形成这些特性时的边界条件。

地球辐射（terrestrialradiation） 源于地球及其大气的电磁辐射，其波长决定于地球及大气的温度。大气能发射辐射、吸收辐射和传递辐射，在任意一处的净辐射通量取决于温度与水汽随高度的分布。由地球辐射垂直散度所引起的增暖及冷却为驱动大气风系提供了所必需的大部分

势能变化。地球辐射也使得地表气温维持在适宜于人类和动植物生活所需的限度内。

具有绝对温度超过零度的任何物体都能发射连续的红外辐射。在地球温度下，实际上发射的辐射波长都大于 4 微米，即位于光谱的红外部分。而且，几乎所有的云也发射连续辐射，辐射强度略小于具有同样温度的黑体辐射强度。地球表面及云还会吸收红外辐射，吸收率几乎为 1。大气对辐射的吸收与发射具有选择性，它决定于大气中多原子分子的运动——振动带和纯转动带的波长和强度。大气中的少量气体在红外波段有许多吸收带（见大气窗口），吸收系数有许多峰值。具有峰值的谱线都有一定的宽度，并互相交叠。这些谱线的形状，也就是吸收系数随波长的变化，取决于低层大气中的分子碰撞和高层大气中的随机热运动。吸收系数还是气温和气压的函数，所以在垂直方向，它的变化是相当大的。

地球物理学（geophysics） 一门以地球为研究对象的应用物理学。从广义上说，地球物理学可分为：①固体地球物理学；②海洋物理学；③ 空间物理学。从狭义上理解，地球物理学一般指的是固体地球物理学，又称地体学或大地物理学。固体地球物理学又可分为两大方面：研究大尺度现象和一般原理的称普通地球物理学；勘察石油、金属、非金属矿或其他地质体的称勘探地球物理学，又称物理探矿学。后者因为工业上的需要， 发展极快，已经自成体系。普通地球物理学依研究领域和手段，又分为重力学、地磁学、地震学、地热学等传统分支，以及深部探测、地球动力学等新的分支。简而言之，地球是这门学科的研究对象，物理学是研究这门学科的理论基础，利用物理学的电学、磁学、热学、运动学和动力学等方面的原理和方法，研究地球各部分的物理条件、物理性质、物理状态，以寻找其变化规律，由此构成了地球物理学的内容。当代的诺贝尔奖获得者有好几位都致力于地球物理问题的探讨。尤里和阿耳芬都对地球的起源研究有贡献，阿普顿是研究电离层的，里贝是研究 14C 的，这些科学家都是杰出的地球物理学家。

到了 20 世纪 30 年代，由于物理学的发展，尤其是物理勘探方法显示出优异的效果，从而促进了地球物理学作为一门独立的学科而得到极大的发展。50 年代，根据地球物理研究的结果，人们已对地球内部的分层结构、物质组成和物理状态有了大致了解，但对许多地学现象，特别是地下资源分布问题等还无法圆满解释，因此在 60 年代初，国际间组织了约有 50 个国家参加的协作计划——“上地幔计划”，主要研究：①全球性的地壳断裂系统；②大陆边缘地带及岛弧的构造；③地幔的物质组成及地球化学过程；④地壳及地幔的结构及其横向不均匀性。所用的手段包括：地震、地磁、古地磁、重力、海上地球测量、地热、地质、深钻等。计划延续了 10 年，其重要成果之一是提出了板块大地构造假说。1974～1979 年，国际间又组织了“地球动力学计划”，作为以前计划的继续，主要目的是解决板块运动的驱动力问题。80 年代以来，地球物理学实施对岩石层的研究计划，其中心课题是研究大陆岩石层的现状、形成、演化和动力学，也包括研究洋底岩石层。

地下水污染（ground water pollution） 参见水的污染。

地震波（seismic wave） 当地震发生时由震源产生的各类冲击波。地震波有三种类型：①初至波或 P 波；②续至波或 S 波；③面波。这些波

能形成有感震动或造成破坏。

P 波和 S 波能在岩体内传播，所以也称体波。其中 P 波的传播速度较快，范围是 5.5～23.7 公里/秒。P 波的运动方式与声波相同，当它通过岩体时，在传播方向上引起岩体的振动。当 P 波由地球深处传到地表时，其中有一部分可变成声波传入大气层。如果这些声波的频率刚好落在耳朵可听到的范围内，则人和动物就能听见这类声音。S 波在岩体内的传播速度较慢，它的运动方式是使岩体在垂直于波的传播方向上作剪切运动。由于液体受到剪切后不会弹回，所以 S 波不能在地球的液体部分中传播，如海洋。这也使得人们知道部分地核是处于熔化状态，因为 S 波不能通过地核。

地震面波也可分为两种，一种是勒夫波，它的运动方式与 S 波基本相同，但岩体在水平方向上作剪切运动。这种水平震动的结果对建筑物带来影响。破坏建筑物的地基。另一种面波是瑞雷波，当波行进时，岩体在垂直平面内作椭圆运动。面波的传播速度比体波慢得多。

相对于无限小应变和地震波频率，地球可被看成一具有高度弹性的物体，胡克定理可较好地用于建立地震波的传播理论。

地震活动性（seismicity） 一个区域或地带有历史记载以来地震活动的频繁和强弱程度。常用发生地震的次数和强度来表示。研究内容有：地震活动的地理分布、区域特性及分布图像。地震活动的地理分布可用震中分布图来表示。大地震密集的狭长地带称为地震带，它与一定的地质构造相联系。地震带内的地震活动在时间分布上是不均匀的，其重复出现时间不等，从几十年到几百年乃至千年以上。地震活动方式可分为单发式和连发式两种，前者表现为以一次巨大地震和若干次中小地震来释放带内所积聚的能量。后者则以在一定时间内多次大地震来释放能量。地震活动的区域特性可用震级一频度（一定时间内发生地震的次数）的经验公式来描述。地震活动性的强弱也可用单位时间内单位面积所放出的地震波能量来表示。地震活动的分布图像主要是指大地震前后地震活动的时间分布和空间分布。时间分布可用震级、频度和能量分别与时间的关系图表示，以估计未来地震的时间发展趋势。空间分布是地震带的分布图像，可用来预测未来的大地震震中的可能分布地点，它与某区域密集发生的中、小地震带的分布图像有关，例如可能发生在活动带的空段，也可能发生在两条带的交叉点附近等。这些地震活动图像与地质构造环境有关，一定程度上能反映区域构造应力作用过程。分布图像的变化趋势可为地震预报提供信息。地震学（seismology） 研究大地震动的一门学科。天然地震是地震

学的重要研究对象之一。地震学还研究对地震灾害的预测和预防，并利用地震波研究地球的内部情况。地震是一种自然灾害。从地震发生前后的宏观现象来研究其本质，探索地震的成因，是长期来人们一直沿用的研究方法。我国是世界上最早有地震的文字记载并对它进行研究的国家，其历史可追溯到周朝。东汉的张衡于公元 132 年发明了世界上可测震中方位的第一台仪器——候风地动仪，在地震学史上作出了重大贡献。

地震在全球的分布是不均匀的，地震区的震中常呈带状分布，目前已知的全球性的地震带有三个：①环太平洋地震带；②阿尔卑斯地震带；③ 各大洋的海岭带。当前比较重要的地震成因假说有断层成因说、相变成因说和岩浆冲击成因说，其中以断层成因说最为人们所重视。震源机制是地震学的一个重要研究内容，主要涉及地震断层（震源）的几何参数和物理

参数。震源的几何参数和物理参数都是地震力学性质的描述，它为人们认识地震从而预测和预报地震提供了一定的依据。地震学的另一重要研究内容是地震波的传播理论。当地震发生时，从震源辐射出各种类型的波，这些波有的在地球内部传播（体波，包括纵波、横波），有的在地球表面传播（面波）。通过它们在地球介质中的传播特征，可以了解地球内部的结构和性质。

研究地震的成因、震源机制和地震波的传播，是为了有效地预测和预报地震。地震不是一个孤立的现象，它是一个物理过程中的特定事件，可以选择某些事件作为前兆来预测地震。目前常用的测震方法是利用现在和以前地震的观测来预测将来的地震，也叫以震测震。利用地震仪记录地震波，分析大小地震的时空分布、大小地震的关系、地震波速的变化、地震图上任何特殊信号等，目的是寻找大地震将要到来的标志。地震预报是人类迫切需要解决的问题，我国政府十分重视这项工作，于 1971 年成立了国

家地震局，专门负责地震研究和地震预报。我国曾成功地预报了 7.4 级的海城地震，地震预报工作在世界上处于领先地位。目前国际上对地震预报的成功率仍很低，我国的成功预报也有一定的偶然性。就是说，目前对地震本质的认识还没有实质性进展，仍然处于积累资料和经验的发展阶段。地震预报（earthquake prediction） 通过研究地震规律、观测地

震前兆来预测预报地震发生的时间、地点及震级的工作。

地震的前兆现象很多，但产生这些前兆现象的原因也很复杂，必须从地震、地质、地球物理、地球化学、天文气象等各方面进行精确的观测和深入的综合研究，揭示这些现象的本质和与地震的关系，获得预报地震的可靠依据。目前作为地震预报预测的地震前兆观测有：地应力测量、地倾斜测量、地形变测量、断层位移测量、地下水观测、地球物理场观测、生物异常观测、微震观测、地声观测、地温观测以及地球自转速度不均匀性的地极移动、天文和气象异常的研究等。此外，P 波和 S 波两类地震波通过未来地震震源区域时传播速度的相对变化也是常被观测的前兆现象之一。通常 P 波速度比 S 波速度大，约为 1.75 倍，但当两种波通过即将发生地震的区域传播时，可以观测到 P 波比它的正常传播速度慢，只比 S 波快

1. 倍。这一异常变化持续一段时间后会恢复到正常，而且不久地震就发生了。前兆持续的时间越长，地震越大。

地震预报内容的三要素是指地震发生的地点、时间以及地震的震级。根据预报时间的不同，地震预报可分为长期预报、中期预报、短期预报和临震预报，它们分别相应于预报若干年内，一二年或几个月，几个月或几天，以及几天或几小时内的地震情况。

点电荷（point charge） 不考虑线度以及电荷分布情况，认为电荷集中于一点的带电体。点电荷只是为了简化某些问题的讨论而引进的一种理想化模型。例如在研究带电体之间的相互作用时，若带电体本身的线度远小于它们之间的距离，便可把它们作为点电荷处理。有限体积中分布的电荷在很远处的电场可近似为点电荷的电场。

两个静止的点电荷 q1 和 q2 之间的相互作用力 F，可以由库仑定律表

示：F = K q 1q2 ，式中r为两点电荷之间的距离，K = 1

，其中ε为介

r 2

质的电容率，力的方向在两点电荷的连线上。

4πε

静止点电荷在空间某点处的电场强度 E 与它的电量 q 成正比，而与该点离点电荷的距离 r 的平方成反比，其间的定量关系

为：E = K q

r 2

，电场的方向沿着以点电荷为中心的径向方向，其指向决

定于电荷的符号，若点电荷 q 为正，电场沿着径向方向；若点电荷 q 为负， 则逆着径向方向。

取无穷远处的电势为零，则点电荷所激发的电场中离点电荷距离 r 处的电势为：

U = K q 。

r

外电场 E 中点电荷 q 受到的电场力为 F=qE，可见正点电荷所受力的方向与外电场方向一致；负点电荷所受力的方向与外电场方向相反。外电场中点电荷所具有的势能为 W=qU，其中 U 为点电荷所在处外电场的电势。

对于点电荷的场以及点电荷在外场中受力情况的研究，为人们处理有限分布电荷的场及其在外场中受力情况这类问题提供了有效途径。例如， 为了计算连续分布电荷的场，可先将它分割为无穷多个“电荷元”，而每个“电荷元”可看作点电荷，然后利用场的叠加原理对各“电荷元”所激发的场求和（积分），便可得到有限分布电荷所激发的电场。

典型的国外中学物理教程 （ some influential school physics courses in the world） 在 20 世纪中后期，由美、英等国开创的科学课程改革运动中，对各国物理教学改革起过引导和推动作用，具有较广泛影响的革新物理教材和目前仍广泛使用的传统物理教材。它们是：

1. 《PSSC 物理》（Physical ScienceStudy Committee Physics）（ 中译本书名《物理》，科学出版社，1978 年出版）。

这套教材是 50 年代末起始的美国科学教育改革运动的产物，它的编写指导思想是布鲁纳的“学科结构论”。1960 年由“物理教学研究会”组织编写的《PSSC 物理》第一版问世。这套教材包括课本、实验教材、教师参考书、标准测试题和一套教学影片。这套革新教材的出版，带动了化学和生物教材的改革；在国际上也产生了很大的影响。

《PSSC 物理》的知识内容和体系与传统教材都有很大区别。传统教材中的静力学、流体力学、声学、热学以及电路的知识，都被删去了，而增加了大量的跟学习近代物理有关的基础知识，如时空概念及其测量，数据的处理方法，物质的结构，电荷在电场中的能量和运动，光子和物质波， 原子的能级和原子光谱的知识。对动量守恒和能量守恒等基本定律，也比传统教材讨论得深入，并介绍了它们在近代物理中的重要意义。教材既重视实验，又重视理论，使学生了解物理学家怎样根据实验现象，经过理论研究，得出物理规律。全书较充分地反映了物理学研究中实验、科学的逻辑思维和数学方法三者的紧密结合，是一套较鲜明体现物理学学科结构的典型教材。《PSSC 物理》虽然在更新教材内容和推进物理教材改革方面起了较显著的作用，但它的目标是培养科学家。由于教材过份重视物理理论知识体系和科学思维方式，因此仅适合数学基础和科学思维能力强的优秀学生，选学选教者甚少，难以推广。

1. 《HPP 物理》（Harvard Project Physics）（中译本书名《中学物理教程》，文化教育出版社，1980～1987 年出版）。

这套教材是继 PSSC 教材后，为多数学生设计的一套物理课程。目的是尽量引起大部分学生学习物理的兴趣。这套教材包括课本和手册、学生读物、教学参考书、程序教学指导书、补充读物、电影循环片、幻灯片、实验设备等。课本和手册共 6 册。它与只讲物理知识本身的传统窄条式课程结构模式不同，《HPP 物理》纵向按物理学发展过程的线索展开，横向按物理学与技术、社会以及其他学科的联系展开。全书的特点是，不仅要使学生获得物理学基本概念和规律的知识，而且使学生了解科学是人类文化发展的重要部分，学习科学知识的必要性不仅在于科学知识本身的意义， 而且在于这些知识是了解现代社会所面临的问题，如环境问题、能源问题等所必需的。本书注意从物理学史的角度阐明科学进步和技术的关系，以及它们对社会发展的关系。书中应用的数学知识相对较少，注意讲述物理学与其它科学的关系。例如，书中谈到了物理学跟数学、化学、哲学以及文学之间的联系和相互影响，这些问题所占的篇幅达全书的 10%。由于《HPP 物理》的人文化特色以及对严密的科学逻辑思维训练要求较低，特别适宜于不致力于科研的一般学生学习物理的需要，该书采用的面远较《PSSC 物理》广。《HPP 物理》鲜明的人文化特色和新颖的教材风格，使它成为继

《PSSC 物理》之后，又一套在世界范围内有广泛影响的中学物理教材。3．《纳菲尔德中学物理教程》（Naffield Physics Project）。

这是一套英国的物理革新教材。其中物理教程包括普通级（O-level） 和高级（A-level）两种。1966 年出版了普通级物理教材。这套教材删除了传统教材中的许多内容，增加了新内容，突出实验的作用，采用通过实验引入概念和得出规律的问题式教学法。1977 年出版了修订版课本，主张让学生在教科书和教师的指导下，通过实验和观察，进行探索式的学习， 从而达到真正理解知识和培养能力的目的。这套课本不是完全按照知识体系编写的，而是按照学生的认识过程，把演示、学生实验、问题和叙述互相结合，由浅入深地引导学生去观察、思考，进而认识规律，体现有指导的探索式学习。

纳菲尔德高级（A-level）物理教材是 1970 年出版的，供中学的预科班使用。教材内容的选择突出了三个方面：电磁波的特性、从统计学观点来阐述热力学第一定律以及量子力学的基本观念。教材结构由三条主线构成：原子和物质的组成、对运动和变化的研究方法、场的理论的出现和发展。安排课程内容时还注意了科学知识的实际应用，如电子学在技术中的应用等。这套课程的设计思想是培养学生具有基本和扎实的科学工作素养和独立工作的能力。A 级教程于 1985 年出版了修订版，修订版课本的每个单元包括正文、总结、阅读、实验指导、家庭实验、问题，在正文叙述的各部分注明相应的演示、学生实验、不同类型的问题、阅读等。通过这种教材体例把学生的各种学习活动组织起来，使课本既起到知识载体又起到学习指导的作用。纳菲尔德物理教程注重学生的实验探索和科学思维能力的培养，仅适合程度较好的学生使用。

1. 《探索物理知识》（汤姆·邓肯，文化教育出版社 1980 年出版） 。这是一套在英国使用较普遍的普通级（O—level）物理教材。供中学

前五年的学生（11～16 岁）使用。原书于 1968 年出第一版，全书分五册。与传统的物理教材不同，这套教材的内容并不按力、热、声、光、电、磁、原子这种传统的物理知识的逻辑体系展开，而是按学生认知水平的发展来

编排，教学内容逐年加深。教材以大量演示实验和学生实验为基础。并穿插了许多问题，引导学生动手动脑学物理。这套教材另一特色是知识面广、图片和感性材料丰富，涉及日常生活和技术中的各种物理现象及物理知识的广泛应用，对运用数学工具和科学逻辑思维的要求不高，所以是一套适合力多数一般程度学生使用的革新教材。

1. 《物理学》（Modern Physics）（上海教育出版社 1976 年第一版，

1978 年新一版。）

此书是美国典型的传统中学物理教本。1922 年第一版，后来在 1964、1968、1972、1976、1980 年再版是现代中学物理教材的模本。此书一直沿用至今，而且使用面仍较广。多次出了修订版，新增加了近代物理的内容。教材内容按力、热、声、光、电、磁、原子这种物理知识的逻辑体系展开， 光学首先建立在光子和波的模型基础之上，然后再学习几何光学。内容充实、知识覆盖面广、叙述细密，是这本书的主要特点。全书几乎覆盖了基础物理所有主要的知识，并介绍了大量有关技术应用的辅助知识。教材以知识阐述为基础，没有安排实验和演示。教材对学生科学思维能力的要求一般，介绍了较多的物理学家，但未讨论物理学及其思想方法的发展。

电（electricity） 物质的一种基本属性。人们对电现象的研究有悠久的历史，古代就观察到摩擦起电现象，后来又观察到感应起电现象。16 世纪末以后的两个世纪中，人们发明了各种电学仪器，如起电机、莱顿瓶、验电器等，并利用这些仪器对电进行定性研究。18 世纪中叶，美国物理学家富兰克林发现有两种电，或者说两种电荷，分别称它们为“阳电荷” 和“阴电荷”，即现在通常所说的正电荷和负电荷。实验还发现同种电荷相斥，异种电荷相吸。

现代科学指出，从物质的原子结构层次上来说，一切物体都是由原子构成的，原子则是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。通常原子中的正负电荷的量相等，所以整个物体呈电中性。如果它们由于某种原因（如摩擦、受热、化学变化、强光或射线照射等）而失去电子就带正电，获得电子则带负电。宏观现象中物体的起电过程就是物质原子中核外电子的转移过程。电荷是基本粒子的一种固有属性，从物质结构的基本粒子层次上来说，自然界中的一切电现象都来源于这个属性。大量的精确实验已证实， 一切基本粒子所带的电荷严格地等于某一基本电荷的整数倍，基本电荷为e=1.6021892×10-19 库仑。既然电荷是物质的固有属性，因此电荷既不能创生，也不能消灭，只能从一处转移到另一处，这个结论可以通过电荷守恒定律来描述。

电荷周围存在电场，匀速运动时还有磁场，变速运动时则会产生电磁场或电磁波。可见电现象和磁现象密切有关，它们是统一的电磁现象的两种特殊形式。随着人们对电的性质及其运动规律的深入了解，它已被广泛地应用于生产、生活和科学研究领域中。

电报（telegraph） 用有线电、无线电、光学或其他电磁系统传输书面消息的电信方式。收报局把书面材料投递给收报人。一般又称被发送的和复制出的文件性材料为电报。电报多年来一直是一种重要的通信方式，直到 20 世纪 70 年代，电报仍然是一种主要的远距离通信系统。

1835 年，美国人莫尔斯创制了莫尔斯电码。1838 年发明了发报机和收

报机。1844 年 5 月 24 日在刚建成的巴尔的摩至华盛顿的全长 60 公里的第

一条架空电报线路上，用莫尔斯电码发出了人类有史以来第一份正式电报。这种用电线传递的电报，就是有线电报。后来，随着无线电的发明， 又研究成无线电报，使电报通讯向前迈了一大步。

不管是明码电报或是密码电报，组成电报的最基本符号就是两个信号，即短的（·）和长的（—）脉冲。这两个信号构成的不同的组合，可以表示不同的外文字母和 0～9 的数字。在中文电码中，先用（·）和（—） 不同组合表示 0～9 数字，再用数字的组合表示出一个汉字。而（·）和（—） 的不同组合方式就构成了不同的码，如下图所示。所谓密码就是指它们的组合方式是特定的、保密的。如果不知电码的结构就无法将电文译

■我国电码和莫尔斯电码图

电报经一百多年的使用和改进，有了较大的发展。1924～1928 年间电传打字机问世并得到广泛应用，使收报自动化，现在打印字数达每分钟 100 多字；敷设了大量海底电缆将各大洲各国都连接起来，并不断扩展了一条线路上通电报的路数，使线路效率提高；1850 年贝克韦尔发明传真电报， 到 1934 年又出现了不怕长时间曝光的干式记录纸，使传真得到实用和发展；计算机和磁存储器的应用，使电报自动交换技术也得到更大的发展。

电场（electricfield） 电荷或变化的磁场周围空间存在的一种特殊形态的物质。电场的基本特性是静止电荷置于电场中将受到力的作用。电场就是传递电荷之间相互作用的媒介物。静止电荷产生的电场称为静电场（又叫库仑场），它不随时间变化。电场中的电力线是不闭合的，由正电荷出发，终止于负电荷；这种场可引进电势概念，因而称为“有势场”。变化的磁场产生变化的电场，称为感应电场（变化的电场又产生变化的磁场，形成统一的电磁场或称电磁波）。感应电场随时间变化，电场中的电力线是闭合曲线，是一种“非势场”，一般不能引进电势概念。

历史上，围绕电的传输问题有过长期的争论。一种看法认为，电荷对电荷的作用无需经过中间物质传递，这就是所谓超距作用观点；另一种看法是，一电荷对另一电荷的作用是通过某种中间媒介物传递的，这就是近距作用的观点。近代物理学的发展表明，超距作用是错误的，近距作用是正确的。

电场能量（energy of electric field） 电场所具有的能量。电荷与电场常常是相伴存在的。科学实践证明电场是一种特殊形态的物质，电能储存在电场中。单位体积中的电场能量称为电场能量密度ωe 其值为

ω = 1 ε ε

E ²。

e 2 r 0

式中ε0 为真空介电常数，εr 为介质的相对介电常数，E 为该处的电场强度。可见，电场中各点能量密度ωe 正比于各该点电场强度 E 的平方。在不均匀电场中，体积 V 内的电场总能量 W 为

W = ω

dV =

1 ε ε

E²dV。

∫ V e

∫ V 2 r 0

对于带电体的总能量，积分应遍及带电体激发电场的所有空间。

电场强度（electricfield strenght） 表示电场强弱和方向的物理量。电场中某一点的电场强度 E 定义为放在该点的试探电荷（体积和电

量都充分小的正电荷）q所受电场力F与其电荷量的比值，即E = F 。

q

电场强度的单位是牛顿/库仑或伏/米。电场强度是矢量，其方向为正电荷受力的方向。对场中确定的点，电场强度与试探电荷无关，仅由电场本身性质决定。一般来讲，电场中空间各点的场强大小和方向都不相同，也就是说电场强度是空间位置的函数。整个电场强度的空间分布描述了电场的性质。若空间各点的场强大小和方向均相同，则称为匀强电场（或均匀电场）。电场强度遵守场的叠加原理，即空间总的电场强度等于各电场单独存在时场强的矢量和。

带电体 q 在电场 E 中所受的电场力 F 可由 F=qE 求得。可见正电荷所受电场力的方向与电场方向一致（顺着电场方向），负电荷所受电场力的方向与电场方向相反（逆着电场方向）。电场力的大小不仅与该点场强的大小有关，而且还与带电体本身电荷量的大小有关。

电场线（electric fieldline） 又称“电力线”，形象描述电场强弱和方向的假想的系列曲线。电场线上各点的切线方向与该点的电场方向一致；电场线的疏密程度，与该点处的电场强弱成正比。

在静电场中，电场线有如下性质：①电场线发自正电荷（或无限远）， 终于负电荷（或无限远），不存在电荷的空间各点处电场线是不间断的连续曲线；②电场线不构成闭合曲线，或电场线上各点的电势沿电场线方向不断减小；③在没有点电荷的空间，由于电场中每一点只有一个场强方向， 所以任意两条电场线不可能相交。

在变化磁场所激发的电场中，电场线呈闭合曲线，上述的前两个性质不复成立，但第三个性质仍然成立。

电池（battery） 将化学能、光能、热能、核能等形式的能量不经过中间机械转换过程而直接转换为电能的装置。如化学电池、太阳电池、温差电池、核电池等。目前日常应用最多的是化学电池，即将化学能直接转换成电能的装置。历史上，最早的化学电池是伏打电堆，由意大利人伏特于 1800 年发明。最早的铅蓄电池是法国人普兰特于 1859 年发明的。以后 1868 年法国人勒克朗谢发明锌锰电池，1899 年瑞典人荣格发明铁镍蓄电池。近代电子工业和航天工业的发展，促进了新型高能量电池的研制。1941 年法国人安德烈制成高能量锌银蓄电池。1958 年英国人培根制成高功率氢氧燃料电池，后来成功地应用在美国“阿波罗”号登月飞船中。70 年代前半期，美、法、日等国研制成各种高能量锂电池，并投入使用。

在化学电池中，通过电池内部的氧化和还原等化学反应过程实现化学能转变为电能。这种反应分别在两个电极上进行，如右图所示。负极活性物质由电位较负并在电解质中是稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等

■电池中化学反应原理图

活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中是稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物， 氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液，熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差（即开路电压）， 但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时， 在两极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解

质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。

电池的一个重要性能参数是电动势，电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时电池内非静电力（化学力）所作的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池大小无关。如锰锌干电池的电动势约为

1.56 伏。电池的另一个重要性能参数是内阻，它与电池的电极面积和电解质的性质有关，电极面积越大，内阻越小；电池用久后，电解质等导电性能下降，其内阻变大。电池的容量也是电池的一个性能参数。它表征电池所能输出的总电荷量，通常用安培小时作单位。

实用的化学电池可以分成两个基本类型：原电池和蓄电池。原电池制成后即可产生电流，但在放电完毕后即被废弃。蓄电池又称为二次电池， 使用前须先进行充电，充电后可放电使用。放电完毕后又可再充电，如此多次重复使用。

电磁波（electromagnetic wave） 在空间传播的交变电磁场。它是由电荷的加速运动或振荡引起的电磁场扰动向四周传播而形成的。它在真空中的传播速度为 30 万公里/秒。1865 年英国物理学家麦克斯韦从理论上预言电磁波的存在。1888 年德国物理学理赫兹首先用实验证实电磁波的存在。他还从电磁波的传播规律确定电磁波和光波一样，具有反射、折射和偏振等性质，验证了麦克斯韦关于光是一种电磁波的理论。电磁波一般通过天线发射，天线的分布电感和分布电容构成了开放型的 LC 振荡电

路。电磁波的频率为f = 。由于电磁场是物质存在的一种形式，

它具有能量和动量，所以电磁波的传播伴随着电磁能量和电磁动量的传递。天线在单位时间内辐射电磁波的能量与频率的四次方成正比。频率越高，辐射效率越高。

电磁振荡能够在空间传播，是由于：①变化的磁场激发涡旋电场；② 变化的电场激发涡旋磁场。交变的涡旋电场和涡旋磁场相互激发，闭合的电力线和磁力线就像链条的环节一样，一个个地套连下去，在空间传播开来，形成电磁波。图 1 为电磁振荡在某一直线上传播过程的示意图，并非真实的电力线和磁力线的分布图。实际上电磁振荡是沿各个不同方向传播的。

电磁波在形式上与机械波十分相似，同样可用频率、波长、波速和振幅等来描述，但在本质上完全不同。机械波是一种物质运动的传播，它的传播依赖媒质，只

■图 1 电磁振荡的传播机制示意图

能在弹性介质中传播；电磁波则是一种运动的物质，在真空中以光速c 传播，电磁波在介质中的传播速度小于光度 c，它不能穿透金属。在机械波通过的地方，是介质中各点的位移在作周期性的变化；而在电磁波通过的地方，却是空间各点的电场强度和磁感应强度在作周期性的变化。由于各点的电场强度和磁感应强度的方向总是互相垂直的，并且都和电磁波的传播方向垂直，如图 2 所示，因此电磁波是横波。电磁波的波长、波速和频率间有关系：c=fλ。频率越高，波长越短。

■图 2 电磁波传播示意图

电磁波的波长范围极广，波长不同，其呈现的形式也不同。其中光波是波长极短的电磁波，而无线电波，则波长较长。电磁波的分类见表 1。在无线电技术中应用的电磁波叫做无线电波，其波长范围是从几毫米到三千米以上，可划分为几个波段。各无线电波的波段不同，其性质和用途也不同。表 2 列出了各波段的无线电波的主要用途。

表 1 电磁波的分类

表 2 无线电波的波段表

无线电波的传播形式主要有天波、地波（表面波）和空间波三种。天波系指受到天空电离层反射或折射后返回地面的无线电波。由于电离层经常变化，故天波传播不够稳定，但传播距离远。地波又称表面波，系指沿着地表面传播的无线电波。地波在传播过程中由于部分能量被大地吸收而逐渐减弱，波长越短，衰减越快，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，故可靠性高。空间波又称直射波，它是从发射点经过空间直线传播到接收点的无线电波。电视台发射的电磁波主要靠空间波传送到各家各户， 因此电视天线越高，播送范围越广。

电磁波在输电线中电能的传输过程中起着重要的作用。导线中存在电流时，电荷运动所激发的磁场和沿导线的电位变化所产生的电场在导体周围形成电磁场，该电磁场的传播方向沿导线方向，正由于这电磁场的存在和传播，使电能从一端输送至另一端。因此电能传输的速度就是电磁波的传播速度。

电磁场（electromagneticfield） 物理场的一种。

相互依存的电场和磁场的总称。随时间变化的电场激发磁场，磁场随时间变化时又激发电场，二者互为因果，形成统一的电磁场。变化的电场可由变速运动的带电粒子所引起，强弱变化的电流则会产生变化的磁场。按照麦克斯韦电磁场理论，一旦某处的电场或磁场有变化，不论由于

什么原因，这种变化都不会局限于该处，而总会以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是极为广泛的一种物质存在，它同样具有质量、动量和能量。现代理论认为，和实物物质一样，电磁场也是由基本粒子构成的，构成电磁场的基本粒子称为光子。

电磁场能量（electromagnetic energy） 简称“电磁能”。电磁场所具有的能量。某点处单位体积内的电磁能量称为该点处的电磁能量密度，常用符号ω表示，即

ω = 1 （D·E + H·B）。2

除在各向异性介质中外，一般有 D=εE，B=μH，故上式也可表为

ω = 1 （εE ² + μH ²） = 1 （D ² / ε + B² / μ），

2 2

式中ε和μ分别为介质的介电系数和磁导率间中体积 V 内的电磁能量

为

W = ∫ V

ωdV =

1 (D·E + H·B)dV。

2

能量是电磁场的物质属性之一。

电磁场强度张量（electromagnetic-field strengh tensor） 麦克斯韦电磁理论与狭义相对论是完全一致的。在狭义相对论中可引入四维空间的概念，它是一维时间和三维空间所构成的总体，以充分反映相对论中时间和空间的密切联系。引进四维空间和四维坐标系后，一切物理量可按四维标量、四维矢量（有 4 个分量）和四维张量（有 16 个分量）等来分类

（参见四维空间）。在这种四维形式中，电场强度 E 的三个分量和磁场强度 B 的三个分量均属于同一张量的不同分量，这个张量便称为电磁场强度张量，常用符号 Fμv 表示（μ，υ取 0，1，2，3）。其 16 个分量可用如下方阵表示：

0 − E₁ / C

• E2 / C

− E₃ / C

[Fμv ] = E1 / C 0

• B3

B2 

E / C 0 0 − B 

 2 1 

−E3 / C 0 B1 0 

洛伦兹变换可表示为四维时空坐标的转动变换，同一物理量的不同分量在洛伦兹变换下可互相转换。因此对于一个惯性系来说是电场分量，则对于另一惯性系来说可能转化为磁场分量；反之亦然。可见，把电磁场区分为电场部份和磁场部份是相对的。

电磁打点器（electromagnetic timer） 准确度较高而构造又比较简单的一种计时仪器。准确度取决于交流电频率的稳定度和电磁打点器本身的机械特性。在短时间内使用（不超过几十秒钟），由于排除了电源的稳定度，由机械特性限制只能取三至四位有效数字。例如打点器在纸带上打出的两个点之间的时间间隔为电源频率的倒数，若 f=50.0Hz，则时间间隔为 0.0200 秒，即 20.0 毫秒，或者写成：20.0ms。这对于中学物理实验

的误差已满足要求。如果要更高准确度

■电磁打点器

1—复写纸调节片 2—打点钉 3—振动片

4—备用孔 5—底座 6—接线柱 7—线圈

8—极靴 9—磁钢 10—纸带限位板

的计时仪器，可用晶体振荡器产生的频率，其准确度和稳定度可使有效数字增加到六位以上。

电磁打点器的结构如图所示。主要有线圈、振动片、打点钉、磁钢、纸带限位板、复写纸定位调节片及底座等部件。其原理是线圈通以交变电流产生交变磁场，使振动片振动，磁钢组成的磁路起阻尼作用，在振幅太大时，阻尼作用很强，可以使振幅得以控制，提高机械振动片的工作频率， 又不降低振动幅度。机械振动系统的固有频率在磁路作用下应尽量与电源频率一致，使打点器的工作处于较好的状态。

注意，线圈的工作电压为 2.0 伏特，千万不要直接与 220 伏交流电源连接，以免烧毁打点器的线圈。

电磁感应（electromagneticinduction） 通过闭合回路的磁通量发生变化而产生电动势的现象。由英国物理学家法拉第于 1831 年首先发现。这种电动势称为感应电动势，由此在导体中产生的电流称为感应电流。根据磁通量发生变化的不同原因，感应电动势又可分为动生电动势和感生电动势。前者是由于导体在磁场中运动，切割磁场线而产生的，可用导体中的自由电子受到洛伦兹力的作用来解释。后者则是由于磁场发生变化而产生的，即变化的磁场能够产生电场。

电磁感应现象是继奥斯特发现电流磁效应以后电磁学领域内的又一个重大发现。它进一步揭示了电现象和磁现象之间的紧密联系，也为后来麦克斯韦电磁理论的形成准备了条件，并且是麦克斯韦方程组的主要依据之一。

电磁感应现象是电磁学的重要内容之一，在电工、无线电等众多工程技术中有极为广泛的应用，例如发电机、电动机、变压器等许多设备都是以这一现象为依据而设计制造的。

电磁感应的发现（discoveryofelectromagnetic induction） 19 世纪物理学史上的一项重大科学发现，深刻揭示了电与磁之间的相互联系与转化。

法拉第的工作 1820 年奥斯特发现电流的磁效应，使正在皇家实验室工作的法拉第深受震惊，他想“既然电流能产生磁，那么反过来，磁能不能产生电流呢？”法拉第紧紧抓住自己这个新奇的独特的思想，在日记本上写下了这样的警句：“由磁产生电！”下定决心搞清楚电与磁之间的关系，开始了扎扎实实的实验工作。

可是实验探索的道路从来是曲折的。从 1821 年起，虽然实验一再失

败，但法拉第并没有就此止步，而是继续顽强地探索，经过整整 10 年艰巨

卓绝的努力，终于在 1831 年获得成功。

1831 年，在电磁学发展史上是极为珍贵的年头。该年 8 月，法拉第在实验探索中，用一只软铁环绕上两组线圈 A 和 B，线圈 B 与一只电流计相连。当线圈 A 与一电池组相连时，电流计的指针便偏转，然后又回到原来位置；当线圈 A 与电池组断开时，指针又偏转一下，然后又回到原来位置。

法拉第并没有立刻完全领悟到这一现象的重要意义，但已开始意识到这是一种暂态效应。9 月，法拉第又将两根条形磁铁放置着，并将一个绕上螺旋线圈的铁质圆柱体放在 N 与 S 极间，线圈与一只电流计用导线相连接。他观察到每当铁质圆柱体脱离或接触两极时，电流计的指针发生短暂的扰动。他意识到这一效应和在 8 月份所做实验显示的效应相类似，都不是稳恒的，而是暂态的。在取得初步成果的面前，法拉第并没有停步。他懂得在静电学中的感应现象取决于导体的接近或远离，而电流的闭合和断开相应于电流的接近或远离。但是法拉第认为，必须用导体的运动来得到感应电流。于是在该年 10 月，他把磁棒插入和抽出线圈时，观察到线圈中产生

了感应电流。此刻的法拉第已完全忘掉了近 10 年来无数次失败带给他的痛苦。他深信无疑，这几次实验在安排上尽管不同，但结果都显示了由磁可以生电。

1831 年 11 月 24 日，法拉第向英国皇家学会宣读了他发现电磁感应的论文（《电学的实验研究》第一辑）。该论文在列举了十几个电磁感应实验后，把可以产生感应电流的情况概括为五类：①变化着的电流，②变化着的磁场，③运动的稳恒电流，④运动的磁铁，⑤在磁场中运动的导体。他还把电磁感应同静电感应类比，但指出电磁感应与静电感应不同，感应电流不是与原电流成正比，而是与原电流的变化有关。

同时代人的工作 有关电磁感应问题，值得指出的是，当时并非只有法拉第在进行探索，而是有相当多的物理学家在这个问题上从事研究。奥斯特发现电流的磁效应后，法国的菲涅耳和安培就试图探索磁是否也能产生电，曾经进行过不少实验，但没有取得成功。

瑞士物理学家科莱顿也在 1823 年按照菲涅耳的尝试，企图使一块磁铁在螺线管中移动使导线上产生出感应电流。为了排除磁铁移动对电流计指针的影响，他把电流计放在另一房间内，用长导线把电流计和螺线管连接起来，并在两个房间里跑来跑去进行实验和观察，这样也就无法发现暂态效应。

美国物理学家亨利于 1827 年开始研究电磁现象，他应用安培的理论改进了当时的电磁铁，使它的场强提高了很多。1829 年在实验不同长度的导线的电磁铁的提举力时，意外地发现通电线圈在断开时有强烈的电火花产生。次年暑假，他继续对这一现象进行研究，并于 1832 年发表了题为《在长螺旋线中的电自感》的论文，成为自感现象的第一个发现者。

俄国物理学家楞次在得知法拉第的发现消息后，很快考察了电磁感应的全过程。1832 年，他提出关于磁体突然移近或远离线圈时所产生的作用的研究报告，指出感应电动势与绕组导线的材料和直径无关。1834 年，给出了确定感应电流方向的明确表述。

电磁感应发现的意义 法拉第电磁感应现象的发现，在电磁学发展史上具有划时代的意义。首先它丰富了人类对于电磁现象本质的认识，揭示了电与磁之间相互联系和转化的客观规律。其次它激励人们去深入探索电与磁普遍联系的理论，从而奠定了电磁学发展的基础。第三它在实践上为人类文明特别是电工技术、电子技术、电磁测量等开辟了广泛应用的前途，极大地推动了社会生产力的发展。

电磁驱动（electromagnetic drive） 由于电磁感应而引起的一种驱使导体在磁场中运动的作用。如图，磁铁和金属圆盘都可以绕轴旋转。

如果让磁铁旋转，由于电磁感应，金属盘中将产生涡电流。涡电流所受磁力将反抗相对运动，因而使得圆盘跟随磁铁旋转。由此可见，电磁驱动和电磁阻尼本质上是一致的，都是涡电流反抗导体

■电磁驱动

与磁体间相对运动的机械效应。只是由于相对运动状态不同，表现的作用也不一样。若导体的运动快于磁体，这种机械效应就表现为对导体运动的阻尼作用（或对磁体的驱动作用）；反之，若导体的运动慢于磁体， 则表现为对导体的电磁驱动作用（或对磁体的电磁阻尼作用）。由于电磁驱动是由电磁感应产生的，导体的运动总慢于磁体，或者说两者的运动是异步的。电磁驱动是感应式异步电动机和磁式转速计的基本设计原理。前者是利用三相交流电造成磁场的旋转，从而驱动金属转子转动。磁场和转子的转速差是形成电磁驱动的基本条件，所以电机正常运转时转子的转速也要比磁场转速小百分之几。在磁式转速计中，使永磁体和机器的转轴相连，圆盘状金属感应片则与游丝和指针相连。当永磁体随机轴转动时，感应片中涡电流所受到的磁力矩使它转过一定角度，与游丝产生的恢复力矩平衡，

指针也就稳定在与机轴转速相应的刻度上。在感应式继电器中，电磁驱动则通过两个交变磁场对金属片的作用而形成。两个交变磁场的变化方式不同，将造成金属片不同的运动状态。

电磁污染（electromagnetic pollution） 由电磁辐射所引起的对电子和电气设备的干扰及对人类的危害。电磁波充满着整个宏观宇宙及微观世界，人们的生产活动和生活离不开它，然而它同时也给人类和环境带来了污染。

电磁辐射分成天然和人工两类。天然电磁辐射来自自然界，如雷电、太阳光辐射、宇宙射线、地磁辐射和地球热辐射。闪电，瞬间会产生高能量的无线电辐射，会对电气设备、飞机、建筑物等造成干扰和破坏。但更严重的污染是来自人工电磁辐射，各种现代电磁能设施所产生和发射的电磁辐射功率愈来愈大，在一个局部范围内造成了电磁环境污染。人工电磁辐射主要有：①各类放电引起的杂波，如火花放电、弧光放电、辉光放电和电晕放电等；②工频交变电磁场，多数是由大功率输电线引起的电磁感应；③射频电磁辐射，主要产生于高频加热设备、介质干燥设备及无线电广播通讯等。其中以射频电磁辐射对环境的污染最为严重，它的分类见下表。射频辐射会引起干扰危害，直接影响电子设备、仪器仪表的正常工作， 使之信息失误、控制失灵。射频辐射对通讯联络讯号的干扰会引起联络中断与失误。强电磁辐射还能构成对某些武器、弹药的严重威胁，可使电爆管的效应提前或滞后，高频辐射场能使金属器件之间在互相碰撞时打火， 从而引起火药爆炸或燃烧等严重事故。射频电磁场对人体的影响主要是引起中枢神经系统的机能障碍和以交感神经疲乏紧张为主的植物神经紧张失调。

射频电磁波分类表

电磁学（electromagnetism） 研究电、磁和电磁相互作用现象及其规律的物理学分支学科。内容包括静电现象、磁现象、电磁感应、电磁场和电磁辐射等。主要根据库仑定律，电流的磁效应，以及电磁感应等实验事实，以及麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，从而奠定了电磁学的整个理论体系。电工学、无线电电子学、自动控制等许多应用学科均是在电磁学的基础上发展起来的。

电磁学的建立和发展是人类长期实践和思考的产物。人类关于电磁现象的认识甚早，在公元前 585 年，希腊哲学家泰勒斯就记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体以及天然磁矿石吸引铁的现象。我国古代也有类似的记载。春秋战国时期（公元前 770～前 221 年），已有“山上有慈石（即磁石）者，其下有铜金”，“慈石名铁，或引之也”等磁石吸铁的记载。东汉已有指南针（司南勺）。关于静电现象，西汉末年已有关于“■瑁（玳瑁）吸■（细小物体）”的记载；晋朝（公元 3 世纪）还有关于摩擦起电引起放电现象的详细记载，“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声。”不过应当指出，无论是西方还是中国，早期对电和磁的认识都是现象性的；很初步的。

1600 年，英国伊利莎白女王的御医吉伯在他出版的《磁石论》一书中对于磁石的各种基本性质作了系统的定性描述，还对摩擦起电性质作了许多研究。发现不仅琥珀经摩擦后能吸引轻小物体，而且相当多的物质，如金钢石、蓝宝石、硫磺、硬树脂和明矾等经过摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质；他注意到这些物质经摩擦后并不像磁石那样能够指南北，为了表明与磁性的不同，他把琥珀的希腊文字表示这种性质，称为“电的”性质（electric）。他在实验中制作了第一只验电器，它是一根可绕固定中心转动的金属细棒，当摩擦过的琥珀靠近它时，金属细棒可转动指向琥珀。

大约在 1660 年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌擦转动的球体，使之获得电。起电机的发明和改进在静电实验中起了重要作用，促进了 18 世纪对于电的研究。1729 年英国的格雷发现了导体和绝缘体的区别；法国杜费发现电有两种：1745 年荷兰莱顿的穆欣布罗克又发明了电容器的原始形式—莱顿瓶。这项发明为电的进一步研究提供了条件。

1747 年富兰克林用莱顿瓶发现了正电和负电，并提出了电荷守恒定律。他的工作更加丰富了人们对电的认识，认识到莱顿瓶的贮电作用来自玻璃；发现导体的尖端更易于放电等等。他的著名的风筝实验统一了天电和地电。他还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击，在 1754 年首先由狄维施实现。

18 世纪后期，开始了电荷相互作用的定量研究。1766 年，普里斯特利根据带电金属容器内表面没有电荷和对内部不产生电力的实验结果，猜测电力与万有引力有相似的规律，两个电荷之间的作用力与它们之间距离的平方成反比。1769 年罗宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接验证了两个电荷相互作用力和距离平方成反比这个定律。1773 年卡文迪许根据他的导电球壳内表面检测不到电荷的实验的精确

度，推算出电力与距离成反比的方次与 2 相差最多不超过百分之二。他的这一实验是近代精确验证电力定律的原型。可是他的这一结果以及其他重要研究成果直到 1879 年才由麦克斯韦整理公诸于世。1785 年库仑设计了精巧的扭秤实验，直接精确地测定了两个静止点电荷的相互作用力，并发现这种力与他们之间的距离平方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到世界公认，从此对电学研究进入了定量阶段，并使它逐渐发展成为科学的一个分支。

1811 年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电学，发展了静电学的解析理论。

1. 世纪后期电学的另一重要发展是意大利物理学家伏打于 1799 年发明了电池。其装置为由一系列按同样顺序叠合起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板所组成的柱体，称为伏打电堆。它为电学实验提供了持续的电流，扩展了电学实验的范围。后来，人们利用它还发明了许多电学方面的应用，如电解、电弧、电灯及电镀等。

2. 世纪初科学界普遍认为，电和磁是两种独立的作用。但是，丹麦的

自然哲学家奥斯特于 1820 年发现了电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开创了电学研究的新纪元。同年，安培用实验证明了载流螺线管与磁铁的等效生；阿喇果发现钢和铁在电流作用下的磁化现象；毕奥和萨伐尔做了长直载流导线对磁极作用的实验；安培还做了一系列电流相互作用的实验。这些实验不仅使人们认识到电流能够产生磁场以及磁场对电流有作用力等事实，而且开创了电流现象应用的新领域：电磁铁、检流计、电动机、电报和电话等相继发明，并很快进入了实用阶段。

检流计的问世为欧姆发现电路定律提供了条件。1826 年，他在热传导理论的启发下，用实验建立了电路定律。在此基础上，基尔霍夫解决了分支电路问题。

1831 年英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，在实验基础上确立了电磁感应的规律：当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中便产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。1834 年楞次给出了电磁感应时，线圈中感应电流的方向；1845 年诺埃曼建立了表述感应电动势的数学公式。电磁感应的发现为电能的开发和广泛利用提供了崭新的前景。1866 年西门子发明了可供实用的自激发电机；到 19 世纪末实现了电能的远距离输送，电动机在生产和交通运输中得到广泛应用，从而极大地改变了工业生产的面貌。

对电磁现象的广泛研究，使法拉第逐渐形成他特有的场的观念。这个观念为电磁现象的统一理论准备了条件。英国物理学家麦克斯韦在法拉第、诺埃曼、韦伯等物理学家的研究基础上，引入涡旋磁场和位移电流概念，建立了电磁场的普遍方程组。他还根据方程组推论电磁作用以波的形

式传播，电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位和静电单位的比值；并根据该值与光在真空中的传播速度相同，大胆预言光是电磁波。

1888 年赫兹根据电容器放电的振荡性质，设计制作了电磁波源和电磁波检测器，通过实验发现了电磁波，测定了电磁波的传播速度，并观察到电磁波与光波一样具有偏振性质，能够反射、折射和聚焦，从而证实了麦克斯韦理论和预言。从此，麦克斯韦理论逐渐为人们所接受，同时也开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。

目前，电磁学已发展成为经典物理学中相当完善的一个分支。它可以用来说明宏观领域内的各种电磁现象。电磁现象是十分普遍的现象，电磁作用是物质的基本相互作用之一。电磁学已渗透到物理学的各个领域。电磁学理论的日臻完善也促进了电技术的发展。在科学和技术的不断发展中，电磁学的应用必定会找到它更为广阔的前景，同时，它也将更加丰富电磁学内容本身。

《电磁学通论》（A Treatise on Electricity andMagnetism） 英国物理学家麦克斯韦的代表作。1873 年正式出版。麦克斯韦在他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》发表后不久，因身体不好而不得不辞去皇家学院的教授职务，在休养期间，他感到以前自己的许多电磁学论文都是刊登在各种卷帙浩繁的学报或刊物上，逐年累月，会渐渐被人遗忘。而且这些论文太深，学生们一般不敢问津。于是他决定用一种统一的方法， 按照一种统一的思想来总结前辈们——法拉第、库仑、奥斯特、安培、高斯等的电磁学成就和他本人十多年来的研究成果，并给予理论的解释和数学的表述。这种统一的方法就是动力学的方法，这种统一的思想就是法拉第的力线和场的思想。麦克斯韦在困难的条件下，经过 1866～1870 年长达5 年的辛勤努力，终于抱病完成了本书。他在第一版序言中写道：“如果我能用我所写的东西帮助学生理解法拉第的思想和表达方法的话，我将认为它达到了我的一个主要目的——把我读法拉第《研究》所感受的同样喜悦传授给他们。”

麦克斯韦的这个目的达到了。本书共分两大卷，全面系统地总结了前人有关电磁现象的发现，特别是法拉第的研究成果和法拉第关于力线和场的思想；创造性地推导出全面反映电磁规律的麦克斯韦方程组；预言电磁波的存在并阐明了其本质；创立了电磁波的传输模型；提出了光的电磁理论。麦克斯韦将自己提出的这一完整理论称为“电磁场理论”。该书既是电磁学这门学科中出现的一部崭新的科学著作，又是一部极其优秀的电磁学教科书，而该书也就成了集古今电磁现象和理论之大成的具有划时代意义的伟大著作。

电磁灶（electromagnetic pan） 应用高频感应加热原理的一种厨房炊具。为日本人所发明，70 年代末始见于市场。主要结构为高频转换装置、感应线圈和平底铁磁锅。感应线圈上方设置有一块搁置铁磁锅的平板， 由耐高温、耐冲击、又不隔离高频电磁场的陶瓷（微晶玻璃）制成。还附设有控制系统、保护电路等。市电经转换装置转换成高频交流电后通过感应线圈，线圈形成的高频交变电磁场作用于磁铁材料制作的平底锅，锅体内便产生涡电流。涡电流的焦耳热使锅体温度升高，以用于烹饪。其优点主要是锅体本身生热，不需要中介传热，故热效率比普通电炉、煤气炉等都高；工作时无明火，也没有明火加热的烟气，清洁卫生，比较安全；而

且电磁结构易于控制，可在 50～200℃范围内随意调节烹饪温度。其缺点是总有一定能量的电磁波泄漏。患有某些疾病者，特别是使用心脏起搏器等电磁医疗器械的人不宜使用电磁灶；能产生涡流的铁磁性物体，如铁质刀、叉、汤匙等均不能放在灶台上；另外，戴手表者也不应过分接近工作中的灶台。

电磁阻尼（electromagneticdamping） 由于电磁感应而引起的一种阻碍导体在磁场中运动的作用。如图，把一铜片悬挂在电磁铁的两极间， 形成一个摆。电磁铁未通电时，自由摆动的铜片会经过相当长时间才停下。当电磁铁线圈通电后，空间存在不均匀磁场，摆动铜片中即出现涡电流。由楞次定律分析可知，涡电流所受磁力总是反抗相对运动的，即产生阻尼作用，使铜片的摆动迅速停止。用永磁体代替上述电磁铁，或者让铜片在磁场中转动，也都会产生电磁阻尼作用。在电磁仪表中，利用这一原理使指针较快地稳定在所指刻度上。在电度表中，利用电磁阻尼以稳定转动线圈的转速。电气火车中所使用的电磁制动装置也是根据这一原理设计的。相反，在某些电磁机械中，则应采取适当措施，如在金属片上划缝等，以尽量避免或减小电磁阻尼。

■电磁阴尼

电的流体说（fluid theory of electricity） 一种关于电的本性的学说。18 世纪 20 年代以后，电普遍地被认为是可以在导体中流动，能够从一个物体传到另一个物体的流动物质，人们开始把它称为电流体。此后出现了两种电的流体说。迪费于 1733 年，西默于 1759 年先后提出了电二元流体说，认为两种相反的电流体既能共存，也能相互独立。当两种电流体等量地共存于一个物体中时，那个物体不显电性，即处于普通物体的状态：当两种电流体相互独立时，物体就显示出某一种电性。在此期间，瓦特孙于 1745 年，富兰克林于 1747 年，爱宾努斯于 1759 年，先后提出了电一元流体说，主张电具有单质性，当电流体在物体中富集时物体带正电， 电流体从物体上散失后物体带负电。电二元流体说的作用是导出了“同性相斥，异性相吸”的原理；而电一元流体说的积极成果是发现了电荷守恒定律和静电感应原理。然而电流体的概念于 1837 年被法拉第的工作所扬弃。法拉第在创立新的静电感应理论时证明了脱离物质而独立存在的电荷是不存在的，从而电的流体说也随之被扬弃。

电灯（electric lamps） 利用电流热效应而发光的灯具。白炽灯首先由美国人爱迪生于 1879 年发明。他将碳丝封入真空的玻璃泡中，所以称为碳丝灯。碳丝温度不能太高，因而发光不强，耗电多，又易挥发损坏。1911 年库利奇改成钨丝灯。因钨的电阻率极大，熔点高达 3370℃，使发光效率和寿命大大提高。1913 年朗缪尔发明在白炽灯泡内充以惰性气体以减缓灯丝烧损，因而提高了灯泡的使用寿命。最初使用氮气，后来则按灯泡瓦数大小而使用含不同比例的氮和氩的混合气。

现代白炽灯的结构如下图所示，其灯丝由细钨丝绕成螺旋状，每圈互不接触，不致发生短路，但可减少热量损失，使灯丝维持较高的温度，同时也可增加灯丝的发光面积，使白炽灯更加明亮。其每烛光所耗功率仅为

1. 瓦特。灯丝由支架支撑，自灯丝接至泡外的导线是铁合金丝，先经一玻璃茎，为避免发热爆裂，铁合金丝的膨胀系数与玻璃相同。灯泡的两电极可用两相互绝缘的锡电极或一个锡电极和铁皮座（螺口灯泡）组成。为

减少钨丝挥发，泡内充有氮和氩的混合气体。

■钨丝电灯泡

白炽灯的规格种类很多，主要指标有两项：功率和电压，选用时应注意这两项指标。

电动势（electromotiveforce） 电源内部非静电力将单位正电荷从电源负极移至正极所做的功。常用符号ε表示。设非静电力将正电荷 q 从电源负极移至正极所做的功为 W，则

ε = W 。

q

电动势也可表示为

ε = ∫− E非 ·dl。

（经电源）

它反映了电源中非静电力做功的特征，其中 E 非是非静电场强度。电动势具有与电位差相同的单位。

当整个闭合回路上都存在非静电力（例如在变化磁场中的闭合线圈

内）时，电动势可定义为单位正电荷沿闭合回路移动一周时非静电力所做的功，即

ε = ∫ L ε非 ·dl。

由于非静电力所做的功等于电源内其它形式能量转化成电能的值，因此也可把电动势理解为单位正电荷通过电源时所发生的其它形式能量转化成电能的值。

电工学（electricalengineering） 研究电磁现象及其规律在工程技术中应用的一门学科。电工学是在电磁学的基础上发展起来的，随着电磁学理论研究的不断进展和电器工程技术方面的发明创造不断出现，尤其是本世纪中叶电子计算计的出现、微电子技术的迅猛发展，使得电工学的内容更加丰富。电工学的内容通常包括：电工原理、电磁测量、发明、输电、配电、电机、电器、电工材料、工业电子学以及电力拖动、电热、电焊、照明等。从基础理论的角度来看，电工学可分为三部分：①以基本电路元件的性质、电路的基本定律和电路的分析计算方法为主要内容的电路部分。例如电路模型、电路定律、动态电路分析、网络理论、分布参数电路和非线性电路等。②以常用电机、电器的基本工作原理、性能、使用方法及其控制电路（继电接触控制电路）为主要内容的电机和控制部分。例如磁路和变压器、异步电动机、直流电动机、电磁测量等。③以电子器件的性能、基本电子线路（晶体管分立元件电路、基本集成电路）的原理及应用为主要内容的电子技术部分。例如二极管整流电路、晶体管放大电路、晶体管振荡电路、晶体管直流放大电路和运算放大器、可控硅整流电路、数字电路等。电工学在能源的合理开发、电能的输送和使用、电气控制和自动化、非电量的电测法以及信息传输与处理等方面都具有重要的意义。在科学技术不断发展的过程中，电工学的实际应用与发展必将更加广泛， 同时，电工学本身的内容也必将会更加丰富。

电功率（electric power） 电流通过一段导体时电场力在单位时间内对电荷所作的功。常用符号 P 表示。电功率和机械功率一样，反映了能量转移的快慢或单位时间内能量转移的量值。电功率在数值上等于电路两

端的电压 U 和通过电路的电流强度 I 的乘积，即 P=UI。

在直流电路中，电压和电流强度不随时间变化，所以电功率也不随时间变化，是常量。在交流电路中，电流强度和电压随时间变化，故瞬时功率也将随时间而变化，它等于瞬时电压 u（t）和瞬时电流 i（t）的乘积， 即

P（t）=u（t）i（t）。

在实际应用中，通常用平均功率P来表示交流电功率的大小，它等

于瞬时功率 P（t）在一个周期 T 内对时间的平均值，结果可表示为

P = UIcosϕ

式中 I、U 分别表示交流电流和交流电压的有效值，cosϕ称为功率因数。

电功率的单位是瓦特。

电荷（electric charge） 见电。

电荷密度（charge density） 电荷分布疏密程度的量度。从微观上看，物体上的电荷起源于构成物质的原子中的电子和原子核的电荷，所以其分布是不连续的。但从宏观上看，可以忽略这种原子间隔的不连续性而认为物体的电荷是连续分布的。电荷密度可以分为体电荷密度、面电荷密度和线电荷密度，它们分别描写分布在三维体积中、二维平面上以及一维线段上电荷的疏密程度。

体电荷密度 单位体积内的电量。带电体中某点 P 处，若包含该点的体积元ΔV 内的总电量为Δq，则 P 点处的体电荷密度定义为：

ρ = lin

△q =

dq 。

△V→ 0 △V dV

面电荷密度 单位面积内的电量。带电体上某点 P 处，若包含该点的面积元ΔS 内的总电量为Δq，则 P 点处的面电荷密度定义为：

σ = lin

△q = dq 。

△S→0 △S dS

线电荷密度 单位长度内的电量。带电细棒或细线上某点 P 处，若包含该点线元Δl 内的总电量为Δq，则 P 点处的线电荷密度定义为：

λ = lin

△q = dq 。

△S→ 0 △l dl

电荷守恒定律（conservation law of charge） 电荷既不能创生， 也不能消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的这一部分转移到另一部分。是电磁现象中的基本定律之一。单位时间内从包围某一体积的闭合曲面上流出的电量等于该体积内的电荷随时间的减少率。在与外界不发生电荷交换的体系中，电荷量为一常数，即该系统中正负电荷的代数和保持不变。例如，在摩擦起电中，把相互摩擦的两个原来不带电的物体看作一个系统，它们总是带等量异号的电荷。在静电感应现象中， 带电体靠近某孤立的不带电导体时，在该孤立导体的两端处将出现等量异号电荷；一个电子和一个正电子相遇后将发生“湮没”而转化为光子，光子不带电。电荷守恒定律迄今已为大量的精确实验所证实。

电话（telephone） 利用电信号传输消息、互通话语的通信方式。在发话端，送话器把话音变成电信号，通过有线或无线电话传输到收话端，

再由受话器把电信号还原成声音。电话是美国人贝尔于 1876 年发明的。

1878 年，贝尔成功地进行了在波士顿和纽约间的首次长途电话通话。电话通信系统由电话机、线路设施及交换机三部分组成。

电话机 通话的终端设备。它完成声-电、电-声的转换作用。电话机由通话部分、电路部分、呼叫部分和附属部分组成。①通话部分：包括送话器和受话器。送话器在声波的作用下，按照声压的变化将话音转换为电信号（话音电流）送到线路中去。受话器把从线路中收到的话音电流恢复成话音。②电路部分：包括由电子元件、感应线圈组成的消侧音电路。③ 呼叫部分：包括极化铃、拨号盘或手摇发电机等。④附属部分：包括叉簧、话绳等。

线路设施 包括用户线、中继线和长途线路等。用户线是把用户的电话机接到电话局的线路。每个用户都有一对电话线通到电话局，所以用户线的数量最多。中继线是电话局之间传输信号和通话用的传输线路。长途线路是连通城市之间的通信线路，通常采用多路复用的载波技术。长途线路除了有线设施以外，也可采用微波中继或卫星转接等。

交换机 使任意两个电话机连接起来进行通话的设备。它是电话通信的枢纽，各个用户之间要由交换机来接通线路，然后才能通话。交换机通常可分两种：①人工交换机：用人工进行用户之间接线工作的交换机。用户打电话时，先向话务员报出对方用户号码，话务员根据所报号码，接到被叫用户，然后双方可进行通话。用户讲话完毕时，话务员拆开该两用户之间的连接。接线与拆线工作，由话务员根据交换机上不同的信号进行。

②自动交换机：利用机键的动作进行用户之间接线工作的交换机。当用户拨动电话机上的拨号盘时，发出脉冲电流，控制机键的动作，经过一系列自动选择过程，接到被叫用户。接线速度较人工快而准确，经营成本也低， 但投资较大。自动交换机的制式很多：有步进制、机动制、全继电器制及纵横制等。目前正在逐步推广的程控电话的自动交换机是电脑控制的集成电路交换机。

如今，电话已被发展为多种形式，有录音电话、对译电话、多功能程控电话、数据电话、保密电话、可视书写电话等等，各有各的功能和用途。并且，电话已成为人们迅速地得知各行各业的信息的有力工具。

电化学（electrochemistry） 研究由化学能转变为电能，或由电能转变为化学能过程的规律性以及实现这些过程的介质特性的一门学科。研究内容包括电化学反应平衡过程的电动势与热力学函数之间的关系、电解质溶液理论、原电池、电极过程动力学等。电化学无论是在一些规模较大的电解、电镀、电池、电冶金、电合成等工业中，还是在电分析、环境监测等分析测试应用技术中，都得到了广泛的应用。

电现象与化学现象有着密切的联系，在化学反应中绝大多数的反应都是有电子得失的氧化还原反应。氧化还原反应的发生和进行的程度都与电势直接相关。自从 1799 年伏打研制成第一个原电池后，促使电化学从 19 世纪初开始发展起来。目前，电化学工业已经成为国民经济中的重要组成部分。电解法已被广泛地应用于提炼和精炼有色金属和稀有金属。许多化工产品也是通过电解方法制得的。在工业上还广泛应用电化学方法进行金属的腐蚀和防护研究。在全世界，每年由于金属腐蚀所遭受的损失严重， 其中以电化学腐蚀占的比重最大，因此研究产生腐蚀的原因，利用非金属

或某些金属保护措施，生成金属保护层防腐，使金属表面钝化和缓蚀剂的应用就成为电化学研究的重要内容之一。与电解过程相反，化学电源是将化学能转化为电能的装置。日常生活中使用的干电池，汽车、飞机上的蓄电池，宇宙飞船上的燃料电池等，都是电化学中的重要研究内容。随着现代科学技术的发展，电子工业和空间技术对电源提出了更高要求，研制体积小、重量轻、容量大的化学电池就成为电化学的重要研究课题。目前开发和研制的化学电源，按其使用特点分为三大类，即一次电池、二次电池和燃料电池。一次电池也叫原电池，电池中的活性物质用完电池即失效。二次电池通常又称蓄电池，电池中的活性物质经过反应后，可以用简单的方法使其再生，因此电池可反复使用。燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的装置，又称为连续电池。一般以氢气或含氧化合物以及煤等作为负极的反应物质，以空气中的氧或纯氧作为正极的反应物质。燃料电池的发电效率高，电化学能量转换的实际效率可达 60%，被广泛用于宇航、军航动力装置以及旅游、野营等。

电解（electrolysis） 电解质受直流电作用，在两个电极上（或电极旁）同时发生化学反应而分解的过程。化学变化是物质失去或获得电子

（氧化或还原）的过程。电解过程是在含有正、负离子的电解质溶液的电解池中进行，池中插入正、负两个电极。被电解的物质可以制成电极或作成溶液，电流（即电子）流进负电极（阴极），溶液中带正电荷的组分迁移到阴极，并与电子结合，变成中性的元素或分子，沉积于该电极上（即工件）；带负电荷的组分迁移到另一电极（阳极），给出电子，变成中性元素或分子。若被电解物质为电极，则反应中电极中物质元素给出电子而溶解。采用不同的电极和电解质，在电极上将产生不同的新物质。如电解熔融氯化钠将产生金属钠和氯气；电解氯化钠的水溶液则产生氢氧化钠和氯气；电解水将产生氢气和氧气。利用电解法可把一种金属镀在另一种金属的表面，这种方法称为电镀。在冶金工业中，从矿石或化合物提取金属， 即电解冶金；利用电解法可制出凹凸花纹的金属复板，这种方法称为电铸。电解中析出物质的定量关系由法拉第电解定律给出。

电解质 在化学和物理学中，指由于解离成带正、负电荷的离子而能导电的物质。如酸类、碱类及盐类等。一般纯净的水导电的程度极其微弱， 如果加入小量酸、碱或盐使其溶解，溶液便能显著导电。导电时正、负离子分别向电路的负、正两极（阴极和阳极）移动，并且通常在该处放电。

根据物质电离程度的大小，一般可分为强电解质和弱电解质两种。强电解质在溶液中完全电离，如氢氧化钠等金属的氢氧化物及氯化钠等盐类。弱电解质在溶液中仅部分电离，如水中的醋酸等。

很多盐类，如氯化钠熔融时虽没有任何溶剂存在，但也具有电解质的性质；还有一些盐如碘化银，即使在固态时也是电解质。

电镀 利用电流将金属沉积于导体（如金属）或非导体（如塑料、木材、皮革）表面，从而形成金属涂层的工艺过程。电镀工业约开始于 1840 年，在发明氰化物电解液以电镀银、金、铜和黄铜后，电镀工业发展迅速。1869 年发明镀镍。20 世纪 20 年代相继出现铁零件防锈的镀锌或镀镉技术。

■电镀

电镀的原理如右图所示。电镀时，将被镀的工件作阴极，欲镀的金属作阳极，并以欲镀金属的盐或酸溶液为电解质，通以电流，则溶液分解，

金属附着于工件表面，阳极的金属逐步溶解，以保持电解液的浓度。电镀时在工件表面析出的金属均为结晶体，结晶体越细越均匀，电镀质量越高。为了得到表面平滑而光亮的镀层，镀件需要抛光处理，但费用增加，现在较多采用电镀液中添加光亮剂，或采用“平整”沉积法。采用周期换向电镀，即周期性地变换电流方向的方法，也可达到改善镀层质量的目的。

对非导体表面的电镀，要先用石墨、导电漆、化学镀处理，或经气相涂层处理，使形成导电层后，再进行电镀处理。

电镀应用极广。镀铜广泛用于防止钢材特殊部位在表面渗碳时的硬化。镀银用于餐具和电器接触器和发动机轴承。镀金用于装饰品和表壳。镀锌是为防止钢铁制品表面的生锈。镀镍和镀铬用于制造汽车和家庭用具的装饰和防锈。

法拉第电解定律 表示电解中析出物质的质量与通过电量之间关系的定律。是英国科学家法拉第于 1833 年提出的，故名。

1. 法拉第第一定律：对于同一种物质，在电极上析出或溶解物质的质量 M 与通过电解液中的电量 Q 成正比，即

M=KQ。

式中 K 称为物质的电化当量，数值上等于电解液中通过单位电量时电极上析出物质的质量。不同物质的 K 值不同，下表列出了几种元素的电化当量。

1. 法拉第第二定律：物质的电化学当量 K 与它的原子量 A 成正比，与载流离子的电荷数 Z 成反比，即

K = C A 。

Z

式中C = 1 ，F为法拉第常数。法拉第常数就是1摩尔电子的电量，

F

数值上也等于在电解中析出 1 摩尔单价离子所需的电量。F=9.648455× 10-19 库仑。

几种元素的电化当量值表

电介质（dielectric） 一种绝缘体。主要以极化方式而不是以传导方式传递电的作用和影响的物质。在其中起主要作用的是束缚电荷。

电介质可以分为气态电介质（如氢、氧、氮及一切在非电离状态下的气体）、液态电介质（如油、纯水、漆、有机酸等）和固态电介质（如玻璃、云母、陶瓷、纸、石英等）。固态电介质又分为非晶体和晶体两种。气态、液态和非晶体固态电介质由中性分子组成。在晶体内部，分子、原子或离子按一定规则形成晶格，这些分子、原子或离子所在的位置称为晶格的结点，结点的集合称为点阵。实际电介质并不是完全不导电的，在室温下，其电阻率ρ约为 108～1018Ωm。在外电场超过某极限值（材料的击

穿场强）时，电介质会被击穿而失去介电性能。

电介质性能的重要参量有：相对介电常数、介电损耗因子和击穿场强。用于储能和绝缘的电介质主要考虑介电常数和击穿场强，如在电容器中的电介质；而用于高频传输系统的电介质则主要考虑介电常数和损耗因数， 如用于高频电缆中的电介质。

电致伸缩、压电性、热电性和铁电性是某些固体电介质的特性，这些性质在实际中有广泛的应用。例如制造传感器实现非电量电测变换等。

电介质的极化 在外电场作用下，电介质表面出现宏观面电荷，在不均匀电介质内部还出现宏观体电荷的现象。

电介质根据极化机制的不同，又可分为两类。在一类电介质中，当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”是重合的，等效的分子电偶极矩为零，这类分子称为无极分子，如气态的 H2、O2、CO2、CH4 以及液态的 Cl4 等分子。在外电场 E 的作用下，无极分子的正、负电荷“重心” 向相反方向作一微小位移，形成一个电偶极子，各个电偶极子沿 E 方向排列会在电介质表面形成宏观面电荷（对均匀介质），这种极化形式叫做位移极化。在另一类介质中，即使外电场不存在，电介质的正负电荷“重心” 彼此也不重合，形成一定的分子电偶极矩，这类分子称为有极分子，如气态的水、二氧化硫及液态的水、硝基苯、酯类等。在无外电场时，由于热运动介质内有极分子的电偶极矩的取向是杂乱无章的，因而不会在介质中出现宏观电荷。在外电场 E 中，每一分子受到一力矩 L=p×E 的作用，使其趋于沿 E 方向取向；另一方面热运动强烈地阻碍着这种取向，但外电场越强，这种取向作用也越大，结果在介质表面形成宏观面电荷，这种极化叫取向极化。

实际上，在取向极化介质中也有电子的位移极化，只是后者比前者弱得多。然而在高频电场中，有极分子的取向由于转向时的惯性而减弱；但电子惯性极小，因而这时位移极化在有极分子中起着主要作用。

极化强度 描述电介质极化状态（包括极化程度和极化方向）的物理量。它是一个矢量，常用 p 表示。电介质的极化强度等于单位体积内分子电偶极矩的矢量和，即在电介质中，取一物理无限小体元ΔV，ΔV 内分子电偶极矩的矢量和为Σpi，则有

P = ΣPi 。

△V

实验表明，在大多数常见电介质中，场中某点处的极化强度矢量 P 与该点的场强 E 成正比，即 Pxε0。x 为该点电介质性质所决定的常数，叫做电介质的极化率。满足 P=xε0E 关系的电介质是各向同性电介质。对这种电介质中的每一点，不论场强方向如何，大小一样的场强总要在自身方向上引起同一大小的极化强度。

极化强度与极化电荷之间存在普遍关系。在电介质内部，极化体电荷密度ρp 决定于极化强度 P 的散度，且有

在两介质的界面上，极化面电荷密度σp 决定于极化强度矢量在界面法线方向上分量的突变，且有

ρp=-∇·P。

P1n 和P2n 分别为界面两边的介质中极化强度P1 和P2 在界面处的法向分量。其中法向规定为介质 1 指向介质 2 的方向。

介电常数 又称电容率，表征电介质性质的常数。电容器充满均匀

电介质后，其电容C与其真空状态时的电容C0 之比ε r = C ，称为相对

0

介电常数，εr 是一个无量纲的量。国际单位制中将库仑定律中出现的常数ε0 与εr 的乘积记为ε=εrε0，称为绝对介电常数。下表列出了部分材料的相对介电常数。对于真空，εr=1，这时ε=ε0，因此称ε0 为真空介电常数，其值为ε0=8.85418782×10-12 法/米。

电容器中的电介质要求有较大的相对介电常数，以便减小电容器的体积和重量。介质的相对介电常数电介质的相对介电常数表

通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变，它与介质的电极化率xe 之间的关系为：ε r=1+xe。相对介电常数是电介质性能的重要参量之一。

电介质的击穿（breakdown of dielectrics） 外加电场超过电介质所能经受的击穿场强时，介质的电导突然增大，甚至引起结构损坏或破碎。击穿场强一般约为 107～108V/m，其值越大，则表示介质愈不容易被击穿， 材料的耐压性能愈好。

介质击穿的过程很复杂，除了与介质本身的微观结构和杂质缺陷等因素有关外，还与介质厚度、电极形状、环境温度和湿度等因素有关。电介质击穿可以分为热击穿、电击穿和化学击穿三种类型，但在具体击穿过程中有时以一种为主，有时是几种类型同时存在。

由于固体电介质存在击穿现象，因此在高压电力输送中使用的绝缘介质，以及在强场、高能、强光源等条件下工作的固体材料都必需考虑到击穿的因素，以确保安全工作。因此对介质击穿问题的研究不仅有重要的科学意义，还有着很广泛的实用价值。

电镜技术（electron microscope techniques） 一种用电子显微镜进行显微分析的技术。由于电子的德布罗意波波长（参见电子）比光波小

几个量级，所以电子显微镜具有高分辨成像能力，对显微分析带来极大方便。从本世纪 30 年代以来，一系列电子光学仪器的相继出现并不断完善， 有力地推动了材料显微分析技术的发展。它们主要是透射电子显微镜，超高压电子显微镜，扫描电子显微镜，扫描透射电子显微镜等。

透射电子显微镜，简称透射电镜（TEM），是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。被分析的样品必须制成电子能穿透的、厚度为 10～200um 的薄膜。其点分辨本领优于 0.3～0.5um，晶格分辨本领可达 0.1～0.2nm，放大倍数达数十万倍。超高分辨本领透射电镜还能直接显示固体晶格像，甚至可以观察重金属原子像。超高压电子显微镜，简称超高压电镜（HVEM）， 是又一种 TEM，它的加速电压为 1000kV，等于常用的 TEM 加速电压的 10 倍，从而成为重要的显微分析手段。扫描电子显微镜，简称扫描电镜（SEM），它的成像原理与 TEM 不同，是以类似电视摄像显像的方式，用细聚焦电子束在样品表面激发出次级电子，经探测器收集后成为信号，再调制扫描成像。SEM 具有样品制备简单、放大倍数连续调节范围大、景深大、分辨本领比较高等特点，是进行样品表面显微分析研究的有效工具。扫描透射电子显微镜，简称扫描透射电镜（STEM），成像方式与扫描电镜相似，不过接收的不是次级电子而是透射电子（包括部分小角度散射电子），样品也必须是薄膜。利用这种 STEM 已观察到轻元素支持膜上的单个重原子，特别是利用它的微小电子束斑作极微区（几十埃）的晶体结构分析和成分分析。

电离（ionization） 中性原子或分子由于外界原因而形成离子的过程。

原子的电离 原子如果受到电子、正负离子或其他原子碰撞，或受到强光照射，就能获得一定的能量而被激发到高能态，这时称为受激原子。当原子获得更大能量时，可能有一个或多个电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，相应的原子便成为带正电荷的系统，称为正离子。此过程就称为电离或离化。速度不大的自由电子也可能被某些原子俘获，这种有一个或多个附加电子的原子称为负离子。正离子和负离子通称为离子。产生电离的方式很多，如电子碰撞电离，重粒子碰撞电离，光致电离，亚稳原子碰撞电离等。电离后的物质将改变其导电性质，例如气体被电离后称为电离气体。在外界电场作用下电离气体中的正负离子将沿相反方向运动而形成电流，气体因而失去绝缘性而成为一类导体。

■原子电离能图

电离能 从基态原子最外壳层移走一个（价）电子所需的最小能量称为电离电势或电离能。通过加速电子与原子碰撞的实验可测量该原子的电离能。当加速电势差达到或超过某一阈值 v1 时，可观察到正离子流，则该电势差就等于被测原子的电离能。例如氢原子的电离能就是 13.6eV。此外，还可用光谱法和光致电离法等实验测定电离能。目前已测定了多数原子的电离能。上图显示了原子的电离能随原子序数 Z 的周期性变化关系。惰性气体（氦 He、氖 Ne、氩 Ar 等）原子的电离能具有极大值，而碱金属元素（锂 Li、钠 Na、钾 K 等）原子的电离能具有极小值。电离能的大小反映了原子最外层的一个价电子与原子其余部分结合的紧密程度。惰性气体外层电子形成完全的壳层结构，这种结构最稳定，要移去一个电子需要更大的能量。对于碱金属原子来说，最外层只有一个电子，该电子与原子其

余完整壳层部份结合很弱，移去这个价电子只需很小能量。

分子离解能 一个处于基态的分子分解为完全独立的原子时所需要外界提供的最小能量，称为分子的离解能。例如氢分子（H2）的离解能为4.478eV，氯化钠（NaCl）分子的离解能为 3.58eV。对于以离子键结合的分子，如氯化钠，还可能分解为完全独立的离子。这时的离解能与分解为中性原子时的离解能不一样。例如氯化钠分解为钠离子（Na+）和氯离子

（Cl-）时的离解能为 5.00eV。

电离能（ionization energy） 参见电离。

电力线（electrie line offorce） 参见电场线。

电量（electric quantity） 物体电荷多少的量度。它在国际实用单位制中的单位是库仑。在一般物理现象中，大量的实验证实，电量的最小单元是电子的电量，其值为 e=1.6021892×1019 库仑。所有客观物体的电量或者等于电子（或质子）的电量，或者是它们电量的整数倍。所以把 e 称为基本电荷。但是 20 世纪 60 年代末以来的高能加速器实验已经证实， 质子和中子等是由更为基本的组分粒子夸克所构成，而夸克带有分数电荷

（ 2 e或-

3

1. e）（参见强子结构）。夸克只能存在于小于质子线度的

3

微观世界中，而不会出现于宏观世界中。

电流（electric current） 电荷的定向移动。例如在金属中，表现为自由电子的流动；在液体或气体中，表现为正负离子在相反方向上的流动。存在电流的条件有两个：①存在自由电荷；②存在电场。导体中有电流时会引起各种效应。例如，电流周围存在磁场；电流通过电阻时会使电阻发热；电流通过电解质时引起电解；电流通过气体时，在适当条件下会导致发声、发光。利用电流产生的各种效应可以检测电流，进而制成各种检测电流的装置。安培表就是利用电流的磁效应制成的。在电场中，正负电荷总是沿着相反方向运动。因为正电荷沿某一方向运动和等量的负电荷沿反方向运动所产生的效应大致相同（霍耳效应是个例外），所以为方便所见，习惯上把电流看成正电荷的运动，并规定正电荷的运动方向为电流的方向。这样，在导体中电流的方向总是沿着电场的方向：从高电势处到低电势处。由于电流形成过程的不同，又可分为传导电流、对流电流等。 (1)传导电流。带电亚原子粒子、离子或空穴等荷电粒子在导体内部流

动而引起的电流。例如，金属中的自由电子流动、半导体中自由电子和空穴的流动所引起的电流。

(2)对流电流。亦称运流电流。带电介质或介质中的带电部分不是由于电场作用而在空间运动时所形成的电流。例如，介质在电场中极化时，体内产生的极化电荷和表面处出现的极化面电荷因随介质运动而引起的极化电流；带电的平行板电容器绕垂直于板面的轴急速旋转时所形成的环形电流。对流电流的周围也产生磁场。由于带电体在原来没有磁场的空间中匀速运动不须外力维持（略去空气阻力），所以对流电流不需要电热来维持， 它不引起热效应。

电流互感器（current mutual inductor） 仪表中使用的互感器的一种。将交流大电流变换成电压较低的小电流的装置。基本结构和工作原理都与变压器相同，但因为用于测量，在设计上要求电流变换误差极小。其初极线圈仅一、两匝（N1），远小于次级线圈匝数 N2，故能将大电流变

换成小电流，供给仪表或继电保护装置，并使它们与高压电路隔开。通常规定其次级额定电流均为 5A，以便使与之联用的电流表或继电器的电流线圈等在制造上得以标准化。电流互感器常与电流表一起组成专用测量仪器。使用时初级线圈串联在待测大电流电路中，次级与电流表串联，如图所示。由于电流表内阻很小，故相当于次级短路的变压器。待测大电流

I = N 2 I 也就等于次级电流表读数的N / N 倍，就使读数方便而又完

1 2 2 1

1

全。若次级线圈回路开路，反抗磁芯中磁通（量）变化的次级线圈中的感应电流消失，铁芯内的交变磁通增大，铁损亦随之增大，发热过多甚至会烧坏绕组绝缘。同时，次级感应电动势可高达数百伏，也会击穿线圈的绝缘且危及人身安全。故次级回路不允许开路。电流互感器广泛应用于电力系统中的测量与保护装置。

■电流互感器

电流强度（currentstrength） 描述电流强弱的物理量。表示单位时间内通过导体任一截面的电量。常用符号 I 表示稳恒电流，用 i 表示变化电流。可以把这一概念推广到任一曲面，将单位时间内通过该曲面的电量称为电流强度。如果在时刻 t 至 t+Δt 时间内，通过导体任一横截面的电量为Δq，则时刻 t 通过该横截面的电流强度 i（t）为

i(t) =

lim △q

= dq 。

△t→ 0 △t dt

电流强度是标量，但可正可负。它只能描述导体中通过某一截面电流的整体特性。利用电流的磁效应、热效应、化学效应及霍尔效应等各种效应可以测量电流强度。量度电流强度的仪表有灵敏电流计、安培计等。电流强度通常简称为电流、单位为安培（A）。

为描述某点的电流强弱和流动的方向，常用电流密度表示，用符号 j 表示，又称电流密度矢量。导体中某点处电流密度的方向是指该点处正电荷运动的方向，其值等于通过该点并与电流方向垂直的单位面积上的电流强度。设 dI 为通过与电流方向相垂直的面元 dS⊥上的电流强度，则

j = dI 。

dS⊥

对任意面元 dS，则有 dS⊥=dScosθ，θ为 dS 与 j 之间的夹角，因而

有

dI=j·dS。对通过任意有限曲面的电流强度可表示为

I = ∫∫ j·dS，

(s)

这表明，一个曲面的电流强度就是该曲面上电流密度 j 的通量。

导体中某点处的电流密度 j 决定于该点的电场强度 E 和电导率σ，它

们之间有关系

j=σE，

此关系为欧姆定律的微分形式。

电流密度的单位为安培/米 2（A/m2）。2

电流天平（currentbalance） 亦称“安培秤”。用来测量载流回路

间相互作用力的天平装置。基本结构如图所示。一对完全相同的圆线圈 A 和 B 同轴地固定在天平一侧的底座上，线圈平面与天平的水平面平行。可动线圈 C 悬挂在同侧砝码盘下方，使 C 与 A、B 共轴平行，且处于 A、B 之间，与 A、B 的距离相等。调节天平使之平衡。三线圈通电方法是，电流强度的大小均相同（为 I），但 A、C 电流反向，因而相斥；B、C 电流同向， 因而

■电流天平结构示意图

相吸。所以线圈 C 将受到向下的磁力作用，必须在另一侧砝码盘内添加砝码，才能使天平重新平衡。从所加砝码可读出 C 所受合力 F 的值，它与 I2 成正比，即

F=KI2，

比例系数 K 决定于各线圈的大小、匝数以及相互间的距离。使用这一装置可直接秤量线圈 C 所受的磁力同时只要知道 K，便可推算出电流强度I。在国际单位制中，电流强度单位“安培”是用两根平行放置的无限长载流直导线间单位长度上的相互作用力来定义的，这在实际测量中难以实现。电流天平提供了一种测定电流强度的标准化方法。只要按安培力公式准确计算并适当选取 K 值，电流天平就能按定义单位准确秤最出电流强度。

电流源（current source） 用一恒定电流 is 和一个阻抗 Z0 相并联的电路来表示的电源。Z0 为电源内阻，Z 为负载阻抗，如右图所示。

当 Z0>>Z 时，流经负载的电流在改变负载的情况下基本上保持不变， 这种电流源称为恒流源。内阻较大的电源通常可近似作为电流源，如晶体三极管输出端的等效电源等。

■电流源电路图

一个实际电源既可将它看作电压源，也可看作电流源，即对同一外电路而言，不管将电源处理为电压源还是电流源，它在外电路上产生的电压和电流是相同的。也就是说，对确定的外电路，用电压源或电流源表示是等效的，且可相互变换。

电路（electric circuit） 传送电流的通路。电路一般由四个主要部分组成：电源、负载、联接导线与控制设备。电源是电路的能源，如电池和发电机，它的作用是将各种形式的非电能量转换为电能。负载是用电设备，如电动机或电子计算机等，它的作用是将电能转换为所需形式的非电能量。联接导线的作用是传输电能。控制设备的作用是执行控制任务， 如开关等。

电路可按不同方式分类。根据电源性质分，有直流电路和交流电路等。根据联接方式分，有串联电路、并联电路、简单电路和复杂电路等。收音机或其他电子仪器设备中由晶体管、变压器、电容器、连接导线以及其他电子元件组成的网络也是电路。

电路断开时电流为零的状况称为开路，又称断路。电路两端直接连通的状况称为短路。在实际应用时要严防电源短路，因为一般电源内阻很小， 短路时电流很大，电源提供的全部功率消耗在内电阻上会产生大量的热量，将损坏甚至烧毁电源。

电纳（susceptance） 见导纳。

电偶极子（electricdipole） 两个相距极近、等量

而异号的点电荷所构成的系统。如图所示，正、负两电荷间的距离 l 远比场点 P 到它们的距离 r 小得多。一个电荷的电量 q 和 l 的乘积称为电偶极子的电偶极矩 P，即

P=ql,

它是矢量，方向沿着两电荷的连线，自负电荷指向正电荷。

电偶极矩是表征电偶极子性质的物理量。对于复杂的中性分子电结构，如果其正电荷中心与负电荷中心不相重合，也可近似地认为是一个等效电偶极子。

电偶极子激发的电场的场强分布用极坐极（见上图）表示为

Er =

Eθ =

1

4πε 0

1

4πε 0

2p cosθ ，

r 3

p sin θ

r 3 ，

式中θ中电偶极矩 p 与矢径 r 间的夹角。在轴线上（θ=0），有

E = 1 2p ，E = 0；在中垂线上（θ = 90°），有E = 0，E =

θ 4πε r 3 θ r θ

1 p 。

4πε 0 r

电偶极子在与它相距很远的点的电势 V 为

V = 1 p·r 。

4πε₀ r

在外电场 E 中，电偶极子会受到一力矩 L 的作用，它可表示为

L=p×E。

L 的作用倾向于使电偶极子沿场强方向取向。

电气体发电（electronicgasgenerating） 以一定压力、温度的运动流体（气体、液体）作为能源，使低级能（热能、动能）转变成直流电能的过程。在离子发生段，一个高压电源 V。的两个极分别接在离子发射极 N 和吸引极 A 上，如图所示。发射极是针形金属棒，

■电气体发电示意图

吸引极是金属环。在高电压作用下，发射极 N 与吸引极 A 之间产生尖端放电，使通过的高速电介质流体（通常是燃气）部分电离。当 N 极是正极时，流体中的电子和负离子被吸收，负离子在 N 极上放出电子而呈中性。正离子被排斥，流向吸引极。但由于高速流体的带动，正离子未能被吸引极吸住，而流向集电极 M，使电流 Ia=0。集电极 M 上由于正离子集积而电位升高，当接有外负载时，就产生了电流 Ic。极间的静电场要阻止正离子向集电极流动，而高速流体带动正离子流向集电极，所以产生电流。这样， 高速气流克服静电场所做的功，就转变成了电能，也就是实现了能量的直接转变，即直流发电。

电桥（bridge） 由四个臂所组成的电路。如图所示，在支路联接端的一个对角线 cd 接电源，而在另一个对角线中接检测电流或电压的仪器。通常用于比较法测量各种电学量的仪器之中。若电桥中的电源采用直流电源，检测仪器采用检流计，这种电桥称为直流电桥，可用来测量电阻的数

值。如果电路中采用交流电源，检测仪器采用耳机或交流毫伏表，则成为交流电桥，可用来测量电容、电感等数值，也可构成滤波电路。

■电桥原理图

电容（capacitance） 描述导体或导体系容纳电荷性能的物理量。常用字母 C 表示。电容器的电容 C 以一个极板的电量与两极板间电势差

Q

（V1 - V2 ）之比来量度，即C = V − V

。电容的大小仅取决于极板的形

1 2

状、大小、相对位置以及极板间电介质的电容率。如果把组成电容器（例如球状电容器）的一极板移至无限远，则电容就变为导体的电荷 Q 与其电

势V之比值，即C = Q ，称为孤立导体的电容。

V

实际上，电容普遍地存在于导体和器件中。导线、线路等单独段落所具有的电容称分布电容。线圈线匝之间的电容称为匝间电容。由于元件的结构或排列等原因所引起的附加电容，统称为寄生电容，如极间电容或线间电容等。各种器件的输入电路所具有的电容称为输入电容。例如晶体管电路的输入电容即包括极间电容和输入引线间的寄生电容。寄生电容和分布电容往往会影响器件或仪器的高频特性。因此电子电路中十分重视这些电容的存在，并研究如何消除这些电容的影响。

电容的单位为库仑/伏特（C/V），即法拉（F）。在实用中 F（法拉） 单位太大，常用μF（微法）和 pF（皮法）作单位，它们之间的关系为

1F=106μF=1012pF。

电容器（capacitor） 两个任意形状的导体组合。这两个导体称为电容器的极板。把这两块极板和电池的两极联接就可使电容器充电，在极

板上获得等值异号电荷。电容器的电容定义为C =

Q V1 − V2

，其中Q为任

一极板上的带电量，V1-V2 是两极板间的电势差。电容是电容器的特性常

数，取决于两导体的形状、大小、相对位置，还与极板间所充的电介质有关。下表列出几种简单电容器的电容公式。电容器的种类很多，按极板形状可分为平行板电容器、球形电容器、柱形电容器等；按其容量是否可变来分，有可变电容器、半可变或微调电容器、固定电容器等；按极板间使用的介质分，有真空电容器、空气电容器、云母电容器、纸质电容器、油浸纸介电容器、陶瓷电容器、涤纶电容器、电解电容器、聚四氟乙烯电容器、钛酸钡电容器等。

几种简单电容器的电容公式

电容器的重要指标有电容值和工作电压（即耐压）。电解电容器在使用时要注意正负极性。电容器可用于储能。例如，照机时闪光灯闪光的能量就来自电容器所储存的能量。电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件，在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合以及波形变换的主要元件。

电容器的串联和并联 （ series and parallel connection of capacitors） 把电容器一个接一个地联接成单一线路为电容器的串联； 把多个电容器的一极板联在一起，另一极板也联在一起而形成的组合为电容器的并联。由于电容器串联和并联时的等效电容和等效耐压会发生变化，在实际中经常采用。下表列出了电容器串、并联时的特征。

电弱统一理论（unifiedelectro—weaktheory） 统一描述电磁相互作用和弱相互作用的理论。由美国物理学家格拉肖、温伯格和巴基斯坦籍科学家萨拉姆于本世纪 60 年代后期提出，故又称“格拉肖—温伯格—萨拉姆模型”或“温伯格—萨拉姆模型”。犹如电作用和磁作用是同一种电磁相互作用的两种不同表现形式一样，按照这个理论，电磁作用与弱作用是一种统一作用的两种不同表现形式，这种统一作用称为“电弱相互作用”。这个理论是在一些物理学家于 20 世纪 50～60 年代提出的某些理论和观念

（如“对称性自发破缺”、“黑格斯机制”等）的基础上发展起来的。在这个理论中，原来存在四种质量均为零的矢量粒子（自旋为 1），其中一种带有电荷为+e，一种带有电荷为-e，还有两种粒子不带电。由于某种至今尚未从实验上发现的一类标量粒子（自旋为零）的作用，这四种矢量粒子转化为另外四种矢量粒子，其中一种粒子的质量仍然为零，这就是光子

（γ），另外三种粒子获得了很大的质量，称为中间玻色子，分别记为 W+、W-和 Z0。由光子传递的作用就是电磁作用；由中间玻色子传递的作用是弱作用。由量子论可知，相互作用的力程大致与媒介粒子的质量成反比。光子的质量为零，所以电磁作用是一种长程力作用，作用力程为无限大；中间玻色子有很大的质量，所以弱作用是一种短程力作用，作用力程小于10-16 米。其次，光子是稳定粒子，而中间玻色子是不稳定粒子（寿命～10-17 秒）。所以在后者传递相互作用的过程中尚未完成作用传递之前便有大量百分比衰亡，导致弱作用的强度比电磁作用小许多。电弱统一理论至今已

被大量加速器实验所证实，该理论所预言的三类中间玻色子已于 1983 年先后被发现。但是该理论所包含的标量粒子（称为黑格斯粒子）至今尚未从实验上发现，此外还有一些问题尚待进一步研究。

电声学（electro-acoustlcs） 声学的一个分支。主要研究声能和电能相互转换的原理、技术及应用。通常所指的电声，频率范围主要在可闻声，有时也涉及次声与超声频段。电声换能器主要有传声器、扬声器、送受话器、助听器等，它们是电声学所研究的主要器件和重要研究内容之一。电声技术主要研究声音信号的放大、记录、存储、传送、重放、交换、复制以及加工修饰等，应用于有线与无线的通讯系统和广播系统，以及会场、剧院、录音棚、高保真录放等方面，此外还应用于发展中的声控、语控技术，以及语言识别和声测等新技术。随着社会的发展和生产的需要， 对电声学提出了更高的要求，今后发展的趋势是电声器件、设备向高保真度、立体声、高抗噪能力、高效率、高通话容量的方向发展；继续进行音质评价的研究，改善录放技术和音响加工技术；“机器人”与识别语言等语言信息处理技术。

电视（television） 是用无线电电子学方法实时传送活动（或静止） 景物的图像和声音，并研究这种图像和声音信号的产生、处理、传输、再现以及存储的原理和应用的学科。它需要应用视觉生理、心理学、光度和色度学等原理，综合应用了无线电电子学、信号处理和信息科学、计算机科学以及通信等学科的成就。

基本原理 利用人的视觉对景物细节分辨能力的有限性和视觉暂留

0.1 秒的特性，采用电视扫描方法，首先对图像进行空间和时间分解，即把随时间空间变化的景物的像分解成亮度、色调和色饱和度相同的称为像素的微小单元。一帧（幅）完整的图像通常由几十万个不同的像素组成。然后应用通信中的时分复用技术，以一定的时间顺序传送按时空分布的像素，即用自左向右，自上而下的隔行扫描方法，将摄取的图像变成按时间先后顺序传送的电信号。为了减少闪烁和利用视觉暂留存储效应，将一帧图像分成场频为 50 赫（或 60 赫）、帧频为 25（或 30）赫的奇偶场传送， 使其具有连续感和无明显的闪烁感。

电视传像是用电视扫描之法，将随时空变化的景物，经光电转换的摄像系统变成随时间变化的电信号，通过无线或有线信道传送到接收端，并利用电光转换的显像器件，再现被传送的图像。

发展简史 电视发展经历了三个阶段，即机械电视、电子黑白电视和彩色电视。

1884 年德国科学家尼普科夫发明了机械电视用的扫描盘；1925 年英国的贝尔德表演了实用的机械扫描电视；1930 年左右，英国和原苏联等国曾进行机械电视广播。1927 年美国范思沃恩发明了电子电视系统；1923 年美国的兹沃雷金发明了光电摄像管；1936 年贝尔德电视公司在英国进行电子黑白电视广播，从而开创了电子电视时代。在黑白电视基础上发展起来的彩色电视，最早始于 1951 年。美国曾经试播一种 CBS（场顺序）制彩色电视，由于不能与相当普及的黑白电视兼容，所以无法推广应用而停播。1953 年美国联邦通信委员会（FCC）批准了可与黑白电视兼容的 NTSC（National Television System Committee）制彩色电视，于 1954 年 1 月 1 日正式播出，从此，进入了彩色电视时代。1967 年 8 月 25 日德国采用 PAL（Phase

Alternation Line）制播送彩色电视；1967 年10 月1 日法国开始采用 SECAM

（Sequential Couleur àMémoire）制。从此在世界上便形成了三种不同的彩色电视制式。中国现在采用的是 PAL—D 制式。

为了进一步提高彩色电视质量，满足人们不断增长的文化生活需求， 现在正在研究和开发数字电视、MAC 制电视、电视多工、高清晰度电视和卫星电视等。

彩色电视制式 彩色电视是在黑白电视相当普及的基础上发展起来的，因此彩色电视信号通常包括反映彩色黑白兼容的亮度信号以及仅仅反映彩色的两个色差信号。根据三基色相加混色原理，经摄像系统将自然景物中的彩色光分解成红、绿、蓝三种相互独立的颜色光，并将它们变成相应的电信号。然后再经过矩阵编码处理得到便于传送的亮度信号和红蓝两个色差信号。其中色差信号再经过处理而变成色度信号，并将它叠加在亮度信号高端组成视频全信号，在同一信道中传输。在收端接收到这种信号后，经过解调，恢复为红、绿、蓝三个基色信号，加到彩色显像管上，激励相应的红，绿、蓝荧光粉，进行相加混色，复现出原来的彩色图像。

现行彩色电视制式的主要区别，是色差信号的编解码方式各异。对于NTSC 制式来说，两个带宽不等的色差信号为 I、Q，采用正交抑载（平衡） 调幅与同步解调技术传送。为改善 NTSC 制的相位敏感性，PAL 制在 NTSC 制的平衡正交调幅与同步解调基础上将红色度信号逐行倒相传送。SECAM 制则将红、蓝色差信号进行逐行轮换调频传送。从黑白电视制式导出的NTSC、 PAL、 SECAM 制的系统主要特性如下表

MAC 制这种制式采用多路模拟分量信号，简称代初发展起来的一种新的彩色编码方法。它将行政程的亮度信号以及红、蓝色差信号分量，在时域中按不同所示。

表中彩色副载频是按 M/NTSC 制为 3.58MHz，BG/PAL 和 D/PAL 为4.43MHz，L/SECAM 为 4.25MHz 列写的。

由于制式不同，使电视信号传输时受其制约。在进行电视节目制作、

交换时需进行制式转换。摄像、录像、电视机都与制式有关。全制式可满足任一电视制式要求。单制式则只能用于相对应的制式，如 PAL—D 录像机只能适应中国采用的电视制式，不能录放美国、日本和台湾地区的 M/NTSC 制式的电视节目。有的 D/PAL 制的 VHS 录像机具有彩色制式放像转换功能， 可播放 M/NTSC 制节目，但不能录制 M/NTSC 信号。比例进行压缩，然后分别置于行正程的不同时间段上，红蓝色差信号逐行轮换传送，构成时分复用模拟分量信号。按声音、数据信号与 MAC 信号的不同复用方式，分成 A、B、C、D、E 等的 MAC 族。目前已在卫星电视中应用的有 B-MAC 和 D2-MAC。我国已在研究采用 D2-MAC 的问题。MAC 制为提高彩色电视传输质量，统一彩色电视制式，进行高质量多路伴音，立体声传输，以及为过渡到数字电视、高清晰度电视等工作开创了新途径。

电视频道是指按电视图像与伴音信号的传送频带要求，将用于电视广播的 VHF、UHF 频段划分成若干个编号指配的上下频率范围。例如，中国的电视频道有 68 个，1～12 频道为 VHF 频段，13～68 频道为 UHF 频段。如上表所示。

电视接收机和录像机等的频道都与指定的电视制式的频道相对应，能调谐在任一指定频道上收看电视节目。

闭路电视 又叫电缆电视（CATV-cabletelevisio-n），通过电（或光）缆传输、交换、分配电视节目或数据的系统。1950 年前后随着广播电视的兴起，为改善广播电视的传送质量，出现了多用户共用一个天线的共用天线电视（CATV-communityantenna television），随后进一步发展成为传输、交换、分配电视图像、声音、数据的闭路电视。通过高频电（或光）缆将信息中心与用户终端联系起来，形成闭路电视网络。这种网络不仅可以传送多频道电视节目，自办节目，而且把分散在各地的闭路电视台、广播台、卫星站联系起来，能及时播发新闻、经济、教育、文化、艺术、金融等各种信息，供用户选看。

电视重影 电视电波经多路传输到接收天线引起主图像边缘出现干扰影子的现象。出现重影的主要原因，是来自直接或反射的电波有时间差， 在图像上形成位移差，出现重叠的影子。完全消除重影的有效方法，还在研究之中，目前常用的方法是提高天线方向性，采用共用天线系统，使用单频道天线，使线路及馈线连接电缆及接头阻抗很好匹配等措施，使重影减弱。

卫星电视 由通信广播卫星向波束覆盖区内广大用户转发彩色电视。卫星电视具有覆盖范围大，不受地面距离限制、信号传输质量高，载频高，频带宽，容量大以及灵活可靠等特点。是数字电视、高清晰度电视、多路伴音、立体声广播、数据传输的重要传输手段，是电视广播的重要发展方向。卫星电视是将经过预处理的电视图像的视频和声音信号，以频分或时分复用方式形成基带信号，对主载频调频传输。由于载波频率、频道划分、传输频带、调制解调方式与现行的电视广播不同，因此，不能用普通彩色电视机直接收看卫星电视广播。为此需采用专门的卫星电视接收系统，接收卫星电视信号，经解调后，才能送到彩色监视器或接收机上收看卫星电视节目，或通过 CATV 系统分配到每个用户终端。

常用的卫星电视广播的下行频段有与通信共用的 3.7～4.2GHz 的 C 频段和 11.7～12.2 或 11.7～12.5GHz 的 Ku 频段，在这 500MHz 的频带中，分

成 24 个频道，每个频道的接收带宽为 27MHz 或 30MHz。

由卫星地面站向通信广播卫星发射信号，称为上行，经星载转发器进行频率变换和功率放大后向覆盖区内发射信号，称为下行。卫星电视接收站的天线尺寸因通信广播卫星的下行等效全向辐射功率（EIRPs）的大小而异，一般 EIRPs 在 30～55dBW 之间，接收站抛物面天线直径相应地为 6～

0.7 米左右。定点在 87.5°E 和 105.5°E 的中国通信卫星和亚洲一号卫星在覆盖区中的 EIRPs 值约为 34（或 36）dBW，使用 3 米天线和 25K 低噪声下变频组件，能收到较高质量（3.5 级）的图像。亚洲一号卫星的北波束覆盖中国的 EIRPs 为 34～36dBW，使用 3、5、7、9、11、13、17、21 等频道转发电视节目。其中 5 频道为体育台，7 频道为 MTV，9 频道为 BBC，11 频道为中文台，13 频道为合家欢，17 为云贵台，21 为中央电视台第四套节目。5、7、9、11、13 频道用 M/NTSC 制播出彩色电视，立体声伴音节目。随着卫星电视的下行 EIRPs 提高，有可能用直径为 1 米左右的小天线，实现个体接收。

电视测试图（television test pattern） 综合直观地评价彩色电视图像质量的图形。它由黑白矩形护边框、灰底白格背景、圆、台标、肤色、清晰度线、灰度级、白色中心十字线、彩条、黑白条、黑色针线以及标准时间、台号四周彩色图形等组成。其主要用途分述如下。

黑白矩形护边框的四周：用于校正图像的宽高比是否为 4∶3；考察图像是否位于光栅中心。当接收机显像管上的光栅在图像正中心时，黑白边框上下左右对称，表明图像中心位置和行场扫描幅度是正常的。垂直边框还用于检查同步分离和箝位是否正常。

灰底白线正方格背景：用于检查行场扫描线性，幅度大小，几何失真和非线性失真，聚焦，动会聚，色纯度等是否正常。当水平垂直线条粗细近似相同时，表明聚焦最佳。白条线清晰，无彩色镶边，表明动会聚一致。有灰度背景，表明色纯正常。

圆：用于检查几何失真和非线性失真。大圆呈正圆形，表明电子圆的中心为图像的几何中心，行场扫描线性好，4∶3 宽高比准确。圆边缘光滑说明隔行扫描正常。

圆中男女肤色：用于调整色调、色饱和度和亮度。圆内白色背景的黑色台标；用于电视台台名标志。

五级清晰度线：用于检查水平清晰度，视频带宽。自左向右呈现五块粗细不同的垂直线分别代表五级清晰度线数和相应带宽（括号内数字，单位为兆赫）为 140（1.8），220（2.8），300（3.8），380（4.8），450

（5.6）；或 64（0.8），140，220，300，380。五块粗细垂线全部清晰， 则表明频道微调、聚焦、视频带宽均正常，若 300 线（第四块）以上不清晰，表明视频带宽差，或显像管分辨力低。若在 300～380 线块上出现彩色斜纹，表明色通道带宽正常。反之，太窄，需加大色通道带宽。

灰度级：自左向右，由黑到白的灰度级层次分明，无色，表示彩色接收机的亮度、对比度调整配合准确，显像管白色平衡调整正确。

圆中心的黑色背景上的白色中心十字线：由中心垂直白线和两边对称分布的 5 根白十字线组成。用于确定全图中心位置，检查隔行扫描和静会聚。

彩条：自左向右，由白黄青绿紫红蓝黑 8 个垂直条组成。用于调整彩

色电视接收机的色调和色饱和度，使彩色鲜艳颜色准确。检查自动消色是否正常。

黑白条：由 250kHz 方波形成，幅度从白电平到黑电平。用于检查接收机亮度通道的瞬时响应，和是否有低频拖尾等现象。

黑色针：位于黑色背景中的白色矩形，用于检查接收天线性能或射频电缆的匹配程度，正常时，两边的黑色针线应无重影出现。

时间标志：供电视观众对时用。

圆外左右色差信号条块：用于检查接收机中的同步解调、延迟线、PAL 开关、G—Y 矩阵的工作性能。在正常情况下，左边上角 270°的 R—Y 方块呈青偏绿色，下角 90°R—Y 方块呈红偏紫色。左中间 G—Y（0°，146°） 的竖条呈黄偏橙色。右边上角 180°的 B—Y 方块呈黄偏绿色，下角 0°的B—Y 呈蓝偏紫色。右边中间的 G—Y（0°，360°）的竖条呈蓝偏青。左、右、上、下角的 R—Y、B—Y 工作在正常、交变两种状态。若在左上下角的R—Y 方块中出现青色（或红色），右上下角的 B—Y 方块出现蓝色或黄色， 则说明 R—Y 和 B—Y 的同步解调的基准副载波相位不准。若 R—Y 和 B—Y 方块中出现“百叶窗”干扰条纹，说明 PAL 延迟线的相位和幅度不准。若关掉显像管红蓝电子枪，调节色饱和度电位器，正常情况下，两个 G—Y 竖条的亮度不变。反之，则变化，说明 G—Y 矩阵不准。

电势（electricpotential） 又称电位。描述静电场性质的一个物理量。静电场中某点的电势就是该点与选作电势为零的参考点之间的电势差。所以某点 a 处的电势定义为将单位正电荷从该点移动到电势零点处的过程中电场力所作的功，即

ϕ = 电势零点E·dl。

a

当电荷分布在有限空间时，习惯上总是选取无限远点为零电势参考点，这时有

∞

= E·dl。

ϕ

若电荷分布延伸至无限空间，则零电势点必须选取在有限空间的某处。

由于静电场力在电荷移动过程中所作的功与所取的路径无关，所以选定零电势点后，场中各点的电势都具有确定的值，并可用它来描写静电场的特性。这也是对静电场可引进电势这个物理量的依据。

电势是电场空间坐标的标量函数，因此是标量扬场中各点处电势的值与零电势参考点的选取有关，而零电势参考点位置的选取有任意性，因此电势的值只有相对意义。

电势的单位为伏特。

等势面 又称等位面。在静电场中电势相等的点所组成的曲面。电荷沿等势面移动时，电场力对它不作功。例如，当导体置于静电场中并达到静电平衡时，导体内部的电势处处相等，导体表面便是一个等势面。

等势面有一个重要的性质，即等势面与电场线处处正交。若在画等势面时，使任意两个相邻等势面的电势差为常数，便得到电场的等势面图。此时，等势面较密集处，电场强度较大；等势面较稀疏处，电场强度较小。因此等势面图与电场线图一样，也是描述电场分布的一种直观图象。例如，

点电荷产生的静电场中等势面是以点电荷为中心的同心球面，且内密外疏。

电势差 又称电位差。反映场的特性的物理量。取足够小的电量作为试探点电荷 q0，在静电场内任意两点 a 与 b 的电势能差 Wa-Wb 在数值上等于把该电荷从 a 点移到 b 点过程中电场力所作的功 Aa-b，此值与电量 q0 成正比，电势能差与 q0 的比值则与电荷本身无关，称为静电场内这两点的电势差。可表示为

ϕ = ϕ − ϕ

= A a→b

b

• dl。

ab a b

∫a E

0

在直流电路中的电场是稳恒电场，也是无旋场，也可引进电势差的概念。这时电路中两点间的电势差又称为电压。

在迅变电磁场中，由于电场强度的环路积分不等于零，电场中 a 点至b 点的 E 的线积分与路径有关，故不能像静电场中那样引进与静电力作功相联系的、具有明显物理意义的电势和电势差概念。

在国际单位制中，电势差与电势具有相同的单位，都是伏特。

电势梯度也称电位梯度。表示电场内电势随空间变化程度的物理量。电场中某点的电势梯度是一矢量。其方向是该点处电势变化最大的方向， 其值就是沿该方向上电势的变化率。如图所示，S1 和 S2 为相邻的两等势面，分别为ϕ1 和ϕ2，设ϕ2＞ϕ1，ϕ2-ϕ1=Δϕ，P1 点处沿电势增加方向单位矢量记为 n∃，P1 和 P2 两点之间的距离记为ΔL，则 P1 点的电势梯度（记作 gradϕ)定义为

gradϕ =

lim △ϕ n∃ = ∂4ϕ n∃。

△L→ 0 △L ∂L

静电场中任一点处的电场强度 E 等于该点电势梯度的负值，即 E=- gradϕ。这一关系称为电场强度 E 与电势ϕ的微分关系。

■电势梯度

电势梯度的单位与电场强度的单位是相同的，都是伏特/米。

电势能 电荷因为处于外电场中而具有的一种势能。这是由于静电场是保守场或势场而引入的一个概念。与重力势能的情况类似，点电荷在静电场中某一点处的电势能就是该点相对于参考点（电势零点）的电势能。点电荷 q 在电场中 a 和 b 两点的电势能差 Wa-Wb 等于将该点电荷从 a 点移至 b 点过程中电场力所作的功 Aab，即

a

Wa - Wb = A ab = ∫ qE·dl。

(1)

若选定 b 点为电势零点，则 Wb=0，因此电荷 q 在 a 点处的电势能为

b

W = qE·dl。

a

(2)

当电荷分布在有限范围内时，一般选定无限远处为电势零点，这时电荷 q 在 a 点处的电势能可表示为

∞

Wa = Aa∞ = ∫ qE·dl 。

(3)

电势差就是单位电荷的电势能差，因此静电场中 a 和 b 点的电势差与点电荷 q 在这两点的电势能差存在如下简单关系：

Wa-Wb=q（ϕa-ϕb），

即电荷 q 在 a、b 两点的电势能差等于电量 q 与这两点间电势差（ϕa-

ϕb）的乘积。

在任何情况下，点电荷在电场力作用下总是从电势能高处移向电势能低处。在此过程中，减少的那部分电势能便转化为其它形式能量（如电荷的动能）。

电势差计（potentiometer） 又称为补偿器。可用来测量电位差的最准确仪器。其原理如图所示。把开关 S 打向标准 N 侧，调节电阻 Rh，在检流计指零时 EN=IwRN，Iw=EN/RN，式中 EN 为标准电池的电动势，保持工作电流 Iw 不变，S 打向 X 侧，调节补偿电阻 Rc 至检流计指零，则

U = I R = E N ·R 。

x w c c

N

乘积 IwRC 称为补偿电压 UC，根据调节 UC，的方式不同，补偿电路分为两种类型：用调节电阻 RC 来调节 UC 而保持电流不变的定流变阻式；RC 固定而调节其上流过的电流值的定阻变流式。目前这两类方式都被广泛用于实际测量中。

直流电势差计将标准电动势与被测电压（或电动势）近似于直接并列比较，由上式说明，被测电压（或电动势）的值仅决定于电阻比值 k=RC/RN 和标准电池的电动势，因此测量准确度高。

■电势差计

测量准确度高的另一个原因是：电势差计在两次平衡时指零仪的指示都是零，即在灵敏度限定的范围内指零仪中没有电流通过。这说明在读数时电势差计既不吸收标准电池的能量，也不吸收被测对象的能量，从而确保它们原有的数值不变。检流计中没有电流流过还使得 EN 和 UX 的内阻或该回路导线电阻都不产生附加电压降。

不吸收测量对象中的能量而保持其原有状态，是补偿测量法的突出特点。所谓补偿法，其基本含义就是用与被测量同性质的已知量去补偿被测量，在实现补偿时二者的作用相互抵消的测量方法。由于二者作用相等， 已知量的值就代表了被测量的大小。并且由于二者作用抵消，使测量回路中没有电流，所以又属于零值法，因而不消耗被测量的能量。

电势差计是将已知的标准电动势 EN 分成连续可

调而又已知比例数的若干份数 kEN（k=RC/RN），用这个已知电压 kEN 去补偿未知电压 UX，从而确定 UX 的数值。由于电势差计是应用补偿法的典型仪器，所以被称为“补偿器”。由于补偿法的优点，电势差计的应用很广泛，不但应用于精密电测领域如测量电阻、电流、电功率等，而且经常采用自动补偿电路实现自动测量和控制。

电通量（electricflux） 电场强度 E 的通量。表征电场分布情况的物理量。通过面积元 dS 的电通量 d∅e 为

d∅e=E·dS=EdScosθ，

式中θ为面积元的法线方向与该点处电场强度 E 的方向之间的夹角。通过有限曲面 S 的电通量∅e 为

∅e = ∫∫ E·dS 。

(S)

在静电场中，通过任一闭合面的电通量与该面所包围的总电荷Σqi 成正比，即

∅e = ∫∫ E·dS =

(s)

1 ∑ q ，

ε i

0

式中ε0 为真空介电常数。上式称为电学中的高斯定理。

在静电学中，电通量可通过电场线图象形象描述。某一曲面 S 的电通量在数值上等于穿过该曲面的电场线的条数 N。电通量为正，表示有电场线从该面的后方空间穿过该面而进入前方空间。电通量为负，表示有电场线从该面的前方空间穿过该面而进入后方空间。电通量为零，表示没有电场线穿过该面，或穿出和进入该面的电场线条数相等。

《电学实验研究》（Experimental Researches inElectricity） 英国物理学家、化学家法拉第的代表作。这部著作从 1839 年开始陆续出版，

1855 年出齐。全书共三大卷，包括 30 个部分，三千余节。第一卷第一部分是阐述电磁感应的一组论文，包括：①论电流的感应，②论从磁产生电；

③论物质的一种新的电条件；④论阿拉哥的磁现象，其中总结对电磁感应的发现，那是法拉第 1831 年 11 月 24 日在皇家学会上宣读过的。以下部分是论及不同来源的电的同一性，地球的磁电效应，导电性的新定律，电化学分解，自感现象，气体放电，伏打电堆理论，光的磁化，磁力线的说明， 新的磁效应，最后部分是阐述磁化规律作为结束。该书从头到尾是典型的法拉第风格：内容分条叙述，语言简洁清新，完全不用数学。逐节阅读下去，一幅幅实验图画就会呈现在面前，完全可以仿照它们自己再做一遍， 由此受到巨大的启发和引起丰富的联想，新发明、新创造便会在人们的头脑中逐渐形成。

这部著作既是法拉第一生从事电磁学研究的实践经验和劳动成果的结晶，也是他留给人类的最宝贵的科学遗产。这部著作虽与牛顿的《原理》一书不同，它不是以体系化、公理化而是以素材提供给读者，然而人们从中同样可以找到这位伟大科学家的许多深刻的观念和新奇的思想，长于实验和精于观察的本领，以及他的工作热情和对科学的献身精神。

电压 （Voltage） 参见电势差。

电压互感器（voltagemutualinductor） 仪表中使用的互感器的一种。将交流高电压变换为低电压的装置。基本结构和工作原理都与变压器相同，但因为用于测量，故在设计上要求电压变换误差极小其初级线圈匝数 N1 远大于次级线圈匝数 N2，故能将高电压

■电压互感器

变换成普通电表可直接测量的低电压，并使电表等与高压电路隔开。通常规定电压互感器的次级额定电压均为 100V，以便使与之联用的电压表、功率表和继电器等的电压线圈在制造上得以标准化。电压互感器常与电压表等一起组成专用测量仪器或保护装置。使用时初级线圈并联在待测高压交流电路上，次级与电压表等串联，如图所示。由于电压表等阻抗很高，这时的互感器便相当于次级无负载时的变压器。待测高压 V1=（N1/N2） V2 也就等于次级电压表读数的（N1/N2）倍。电压互感器广泛应用于电力系

统中。使用时其次级线圈决不允许短路，否则将烧毁装置，造成事故。为防止高压漏电危及测量人员，铁芯及次级线圈的一端应接地。

电压源（voltagesource） 用一个恒定电动势ε和一个阻抗 Z0 相串联的电路来表示的电源。Z0 为电源的内阻，Z 为负载阻抗，如右图所示。该电源提供给负载的电压随负载不同而有所改变。

■电压源电路图

任何一个电源，例如发电机、电池或各种信号源，都含有电动势ε和内阻抗 Z0，在分析与计算电路时，往往把它们分开，用右图所示的电压源等效电路来进行处理。一般在电源内阻较小时，大多采用电压源表示。当电源内阻较大时，往往采用电源的另一种表示法，即电流源表示。两种表示法是等价的，可以相互等效变换。

电影（film） 把活动画面连续拍摄成一幅幅分立的照片，每相邻两幅上的动作只相差一点点，然后再把它顺序地映入人的眼睛，由于视觉的暂留现象，使人看到的感觉是活动画面图像。1889 年爱迪生在伊斯曼连续底片的基础上发明了近代电影。他的原理与现在电影的原理基本一样，在35 毫米宽的胶片两侧打上输送孔，使胶片移动，把活动着的物体一幅幅地拍摄下来。但是爱迪生放映电影时的方法是采用电灯透射，从上面用放大镜窥视。1890 年，已制成每秒钟能拍 40 张的活动图片。1895 年，法国的卢米埃兄弟制成了世界上第一架摄影机，并改革了爱迪生的电影放映机， 将活动照片映射在布幕上，立刻吸引了大批好奇的观众，电影的发展从此拉开了序幕。

电影产生的初期，通用的银幕高宽之比是 16∶22，电影界称之为标准银幕，这种银幕在我国十分流行。1953 年“西尼玛斯珂普”宽银幕系统问世。这种影片在拍摄时同样使用一条 35 毫米的电影胶片，但摄影镜头的光学系统是变形的，人和物都变成了瘦长的，而在放映时，只要在普通的放映机镜头前再加一变形镜头（还原镜头），人和物就能恢复原状，而形成了比标准画面的视野宽得多的宽阔画面。这种影片，电影界称之为“真宽银幕”影片。

后来，又出现了一种不用变形镜头，而只简单地将标准画面的高度压缩一些，使画面的高宽比例有所改变，这种影片，人们叫做“遮幅式宽银幕”影片，电影界称之为“假宽银幕”影片。

1947 年，原苏联青年工程师西姻扬·伊扎诺夫发明了立体电影，在莫斯科首映了立体故事片《鲁滨逊飘流记》，观众为之惊呼。立体电影在拍摄时使用两部摄影机，或者如“真景电影法”那样，使用有两个镜头的摄影机，分别代表人的左右两只眼睛。显影时供左眼看的胶片染成红色，供右眼看的胶片染成绿色，两份胶片用两台同步放映机同时放映在银幕上。观看者必须戴上有色眼镜，其中一个镜片为红色，另一镜片为绿色。观看者实际上是分别看到两个映像，两个映像在观看者头脑中叠合在一起，产生立体感。

在我国目前放映的立体电影有两种，一种是要戴眼镜（红、绿眼镜或是偏光眼镜）看的；另一种不戴眼镜而是由光栅银幕来产生立体感。

电源（electric source） 把其他形式的能量转换成电能的装置。如发电机、电池、温差电偶等。发电机通常将机械能转换为电能；干电池、

蓄电池等将化学能转换为电能；温差电偶将热能转换为电能。

电源内部存在使正负电荷分离，并使它们分别积聚到电源正极和负极的非静电作用，称为非静电力。正是这种非静电力，使电源两极间产生并维持一定的电势差。不同电源的非静电力的来源不同。干电池、蓄电池等化学电源的非静电力是一种与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用； 在一般发电机中，非静电力起源于磁场对运动电荷的作用（即电磁感应或洛伦兹力）；在温差电偶中，非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用。

在电子设备中，有时把变换电能形式的装置亦称为电源，如整流器（将交流电变为直流电）、信号发生器（将市用交流电变为各种频率的交流信号）等。

电源的串联和并联 （ series and Parallel conne-ction of electricsources） 将一个电源的负极与下一个电源的正极相连，依次结成一串，称为电源的串联；将几个电源的正极连在一起，负极另连在一起所构成的组合，称为电源的并联。

串联电源组合的总电动势等于各电源电动势之和：

ε=ε1+ε2+⋯+εn， 总内阻等于组成串联的各电源内阻之和：

r=r1+r2+⋯+rn。

若串联所用的电源都相同，它们的电动势均为ε0，内阻均为 r0，则串联电源的总电动势ε和总内阻 r 为：

ε=nε0，

r=nr0。

对于并联电源组合，所用的电源通常都选用电动势和内阻都相同的。这时并联电源组合的总电动势等于一个电源的电动势，即

ε=ε0，

1

总内阻等于一个电源内阻的 n ，即

r = r0 。

n

不同电动势的电源并联时，往往会在电源之间产生电流，因而一般不宜采用。

电源串并联的应用场合不同。需要获得较高的电压时，可采用几个电源的串联方式；需要获得较大的电流时，可采用几个相同电源的并联方式。

电源内阻（internalresistanceofsource） 电源内部所具有的阻抗。电源内阻可能是纯电阻性，如干电池和蓄电池的内阻；也可能既有电阻性，又有电抗性（电感性或电容性），例如，发电机或电子技术中的信号源的内阻，同时具有电阻性和电抗性。

在直流电路中，考虑到电源的内阻 r 时，闭合电路中的电流强度为

I = ε ，

R + r

式中ε为电源电动势，R 为外电阻。上式也可写为

ε=IR+Ir，

即电源电动势等于外电路上的电压降（即路端电压）与电源内阻上的电压降之和。这种关系称为全电路欧姆定律化学电池的内阻并非恒定，新电池的内阻较小，用旧了的电池的内阻较大。新干电池的内阻约为 0.5Ω。

在电路中，为了减少电能损耗，应尽可能减小电源内阻。另一方面， 在有些电子线路中，为了提高输出功率，需要使负载电阻 R（或负载阻抗 Z） 与信号源内阻匹配，匹配的条件是

R=r（或 Z=Z′），

其中 r 或 Z′为电源的内阻。在这个条件下，电源的输出功率最大。

电致变色（electrochromaticalteration） 一种当化合物被加上一定电压后会改变颜色的效应，又称“电色显示”。此效应可用于数字显示。最初人们发现三氧化镍有此效应，但因改变颜色的速度太慢而未被用于数字显示。一般来说，具有每秒至少 10 次的反应速率，就不致于使视读感觉闪烁。在人们对氧化铱的电致变色的研究中，发现该种化合物改变颜色的速度较快，只须经 1/50 秒就能变色，因而被用于数字显示。

美国贝尔实验室对此项应用作出了贡献。他们用阳极生长法或喷射法在一镀锡表面上形成氧化铱薄膜，该薄膜呈透明色，当向位于其后面的接点施加一电脉冲时，经 1/50 秒，薄膜即由透明色变成深蓝色。贝尔实验室进一步研究表明，采用一种新的喷射法直接沉积，也就是将氧化铱薄膜沉积在钽上，那么该薄膜除具备阳极氧化铱薄膜的所有特点外，还具有通电时薄膜呈黄色、而施加反极性电压时薄膜又呈淡蓝色的特点，即可通过电的变化来改变颜色。电致变色显示的优点是：①颜色的产生速度较快，且颜色的对比度好；②颜色的消失速度也快，当向其接点施行一反极性电脉冲时，颜色即行消失；③对于颜色有一定存储能力；如深蓝色约能保持 10 小时。

电致发光（electroluminescence） 在气体、液体和固体的放电过程中所产生的发光现象。日光灯是电致发光和光致发光的结合：灯管中的水银由于电极放电而被激发，水银原子发出的紫外线被荧光粉转换成可见光。硫化锌薄片两面外加电场也可产生电致发光。在快速电子轰击下，许多物质如红宝石、荧光粉等也会发光。阴极射线通过荧光屏发光广泛应用于电视、雷达、示波器、电子显微镜等设备，但需要高效率的、多种颜色的荧光粉。

电子（electron） 一种基本粒子，常用符号 e 或 e-表示。电子是一种非常稳定的粒子，是构成任何物质原子的基本组成部份。

电子的发现“电子”这一名词最早于 1881 年由斯通尼提出，并用它表示电荷的最小单位。根据法拉第电解定律，一摩尔任何原子的单价离子带有相同电量，其值就是法拉第常数 F。另一方面，根据阿伏伽德罗定律， 一摩尔任何原子的数目等于阿伏伽德罗常数 NA。因此电荷的基本单位应是C=F/NA。

汤姆孙于 1897 年首先从实验上确认电子作为一种粒子的存在。汤姆孙发现阴极射线在电场或磁场作用下能发生偏转，并由此测定了阴极射线粒子电荷的符号。另外由于电场力与电荷有关（Fe=eE）；磁场力与粒子运动的速度有关，因而当粒子动能确定时，与粒子的质量有关

 1 2

E = mv

 2

，FB = evB = eB

。汤姆孙于是对阴极射线同时施加电场

和磁场，并调整到使它不发生偏转，此时电场力和磁场力相等，从而得到一个阴极射线粒子的电荷和质量之间的关系式，并由此确定出这两个量的比值。汤姆孙从实验上发现电子的电荷与质量之比，即电子的荷质比约为氢离子荷质比的 1840 倍。由此他得出如下正确的结论：“存在有比原子小得多的微粒”。

电子电荷汤姆孙在测定电子荷质比之后不到两年，又分别测定了电子的电荷与质量。电子电荷的精确测量是密立根于 1910 年通过“油滴实验” 首次得到的。通过实验发现油滴所带电荷的量是某一最小电荷的整数倍， 这一最小电荷就是一个电子的电荷。现代测定的电子电荷的值为

e=1.6021892（46）×10-19 库仑。

电子质量 从实验测得的电子荷质比及电子电荷的值，可定出电子的质量。现代测定的电子质量值为 m=9.109534（47）×10-31 千克。

电子自旋 实验发现，电子具有自旋角动量和自旋磁矩。为了理解这种现象，常常将电子比拟为不断地旋转的小陀螺。但是电子的自旋运动完全是一种“内禀运动”，是一种量子现象，完全不同于发生在时空中的

粒子的运动或刚体的运动。电子的自旋角动量的值为

s(s + 1)η，

（s = 1 ），η为普朗克常数h除以2π。电子自旋在空间中的取向不是任

2

意的，且它在空间中某个方向（如外磁场方向）的投影只可能取两个值 msh

（m = 1 1 η为单位）。与电

_s ± 2 ）。所以我们常称电子的自旋是 2 （以

子自旋相联系的磁矩在空间中某一方向的投影是μ

_Z = －msμ B

= ± 1

2

μB，其中μB=9.273×10-24 焦耳/特斯拉，称为玻尔磁子。

电子的波动性 电子具有波动性的假设最早是法国物理学家德布罗意于 1924 年提出的。1927 年美国物理学家戴维孙和革末通过电子束对晶体的衍射实验证实了电子具有波动性的假设。电子的德布罗意波的波长λ 与它的动量 P 之间存在如下关系：

P=h/λ。

由这个关系可以证明，对于宏观现象中运动的电子（如示波管，显像管中的电子束，或加速器中的电子束），电子的德布罗意波波长与它们运动的线度相比非常非常小，因此电子的波动性在这些情况中完全可以忽略，电子运动的轨道概念可以保留，经典力学理论仍然适用。但是对于微观领域中电子的运动（如原子中电子的运动），其德布罗意波长可与运动的线度相比拟，甚至更长，电子的波动性在这些情况中非常显著，电子运动的轨道概念不再适用，经典力学理论也不再适用。所以在微观领域中要用量子理论。

正电子 与电子相对应，自然界中还存在“反电子”，或称正电子。根据量子理论，自然界中的任何基本粒子都存在相应的反粒子。正电子的电荷为正，其电量、质量、自旋等与电子相同。故常用符号 e+表示。英国物理学家狄拉克于 1930 年首先从理论上预言了正电子的存在。美国物理学

家安德森于 1932 年首先从宇宙线实验中发现了正电子。正电子在真空中是稳定的，但是当它与电子相遇时便立即发生“电子对湮灭”而转化为光子或其他粒子。

电子的大小 如果电子具有有限线度或内部结构，则必然会在高能散射实验中显示出来，迄今尚无迹象表明电子有内部结构。最新实验表明， 如果电子有大小，其线度将不会超过 10-18 米。

电子鼻（electron nose） 一种模仿人鼻嗅觉功能的仪器，亦称“嗅敏仪”。它主要由传感和检测两部分元件组成。传感部分作为“鼻子”是一种对气体敏感的嗅敏半导体元件，一般采用以二氧化锡为主的一种 N 型金属氧化物半导体。该种半导体是一种多孔型的烧结体，粉末颗粒仅为 0.1 微米，因此对气体的吸附本领特强，它的嗅觉功能比人鼻还要灵敏。检测部分则采用桥式电路。电子鼻的工作原理是：由于嗅敏半导体元件具有相当大的吸附气体的表面，当气体分子被元件吸附时，元件的电导率发生变化，即元件的电阻发生变化。而检测部分是以嗅敏半导体元件为电桥的一臂，开始时将电桥调节到平衡，输出为零，当元件嗅到气体时，电阻值发生变化，此时输出就不为零，电表上的读数即为气体浓度的相对大小。用这种仪器可以辨认出氢、一氧化碳、不饱和烃类等几十种易燃、易爆及有毒的气体。

电子对抗（electronic warfare） 为削弱、破坏敌方电子设备正常工作，保障己方电子设备正常工作而采用的综合技术措施。其实质是，战争双方利用专门的无线电子设备和器材争夺对电磁频谱的有效使用权。这包括两个方面：一方面利用专门的无线电电子设备（电子侦察和干扰设备） 破坏和减弱另一方无线电电子设备（通信、雷达、遥控和导航等）的威力和效能，这就是电子侦察和电子干扰；另一方面采取一定的技术措施来防止和消除对方从事的电子侦察和电子干扰工作，以保证己方电子设备正常工作，这就是电子防御。例如在雷达领域，电子对抗包括对敌方雷达的侦察和干扰，对己方雷达的掩蔽和防护，以达到反侦察和反干扰的目的。

电子侦察就是使用电子侦察装置对敌方的雷达、通信、制导等电子装备所发射的信号进行截获、测频、测向、分析和识别，查明敌方电子系统及其各种参数，以便进一步采取对抗措施。电子侦察包括情报侦察和技术侦察：①情报侦察分战略侦察和战术侦察。例如用侦察卫星发现敌方洲际导弹及战略部队的部署，以及用远程电子侦察设备对敌人导弹基地进行监视等均属于战略侦察的范围；陆、海、空军及民兵装备电子侦察设备，以发现敌方军事部署、动向和企图，则属于战术侦察的范围。②技术侦察是以获取敌方电子技术情报为主要目的的侦察。通过电子技术侦察所得到的大量技术情报，可判断敌方军事电子学的发展水平和动向。

电子干扰是指有意识地发射或转发某种电磁波，扰乱或欺骗敌方的无线电设备，使之不能正常工作或完全不能工作。对于不同的领域，有不同的电子干扰类型。以雷达干扰为例来说明分类特点：

雷  噪声干扰

达

压制性干扰连续波干扰

  （遮盖性） 脉冲干扰（高工作比，

电  

子积极干扰

 杂乱脉冲）

 （有源） 

假目标干扰

干



欺骗性干扰距离跟踪欺骗

扰

（模拟性） 角度跟踪欺骗

（  

   速度跟踪欺骗

有

 

意

大面积投入干扰丝，



 消极干扰压制性干扰形成干扰走廊、干扰

干 

，以掩护目标

扰（无源） 

点投干扰丝、角度

  欺骗性干扰

） 

射器、假目标

 

电子防御是指防御敌方电子侦察和干扰的技术和方法。例如通信反侦察的措施有通信伪装、快速通信、保密通信、多波道通信等。通信抗干扰主要手段有：采用隐蔽的通信信道，改用备用频率，用几个频道同时通信， 使用定向天线，增大发信机的功率，缩小通信机的通频带等。

随着军事电子技术的发展及技术分支的增多，电子对抗所包括的技术范围也越来越广。电子对抗的范围，在频域上包括射频对抗、光学对抗（也称光电对抗）和声学对抗三个技术领域：①射频对抗：按对抗的对象又可分为通信对抗、导航对抗、雷达对抗、制导对抗、对遥控遥测系统的对抗以及对无线电信号干扰等。这些设备大多工作在射频波段，因此整个射频波段都是进行电子对抗的领域。②光电对抗：包括红外对抗、电视对抗和激光对抗等。光波也是一种电磁波，因此光学对抗也是射频对抗频率扩展的结果。③声学对抗：指海下的电子对抗。在海洋中，潜艇、船舰或新型雷主要靠声学探测设备来发现和跟踪目标。水声对抗是专门用来对声学探测设备（声呐）进行侦察和干扰的措施。

电子伏特（electron-volt） 常用来表示微观粒子或微观系统能量的一种单位。以符号 eV 表示。等于一个电子通过电势差为 1 伏特的电场过程中所获得（或减少）的动能。leV=1.602×10-19 焦耳。1MeV=106V 称为 1 兆（百万）电子伏特，它的 1 千倍以 GeV 表示，即 1GeV=103MeV=109V。

电子管（electron tube） 借助电子在真空或者气体中在电场和磁场中的运动而构造的一种电子学器件。通常有一个发射电子的阴极和一个接收电子的阳极，还可能有控制电子发射和运动的栅极或者其他辅助电极。整个器件密封在由玻璃或金属制成的管壳内，内部的各电极与壳上的各引脚相连，管壳内部抽成真空，残余气体压强为 10-4～10-8 帕。有的电子管可能充入少量特殊气体。电子管的结构如图所示。当灯丝通电后，加热阴极并使之发射电子，改变管内各栅极的电位和阳极的电位，使电子管内各电极间的电场发生变化，从而控制电子的运动，改变阳极电流。

■电子管结构及符号图

电子管按电极数目来分类，可分为二极管、三极管、四极管、五极管、六极管、七极管和八极管等。有些电子管内包含两部分或更多的部分，成为复合管，如双二极管、二极-三极管、三极-五极管等。按用途可分为整

流管、调制管、收信管和发射管等。按工作原理可分为光电管、磁控管等。按工作频率又可分为低频管、高频管、超高频管等。电子管的主要用

途是：无线电广播、无线电通信、雷达、工业加热和粒子加速器等。

电子光学（electron optics） 研究电子束在电场或磁场中的运动规律及轨道的学科。电子束在静电场和静磁场中的行为与光线通过不同折射率介质时的行为相似，因而可以用几何光学和物理光学的方法来描述电子束在电场和磁场中的行为。通过适当形状的一组电极所产生的静电场能使电子束聚焦，这种静电场称为“静电透镜”。也可采用适当结构的通电线圈形成能使电子束会聚的磁场，这称为“磁透镜”。

电子束的聚焦、偏转以及电磁透镜等问题均属于电子光学研究的范畴。许多电子器件如阴极射线管、显像管、摄像管、质谱仪、电子显微镜等，都是按照电子光学的原理设计和工作的。电子光学的定律对于任何带电粒子流都成立，因此它也可应用于离子器件。

电子壳层（electronshell） 参见原子结构。

电子论（electrontheory） 根据物质电结构的假说以解释各种物理现象的经典理论，由荷兰物理学家洛伦兹提出。在物质电结构中，最早由韦伯引入荷电粒子的概念。此后黎曼、克劳修斯都倾向于认为，电磁现象是由于荷电粒子的存在和它们的运动。麦克斯韦建立电磁场理论之后，用荷电粒子去解释电磁现象的想法减弱了，但洛伦兹仍坚持这种观点。他引进荷电粒子与电磁作用的洛伦兹力，并将电磁扰动以有限速度传播的概念引入荷电粒子的相互作用中，于是电磁波经过媒质所呈现的各种客观现象可归结为电磁波与物质中在准弹性力作用下的电子相互作用的结果。这样，微观的电动力学方程就变得简单明确，而宏观媒质的电动力学方程可以从这些简单的微观方程导出。该理论不仅能解释媒质中一系列的电磁现象及媒质在电磁场运动中的一些效应，包括推出运动媒质中光的传播速度；还能解释媒质的色散和吸收及金属方面的一些性质，从而成为电磁理论的一个重要进展。根据该理论，洛伦兹又研究了电子运动对光和电磁现象的影响，算出洛伦兹变换，成为向狭义相对论发展中的一个重要环节。再则该理论经过相对论和量子论扩充后，已成为现代原子物理学的基础。电子窃听（electronic eavesdropping） 指在谈话人并不知晓和未

经其同意的情况下，以电子设备截听其谈话的行为。在历史上，最普通的电子窃听形式是线路窃听，以此窃听电话和电报通讯。线路窃听的起源可以追溯到电报通讯开始使用的时候。电话线路的窃听则始自 19 世纪 90 年代。以后为窃听谈话，发展了电子侦听器。可分为两种。一种是利用侦听对象室内已有的设备，诸如电话机、收音机、电唱机、电视机、扩音喇叭或磁带录音机，把它们当作传声器、发射机或电源；另一种则是独立的窃听装置，它利用了现代技术的成果，诸如微型电路、小型陶瓷传声器和小型电池等，使窃听器的体积越来越小。

侦听对象自己的设备给安装窃听器提供了条件。任何扬声器都能起传声器的作用。侦听对象的设备内的直流电源可方便地被利用。侦听对象的设备与电源线或信号线相连接，而这种线路可把截听到的谈话传送到便于进行录音的地方。

窃听器的设计技巧在各国情报部门中达到了很先进的水平。晶体管、微型电路和激光、空间时代的一切技术成果，革新了电子窃听技术。最有

效率和最便宜的收听装置是用集成微型电路制成的无线电传话器。 100 线典型的微型电路可以装在一块比一张邮票还要小和还要薄的器材上。这种传话器可以藏在扑克牌中或墙纸的背面。

新的窃听手段是应用激光的窃听装置。光线从几百米之外定向发射至侦察目标，它能对房间中谈话造成的窗玻璃极微小的振动作出反应，从而不被察觉地收听到谈话内容。这种窃听方式是较难侦破的。

电子显微镜（electron microscope） 利用电子束代替光束来照射物体并能形成一极高放大倍数的像的显微镜。电子显微镜中的电子束通过作为电子折射媒质的静电透镜或磁透镜进行聚焦。利用足够高的加速电压，能够产生出波长比普通光要短数千倍的电子波。根据显微镜原理，波长越短，其分辨本领越大。所以电子显微镜的放大倍数比普通光学显微镜大几千至数十万倍。

电子显微镜有透射电子显微镜、扫描电子显微镜和发射式电子显微镜等多种。透射电子显微镜的原理如图所示。与光学显微镜十分相似，它由以下几部分构成：产生等速电子束的电子源，把电子集中在样品上的聚光镜，移动样品（电子束能透射）的样品台，物镜，投影镜和观察终像的荧光屏。为了能永久记录图像，可用照相底片或胶卷来代替荧光屏。为使电子束自由行进，整个仪器的真空度必须达到约 10-4 毫米水银柱。

电子显微镜有两个主要用途：①观察那些用普通光学显微镜不能分辨的精细结构，如生物中的病毒、蛋白质分子结构、化学中大分子结构等。对这些研究大多采用透射电子显微镜。②对发射电子的表面进行研究。主要对固体表面进行研究。扫描电子显微镜在这方面起着越来越重要的作用。发射式电子显微镜则用于特殊的研究目的。有些特殊显微镜则利用质子束、X 射线束或正离束代替电子束来获得放大影像。

电子学（electronics） 以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的应用科学和技术。又称电子技术。电子和电磁波在真空、气体、液体、固体和等离子体中运动时产生的许多物理现象和物理效应，以及电子和电磁波的相互作用的物理规律构成了电子学基础研究的主要内容。电子学不仅致力于这些物理现象、物理效应和物理规律的研究，尤其致力于这些物理现象、物理效应和物理规律的应用。

电子学发展简史 电子学的发展首先是从利用电子器件开始的。它是在早期的电磁学和电工学的基础上发展起来的。它的诞生迄今只有 100 年左右的历史。1895 年，意大利人马可尼在赫兹实验的基础上成功地进行了

2.5 公里距离的无线电报传送实验。1896 年，俄国人波波夫也独立地进行了约 250 米距离的类似试验。此后数年，马可尼的研究将无线电报的传送距离不断延伸，1899 年实现了跨越英吉利海峡传送无线电报的试验；1901 年，完成了跨越大西洋的 3200 公里距离的试验。无线电报的发明，是人类利用电磁波的一项重大成就，电子学从此进入了一个研究和利用电磁波的极其兴旺的时期。

1883 年爱迪生效应的发现，预示着新的电子元件即将问世。1904 年， 英国人弗莱明首先把爱迪生效应付诸实用，发明了二极电子管。1906 年， 美国人德福列斯特发明具有放大作用的真空三极管。它的产生是电子学发展史上的一次重大突破。它不仅为当时蓬勃发展的无线电报通信事业提供了一种极其有用的器件，而且开创了真空电子学研究领域，由此取得了许

多成就，如电视、雷达、计算机的相继发明。1919 年英国首先建成播发语言和音乐的无线电广播电台。此后无线电广播事业发展极其迅速，世界各地建立了各种电台，波段从中波扩展到短波，调制方式从调幅扩展到调频、脉冲调制等。随着电台的发射功率的增大，电台广播的覆盖面越来越大， 人造卫星的发射成功，实现了卫星直播，使覆盖面获得更进一步的扩大。1927 年英国人贝尔德成功地用电话线路实现把图像从伦敦传至大西洋中

的船上。不过它还不是全电子电视。兹沃雷金在 1923 年和 1924 年相继发明了摄像管和显像管，对电子电视作出了杰出的贡献。1931 年他组装成世界上第一个全电子电视系统。广播、电视的发明，不仅丰富了人类的文化生活，而且为人类提供了一种公共的信息媒介。1936 年，英国人沃林-瓦特设计建成警戒雷达，十分有效地警戒了德国轰炸机的侵袭。1938 年，美国研制成火炮控制雷达，大大地提高了火炮的命中率。1940 年，制成能产生大功率微波的多腔磁控管，次年，研制成功微波雷达。在整个第二次世界大战期间，雷达成了电子学中最活跃的部分。

1946 年，美国制成了大型电子数字积分计算机（ENIAC）。但是，这种计算机的程序仍然是外加式的，存储容量不大。数学家诺伊曼等提出了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案——电子离散变量自动计算机

（EDVAC），它是电子计算机发展中的一项重大突破，有力地推动了存储程序式计算机的生产。从此以后，电子计算机的应用越来越广泛，从科学计算扩展到事务管理、过程控制、情报检索、人工智能等许多领域，对人类的生产和生活产生了巨大的影响。

正当电子管进入全盛时期，美国贝尔实验室的物理学家认识到电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性，将限制电子技术的进一步发展。1948 年该实验室的巴丁和布喇顿两人合作研制成功点接触型晶体管。1949 年， 肖克莱提出了 P-N 结理论。1950 年晶体管开始进入工业化生产阶段（由于研制成功晶体管，上述三人共获 1956 年诺贝尔物理学奖）。1957 年，贝尔实验室的斯帕克斯发明面结型晶体管，克服了点触式晶体管的缺点。晶体管的诞生是电子学的第二次重大突破。电子学在以后取得的许多成就， 如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展而来的。

1952 年，英国学者达米尔首先提出制造单块半导体集成电路的思想。

1957 年，英国普列斯公司与马尔维尔雷达研究所协作制成了触发器电路。

1958 年美国的开尔贝制成第一个半导体集成电路。1961 年，美国开始生产半导体集成电路。集成电路的出现是电子学的第三次重大突破。

集成电路一经问世，发展就极为迅速。1962 年制成了包括 12 个元件的小规模集成电路。1966 年制成了包括 50 个门（数百个元件）的中规模集成电路。1967 年第一块大规模集成电路问世。1977 年，在 30 平方毫米的芯片上制作 15 万个元件的超大规模集成电路诞生。大规模集成电路的问世是电子学的第四次重大突破，使电子学进入微电子学时期。

1957 年，原苏联发射人造地球卫星成功，宣告了空间时代的到来，促进了遥感、遥测、遥控技术的发展，也推动了卫星通信技术的发展。使电子学出现一次大飞跃。

电子学发展的一个重要方面，表现在电磁波谱利用的扩展上，特别是对光频段（包括红外和紫外）的开拓和利用上。1954 年，美国人汤斯用致冷的氨分子作工作物质，研制成世界上第一台微波激射器。1958 年汤斯和

肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和光频段。1960 年，美国人梅曼研制成第一台激光器——红宝石脉冲激光器。激光器的出现，导致了大容量光纤通信的问世，使用于信息技术的电磁波谱，从无线电频段扩展到光频段，从而使已经显得十分拥挤的无线电频段得到了缓解。

电子学所取得的成就是多方面的，每一分支专业或学科都有自己的应用基础科学的成就。理论与实践，循环往复，相辅相成，不断提高，把整个电子学推向一个又一个新的阶段。

电子学的学科体系和基础 现代电子学具有一个庞大的学科体系， 它包含了众多分支。这些分支通常可划分为四大类，即：系统和大系统技术；基础理论与基础技术；元件、器件、材料与工艺；交叉学科类。各类中又包含许多分支学科。在系统与大系统技术类中，分支学科有：通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、计算机、能电子系统以及综合多种系统技术的大型电子系统等。其共同特点是用电子学方法实现具有某一种或多种社会和军事应用的功能。在基础理论和基础技术类中，分支学科有： 电子线路与网络分析、微波、天线、电波传播、测量、电源、显示技术、信号处理、信息论、自动控制原理、可靠性理论等。它们是构成功能性电子系统所需的各种技术手段或基础理论。在元件、器件与材料、工艺类中， 分支学科有：固态电子器件与集成电路、真空电子学、电子元件、电子材料及有关生产技术等。这一类分支学科可以说是电子学的物质基础。在交叉学科类中，目前主要有：量子电子学、核电子学、空间电子学、生物与医学电子学、射电天文学与雷达天文学等。由于电子学不断与其他学科交叉渗透，还将会形成许多新的分支学科。

电子学应用的范围越来越广泛。任何应用都涉及电子器件和电子电路。电子器件的种类很多，习惯上分为有源器件和无源器件两大类。有源器件主要有电子管和晶体管。电子管包括真空管和充气管。按功能和应用来分类，真空管可分为普通电子管、图像管、光电管和微波电子管等四类。普通电子管用于整流、放大、振荡、变频和开关等，有二极管、三极管、四极管和五极管等类。图像管包括阴极射线示波管和电视显像管，是一种显示光图像的真空管。光电管是在光照射下产生电信号的器件。最简单的光电管为光电二极管；复杂的如电视用的摄像管。微波管即产生或放大微波的电子管。常见的微波管有磁控管、速调管、行波管等。充气管是利用气体放电原理而工作的电子管。常用在电子电路中起控制、整流、稳压、指示等作用。晶体管指有源的半导体器件，如半导体二极管、晶体三极管、场效应晶体管、半导体闸流管等，其主要用途为控制、放大、振荡和开关等。晶体管进一步发展为集成电路，成品日趋小型化，现已制成在 1 立方厘米体积内可以包含上百万个晶体管的超大规模集成电路。

无源器件在电子电路中起重要的作用，主要有电阻器、电容器、电感器。

电子电路的种类繁多，最常用的有：电源电路，它通常包括整流器（将交流变为直流）、滤波器（用以除去剩余的交流成分）、稳压器（对电源起稳压作用），以及为了从直流电源获得交流或脉动电流时，采用的变换器或断续器电路。开关和定时电路，它比单纯采用机械的开关或定时装置更加可靠、灵敏、迅速，包括开关和延时器、多谐振荡器及门电路等，其中多谐振荡器是一种广泛使用于二进制计数器的电路，而各种门电路是计

算机中逻辑处理大量采用的电路。放大器的基本作用是提高信号的功率或幅度，用以放大的有源元件通常是电子管或晶体管，在放大电路上通常按其工作频率分为声频、视频、射频和微波放大器。振荡器是产生一定波形和频率信号的装置，广泛应用于测试仪器中的信号发生器以及定时或计数装置、无线电和电视发射机或接收机、感应加热设备以及雷达系统等。

电子衍射仪（electron diffraction） 电子波（具有一定能量的电子）落到晶体上时，被晶体中原子散射，各散射电子波之间产生互相干涉的现象，叫做电子衍射。1927 年期间发现了单晶和多晶的电子衍射现象， 它证实了德布罗意提出的电子具有波动性的设想，构成了量子力学的实验基础。电子衍射仪的装置结构原理如图所示。阴极发射电子，在阳极高压作用下被加

■电子衍射原理图

速，经过阳极 A 的光阑孔和磁透镜 L 到达试样 S 薄片上，被试样薄片衍射后在荧光屏或照相底板 P 上形成电子衍射图样。根据电子的加速电压的高低，分为高能电子衍射（数万伏至数十万伏）和低能电子衍射（数十伏至数千伏）。高能电子衍射主要用来研究薄箔、薄膜、小颗粒（厚度或直径为 10-9 至 10-6 米）和分子的结构，也用来研究晶体物质的表面结构。低能电子衍射主要用来研究单晶表面结构以及与表面横向周期性变化相联系的那些表面过程。

电子音响合成器（electronic sound synthe-sizer） 一种用电子技术产生、控制、变换的能够适应人们不断丰富感受、想象和表达能力的新型乐器。它可以维妙维肖地模拟种种传统乐器的音色，又可以真实地模拟乐音以外的风浪、车马、人声、鸟鸣等自然界存在的音响，也可以把一种声音改造成另外一种声音，更重要的是还可以产生出许多过去没有的独特音响，如所谓的宇宙声等等。

最早应用电子技术来合成音乐的是美国一位著名声乐专家奥尔逊，他于 1950 年制成世界上第一台合成器。后来另一个美国人摩格巧妙地利用控制电压，使音量、音色自由地加以改变，从而产生了千变万化的音响。由于传统的管弦乐器和电子琴、电吉他等电子乐器的音色基本上是固定的， 而合成器具有灵活多变的奇异特性，因此在乐团、舞台、电影、电视等各种音响效果的制作中得到了越来越广泛的应用。

现在，许多国家都在对合成器进行大量的研究和生产。世界上一些主要的音乐学院把合成器作曲列入教程。合成器在未来的音乐世界里有着远大的发展前景。

电子云（electron cloud） 表示原子或分子内的电子在其原子核附近空间概率分布的俗称。当用图形表示这种概率分布时，可用浓淡程度表示各处概率的大小，浓度愈深，则表示电子在该处出现的概率愈大；反之亦然。原子中的电子在空间中的运动状态常用三个量子数，即主量子数 n、角动量量子数 l 和磁量子数 ml 特征，因此不同状态或具有不同量子数的电子将具有不同的空间概率分布，或者说具有不同形状的电子云。

电子组态（electron configuration） 原子内同科电子的状态。原子中电子的状态可用四个量子数，即主量子数 n、角量子数 l、磁量子数 ml 和自旋磁量子数 ms 表示。主量子数 n 和角量子数 l 相同的电子称为同科电子。原子中的电子壳层是以 n 和 l 来标记的。若有 x 个电子其 n 和 l 均相

同，则这 x 个电子的组态可记为 nlx。例如氦原子处于基态时，其电子组态为 1s2；氧原子处于基态时，其电子组态为 2s22P4。当氧原子中的一个外层 2p 电子被激发到 4s 态时，该受激氧原子的电子组态为 2s22p34s4。从电子组态可以看出原子中电子在各个壳层上的分布情况。参见原子结构。电阻（resistance） 描述电路中两点间在一定电压下决定电流强度

的一个物理量。常用符号 R 表示。一段导体（不包含非静电力）的电阻在数值上等于导体两端的电压 V 与通过该导体的电流强度 I 之比，即 R=

V 。其单位为欧姆（Ω）。电阻的倒数 1 = G，叫做电导，单位为西门I R

子（S）。电阻或电导的量值反映了导体的导电性能。

电阻率和电导率 不同材料具有不同的电阻。金属导体的电阻最小， 绝缘体的电阻最大，半导体的电阻介于导体和绝缘体之间。导体的电阻取决于它的形状、大小和材料的性质。对于由一定材料制成的横截面均匀的导体，它的电阻 R 与长度 l 成正比，和横截面 S 成反比，即 R=ρ

l ，式中ρ叫做电阻率，单位欧·米（Ω·m）。电阻率的倒数 1 = σ

S ρ

叫做电导率，单位为西每米（S/m）。电阻率和电导率都是表征材料导电的特性参数。下表列出了一些材料在 0℃时的电阻率。其中银是导电性能最佳的材料，其次为铜，由于铜价格较便宜，因此使用最为广泛。

某些材料的电阻率会因受到热、压力和光等的作用而发生显著的变化，这种效应得到广泛的应用。压敏电阻用于测量微小应变。由铜、镍、钴、锰等的金属氧化物烧结陶瓷制成的热敏电阻用于温度测量和补偿。硫化镉、硫化铅等半导体制成的光敏电阻用于自动控制、红外遥感、电视和电影等设备中。

电阻温度系数 材料的电阻率都随温度的改变而改变。设ρ0 为参数温度 t0（常用 0℃或 20℃）时材料的电阻率，则在温度 t℃时，其电阻率为ρ=ρ0[1+a（t-t0）]，式中 a 称为电阻的温度系数。其单位为 1/℃。下表中列出了几种材料的电阻温度系数。电阻温度系数有正有负，一般，金属的电阻温度系数为正，半导体和电介质的电阻温度系数为负。

非线性电阻以电压 V 为横坐标轴，电流强度 I 为纵坐标轴，画出的导体的电压 V 和电流 I 的曲线，称为该导体电阻的伏安特性曲线。当欧姆定律成立时，其伏安特性曲线是一条通过原点的直线，图 1 为金属导体的伏安曲线，其斜率的倒数就是该导体的电阻 R。具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。其电阻称为线性电阻。对于另一些电学元件，如晶体管、电子管、一般玻璃管中的气体等，欧姆定律不成立，其伏安特性曲线不是直线。图 2 为晶体管的伏安曲线。这时定

材料在 0 ℃时的电阻率ρ和电阻温度系数α

义曲线上某一点的 V 和 I 的比值为直流电阻 R=

V ，显然R不再为常数，这种元件为非线性元件，其电阻为非线性电

I

阻。

非线性元件在电子电路中使用较广，为分析工作状态，定义某一工作

条件下的动态电阻R = lim △V （参见图2），即曲线上P点斜率的倒

动 △I→ 0 △I

数。动态电阻在定量分析包含非线性元件的电子线路时十分有用。

■图 1 导体的伏安特性曲线图 2 晶体管的伏安曲线

电阻的串联和并联 （ series and parallel con-nection of resistances） 把电阻一个接一个地联接起来，使电流只有一条通路的联接，称为电阻的串联；把多个电阻的一端联在一起，另一端也联在一起， 使电流有多条通路的联结，称为电阻的并联。串联时，各电阻上的电流相等；并联时，各电阻上的电压相等。因此，两种电路各有不同的特点。上表列出了两种联接时的电路特性对比。表中 Ii、Ui、Ri、Pi 分别为第 i 个电阻上的电流、电压、电阻和功率，而 I、U、R、P 分别为总电流、总电压、等效电阻和总功率。

电阻箱（resistance box） 一种箱式电阻器。由若干阻值精确的线性电阻器按一定方式联接而成。各线性电阻器均用高稳定度的电阻温度系数较小的锰铜合金线或康铜合金线以无感式（双线并绕）绕在瓷管或绝缘片上，并经老化处理而成。电阻箱的档位一般有×0.1、×1、×10、×100、

×1000 等。电阻箱按阻值变

■图 1 演示用电阻箱

■图 2 刷形开关结构图

■图 3 电阻箱面板图

换方式的不同分为开关式和插头式。图 1 为插头式电阻箱结构示意图，图

1. 为刷形开关式电阻箱结构示意图，图 3 为开关式电阻箱面板图。电阻箱是电气测量中的常用仪器，用它可以提高读数精确度和有效位数。有时为改变电路中的电流或电压，也可用电阻箱作微调。电阻箱一般不得作电路负载之用。

叠加原理（superposition principle） 经典电磁学的一条基本原理。它来源于力的叠加原理。在静电场中，由实验得出的静电力叠加原理为：当空间有两个以上的点电荷时，作用于每一点电荷的总静电力等于其它点电荷各自单独存在时作用于该点电荷的静电力的矢量和。由此可知， 如果空间有三个点电荷 q1、q2 和 q3，它们单独存在时的电场强度分别为 E1、 E2 和 E3 则这三个点电荷所产生的总电场强度即为

E=E1+E2+E3。

将上述结论推广到 n 个点电荷的情况，便可得到如下结论：n 个点电荷所激发的电场在任一点处的总场强，等于每个电荷单独存在时所激发的电场在该点处的场强的矢量和。这就是电场的叠加原理。

由场强的叠加原理可以导出电位的叠加原理：n 个点电荷在任一点处所产生的电位，等于每个点电荷单独存在时在该点处产生的电位的代数和。

磁场也遵从叠加原理。例如，若空间某点处有运动电荷或电流产生的磁感应强度 B1、永磁体产生的磁感应强度 B2、变化电场产生的磁感应强度B3，则该点总磁感应强度为

B=B1+B2+B3，

其中 B1 还可以是若干电流的磁场的叠加，B2 可以是若干永磁体磁场的叠加。

叠加原理在宏观电磁现象中普遍成立，但在微观电磁现象中，由于量

子效应，叠加原理不再普遍成立。

丁肇中（1936～） 美籍华裔物理学家。生于密歇根州安阿伯。出生后两个月随父母回中国，中学时代在中国度过。1956 年入美国密歇根大学，1960 年获硕士学位， 1962 年获物理学博土学位。 1963～1966 年在欧洲核子中心、哥伦比亚大学工作。1967 年任麻省理工学院物理学教授。同时担任美国科学院院士，中国科学技术大学名誉教授。

主要贡献是发现 J/ψ粒子，获 1976 年诺贝尔物理学奖。早在 1965 年就领导进行了量子电动力学和矢量分子的一系列出色的实验工作，证明了量子电动力学的正确性和推动了对矢量介子的认识。1972 年领导进行了寻找长寿命中性粒子。1974 年领导发现了一个质量约为质子质量 3 倍的具有奇特性质的长寿命中性粒子。取名为 J 粒子，“J”和“丁”字形相似，寓意是中国人发现的粒子。与此同时，美国物理学家里希特也发现了这种粒子并取名为ψ粒子，所以国际上称这种粒子为 J/ψ粒子。新粒子的发现表明它有新的内部结构，不能用当时已知的 3 种味的夸克来解释，而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释，从而大大推动了粒子物理学的发展。70 年代后期领导了一系列高能正负电子对撞方面的实验，并于 1979 年领导发现

了三喷注现象，为胶子的存在和量子色动力学提供了实验依据。同年领导进行了高能量下电磁相互作用与弱相互作用于涉效应的实验，为电弱统一理论提供了实验证据。80 年代以来在寻找新粒子方面又开展了一系列高能物理实验工作，在促进中国高能物理人才培养方面也做了大量工作。

定态（stationary state） 量子理论中指能量具有确定值的状态。

例如，氢原子中能量为E = -I 1

= （I = -13.6eV，n = 1，2， ）的一

n n2

系列可能状态都是定态。量子力学中微观粒子的状态用波函数描写。对于定态，其波函数随时间 t 作周期性变化，且可表示为ψ（x，t）=ψ（x）e-iEt/h，其中 E 即为该定态的能量， η=h/2π，h 为普朗克常数。由这种类型的波函数确定的粒子在空间分布的概率ψ（x，t）|2=|ψ(x)|2 与时间无关。正是由于这一特点，所以称这类状态为定态。

动力学（dynamics） 经典力学的一部分。研究物体受力和运动状态变化的规律。动力学在运动学的基础上进一步揭示了物体运动状态发生变化的原因。动力学的基本原理是牛顿运动定律，其中以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。动力学按所研究对象的性质分为质点动力学、质点系动力学和刚体动力学。动力学的基本原理也可以表现为不同于牛顿定律的形式，并由此引伸出一套相应的不同理论系统，例如达朗伯原理、拉格朗日方程等都可以代替牛顿运动定律作为动力学理论的出发点。由动力学基本原理推论出的一些带有普遍意义的定理，称为动力学的基本定理，它包括动量定理、角动量定理和动能定理。并因此引入了诸如动量、角动量和机械能这样一些重要的物理概念，已成为物理学乃至整个自然科学的重要概念。动力学概念本身也往往被推广， 广义上，被理解成为探讨任何形式的运动状态变化规律的学科，例如把电磁学理论称为电动力学等。

动量（momentum） 物质运动的一种量度。描述物质机械运动状态的一个重要物理量。当物质机械运动状态发生变化时，它的动量也发生变化， 并通过力的作用效果在时间过程中的积累，即冲量作用，把这部分变化了的动量传递给与之相互作用的外界，或者从外界传入物质系统，实现了机械运动从一个系统到另一个系统的转移。物体的动量是一个矢量，一般表示为此物体的质量 m 与速度 v 的乘积，而方向与速度相同，即 P=mv。物体系的动量是物体系中各物体动量的矢量和。

当物体的速度 v 很大，以至可以与光速 c 相比时，必须用相对论动量表示式，即

p = mv = m v / 1 - v² / c² ，

m 是物体的相对论性质量，m0 是物体的静质量。

电磁辐射基元（光子）的动量大小为 hv/c，h 是普朗克常数，v 是电磁辐射的频率，它的方向就是辐射的方向。牛顿第二运动定律和相对论性力学方程可以用动量表示为

dp=Fdt，

p 是物体的动量，F 是物体所受合力，t 是时间。这说明动量的变化是通过冲量的作用而传递的。动量的量纲是 MLT-1，SI 制单位为千克·米 /秒。

动量与力之间关系的规定由动量定理来描述。该定理表述为：在某段

时间中的动量增量Δp 等于所受合外力在这段时间中的冲量 I，即Δp=I。它是牛顿第二定律的直接推论。在碰撞、冲击等问题中，尽管冲力很大且作用时间很短，难于测定，但它总是使物体获得有限大的动量增量。所以， 根据动量定理，可以通过测定动量的变化来确定冲力的冲量，并根据作用时间的长短来判断冲力的时间平均值。

动量定理（theoremd of momentun） 参见动量。

动量守恒定律（law of conservation of mome-ntum） 自然界的一条基本定律。不与外界交换物质的系统且不受外力作用时，系统一切形式的动量总量在运动中保持为恒量。对于机械运动，质点的动量定义为 mv， m 是质点的质量，v 是质点的运动速度。若机械运动与其他运动形式之间不发生转化，则系统不受外力作用时，它在惯性系中运动的力学总动量保持不变，即

∑mi vi = 常量，

i

式中求和遍及系统中各质点。

动量守恒定律也是牛顿第二定律、第三定律联合应用于力学系统的必然结果。有了动量守恒定律，就更便于解决某些力学问题。例如，求解大炮发射炮弹的问题，就可运用动量守恒定律而得知：在水平方向上炮弹向前飞行的动量应与炮身向后反冲的动量相等。

动能（kinetic energy） 物体由于有速度而具有的能量，即物体由于运动而具有的作功本领。质量为 m、速度为 v 的质点所具有的动能为

1 mv²。当以速度为v运动的该质点通过各种可能的运动方式被减速到

2

静止时，将克服外力作 1 mv²的功。因而，量 1 mv²反映了物体由于

2 2

运动而具有的作功本领。一个物体的动能是物体中各部分动能之和。如果这个物体是一个定轴转动的刚体，它的能量可以归结为 Iω2/2 的形式，其中 I 是刚体对转轴的转动惯量，ω是刚体转动的角速度。对一个质点系， 可以把动能写成

T = 1 Mv ² + ∑ 1 m v′ ²。

2 c 2 i i

式中 M 是质点系的总质量，vc 是质点系质心的速率，mi 是质点系中第i 质点的质量，v′i 是这个质点相对于随质心平动的参考系的速率。刚体在作一般运动时，动能表示式是

T = 1 Mv² + 1 Iω ²。

2 ^c 2

M 和 vc 分别是刚体的总质量和速率，ω是绕着通过质心的瞬时转轴的

角速度大小，I 是刚体对通过质心的瞬时转轴的转动惯量。在相对论中， 质点的动能在数值上定义为把质点从静止状态加速到速率等于 v 时外力作的功，它等于

2

T =   − mc² ，

1 − v / c²

其中 m 是质点的静质量，c 是真空中的光速。当速率 v 与光速 c 相比很小时，上述相对论动能 T 可近似表示为

1 3 v⁴

T = mv 2

8 m c2 。

在忽略相对论效应时，v/c=0，上式转化为非相对论情形下的动能表示式 T=mv2/2。

动能定理（theorem of kinetic energy） 描述质点或质点组动能的变化与作用力作功之间关系的定理。也是宇宙中普遍成立的能量守恒定律在机械运动中的表述。质点的动能定理是：质点动能的增加等于合外力对它所作的功。数学表示式是 Ek2-Kk1=W，其中Ek1 为初动能，Ek2 为末动能， W 为合外力所作的功。在涉及质点的位置和速度关系的力学问题中，应用动能定理较用牛顿第二定律方便。当质点只受保守力作用时，则由该定理可得出机械能守恒定律。用机械能守恒定律求解力学问题更方便。质点组的动能定理是：质点组动能的增量等于外力和内力对质点组所作的总功。数学表示式是 Ek2-Ek1=W1+W2，Ek1 为质点组的初动能，Ek2 为质点组的末动能，W1 是外力作的功，W2 是内力作的功。刚体的内力不作功，所以刚体的动能定理可表述为：在一个运动过程中，刚体动能的增量等于外力在此过程中对刚体作的功。

动生电动势（motional electromotive force） 在稳恒磁场中运动的导体内所产生的感应电动势。由运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用而引起。当导体在磁场中运动时，导体内的自由电子（或其他自由电荷）也随之运动，从而受到洛伦兹力的作用。洛伦兹力是一种非静电力，因而便产生电动势。单位正电荷所受洛伦兹力为 f=v×B，因而回路中的电动势为

ε=∮(v×B)·dl，

式中 dl 是回路中的导体线元，v 是线元 dl 的速度，B 是 dl 所在点的磁感应强度。对于在匀强磁场中作平移运动的直线形导体，上式简化为

ε=LvBsinθ，

式中 L 是直线形导体位于磁场中的长度，θ是 v 和 B 间的夹角。电动势的指向与 v×B 的方向相同。

动生电动势是各种动生式发电机的基本原理，正在研究中的磁流体发电也是根据这一原理设计的。

断点（breakpoint） 是程序执行时的停顿点，断点位置可根据调试程序的需要合理设定。程序一旦执行到断点位置，便自动停顿，不同性质的断点可检查当时的不同系统状态和中间结果。通常不输入继续执行的操作之前，程序将不再起动。

设置断点是常用的程序调试手段，用毕后可用消除断点命令消除已设的断点。

在有些高级语言中，也允许使用特定语句在源程序中插入断点，例如， FORTRAN 语言中，允许使用“PAVSE 断点信息”形式的语句设置断点。在BASIC 语言中也可以使用 STOP 语句设置断点，并可在程序执行到断点后， 用 PRINT 命令查看当时有关变量的值。

对称性（symmetry） 物理学中的对称性是指物理系统的状态和物理现象的运动规律在某种变换下保持不变的性质。任何物理系统和物理现象总具有某些普适的或某种程度下普适的对称性，这已成为目前物理学中的一个基本观念。

对称性最早起源于几何学，一个物体或一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协调一致，从而产生一种简单性和美感。尽管物理学中有许多复杂的细节，但仍然包含了不少简单而优美的方面。这种简单而优美方面即表现为各种物理学中的对称性和相应的守恒定律。

牛顿力学理论表明，例如“今天”做某一力学实验与“明天”做同样的实验所得到的力学定律是相同的。这就是“时间均匀性”或“时间平移变换下的不变性”是物理学中的一种对称性。类似地，物理学中的所有基本规律，无论是力学的、电磁学的，还是原子物理学和粒子物理学的基本规律，在空间平移变换和空间转动变换下也保持不变。这就是“空间均匀性”和“空间各向同性”。上述三类对称性也称为连续变换对称性，因为有限的时间平移、空间平移和空间转动变换可以分别通过相继的无穷小变换实现。与连续变换对称性相应，还存在许多分立对称性，例如空间反演变换就是一种分立对称性。一个物理现象具有空间反演不变性要求，它的镜像现象也满足同样客观规律。

除上述与时空有关的对称性外，物理学中还存在许多与时空无关的对称性，有时这类对称性称为内禀对称性。例如反映质子和中子在核力相互作用现象中其性质完全相同的“同位旋对称性”；描写粒子和反粒子遵循同样规律的“电荷共轭对称性”；描写全同粒子系统特点的“交换对称性”； 描写夸克之间强相互作用特点的“色空间对称性”等。

物理系统的每一种对称性对应了一个守恒物理量，这种守恒量在相互作用过程中保持不变。所以对称性和守恒定律密切有关。对称性与守恒定律的密切关系迄今已成为物理学研究中的基本出发点之一。

对应原理（correspondence principle） 描述量子理论和经典理论之间关系的原理。量子力学定律的结果在经典极限下与经典定律的结果相一致。所谓经典极限情况是指大量子数的情况。例如因为经典理论中氢原子内运动电子辐射的电磁波的频率与电子圆轨道的频率相等，因此根据对应原理，由氢光谱里德伯公式（见氢光谱）所给出的频率当量子数 m 和 n 很大时，应等于电子圆轨道运动的频率。玻尔正是根据这一推理，引进了氢原子玻尔模型中的角动量量子化条件。所以玻尔在 1913 年提出他的氢原子理论时就包含了对应原理的观念。玻尔系统阐述对应原理的文章则发表于 1918 年。在玻尔的理论以及其后的量子力学建立过程中，对应原理曾经起过很重要的作用。不过应当指出，并非所有量子理论可与经典理论相对应。例如关于自旋的量子理论就并不存在所谓大量子数的经典极限，因此也不存在相应的经典理论。

对撞机（collider） 使两束反向运行的粒子束对撞的装置。是在高能加速器基础上发展起来的一种超高能实验装置。电荷相反的高能粒子， 如电子和正电子，质子和反质子，可在同一储存粒子束的高度真空环（称为“储存环”，其垂直于环面方向上有导引磁场）内反方向回旋而发生对撞。电荷相同的粒子如质子和质子，就需要两个交叉的储存环，每一环内有一束粒子，但回旋方向恰巧相反，在两环的交叉点上使两束粒子发生对撞。普通加速器产生的高能粒子束与静止靶发生碰撞时，由于动量守恒定律的要求，碰撞后靶粒子有反冲运动，这部分能量是无效的。如果使碰撞粒子和靶粒子相反方向运动而发生对撞，并使它们的质心保持不动，则系统的全部动能都是有效的。例如根据计算，两个 30GeV 的质子对撞时的有

效能量（即 60GeV）相当于一个 1800GeV 的质子与一静止质子碰撞时的有效能量。对撞机就是根据这个原理设计的。

对撞机有两个重要指标，即能量和亮度。对撞机的能量是针对所研究的对象设计的。对撞机的亮度与其中运动的两束粒子流的流强乘积成正比，而两束粒子对撞时产生某种粒子的事例数与亮度成正比，所以亮度愈大，单位时间内产生的粒子愈多。目前世界上有多台正负电子对撞机正在运行（见下表）。其中北京正负电子对撞机（BEPC）位于我国首都北京西郊的中国科学院高能物理研究所内。这台加速器尽管能量不高，但其亮度大。近些年来我国的科学工作者已在这台加速器上做出了一些引起国际同行注目的工作（如

现在正在运行的正负电子对撞机

关于τ轻子质量的测量）。此外 BEPC 还是一台高能物理与同步辐射应用的两用机。预计高能物理实验的任务将会在 5～10 年内完成，同步辐射的应用将会逐步扩大，并逐步向专用同步辐射光源过渡。除正负电子对撞机外，目前世界上正在从事高能粒子物理研究工作的大型高能对撞机还有美国费米实验室的质子-反质子对撞机（TEVATRON，103GeV×103GeV），西德的电子-质子对撞机（DESY，26GeV×820GeV）等。这些对撞机的直径超过 6 千米，均采用超导磁铁。此外，还有几台更大型的超导对撞机正在建造之中。以这些高能加速器或对撞机为依托，常常建有粒子物理学研究中心，以吸引世界各国科学家从事深度微观领域的研究工作。

多层介质膜（multilayer dielectric film） 在玻璃基板上用高

低折射率透明介质交替反复镀膜的多层透明膜片。最简单的多层膜是 λ

4

膜系。

原理见下图。用 G 代表玻璃，A 代表空气，用 H 和 L 分别代表光程为

λ 的高和低折射率膜。这种多层膜系可记为

4

G｜HLHLH｜A。制作时，先在玻璃基板上蒸镀折射率为 nH 的介质，

厚度为h，且要求n h = λ 。然后再镀上折射率为n

的介质，厚度为l, 且

H 4 L

要求n l = λ 。依次交替镀膜，并使膜层两端是高折射率的H膜，于

L 4

是总层数为奇数。入射光自空气进入多层膜系后，在每个反射面上都有反射光，在上图中用 S1，S2，⋯，S3 表示。在反射光束中引起光波相位差的因素有两个：一是光束的光程差引起的相位差；另一是由于反射面两边介质折射率不同而引起的额外光程差。各反射光的相位与入射光相位之差如下表所示。

从表中可看出，各反射光之间的相位差为π的偶数倍，即同位相。所以它们干涉的结果是互相加强，于是提高了反射率。根据计算，如果介质膜有（2k+1）层，则在正入射时的反射率 R2k+1 为

 n2

 n  2 k  2

n − ^H  ^H  

 0 n  n  

R = ^L ，

2k+1 

n²  n

 2k 

n + ^H  ^H  

 0 n  n  

L

式中 n0 和 n 分别为空气和玻璃的折射率。当 k 逐渐增大时，R2k+1 趋近于 1。常用的高折射率介质为 ZnS，nH=2.40；低折射率介质为 MgF2，nL=1.38。如果用玻璃作为基板，n=1.52，则反射率与层数的关系由下表给出。

由上表可以看出，层数越多，反射率越高。

增透膜如果希望透射光增加，反射光尽可能减少，这就需要用增透膜。光学仪器中光学元件很多，光束遇到每一元件的表面时总会发生反射，这种反射光不但使光能量损耗，也在仪器内部产生严重的杂散光，影响仪器质量。增透膜可以改善这种质量问题。同样可以采用λ/4 膜，来大大减小光的反射损失。例如在玻璃基板上镀一层折射率为 nx 的λ/4 介质膜，则反射率为

 n² 2

 − x

0

R1 = 

n  ，



 x 

 0

 n 

这里只有一层，k=1。如果希望 R1=0，则所镀膜的介质折射率应该为

nx = n0 n，

这个条件常常不能完全满足，因为这种特定折射率的镀膜介质不一定能找到。但越接近这一条件，其反射率就越低。当然也可以镀多层膜来达到同样目的。

干涉滤光片在多层介质膜的制作中，膜层的厚度相当于λ/4 的光程。当然也可以制作λ/2 或其它膜系。这表明，反射率或透过率都与光的波长有关。干涉滤光片就是利用干涉原理使某种特定波长的光透射特别强，而尽可能遏制其它波长光透过的光学元件。它自第二次世界大战期间出现以来，已在高科技领域中发挥越来越大的作用。

最简单的干涉滤光片犹如一具紧凑的法布里-珀罗干涉仪。在两反射面之间充满薄的电介质透明层。可以在某一波段内只容许宽度约 0.01 微米的准单色光通过。在反射面镀金属膜，可以增强反射本领，使之具有窄的透过波段。但反射强势必导致透过弱，因此这种金属膜干涉滤光片效率不高， 透过的光只有 30％。

用多层介质膜制成的干涉滤光片，其层次可多至 30 层，透过波段宽度可达 0.005 微米，有 80～90%的透过率。还可以制成截止滤光片，减色滤光片，受抑全反射滤光片，反热滤光片和冷反射镜。

多光束干涉（multiple-beam interference）

■图 1 多光束干涉

多束相干光波在共同交叠区域内所产生的干涉现象。设有两块平行放置的平板玻璃 G 和 G′，见图 1 所示。在相向的两面上镀银膜以增大光的振幅反射率ρ。振幅为 A0 的入射光在银膜面之间作来回多次反射，并形成多次透射光束(1)、(2)、(3)⋯等等。原始入射光的入射角为 i，折射角为γ，因此第一次反射光的振幅为ρA0，第一次透射光的振幅为（1-ρ）A0。以此类推，各次透射光的振幅为，光束(1)（1-ρ）A0；光束(2)ρ（1-ρ） A0；光束(3)ρ2（1-ρ）A0；光束(4)ρ2（1-ρ）A0；⋯。各次透射光相互平行，可用透镜使它们在焦平面上会聚，形成等倾干涉图样。透射光束中任意两相邻光束的光程差为Δ=2nd

cosr，即引起的相位差为ϕ = 2π 2ndcosr。设光束（1）的初相位为0，则

λ

各透射光束的相位依次为 0，ϕ，2ϕ，3ϕ，⋯。所以各透射光束的振幅以公比为ρ的等比级数减小；其相位则以公差为ϕ的等差级数增加。于是， 各透射光的振动依次为（1-ρ）A0eiwt；ρ（1-ρ）A0ei(wt-ϕ)；ρ2（1-ρ） A0e(wt-2ϕ)；⋯。将上述各振动相加，并算出合振幅 A 的平方（即光强）， 结果为

A 2

A 2 = 0 。

[1 + 4ρ 2 ϕ

(1 - ρ) 2 sin ( 2 )]

对于一定的银膜，振幅反射率ρ是一常数，光强 A2 随ϕ而改变。当

ϕ = 0，2π，4π， 时，光强取极大值（A ²）；当ϕ = π，3π，

 1 − ρ 2 

5π， 时，光强取极小值   A²  。于是干涉条纹的对比度为

  1 + ρ

F = I max − I min

I max − I min

0 

= 2ρ 。

1 + ρ²

ρ为小于 1 的正数。当ρ→0 时，F=0，即分不清条纹光强的最大值与最小值；当ρ→1 时，F=1，即条纹光强对比最清晰，干涉图样是在几乎全黑的背景上的一组很细的亮条纹。图 2 中的一组曲线，表示在不同ρ值的情况下，透射光强随ϕ的变化关系。可以看出，反射率ρ很小时，极大值至极小值的变化十分缓慢，干涉条

■图 2 透射光强变化纹可见度极差。

多普勒效应（Doppler effect） 当观察者和波源有相对运动时，观察者收到的波的频率和波源发出的频率不同的现象。这现象由奥地利物理学家多普勒于 1842 年首先发现，故名。当波源与观察者相互接近时，观察者收到的频率升高；相互离开时，频率降低。例如，火车飞驰而过车站时， 站上的人听到汽笛声由高亢变低沉，说明频率由高变低。实验还证明，各种波都具有这种效应。

经典多普勒效应 在静止的介质中，假定观察者与波源沿同一直线运动，相对于介质的速度分别为 v 和 u，波的传播速度为 v，波源发出的频率为 v，而观察者接收到的频率为 v′，①当波源静止时，观测者接收

到的频率为v′ = 1 + v  v，②当观察者静止时，则有v′ = v ③当两

 V 

1 − u

V

1 + v

者都运动时，v′ = V v。式中v＞0和v＜0分别表示观察者趋近和背

1 − u V

离波源；而 u＞0 和 u＜0 分别表示波源接近或离开观察者。从以上各式可知，即使观察者与波源相对介质的速度相同，但在观察者运动、波源静止与观测者静止、波源运动的两种情况中，所测得的频率 v′是不同的，由此可通过多普勒效应断定何者在运动。

相对论性多普勒效应 在各向同性介质中，由于电磁波（包括光波） 的传播速度与参照系无关，因此它与声波的多普勒效应（属于经典的）有所不同。主要有以下三方面：①对声波，源运动引起的多普勒频移（多普勒效应引起的频率变化）一般与观测者以同样速度运动引起的频移不同； 而对电磁波，多普勒频移仅与两者相对运动速度有关，而不论是源还是观测者在运动。对于真空中的光波，观测者接收到的频率 v′为

1+ v

v′ = c ，其中v为观测者或光源的速度，c为光速。

②对声波，当源和观测者运动方向与两者之间的联线成直角时，没有多普勒频移，而电磁波存在多普勒频率。③与声波不同，电磁波在介质中传播时，观测到的频率不受介质运动的影响。

多普勒效应的应用 利用多普勒效应可解释用光谱仪观测天体光谱的红移和紫移现象，这是因天体与地球间相对运动引起的。观测运动天体上元素发出的光波波长与地面上相同元素发出的光波波长比较而出现的谱线移动（即相当于频率变更），可以准确地计算该天体相对于地球运动的速度。人造卫星运行的速度和高度就是利用这一效应测定的。利用多普勒效应还可解释气体发光的光谱谱线变宽的原因。由于发光原子或分子以不同速率相对于观测仪器向各个不同方向运动所产生的波长移动不同，因此观测到这种频率的谱线变宽。利用多普勒效应制成流量计，可测量人体内血管中血液的流速或工矿企业管道中污水或有悬浮物的液体的流速，还可制成多普勒测速器，测量汽车的速度等。

E

EPR 悖论（Einstein-Podolsky-Rosen paradox） 又称 EPR 论证。爱因斯坦、波多耳斯基和罗森为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论。EPR 是这三位物理学家姓的头一个字母。这一悖论涉及到如何理解微观世界实在的问题。

1935 年 5 月，爱因斯坦同两位年青的美国物理学家波多耳斯基和罗森在美国《物理评论》47 期发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文。在这篇论文中，EPR 首先给物理实在与物理理论的完备性下了定义。如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那末物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。EPR 在推理过程中还默认了以下两个假设：①定域性假设：如果测量时两个体系不再相互作用，那末对第一个体系所能做的无论什么事，都不会使第二个体系发生任何实在的变化；②有效性假设：量子力学的统计预示（至少在本论证有关的范围内）已为经验所证实。接着，EPR 介绍了物理实在的量子力学描述的一般特征后，认为量子力学不满足上述这些判据，所以是不完备的。在论文的第二部分，EPR 设计了一个思想实验来论证：假设有两个子

系统Ⅰ和Ⅱ构成的复合系统，当 t＜0 时，它们是彼此分离的，状态为已知； 在 0＜t＜T 时间间隔内，它们接近而发生相互作用；在 t＞T 以后，它们又彼此分离并停止相互作用。一方面由量子力学可知，当子系统Ⅰ与Ⅱ分离后，据对子系统Ⅱ的动量（或位置）所作的测量，人们便可以在不对子系统Ⅰ进行干扰的情况下确定地预示子系统Ⅰ的动量（或位置）。因此，根据 EPR 的实在性判据和定域性假设，子系统Ⅰ的动量与位置均对应于物理实在的要素。另一方面，由于动量与位置是一对不对易的共轭变量，人们不可能对子系统Ⅱ的动量与位置同时进行测量，从而不可能对子系统Ⅰ的动量与位置同时作出预示。这样，我们就否定了上面二中择一的两个命题中的第二个命题，从而证明了其中第一个命题，即证明了量子力学并不为物理实在提供一个完备的描述。

EPR 文章发表后，在物理学界、哲学界引起了巨大的反响。玻尔认为EPR 所说的“不对体系进行任何干扰”是不确切的，因为在测量过程中虽然没有对子系统Ⅰ施加力学干扰，但由于作用量子的不可分性，微观体系和测量仪器构成了一个不可分割的整体，测量安排是确定一个物理量的必要条件，而对微观体系未来行为所预示的可能类型正是由这些条件所决定的。这样，玻尔提出的量子现象的整体性特征，引起了人们对 EPR 所默认的定域实在论的怀疑，既拯救了量子描述的完备性，也意味着把世界看作在空间上分离的、独立存在的各部分组成的看法不一定普遍成立，支持了关于世界是普遍联系的，不可分割的整体观念。

扼流圈（choke） 用以扼制交流电或交流电中的高频成份的电路元件。常用铁芯或铁氧体芯线圈构成。由于线圈的阻抗与交流电流的频率成正比，因而对于直流电或频率较低的交流电，其阻抗很小，反之，对于频率很高的交流电，其阻抗很大，从而起到“通低频，阻高频”的作用。实际电路中，扼流圈的应用很广，例如“滤波扼流线圈”是用来扼制整流后

的交流成分的；“音频扼流线圈”是用来扼制音频电流成分的；“射频扼流线圈”则是用来扼制射频电流成分的。

二次电子发射（secondary electron emission） 具有足够能量的带电粒子（如电子、正离子、负离子）打到固体表面时，从固体表面发射出电子的现象。所逸出的电子称为二次电子。二次电子的数目可小于也可数倍于入射电子或离子的数目。它主要取决于入射电子或离子的速度、入射角和物体的性质及其表面状态。二次电子发射在光电倍增管、超正析像管和储存管中得到了实际应用。在某些电子管中，二次发射是引起负阻效应的原因。在普通电子管中，为抑制负阻效应，增加了抑制栅极，使得从阳极撞击出来的二次电子无法跑到屏栅极去，只能返回阳极。

二端网络（two-terminal network） 仅有两条导线和其它网络相联的网络。网络是泛指电路或电路的一部分的术语。不含电源的二端网络称为无源二端网络；含有电源的二端网络称为有源二端网络，如下图所示。仅含直流电源的二端网络，称为直流二端网络；含有交流电源的二端网络称为交流二端网络。若网络由线性元件组成，则称为线性网络，否则为非线性网络。二端网络的外部特性由它的电压和电流之间的关系确定。

有源二端网络无源二端网络

■二端网络图

二级相变（second-order phase trasition） 参见相和相变。

二维电子系统（two dimensional electron sys-tem） MOS 结构表面沟道区内和异质结界面势阱区内的电子系统。

在金属—氧化物—半导体（MOS）晶体管的栅极（G）上外加足够大的正偏置电压时，在硅衬底表面会感应电子形成 N 型沟道区（见图 1 中斜线区），这沟道很窄，沟道内的电子在沿垂直于硅片表面方向的能量是量子化的，这样表面沟道内的电子就构成一个二维电子系统。又如在砷化嫁

（GaAs）和镓铝砷（GaAlAs）两种半导体构成的异质结界面上，由于两种材料的费米能级不同，电子就从费米能级高的 GaAlAs 落入 GaAs 的导带上形成一个电子势阱（见图 2）。这个电子势阱很窄，阱内电子在垂直于界面方向的能量是量子化的，因此，这个异质结果面势阱内的电子也构成一个二维电子系统。

图 1MOS 表面反型层■

图 2GaAs/GaAlAs 界面势阱

二氧化碳激光器（carbon dioxide laser） 用二氧化碳作为工作物质的分子激光器。输出激光的波长为 9.6μm 和 10.6μm，属于红外波段。它通常包括一根米长的玻璃管或石英管，充以 CO2 气体及 He 和 N2 等辅助气体。电极为空心镍圆筒。谐振腔的两块反射镜中，一块是镀金或镀银的全反射镜，另一块是锗片部分反射镜。放电管外通水冷却。当两电极间加上直流电压时，管中气体放电，即有功率在 50 瓦左右的连续激光输出。

下图为 CO2 能级示意图。CO2 分子由排列在一条直线上的三个原子组

成，碳原子位于中间。它的能级由三个量子数表示，代表分子的振动方式。激光上能级是 001 能级，激光下能级取 100 时，输出 10.6 微米激光，下能

级取 020 时输出 9.6 微米激光。分子除振动运动外还有转动运动，每个振

动能级包含许多转动能级。图中只画出 100 和 001 两个振动能级所包含的

转动能级。转动能级用转动量子数 J 表示。分子从一个振动能级跃迁到另一个振动能级时，同时发生转动量子数变化ΔJ。当ΔJ=+1 时称为 R 支； 当ΔJ=-1 时称为 P 支。例如从 001 中的 J=23 跃迁到 100 中的 J=22，Δ J=23-22=+1，故这个跃迁的谱线用记号 R（22）标志。从 001 中的 J=21 跃迁到 100 中的 J=22，则用记号 P（22）标志。括号中的数是下能级的 J 值。CO2 激光器输出的激光在 10.6 和 9.6 微米波段都有 40 多条谱线。如果需要输出单支谱线，可将谐振腔的部分反射镜改用有选择性反射的闪耀光栅， 改变光栅角度便可得到各种波长的单支 CO2 激光谱线。

• CO■能级图

辅助气体 N2（氮）的作用是传递能量。因为氮分子的第一激发态位于

CO2 的 001 振动能级附近，气体放电时电子把 N2*激发到第一激发态 N2（*

1），

N2*（1）与基态 CO2 分子碰撞后将 CO2 激发到 CO2（001）。氦的作用是降低工作气体温度，因为 He 的导热系数很大。工作气体的温度对粒子数反转有很大影响，早期的 CO2 激光器只能输出功率几十毫瓦，后来发现加入 He 和N2 可以提高输出功率。CO2 激光器效率高达 30～40%。采取其它一些措施后峰值功率可达上万瓦。

F

ORTRAN 语言（FORTRANlanguage） 是英文 formulatranslator 的缩写，其含义是“公式转换器”。它是一种分块并列结构的面向过程的高级语言。FORTRAN 语言开始是为解决数学问题和科学计算而提出的，多年来的应用表明，由于 FORTRAN 本身标准化程度高，便于程序互换，较易优化， 计算速度快，因此这种高级语言目前已广泛流行。国外几乎所有计算机厂商都能向用户提供 FORTRAN 的编译程序和应用程序的版本。从使用的角度来看，目前 FORTRAN 也不再是专用于科学计算（数值计算）中进行程序编制的语言了。越来越多的商业系统、企业单位也采用 FORTRAN 语言来编制商业和企业管理程序。

基本字符 FORTRAN 语言由 47 个基本字符（的不同组合）所组成，可分成三大类：

1. 字母（26 个大写的英文字母）； (2)数字（共 10 个）0～9；

(3)专用字符（共 11 个）：“=”等号，“”空

格，“+”加号，“-”减号，“*”乘号，“/”除号，“，”逗号， “.”小数点，“（”左括号，“）”右括号，“$”币符（中国符）或者“$”币符（美国和一些国家）。

在 FORTRAN 程序里，一般不允许使用这 47 个字符以外的字符。常数在程序运行时值不变的数据，称为常数。

共有六种类型的常数：

 整常数

算术型常数实常数







六种常数逻辑常数

文字常数









双精度常数

复常数

整常数中不出现小数点和指数部分，但可以有正号或负号；实常数有小数点或指数部分。实常数有三种表示形式：①由一个数字序列和一个小数点组成，如 3.8，78.0，0.54，这种实常数称为基本实常数；②基本实常数后带一个实指数，如 3.8E2，就是 3.8×102；③整常数后带一个实指数，如 8E5，就是 8×105。

符号名 符号名由 1 至 6 个字母数字串组成，它的第一字符必须是字母，例如：X，LIN，T579，CHENG，⋯所有 FORTRAN 的专用名（或称为关键字）不得用作符号名，也不得作为符号名的首部。例如 DATA，STOP，CALL， DO43，IFAB，ENDX 都不得作为符号名使用。

变量用符号名命名的数据，该符号名称为变量名。变量分为五种类型：

 整型变量

 实型变量

变量算术型变量双精度型变量





逻辑型变量

复型变量

其中整型变量与实型变量是最常用的类型。变量在使用之前必须通过类型语句对其类型进行说明。在 FORTRAN 语言中，允许用隐含规则即不通过类型语句而由符号名本身自我说明是整型还是实型。

当变量的符号名首字母是 I，J，K，L，M，N 中的任一个时，如 L12， MYX，NL23，INTE，可不通过类型语句进行说明，编译程序会自动判别其为整型。否则如 TA4，SUNE，TEMP，BETA，⋯被判别其为实型。

隐含规则只对整型和实型变量起作用，对其它类型变量，仍需用类型语句进行说明。

标准函数 又称为基本函数。可分为标准内部函数和标准外部函数。标准函数已定义的，需要时可以直接调用，在表达式中像一个变量一样参加运算。常用的标准函数名称、符号名、数学意义、类型可参阅下页的附表。

源程序的书写格式 FORTRAN 源程序由注解行、结束行和若个语句行组成。而行和语句由一些字符构成。程序中出现的运算成份有常数、变量和函数。

注解行出现在程序中，用英语或汉语拼音插入注解或说明，为了认定是注解行，在行的开头必须写上字母 C。注解行仅仅在打印时写在程序纸上，编译程序并不把它看成程序的一部分。

标准函数表

语句行的一行只能写一个语句，不能写两个语句，语句太长一行写不下，可以继续写下去，最多可以有 19 个继续行。书写时一行分为三部分， 第一部分写语句号（如果需要的话）；第二部分写续行标志（如果需要的

话）；第三部分写语句内容。程序中的语句可以分为执行语句和非执行语句。

结束行表示该一程序的最后一行，并用 END 表示。说明程序执行到此结束。

程序结构 FORTRAN 源程序采用分段编写，称为段结构（或块结构）。整个程序由一个或几个相对“独立”的程序段所组成。程序段分为主程序段和辅程序段。主程序段总是一个，辅程序段可有一个、几个或没有。不论哪种程序段，都以 END 作为结束行。

算术表达式 共有五个运算符，即+，-，*，/，**。最后的运算符为乘幂。FORTRAN 表达式与数学表达式很相似。

FORTRAN 表达式的计算顺序与数学表达式一致。先乘除后加减，乘幂优先于乘除，函数调用优先于乘幂，括号内的运算最优先。括号不分大中小，一律用（ ）。

赋值语句 变量=表达式 或者

数组元素名=表达式。

功能是把右边表达式的计算值赋于左部量。

赋标号转语句 ASSIGN1TOk

功能是当程序执行到标号 1 时，即转到由 k 内容所决定的程序标号继续执行。

语句函数定义语句 f（X1，X2，⋯，Xn）=算术表达式。例如： S（U，V）=SQRT（U**2+V**2）。

读写语句 READ（u，f）k 和 WRITE（n，f）k 功能是数据输入到计算

机，输出到外部设备和通道。为了说明传送数据的特征和字数、变量数， 通常将读写语句和格式语句组合起来写，以保持规定格式传送。例如

READ（4，27）I，J，X

27 FORMAT（2I4， F12.） WRITE（6，25）IN，XO，YO

25FORMAT（20X，I4，10X，2F12.6）

表示写出程序格式。

写语句也可写成 WRITE（*，*）A，B，I 形式，而不需要格式语句，写语句中的第一个“*”表示系统隐含的输出设备即打印机，如 PRINT 的作用， 如果第一个“*”为 6，输出设备为显示屏；第二个“*”为指定的输出格式，对于整数输出，每个整数占 13 列，对于实数输出，每个实数占 18 列，

打印出 7 位小数，如

WRITE（*，*） A，B，C，I

无条件转语句 GOTO k

功能是无条件去执行标号为 k 的语句。

计算转语句 GOTO（l1，l2，⋯，ln），k 其中 11 为可执行的语句标号，当 k=1 时，控制转去执行标号为 l2 的语句，k=2 时，执行 l1 标号语句，⋯。

算术条件语句 IF（算术表达式） l1，l2，l3

功能是若表达式小于零、等于零或者大于零，则去执行标号为 l1、l2、或者 l3 的各语句。如果 l2 和 l3 相等，则表示不小于零就转到 l2 语句。

逻辑条件语句 IF（关系式）S 功能是关系式满足，执行 S 语句；不

满足，执行紧跟在逻辑条件语句后面的语句。注意：关系式大于 0 可写成 关系式.GT.0.0；大于、等于零可写成关系式.GE.0.0；小于 0 写成.LT.0.0；

小于等于 0 写成.LE.0.0。

停语句和暂停语句 STOPn 和 PAUSEn

功能是停止程序运行，n 可以是数字也可以是字符，但字符要用‘’ 号表示，即‘ABC’，当程序停止运行时，会显示出 STOP25 或者 STOPABC， 其中 25 和 ABC 用来识别停止到什么位置，用以辨别程序的流程。STOP 停语句执行后，一般不能再启动运行，PAUSE 暂停后，再键入命令可继续执行程序，可用来调试程序用。

数组、维数语句 A（i）， A（i，j）， A（i，j，k），DIMENSTON 数组功能是设置内存空间存放数据。

循环语句 DO1I=m1，m2，m3

功能是完成计算方法和步骤完全相同，但计算所用的数据有一定的变化规律，要求多次重复计算的场合。例如用凑数法求解方程的根，就需多次循环计算，每得到一个值进行比较，直到满足要求为止。循环语句中 1

是循环语句后的某一可执行语句的标号，标号为 1 的语句称为循环终端语句。I 是整形变量名，称为循环的控制变量，m1 为循环控制变量的初值， m2 为循环控制变量的终值，m3 为增量（步长）。一个 DO 语句定义一个循环， 从紧接着 DO 语句后面的第一个可执行语句开始，直到 l 为标号的终端语句为止，称为 DO 循环的循环体。DO 循环执行完毕后，程序的运行脱离循环而转向循环终端语句后面的可执行语句。这种转向称为正常出口，如果循环体内包含 IF 语句或 GOTO 语句，程序就可能在完成循环之前，通过这些语句转出循环体外。这种转向称为非正常出口，控制变量仍有定义，它的当前值可以引用。

继续语句 CONTINUE

功能是使正常的执行顺序继续下去。通常此语句加上标号作为 DO 循环的终端语句。

子程序与调用语句 SUBROUTINE 子程序名（a1，a2，⋯an）是一种特定功能的程序单位，根据需要可被调用，在子程序中列在第一行用以说明子程序的名称和包含的变量内容。

子程序的末尾可用 RETURN 或者 END，通常用 END，并且在子程序中只能出现一个 END；所以在子程序的其他地方如果需要时可用 RETURN 语句。

CALL 子程序名（X1，X2，⋯，Xn）

功能是调用子程序，如果子程序没有参数可写成：

CALL 子程序名

函数子程序 FUNCTION 函数名（a1，a2，⋯，an）

功能是当某些函数的值不可能用一条语句来求得时，就可借助函数子程序来定义一个函数。

函数子程序的第一条语句必须是 FUNCTION 语句。函数名要遵循FORTRAN 的取名规则，即第一个字母来确定是整型还是实型；如果函数名第一字母是 N，但又不是整型，则在第二条语句就要写明 REALNF；函数子程序的最后一条语句必须是 END 语句，即把控制返回到调用程序单位。

数据初值语句 DATA list1/data1/，list2/data2/，⋯，listn/datan/

功能是用来在编译期间给变量置初值。

注意在同一程序里一个变量只能赋值一次。

FORTRAN 语言编写程序的运行 写好了 FORTRAN 源程序后，必须经过编辑、编译、连接、运行等几个步骤。

如果要建立源程序磁盘文件，其名为 A1.FOR（后缀 FOR 表示 FORTRAN 源程序文件），则打入命令，C＞EDLIN A1.FOR

如果是新建立的文件，则显示屏上会出现：NEW FILE（表示是新文件）

*（*是进入编辑状态的提示符）

*I（I 为插入命令，回车）

然后按源程序逐行地键入，输入完毕按 CtrlBreak 键（按住 Ctrl 键再按 Break 键）可退出插入状态。

*L（列出程序清单，如发现有错，可通过修改命令进行修改）

*E（退出编辑状态，返回操作命令状态）

C＞（表示计算机目前连接 C 盘）

如果要编译源程序，源程序 A1.FOR 在 A 盘上，FORTRAN 编译程序在 C 盘上，则可采取如下命令：C＞A：（将计算机与 A 盘连接）

A＞C： FOR1 A1；（从 C 盘调入 FOR1 编译程序，对 A 盘上的 A1.FOR源文件进行编译，如有语法错误，会显示出“有×个错误”的信息，然后设法找出来修改（每次修改都必须重新用 EDLIN 命令），直到编译不再出现错误为止）

A＞C：FOR2 A1；（如不发生错误，则全部编译完成，产生目标程序 A1.OBJ.）

如果程序包含几个程序单位，则应分别进行编译，得到几个目的程序， 然后把它们与子程序库连接成为一个统一的目的程序。如果只有一个程序单位（名为 A1），则可键入：

A＞C： LINK A1；

如果有几个程序单位（主程序和子程序），名字分别为 A1，A2，A3， 则可键入：

A＞C：LINK A1+A2+A3；

连接完毕后，产生一个可供执行的目的程序块，系统自动给它定名为A1.EXE，存放在 A 盘上。

如果要运行 A1 文件，只要直接键入 A1即可。

发光（luminescence） 物质在较冷时产生的光发射。它和燃烧的木柴、熔化的铁或通电加热的灯丝等炽热物体发的光不同。霓虹灯、日光灯、电视、X 光机透视屏都显示着发光现象。有机物和萤火虫的荧光素、广告颜料等都可发光。闪电和极光也属发光。这些发光现象不是由于物质温度高于室温而产生的，所以常称为冷光。

物质吸收了能量（如紫外线、X 射线、电子射线、化学反应能）而发光。吸收能量使物质中的原子达到受激态，由于受激态是不稳定的，物质将会回到基态而把吸收的能量释放出来。发光的效率决定于激发能量转变成光能的程度，只有极少数物质的发光效率达到有实用意义的数值。发光的微晶材料叫做荧光粉。最早人工合成的荧光粉是硫化锌，这是现代技术中最重要的荧光粉。纯硫化锌并不发光，只有当它含有少数激活剂时才发

光。某些金属的氧化物或硅酸盐、磷酸盐等，如用特定的方法制备，也可以发光。

法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interfero-meter） 用平面平行空气板产生多光束干涉的光学装置。是法布里和珀罗两人于 1899 年首次研制的。空气板由两块略带楔形的玻璃或石英夹成，相向的两平面镀以银膜或其它高反射膜，平行膜面加工精度要求很高，与标准样板的偏差不允许超过 1/20～1/50 个波长。平行空气板厚度可用准确的厚度为 d 的环隔开。若该厚度可以改变，则称为法布里—珀罗干涉仪；若不能改变，称为法布里—珀罗标准具或法布里—珀罗光谱仪。

原理 干涉仪的工作原理是多光束干涉效应。光在腔内往返一次的相

位移动为ϕ =

4πd

λ

ncosr；干涉仪强度透过系数为T =

(1- ρ) ²

(1 − ρ) ² + 4ρsin ² ϕ

2

一般情况光为正入射，故折射角γ～0；n 为介质折射率，用平行空气板时n=1；ρ为反射率。因此ϕ为常数，输出光强与输入光强呈斜率为 T 的线性关系。当ρ→1 时，经多次反射后形成的各透射光接近于等振幅光束，相邻光束的相位差为ϕ。因此可获得锐利的干涉条纹。由于两镀银面相互平行，且光源为扩展面光源，故产生等倾干涉，干涉条纹是同心圆，中心处级次高，外围干涉圈的级次低。

参量 定义λ/△λ为光谱分辨率。△λ为刚能被分辨的两相邻波长的波长差。因镀银面反射系数越大，由透射光获得的干涉亮圆环越细锐，

△λ越小，故分辨本领越大。两镀银面间距离 d 大，干涉条纹的级次 k 也就高，分辨本领也越大。但分辨本领大了，不同级不同波长的条纹容易重叠，使自由光谱范围，即互不重叠的光谱范围变得很窄。法布里—珀罗干涉仪的自由光谱范围为λ2/2d。

应用 由于分辨本领很高，这类干涉仪可应用于光谱线超精细结构的研究。例如一条波长为 0.6438 微米的镉红谱线，在光谱分析实验中，粗看起来是一条谱线，但是如果用分辨本领为 10-6 微米的法布里—珀罗标准具分析，就可以发现它实际上包含了许多很细的谱线。

在普通法布里—珀罗干涉仪中放置某种非线性介质，使它的吸收率随入射光强而变化。当入射光较弱时，非线性介质吸收很强，不会出现多光束干涉，透射光强随入射光强的增加而缓慢增加。但当入射光强达到某一值时，非线性介质变成透明，使透射光强变得很强。在取入射光强 IT 作横坐标、透过光强 I0 作纵坐标的图上，IT 先是缓慢上升，在介质变成透明的I0 值处，IT 突然垂直升跃。若降低 I0，IT 此时并不按原路返回，而是沿一条像磁滞回线那样的轨迹变化。就是说，对于一定的入射光强，透过光强具有两个稳定值。如果不是利用非线性介质的吸收特性，而是利用它的折射率随入射光强变化的特性，也能观察到同样的双稳态现象。与电子器件和半导体器件中的非线性元件一样，这种光学双稳态器件也可以应用于计算机（光计算机），模拟与门和或门，作为逻辑开关、转换开关或控制开关等元件，在新一代计算机的研制和光通信中具有重要价值。这是在本世纪 80 年代初在非线性光学基础上发展起来的一种光学双稳态器件。

法拉第（Michael Faraday1791～1867） 英国物理学家、化学家。

电磁感应的发现者，电解定律的确立者，电磁学实验大师。

生平 法拉第 1791 年 9 月 22 日生于伦敦一个铁匠家庭。从孩提时代起，没有受过系统的教育。12 岁时便到伦敦布朗福街 2 号一家钉书铺做学徒。在书铺里工作了 7 年，犹如上了 7 年的学校。1812 年初秋，购到戴维科学讲演会的听讲券，在听讲时是那样聚精会神，回到家里整理笔记又是那样仔细认真，更可贵的是按戴维讲的亲自动手做实验。于是在头脑里闪过一个念头，并写了一封信给戴维，诉说自己贫困的身世，对科学的憧憬， 希望得到一个能够接触技术的职位。经过一番曲折，最后终于得到戴维的推荐成为一名实验助手。1813 年起，随戴维夫妇去欧洲大陆作科学考察旅行。1815 年回国后，立即投入紧张的研究工作。1816 年在皇家学院化学杂志上发表了第一篇科学论文。1824 年当选为皇家学会会员。1825 年任皇家研究所实验室主任，靠勤奋自学的法拉第开始在科学事业上大显身手。

学术成就

电磁感应的发现者 经过反复的研究和实验，终于在 1831 年作出了电磁感应的重大发现。次年还发现在相同的情况下，不同金属导线中产生的感应电流同导线的导电能力成正比。并直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场，感应电流的产生是由于导体切割力线。虽然法拉第并没有把他的研究结果用数学公式定量表示出来，但他对于电磁现象的丰富研究，他作为电磁感应的发现者也是当之无愧的。

电解定律的确立者 在总结大量实验结果的基础上，于 1834 年确立了关于电解的两条基本定律。其中电解第一定律为：不管电介质或电极的性质是什么，由电解所析出之物的质量与电流强度及通电时间成比例，换句话说，与通过溶液的总电量成正比。电解第二定律为：一定量的电流量所析出之物的质量与这物质的化学当量成比例。法拉第电解定律是电化学中的重要定律，在电化生产中经常用到它。法拉第所以能发现电解定律，一个重要原因在于他通过自学打下了较为扎实的电学与化学知识的基础，具备了兼通电学与化学两门学科的本领，其后又成了这两门学科造诣很深的专家。以致当这两门学科相互渗透时，法拉第以他特有的才能，很快地架起了沟通这两门学科的桥梁，从而作出了新的具有重要意义的发现。

电磁学实验大师 法拉第是迄至 19 世纪中叶最杰出的实验科学家。他毕生从事卓有成效的实验工作，在化学和物理学领域作出了一系列重要发现。以致在当时就有人深为钦佩地赞扬他：“自从伽利略以来，全世界还未曾见过一个人能够做出这样大量的多种多样的惊人发现，而且也未必能很快看到会有另一个法拉第出现。”①证明各种来源的电都相同的实验。时至 19 世纪 30 年代，已发现的电有五种：摩擦产生的电（法拉第称为普通电）、动物电、伏打电、温差电和电磁感应产生的电（法拉第称为磁电）。有些人认为，这些电是彼此不同的。1832 年，法拉第对上述五种电进行全面系统的实验研究，最后得出结论：“不管电的来源如何，它的本性都是

相同的。”②说明电容率特征的实验。由于法拉第是反对超距作用观点的， 空间介质的电学性质问题便引起他的高度重视。他曾研制出一种球形电容器，当时称它为分布仪。1837 年，对平板电容器进行实验研究，得出绝缘材料的电容率。③导体的电荷在其表面的实验。法拉第认为传统的证明导体的电荷在其表面的实验还未具有决定性。于是在 1838 年设计了新的实验

——“法拉第笼”，他带着灵敏的电学测量仪器，住进笼子里面去。结果

发现：“此时虽然笼子带有颇为强大的电荷，可是在笼内却检查不出电荷存在的任何微弱影响。”这一重要发现，既说明导体的电荷分布在其表面， 又为后人提供了静电屏蔽的方法。④证明电荷守恒的实验。1843 年，法拉第将一只盛水用的锡铅合金桶和一只灵敏的金箔验电器相连接，进行了一系列精确的实验，证明了电荷守恒定律，即电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。该定律是电磁学的重要定律之一。⑤光的偏振面在强磁场中旋转的实验。1845 年，法拉第用一束偏振光通过重玻璃，然后用尼科耳棱镜进行细致的观察。结果他发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。这就是磁致旋光效应的发现， 后来被称为法拉第效应，这也是人类第一次认识到电磁现象与光现象之间的关系。⑥揭示抗磁性和顺磁性的实验。对磁力线与物体的相互作用抱有浓厚兴趣的法拉第，于 1845 年又宣布发现了大多数物质具有抗磁性。要获得这个结果同样是相当困难的，但是法拉第在新设计的实验中，用很强的电磁铁，得出了挂在强电磁铁前的重玻璃会被排斥的结果，他便把这类物质称为抗磁质。被这一发现所鼓舞的法拉第，将身边所有物质都放到强磁场中进行试验，结果又发现其中的铂、钯、火漆等物质和铁一样，它们便被称为顺磁质。

可贵的物理思想 一般认为法拉第仅是一位伟大的实验科学家，这样的评价是不全面的。法拉第还是一位具有丰富物理思想的科学家①各种自然力统一的观念。法拉第认为各种自然现象都是相互关联的，各种自然力是可以相互转化的。他列举电磁感应磁光效应、电池的化学论思想、电化当量以及不同来源的电的同一性来说明上述统一性观念，他坚信这一观念的正确性。②电磁以太的模型。为了解释当时已知的电磁现象，法拉第建立了如下模型：电磁作用是由弥漫整个空间的以太形态产生的，这些以太是由力线或力的管子所组成，这些力线或力的管子将相反的电荷或磁极连接起来，并且沿力线的方向有张力作用，在垂直于力线的方向则有压力作用。当然，从现代的观点来看，这种电磁以太模型是被否定的，但在当时采用这种模型却获得了一定的成功，即用近距作用的观点来论证电磁力， 这样就更接近于物理实际。③场观念和力线图。历史上发现的好几种力都是遵从距离的反平方关系的，作为物理思想上具有独立气质的法拉第，他不是去随附当时普遍流行的观点，而是在自己的实验总结中大胆否定了超距作用，认为物体之间的电、磁力是需要由媒介传递的近距作用。最为突出的是，法拉第于 1845 年 11 月 7 日最早使用磁场一词，于 1847 年 1 月

19 日开始单独使用场这个词，也就是明确提出了磁体和带电体周围空间存在一种由磁或电产生的物质——场，起到了传递电、磁力的媒介作用。场的崭新观念，用文字来描述是困难的，而用数学公式来说又不是法拉第擅长的。经过周密的思考和分析后，法拉第决定用图示法，即用电力线、磁力线来表示，这是近代物理科学中的一个创造。法拉第的场观念和力线图是自牛顿时代以来，在物理学概念、基础理论方面最重要的变革，它打破了欧洲大陆国家（特别是法国和德国）传统的超距作用观念，而使近距作用观念得以占据统治地位，为以后麦克斯韦电磁场理论的建立奠定了基础，并对整个物理学的发展产生重大影响。

法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 （ Faraday lawofelectro-magnetic

induction） 确定回路中感应电动势的实验定律。任一闭合回路中的感应电动势与通过该回路的磁通量的时间变化率成正比，即

ε = dφm

dl

式中Φm 的单位为 Wb，t 的单位为 s，ε的单位为 V。负号是确定回路中感应电动势的方向所要求的，其使用规则如下：任设一个巡回方向为回路的正方向，并由此按右手定则确定回路正法向 n 的方向。按 n 的方向计算通过回路的磁通时Φm 及其时间变化率 dΦm/dt。若—dΦm/dt＞0，则感应电动势ε沿上述设定的正方向；反之，则ε与所设方向相反。由此确定的感应电动势或感应电流的方向总是与楞次定律所确定的方向一致的。

利用电动势的定义式和磁通量的表达式，定律即可表示成

∮E·dl = − d

dt

∫ s B·dS，

上式称为法拉第电磁感应定律的积分形式。再利用斯托克斯定理，又可得到

∇ × E = ∂B ,

∂t

上式称为法拉第电磁感应定律的微分形式。它们反映了变化的磁场激发涡旋电场这一事实，成为描述电磁场的基本方程之一，是麦克斯韦电磁理论和麦克斯韦方程组的重要基础。

1820 年奥斯特发现了电流的磁效应以后，英国物理学家和化学家法拉第即致力于其逆效应的探索。他进行了大量的实验，屡经失败和挫折，终于在 1831 年 8 月 29 日得到了成功。当他把绕在软铁芯上的一只线圈中的电源接通或断开时，发现铁芯上的另一只线圈内有电流出现。他敏锐地意识到这就是长期寻求的“磁能转化为电”的现象。使他感到意外的是，这一现象并不是包括他本人在内的许多物理学家所期待的一种稳定效应，而是一种暂态的或非稳定效应。为此，他又设制了几十种实验以寻找这种非稳定效应的规律，并于 1832 年建立了电磁感应定律。不过，现代所采用的

电磁感应定律的数学表式是 1846 年德国科学家诺埃曼和韦伯通过各自的研究而总结出来的。由于法拉第的杰出贡献，定律仍以他而得名。

电磁感应现象和电磁感应定律的发现具有划时代的意义。它使人类真正打开了电磁能量的宝库，使后来发明发电机、电动机、变压器以及各种电力装置成为可能，从而极大地改变了工业生产的面貌，使人类社会进入了电气化时代。

反冲（recoil） 物质系统在向外发射其部分物质或能量的同时，余下部分产生的方向相反的运动。例如，枪炮在发射子弹和炮弹时的后坐作用，火箭喷射气体而发生的火箭运动，原子核裂变过程中各个碎片的运动等。反冲现象是动量定恒的结果。当物质系统中有部分物质以一定量值的动量离开系统时，由于内力的作用，其余部分必然以大小相同和方向相反的动量运动，因而形成反冲。在散射问题中，不动的靶粒子由于受到入射粒子的作用而获得其动量的一部分，因此而产生的运动也称为反冲。

反粒子（ antiparticle） 一类基本粒子。通常所说的基本粒子可称为“正粒子”。反粒子和正粒子的质量（m）、寿命（τ）、自旋（s）、同位旋（I）等量子数完全相同，但是另一些物理量量子数，如电荷（Q）、

同位旋第三分量（I3）、重子数（B）、轻子数（L）、奇异数（S）、超荷

（Y）等，其值相同，但符号相反。英国物理学家狄拉克首先通过相对论性量子力学从理论上预言了电子的反粒子，即正电子（e+）的存在。1932 年， 美国物理学家安德森从宇宙线实验所得到的云室照片中首次发现了正电子。质子的反粒子，即反质子（P）是在 1955 年从加速器实验上发现的。除了某些中性玻色子（如π0 介子，γ光子）外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。对于π0 介子或光子来说，由于区分粒子和反粒子的所有物理量量子数均为零，所以这些粒子也就是它们自身的反粒子。每种粒子与其相应的反粒子相遇时将发生“粒子对湮灭”过程，而转化为光子或其他粒子对。

反射（reflection） 光行进到两种媒质的分界面时，有一部分返回原媒质的现象。如果入射点处分界面的不平整程度比波长小得多，就可看作平滑分界面。光在平滑分界面上的反射为镜反射，或称单向反射。否则， 为漫反射。如果既有镜反射，又有漫反射，则称为混合反射。漫反射时各不同方向的光的亮度如果都相同，则称为均匀漫反射。同一次反射过程中， 有些波长的光反射得多些，则称为选择反射。可以利用涂膜技术，改变媒质分界面的光学性质，使反射光中减少或增多某一波长的光的成分，以适应不同光学元件的要求。垂直于或近似垂直于分界面的正入射光所引起的反射称为正反射。

单位时间内从界面单位面积上反射光所带走的能量与入射光入射的能量之比，称为反射率。能量之比等于光强之比，故反射率即为反射光强与入射光强之比，也等于反射光与入射光的振幅平方之比。正反射时，反射率可用第二媒质对第一媒质的相对折射率 n21（=n2/n1）表示，为 R=(n21-

₁)2/(n21+2)2。反射光波振幅与入射光波振幅之比，称为反射比或反射系

数。

研究某材料的反射情况，需要测定该材料样品平面在各方向上对各种波长的反射率。对于一般性的研究工作，国际照明委员会（简写 CIE）推荐取 45°±5°方向上照明，90°±10°的法线方向观测；也可以 90°± 10°照明而以 45°±5°观测。物质的反射率与厚度有关，因为一部分光要稍进入物体内部，然后再被反射出来。故严格的定义还应限定材料样品的厚度。

反射率有时也称为反射比，反射系数，反射本领或反射因数。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，把这些术语统一规范为强度反射率和振幅反射率。

光的反射是生活中常见的现象。沙漠中有时会出现一种称为海市蜃楼的光学幻视现象，这是一种光的反射现象。当大气下层热，上层凉，光线从地面向上传播逐渐弯曲而至反射，使沙漠中的人们看到远处的景物。这称为下现蜃景。如果冷气流在下层，则可能会发生上部景物的全反射成像， 称为上现蜃景。早在 11 世纪我国沈括的《梦溪笔谈》中，对这些现象就已有记载。

反射镜（mirror） 利用反射面反射光线的光学元件。通常有平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种。根据反射的程度又可分为全反射和半透半反射两种，后者常简称为分束镜。

平面镜 通常由镀银或镀铝的平面玻璃制成。平面反射镜对实物成虚

像，对虚物成实像。它是唯一不破坏光束单心性的光学元件，能形成完善的像。

球面反射镜 反射面为球面。若球心位于受光面一侧，则称为凹球面镜，简称凹面镜；球心位于受光面另一侧，则称为凸球面镜，简称凸面镜。凹面镜是会聚镜，平行光束经它反射后会聚于一点，此点为实焦点。把点光源放在实焦点位置上，光束经反射后成为平行光束。凸面镜是发散镜， 平行光束经它反射后成发散光束，反射光线的反向延长线交于一点，此点为虚焦点。汽车驾驶室两旁安置的观察镜为凸面镜，远处的物体在虚焦点前附近形成正立缩小的虚像。

非球面反射镜 有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜、锥面和柱面反射镜等。平行光轴的光束经抛物面镜反射后会聚于抛物面的焦点，在反射式天文望远镜中做物镜，可以使遥远的星体成像于焦点处。反之由焦点发出的光束经抛物面镜反射后形成平行光束，用于做探照灯。双曲面镜和椭球面镜常用于某些特殊的光学系统中，以简化结构和改进成像质量。

反物质（antimatter） 由于粒子构成的物质。例如由绕着反质子（P） 运动的正电子（e+）所构成的系统就是一种反物质，称为反氢原子。目前通过高能加速器实验已制造出反氘核和反氦核。某些天体物理学理论顶言在宇宙中的某些部分可能存在反物质，但至今尚未被证实。

泛音（overtone） 复音中除基音外的其他分音。泛音可以是频率为基频整数倍的谐音，也可以是频率高于基音而不是整数倍的非谐音。例如， 两端固定的弦振动时所发出的声是由基音及其谐音组成的；而周界固定的圆形膜振动所发出的声是由基音和非谐音的泛音组成的。每个音声所包含的泛音多少和强弱决定这个音的音品。

范德格喇夫起电机（Vande Graaff generator） 产生静电高压的装置。由美国物理学家范德格喇夫于 1931 年发明。其主要组成部分如图所示。在直立的绝缘管上端装有一巨大的空心金属球 A，管内上下两个滑轮上装有绝缘传送带，下滑轮 PL 用电动机带动旋转，使整个传送带上下运动。下滑轮旁放置有高压直流源，电源一端的导体 C1 不断将电荷输送到传送带上。在上滑轮 Pu 旁装有一个与金属球相接触的尖端导体 C2，传送带上的电荷不断地由 C2 转移并分布到金属球的外表面，球的电势随之不断升高。范德格喇夫起电机产生的最高电压视金属球的直径大小而异。例如， 直径为 2 米的金属球可产生对地约 1 兆伏的高压。为了减小体积、提高电压，并减小高压下的漏电损失，可将整个装置放在充有 10～20 个大气压的氮气钢罐中。

产生正极性的范德格喇夫起电机在科学研究中用作正离子加速电源； 产生负极性的则用于高穿透性 X 射线发生器中。范德格喇夫起电机有时也称为范德格喇夫加速器。

■起电机示意图

方均根速率（rootmeansquare speed） 参见麦克斯韦速率分布律。

方以智（1611～1671） 明清之际思想家、科学家。字密之，号浮山愚者，安徽桐城人。少年时代参加“复社”活动，与陈贞慧、吴应箕、侯方域一起，有“明季四公子”之称。崇祯十三年（1640）中进士，官拜翰林院检讨。清兵下广东，出家为僧，法名行远，号无可、药地、愚者大师、

极丸老人等。康熙十年（1671）因事牵累，被解入粤，途经万安时暴卒。方以智自幼喜欢技艺，虽然后来生活动荡，贫病交加，却仍能“好学

覃思，自童迄白首，手不释卷。”他知识渊博，对天文、地理、历史、物理、生物、医学、文学、哲学、音韵学都有研究，特别强调“质测”（实验科学），主张“寓通机（哲学）于质测”，即哲学不能离开科学，科学应该以哲学为指导。

当时西学已由传教士传入中国。他仔细研究了西学的重要译述，并与传教士汤若望相交至深。由于他能批判地吸取西学精华，因此他的著作具有并蓄兼收的特色。所著《物理小识》十二卷，记录了包括天文、历算、物理、矿物、植物、动物、医药等方面的知识近一千条，是 17 世纪初叶的一部民间自然百科全书。

《物理小识》中虽然物理内容占的比例甚小，但在力、热、声、光、磁诸方面都有叙述。在力学上他详细记录了利用比重差异，从混合矿石中分出各类金属的方法；记录了以莲子、鸡蛋、桃仁、饭豆试验盐卤浓度的方法：还描述了西方的螺旋起重机。在光学上，他记录了光的反射、折射、光学仪器和大气光象等，并阐述了用有棱的宝石或三棱形的水晶把光分成五色的实验，这比牛顿的色散实验要早三十余年。书中一部分是他摘录前人的记述，大部分是他亲见和实验的记录。除《物理小识》外，他还著有

《通雅》、《东西均》、《药地炮庄》、《浮山集》等。

仿真技术（simulation technology） 利用模型对实际系统进行实验研究的一门技术学科。它是从本世纪 50 年代开始发展起来的。当实际系统尚未建立，或者在实际系统上进行实验比较危险，或代价太高、周期太长或难以实现时，仿真技术就成了十分重要甚至必不可少的了。

利用仿真技术来模仿真实系统，首先就要建立能反映真实系统主要特性的数学模型，通常称这一过程为系统建模或系统辨识。数学模型是一种用数学方程来描述系统性能的模型。一般所指的仿真，就是应用数学模型进行的数学仿真。数学仿真的过程是：建立一个系统（或过程）的数学模型，然后通过数值计算的方法将数学模型变换成可以在计算机上运算的仿真模型，并据此编制成仿真程序，然后通过数学计算机（或模拟计算机） 进行试验。通过模型试验可以了解原系统（或过程）在各种内外因素变化下，其性能的变化规律。

数字仿真技术具有投资少、周期短、较安全等优点，故被广泛应用于各个领域。按其应用的目的来分，可分为两类：①用于系统分析和设计；

②用于制成训练用的仿真器。训练仿真器一般用于操作人员比较危险或有些条件无法实现的场合。近年来，我国已研究了一些仿真器（或称模拟器）， 例如飞机驾驶模拟器、船舶操纵训练器、汽车驾驶模拟器以及管理训练模拟器等。前三者训练仿真器既可保证被训练人员的安全，也可节省能源

（30～40%），缩短训练周期。管理训练器对管理科学化和现代化很有意义。

放大镜（magnifier） 一种焦距很短的会聚透镜。它的作用是帮助眼睛观察微小物体的细节。用放大镜观察物体时，像必定是位于明视距离处的正立放大的虚像。为此，必须使物体位于放大镜物方焦点附近靠近放大镜的一侧。放大镜实质上放大了视角，人眼对放大镜所成虚像的视角大于对明视距离处物体的视角。放大镜的放大率 M 为：

M = 25 ，

f

式中 f 为放大镜的焦距，以厘米为单位。如果放大率为 2.5 倍，习惯上写成 2.5×。从上式看，似乎减小凸透镜的焦距，可以获得更大的放大率。实际上因为有像差存在，单透镜放大镜的放大率一般不超过 5 倍。

用平凸透镜做放大镜，将凸面对着物体，可以减小像差。用弯月形会聚透镜可以减少像散。采用复合透镜做放大镜，可以减少像差，并使放大率达到 20 倍。

放大器（amplifier） 实现增加电信号幅度或功率的装置。放大器的核心是电子管、双极型晶体管或场效应晶体管等有源器件。为了实现放大，一般必须有直流电源。放大器实质上是在输入信号控制作用下，把电源的能量转换为输出信号的能量，使输出信号的变化重复或反映输入信号变化，但幅度和功率都增加了。

■图 1 共发射极放大电路

电子管和晶体管的工作机理虽然互有区别，但它们所构成的放大器都使用直流电源，电路形式也极为相似。图 1 是一个常用的晶体管共发射极放大电路。其中晶体管为 NPN 型；RC 是负载电阻，用来提取放

■图 2 共基极放大电路

大了的信号电压；RB、RA 称偏置电阻，用来给晶体管提供偏置电流， 以保证晶体管工作在最佳工作状态（线性区）。C1、C2 是兼有隔直流作用的耦合电容。图 2 和图 3 分别是共基极和共集电极放大电路。图 1～图 3 所示的电路常被称为 RC 耦合放大器。

■图 3 共集电极放大电路

放大器的主要性能指标有放大倍数、输入阻抗、输出阻抗、频率响应、非线性失真度和噪声指数等。

电压放大倍数：放大器的输出电压对输入电压的比值。共发射极电路的单极电压放大倍数达数十倍；而共集电极电路的电压放大倍数恒小于 1 并接近于 1。

输入阻抗：放大电路对信号源（或对前级放大电路）来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入阻抗。共发射极电路的输入阻抗较低而共集电极电路的输入阻抗较高。

输出阻抗：放大电路对负载（或后级放大电路）来说，是一个信号源， 其内阻即为放大电路的输出电阻。通常希望放大电路的输出阻抗低一些， 这样放大电路带负载的能力较好。

频率响应：放大器的放大量是频率的函数，它们的关系称为幅-频特性。放大器输出相对于输入的相位差也随频率而改变，这种关系称为相- 频特性。它们合称为放大器的频率特性，也称频率响应。非线性失真度： 对于大信号放大器（如功率放大器），放大器件的非线性造成输出波形可觉察的失真，称为非线性失真，也称谐波失真，其大小可以利用非线性失真系数 D 来衡量。若输入为一正弦波信号，输出总功率 P0 中含二次及高次谐波的功率之和为 POH，

D=(POH/PO)×100%

则克服非线性失真的主要方法是合理选择放大器件的工作点以及限制输出信号的动态范围。

噪声指数：放大器的内部噪声占很大比例，如电阻的热噪声、电子器件的散粒效应噪声和半导体器件中的复合噪声等。衡量放大器噪声特性的参数叫做噪声指数，记为

F = 输入信号功率 / 输入噪声功率 。输出信号功率 / 输出噪声功率

放大器的分类方式很多。除按所用有源器件类型和器件的运用方式来分类外，还可按放大器的主要功能分为电压（或电流）放大器、功率放大器、直流放大器和低噪声放大器等；按电路的耦合方式分，有 RC 耦合放大器、变压器耦合放大器和直接耦合放大器等；按频率响应特性分，有宽带放大器、窄带放大器和选频放大器等；按使用的频率范围分，有直流放大器、低频放大器、中频放大器、高频放大器和射频放大器等；按特定的技术要求或结构方式还有各种名称，如对数放大器、差分放大器、运算放大器、弱电流放大器，前置放大器、天线放大器、隔离放大器、缓冲放大器和脉冲放大器等。

放射现象（radioactivity） 亦称放射性。是指不稳定原子核自发放出α、β、γ射线的现象。原子核放出射线的过程中，自身由一种核素转变为另一种核素。

放射性有天然放射性和人工放射性之分。1896 年法国科学家贝克勒耳在研究铀盐的荧光现象时，发现含铀物质能发射出穿透力很强但肉眼看不见的射线，它能使照相底片感光。这种天然存在的放射性核素所具有的放射性称为“天然放射性”。原子序数从 84 起的所有核素都具有天然放射性，

原子序数比 84 小的某些核素也有天然放射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（即钍系、铀系和锕系）。1934 年约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝时，经核反应生成磷 30 和中子，他们发现磷 30 也具有放射性。这种人工制造的放射性同位素所具有的放射性称为“人工放射性”。

放射现象与原子核的衰变过程，如α衰变和β衰变等有关。在α衰变过程中，衰变后的剩余核（子核）与衰变前的原子核（母核）相比，原子序数减少 2，质量数减少 4。α衰变是母核通过强相互作用和隧道效应而发射出α粒子的过程。

β衰变有三种类型：①β+衰变，即原子核内的一个质子转变为中子， 并放出正电子和中微子的过程（p→n+e++v）；②β-衰变，即原子核内的一个中子转变为质子，并放出电子和反中微子的过程（n→p+e+ν）；③轨道电子俘获，即原子核内的一个质子俘获一个核外的轨道电子而转变为中子，并放出一个中微子的过程（p+e→n+v）。β衰变是通过弱相互作用而发生的。

经过α衰变和β衰变后的子核往往处于激发态。处于激发态的原子核要放出γ射线而向较低激发态或基态跃迁，这称为γ跃迁。因此，γ射线往往伴随着α射线和β射线产生。

放射性核素放出的射线类型除α粒子、电子及γ光子外，还可能有正电子、质子、中子、中微子等。

实验表明，高温、高压或强磁场都不会显著地影响放射过程的衰变速率，这是因为这些因素通常只能引起核外电子状态的变化，而放射现象主

要是由原子核内部的变化引起的。

非晶态材料（non-crystalline material） 原子在空间分布无长程序的固态物质。又称为无定形材料或玻璃态材料。

非晶态固体中原子的排列不呈现周期性，也没有长程序。但非晶体的结构并非是完全混乱的。在非晶态固体中，由于原子间化学键合作用的影响，在每个原子周围几个原子到十几个原子间距的范围内，原子排列仍然具有一定的规律性。例如，每个原子的近邻配位原子的数目和种类、近邻原子间的距离和键角等等，都是有规则的。这种在小范围内存在的一定程度的规则排列称为短程序。大量的实验结果都已肯定了非晶态固体存在短程序。对多数材料，这种短程序的范围约为 1～2nm。非晶态固体的结构比较复杂，至今尚无有效的技术可以准确测定非晶体中原子分布的全貌。不过，通过某些理论模型和实验观测的对照，目前人们已对非晶态结构的主要特征有了初步了解。

非晶态材料的种类很多，除传统的玻璃外，还有非晶态金属（又称金属玻璃）、非晶态半导体、非晶态高分子聚合物、非晶态电介质以及非晶态离子导体等。许多非晶态材料显示出特有的优异性能，因此它已成为一类新型的固体材料，展现出美好的应用前景。例如，金属玻璃的强度比金属高，而且同时具有很高的硬度和韧性；低含铬的铁基金属玻璃具有非常优异的耐腐蚀性，如 Fe63Cr12Ni5P13Cr 非晶态合金的耐腐蚀性比不锈钢要好百倍以上；非晶态磁性材料具有损耗低、高频特性好等优点，有可能广泛应用于电力变压器、高频变压器、磁传感器、磁头等；非晶硅太阳电池， 具有制备工艺简单、成本低等优点，已在计算器、电子手表中得到广泛应用。

非平衡态统计物理学（non-equilibrium stati-stical physics） 统计物理学的一个重要部分，研究系统偏离平衡态时微观粒子系统所遵循的统计规律性。

自然界中平衡态是相对的，局部的，理想化的；而非平衡态才是绝对的、全局的和现实的。由于非平衡态涉及的范畴远比平衡态广泛，因此非平衡态现象极其丰富、十分复杂。迄今为止，非平衡态统计物理虽然在某些问题中已经有了比较成熟的理论，但总体上说，这还是一门正在发展中的新兴的学科。

非平衡态可以分为近平衡的非平衡态（线性非平衡态）和远离平衡的非平衡态（非线性非平衡态）。

近平衡的非平衡态统计物理最早是从 1872 年玻耳兹曼写下了著名的玻耳兹曼输运过程方程而开始的。这是一个关于稀薄气体分子在相空间中的分布随时间演化的动力学方程。由这个方程不仅可以导出流体力学方程，而且可以计算出粘滞性现象和热传导等宏观输运过程的动力学系数。在固体物理和半导体物理中这个方程也有许多应用。虽然对建立这个方程的假设和该方程得出的结论存在某些分歧，但是在其后的一段很长时期内，玻耳兹曼方程仍被视为非平衡统计物理的基本方程。

涉及非平衡态的另一种主要理论是久保亮五提出的线性响应理论。这一理论可以追溯到 1905 年爱因斯坦关于布朗运动的研究，爱因斯坦在这一研究中证明了布朗粒子在时间 t 内的方均位移与扩散系数存在正比关系。布朗粒子的运动起因于分子随机碰撞的涨落行为，而扩散则来自非平衡系

统的耗散性（不可逆性），因此爱因斯坦所得到的结论又称为涨落-耗散定理。以后尼奎斯特又证明了一个电阻器内的热噪声正比于电阻器的阻值和绝对温度，这是涨落-耗散定理的又一种表述方式。昂色格在假定一个物理量的涨落平均值受宏观弛豫定律支配的基础上，从微观运动方程在时间反演下不变性出发，证明了不可逆热力学中输运系数矩阵的对称性，这就是著名的昂色格倒易关系。1957 年久保亮五在只取外场干扰一级近似的条件下给出了随外场改变而导致系统物理量变化的普遍表示式，这一定理就称为线性响应理论或久保理论。

与平衡态统计物理类似，非平衡态统计物理的基本目的也是从微观运动规律出发去讨论宏观体系的性质，所不同的是，非平衡态宏观体系的运动性质主要由耗散（不可逆性）决定。因此如何引入适当的统计假设，得出正确的耗散结果就成了非平衡态统计物理的中心课题。目前这方面的理论和方法还不成熟，比较常见的大致是以下几种理论。①推广的吉布斯统计系统方法。祖巴列夫等人发展了这种方法，并将它应用于流体力学、核磁共振现象以及半导体中的热电子理论等领域，得到了与实验相符的结论。②直接从建立非平衡系统宏观参量的随机微分方程出发，不采用任何统计假设，对非平衡系统进行半唯象的描述。③彻底的非平衡统计物理学方法是从微观变量变化所遵循的动力学方程（刘维方程）出发，再利用统计假设。由于这时的分布函数十分复杂，博戈留波夫等人进行了约化处理。当然，这种约化往往又包含了某种统计假定。约化处理后得到的动力学方程称为 BBGKY 方程链。从这个方程入手，可以导出经典的玻耳兹曼输运方程。

远离平衡的非平衡态统计物理是在本世纪 60 年代以后迅速发展起来的，主要研究对象是远离平衡的热力学开放系统在一定条件下可能出现的有序结构。以比利时科学家普里高金为代表的布鲁塞尔学派称之为“耗散结构”（见耗散结构）。其主要的成就是对非平衡定态的出现以及是否稳定作出了定量的判定，并从理论上找出了非平衡态演化的一般特征。这一理论还揭示出，涨落对耗散结构的形成存在明显的触发作用。他们创立了一套介于宏观描述和统计物理描述之间的非平衡过程随机理论，以概率论为基础，研究非平衡系统的涨落等宏观性质及其遵从的唯象规律。目前这种唯象理论还只能就一些简单的模型进行讨论，同时也已发展起一些渐近的方法。

德国物理学家哈根把非平衡有序结构的出现看作是组成该系统的大量子系统按照某种规律互相作用、互相协调、自己组织的结果，由他创立的学说称为协同学。协同学理论探求着物质世界形成各种有序结构的一般原理，已成为非平衡统计物理学的主要学派之一（见协同学）。

非线性光学（nonlinear optics） 研究物质对光场的响应与光场强度成非线性关系的光学。当光束通过物体时，原子中的正、负电荷中心将会发生偏离而形成电偶极子。单位体积中电偶极矩的矢量和称为电极化强度，用 P 表示。当光的强度不很大时，电极化强度与光场强度成线性关系， 即

P=χE。

但当激光出现后，在强激光的作用下，上述关系式变 P=χ(1)E+χ(2)E2+ χ(3)E3+⋯，成式中χ(1)、χ(2)、χ(3) ⋯都是与物质性质有关的系数，这

是一种非线性关系。于是光学就从线性光学进入非线性光学时代。一般来说，上述关系式中后一系数要比前一系数小得多，且有

x( 2)

x(1)

≅ x( 3)

x ( 2)

≅ ≅ 1 ，

Ea

其中 Ea 表示原子内的平均场强，大约等于 3×1010 伏/米。一般要求光束中的电矢量振幅达到 103 伏/厘米时，才能在与物质相互作用时明显引起

非线性效应，这相当于大约 2.5 千瓦/厘米 2 的光束强度。因此只有采用激

光才行。在普通光源情况下，非线性项不起作用，只要考虑线性项。

除了有高强度的激光，非线性光学的研究还需要有非线性光学材料。这种材料必须具有较高的非线性极化系数和宽频响应特性，透明性好，能承受强激光照射而不易导致光学损伤，还必须能实现相位匹配。

在激光器问世以后的第二年，就发现可用红宝石激光在晶体中实现光学倍频，从此开创了非线性光学的研究。近 30 年来，这一领域的研究非常活跃，并已获得许多应用。

菲涅耳（Augustin Jean Fresnel 1788～1827） 法国物理学家。生于布罗利耶。1804～1805 年在巴黎工艺学校学习。1809 年毕业于巴黎桥梁与公路学校，以后从事建筑工程工作。1815 年任巴黎工程公司工程师。1823 年被选为巴黎科学院院士，1825 年被选为英国皇家学会会员。

主要贡献是建立了光的波动说。早在 1811 年，在马吕斯的影响下开始独立研究物理学，并且很快就开始在光学方面进行实验研究。1815 年， 通过实验重新发现干涉原理，补充了著名的惠更斯原理。1816 年，引入次波的相干性及其干涉的概念，得出惠更斯-菲涅耳原理：任一点波的扰动， 可视为到达该点的所有次波干涉的结果。最先研究了光的直边衍射和圆孔衍射。进行了光干涉的双反射镜实验。1817 年，巴黎科学院悬赏征求阐述光的衍射现象的论文，悬赏的题目是：①利用精确的实验来确定光线的衍射反应；②从这些实验中，用数学归纳推导出光线通过物体附近时的运动情况。菲涅耳参加了竞赛，他以杨氏光的横向振动的假说为基础，写出了应征论文。该论文用波带法定量计算圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，结果与实验吻合，从而建立了光的衍射理论，使波动说取得了胜利。1819 年，进行了光干涉的双棱镜实验。1821 年，与阿拉哥一起研究了偏振光的干涉，证实了光波的横向性。1823 年，发现光的圆偏振和椭圆偏振。用波动说解释了光的偏振面的转动、双折射。推出了光在两种介质的分界面上的反射和折射的定量规律，被称为菲涅耳公式；解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象，从而建立了晶体光学的基础。他的实验具有很强的直观性、明锐性，很多现仍通用的实验和光学元件都冠有菲涅耳的姓氏，如菲涅耳反射镜、菲涅耳双棱镜、菲涅耳透镜等。著有《光的衍射》（1815）、《菲涅耳著作全集》（共 3 卷，1866～1870）。

菲涅耳衍射（Fresnel diffraction） 光源和接收屏（或两者之一） 离衍射屏（即障碍物）为有限距离时光的衍射现象。当衍射屏为圆孔、圆屏或具有直线边缘的不透明半无限平面时，分别称为圆孔衍射、圆屏衍射和直边衍射。

圆孔衍射 在点光源的传播方向上放置一个带有圆孔的不透明屏，根据几何光学，在屏的后方有限距离处的接收屏上应该出现交界分明的几何

照明区和几何阴影区。但是当圆孔的直径与光的波长可比拟时，投射光会绕过小孔边缘而进入几何阴影区，结果在接收屏上将出现明暗相间的圆环。

根据半波带的理论（参见波带片），观察点光振幅取决于圆孔所含有的菲涅耳半波带的数目。如果圆孔的半径为ρ，圆孔与光源和观察点的距离分别为 R 和 r0，波长为λ，则半波带数 k 为

ρ² 1 1

k = λ ( r

• 。 R

观察点的位置不同，r0 不同，k 数也不同。与 k 为奇数相对应的观察点处，合振幅最大；与 k 为偶数相对应的观察点处，合振幅最小。如果带数不是整数，则合振幅在上述最大值和最小值之间。这时，若将观察屏沿对称轴线移动，便可看到光强不断变化。根据半波带理论（参见波带片），

观察点处的光波振幅

1 ±ak)，其中a 和a

分别表示第一个和

A = (a1

2 1 k

最末一个半波带次波在观察点处的光波振幅。当 k 为奇数时，上式中取正号；当 k 为偶数时，上式中取负号。如果圆孔为无限大，ak 显然为零，因

此A = a1 。如果圆孔的大小恰好使波面露出第1个半波带，则观察点光波

2

振幅简单地就等于 a1，是无障碍物时的二倍，光强则为四倍。

以上仅仅是对称轴上的情况。在对称轴以外观察时，有类似的结果。光强在有些点处较强，在另一些点处较弱。所以在接收屏上将出现明暗相

间的圆环条纹。仅当圆孔足够大，使 a k →0，观察点的光振动仅由

2

第 1 半波带贡献时，光的传播才符合直接传播概念。因为第 1 半波带的面积很小，如果λ=0.5 微米，R 和 r0 均为 1 米，第 1 半波带半径约半毫米。因此可以看作是直线进行。

实际光源有一定大小，光源上某些点在观察屏某处产生亮条纹，一定可以找到光源上另一些点在该处产生暗条纹。因此，通常情况下不容易观察到衍射图样。但如果用相干性很好的氦氖激光做实验，就很容易看到光的衍射现象。

圆屏衍射 在点光源的光路上，设置一个不透明圆屏。假定对于对称轴上的观察点来说，圆屏遮蔽了开始的 k 个菲涅耳半波带，从第 k+1 个半波带开始的所有半波带所发出的次波能到达观察点。观察点处光波的合振

幅于是为A = a k +1 。即不论圆屏的大小和位置怎样，处于圆屏几何影子

2

的对称轴上任一点处总会有光。圆屏面积越小，被遮蔽的带数越少，ak+1 就越大，观察点处的光强就越强。改变圆屏与光源和观察点的距离，k 数也随之改变，因而也改变观察点处的光强。所以，圆屏衍射图样与圆孔衍射图样类似，都是同心圆环，但是其中心点处总是亮点。

1818 年巴黎科学院在审议菲涅耳关于次波相干叠加的论文时，作为评判委员的著名学者如毕奥、拉普拉斯和泊松等人都是光微粒说的拥护者。泊松把菲涅耳理论应用于圆屏问题，推导出几何影子中心应有亮斑的结论，并试图以此来否定菲涅耳理论。然而其后不久，阿喇果却用实验证实

了泊松的这个结论，从而肯定了菲涅耳理论的正确性，给光的波动说和惠更斯-菲涅耳原理以有力的支持。

直边衍射 平行光垂直照射到具有直线边缘的半无限不透明屏时，根据几何光学，在其后方的观察屏上应有直线边缘清晰的影子。但是根据波动理论，在靠近几何阴影区的几何照明区会出现与不透明屏的直边相平行的明暗相间的衍射条纹。在几何阴影区，也有光强分布，如图所示。O 点相当于几何影子的边缘，O 点左边为几何阴影区，O 点右边为几何照明区。在几何阴影区一定范围内有光强的递减分布。在几何照明区则有明暗条纹。

■直边衍射

沸点（boilingpoint） 参见蒸发和沸腾。

费马原理（Fermatprinciple） 又称极端光程定律或光学极短时间原理。由法国数学家费马在 1657 年首先提出。他认为光从某点到达任意第二点的实际路径是光程为极值（极大、极小或常量）的路径。光在媒质中经过的几何路径的长度与该媒质的折射率的乘积称为光程，也可理解为在相同时间内光在真空中传播的距离。因此，光程为极值也就相当于时间为极值。由费马原理可以直接推导出光的直线传播定律以及反射和折射定律。费马原理比这些几何光学基本定律具有更高度的概括性。

费曼（Richard Phillips Feynman1918～） 美国物理学家。生于纽约。1939 年毕业于麻省理工学院。1942 年获普林斯顿大学哲学博士学位。1945 年任康奈尔大学物理学副教授。1951 年任加利福尼亚理工学院理论物理学教授。美国科学院院士。

主要贡献是提出量子电动力学新的理论形式，获 1965 年诺贝尔物理学奖。40 年代起对量子电动力学的数学表示方法问题进行研究，发展了用路径积分表达量子振幅的方法。1948 年提出处理量子电动力学新的理论形式，得到电荷和质量重正化的计算方法，从而避免了量子电动力学中的发散困难，使复杂的无穷项得以从所有的实际计算中消除，在高度精确测量电子电荷、质量和它与电磁场相互作用的增量上起到了十分重要作用，对量子电动力学的发展作出了重大贡献。提出量子电动力学新的理论形式的直接产物是“费曼图”，即电子通过电磁场相互作用过程中的微观图示法。其表达方式是用一根带箭头的实线代表电子，带反箭头的实线代表正电子，虚线代表光子，电子、正电子和光子的每一次相互作用都用交于一点的两根实线（箭头分别指向和指离交点）和一根虚线来描写。利用费曼图可以系统而方便地计算各种电磁过程的概率，而且使人们对量子电动力学有了一个简明的图象理解。1958 年，与盖尔曼一起共同提出在核理论进展中有重要影响的核β衰变矢量电流守恒理论（即 V-A 理论，又称普适费曼型弱相互作用理论）。这一理论被吴健雄 1963 年的实验所证实。1964 年， 与盖耳曼一起在粒子物理研究中，根据 1961 年盖耳曼对强子分组的周期表，提出了强子并不是最基本粒子的观点。1969 年，根据高能电子和核子深度非弹性碰撞实验所显示的在核子内部电荷的分布不是连续分布而是集中在一些点上的事实，提出了强子结构的“部分子模型”，认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。费曼还是一位著名的教育家，他的《费曼物理学讲义》三卷曾被广泛采用，在我国也有中译本。

费米（Enrico Fermi 1901～1954） 意大利出生的美籍物理学家。生于罗马。1918 年入比萨大学高等师范学院。1922 年获物理学博士学位。不久赴德国格丁根大学，成为波恩的学生。1924 年回到意大利。1927 年任罗马大学理论物理学教授。 1938 年移居美国，先后任哥伦比亚大学和芝加哥大学物理学教授。1953 年任美国物理学会会长。

费米是一位功绩卓著的现代理论物理学家和实验物理学家，获 1938 年诺贝尔物理学奖。1925～1926 年，根据泡利不相容原理与狄拉克各自独立地提出电子应服从的统计规律，被称为费米-狄拉克统计法。这个量子统计法也适用于服从不相容原理的其他粒子，如质子、中子，是量子统计物理学的重要方法之一，对理解物质的结构及其性质有重要意义。 1927 年，根据费米-狄拉克统计原理，与英国的托马斯各自独立地提出了原子结构的模型理论，被称为托马斯-费米模型。1933 年，提出β衰变理论，把以前的辐射理论和泡利的中微子假设结合起来，成功地解释了β衰变现象的许多特点，成为现代基本粒子相互作用理论的创始人。

1934 年在实验物理学方面获得一系列惊人的发现。该年初，约里奥夫妇用α粒子轰击铅、硼，产生人工放射性物质后，费米就想利用中子产生人工放射性。他和他的助手用中子照射了几乎所有的化学元素，在短短几个月中就发现 60 多种新的人工放射性核素。在用中子轰击铀时，发现了原

子序数为 93 或 94 的超铀元素。10 月，发现铅板可以增加银在中子照射以

后所产生的放射性，换用石蜡后，竟使银的放射性提高了 100 倍。对此现象作出解释：中子经过石蜡后，由于碰撞，减低了速度，慢中子比快中子的效率要大得多，从而提出了慢中子效应。上述发现，奠定了原子核反应堆的理论基础。

1934 年以后，致力于定向的实验研究又获得一系列成果。通过实验建立了核裂变的理论，打破了核裂变几乎是不可能的传统观念。1942 年，在他领导下建成了世界上第一座可控原子核裂变链式反应堆，为原子能的利用做出了开创性的工作。1945 年 7 月 16 日，以他为核心的科学家们成功

地试验了第一颗原子弹。为了反对把原子能用于战争目的，于 1946 年初离职回到芝加哥大学任教，转入高能物理研究。1949 年，揭示了宇宙线中原粒子的加速机制，提出宇宙线起源的理论。同年，与杨振宁合作提出基本粒子的第一个复合模型，被称为费米—杨振宁模型。1950 年，提出了介子多重产生的理论。1951 年，由他领导的小组发现了第一个强子共振态。著有《核物理》（1950）、《基本粒子》（1951）、《分子、晶体的量子统计》（1966）。

费米-狄拉克统计（Fermi-Dirac statistics） 参见量子统计。

费米面（Fermi surface） 能量等于费米能 Ef 的等能面。在自由电子近似下，金属中的自由电子是在能量空间从低能量到高能量按球形对称排列的。在同一球面上电子具有相同的能量，称为等能面。电子能量等于Ef 的球面称为费米面。在绝对零度时，费米面内的能级位置全部被电子所填满；而在费米面外，是没有电子的。费米面成为金属中电子按能级分布的分界面，它形象地表示了金属中电子按能量的分布。费米面受温度的影响不明显，当温度升高时，只有较少的电子从球面内激发到球外。由此建立的金属电导模型成功地解释了金属的输运特性。但若考虑到电子与晶格的相互作用，费米面就可能畸变，不再是球面。

费米子（fermion） 自旋为半整数的粒子统称为费米子。如电子、质子和中子等。由这类粒子构成的全同粒子系统服从费米-狄拉克统计规律性。全同费米子系统还要受到泡里不相容性原理的制约，在这种系统中不能有两个或两个以上的粒子具有完全相同的状态。两个独立的费米子所构成的系统其总自旋可能为零，也可能为正整数。例如两个电子所构成的系统其自旋是 0 或 1。

分光计（spectrometer） 一种既能将复色光分解为光谱又能精确测量角度的光学仪器。主要由平行光管、自准直望远镜（与游标盘相连）和载物平台（与主分度盘相连）三部分组成，如图所示。平行光管固定在仪器上，提供平行光束，照射载物平台上的光学元件。载物平台为一圆盘， 可以绕中心轴转动，其底座上刻有角度游标读数，台上放置分光棱镜、光栅等分光光学元件。平行光经过这些元件反射、折射或衍射而改变方向， 用望远镜接收这些平行光，即能观察到平行光会聚成的狭缝像。望远镜和底座外围刻有角度读数的主分度盘相连，且也可绕中心轴旋转。测量时， 望远镜内的十字准丝对准某一波长的狭缝像（即光谱线），由主分度盘上的角度读数即能精确测定这

■分光计结构图

1—平行光管狭缝宽度调节螺丝 2—平行光管水平调节螺丝 3—平行光管物镜 4—望远镜物镜 5—望远镜水平调节螺丝 6—望远镜自准直目镜7—照明小电珠 8—载物平台固定螺丝 9—读数窗口 10—望远镜制动螺丝

11—望远镜微调螺丝 12—读数盘制动螺丝 13—读数盘微调螺丝 14—载物平台水平调节螺丝 15—载物平台台面

一波长的平行光所偏转的角度。分光计可用来测量棱镜角、棱镜材料的折射率（通过测定棱镜的最小偏向角而决定）和色散率以及光波波长等。

分期原则（principle of dividing period） 物理学史划分时期应遵循的基本原则。它既是整个物理学发展史的纲，也是物理学史研究的一个基本理论问题。长期以来对于物理学史的分期问题，有着各种不同的观点：①按年代分；②按物理学家的工作分；③按自然观和世界观分；④按生产和社会经济形态分；⑤按物理学本身发展的特征分。正是众说纷纭。针对这种情况，物理学史划分时期的基本原则是：要从客观的历史事实出发，而不是从任何先验的准则或随意选取的标准出发，具体地说必须考虑到两个方面：一是物理科学知识的性质和结构——根据物理科学知识本身在各个发展阶段显示的不同的本质特征，这是作为分期的主要依据；二是物理科学的社会功能和社会地位——着眼于各个不同历史时期中物理科学同社会的相互关系，这是作为分期的派生的、次要的依据。按照这一分期原则，综观整个物理学的发展，明显地可分为三个时期：古代时期（16 世纪以前），也称物理学的萌芽时期；近代时期（16～19 世纪），也称经典物理学时期；现代时期（20 世纪）。

分力（component of a force） 见力的合成。

分析（analysis） 在物理学的理论和实验研究中，将对象分为若干部分、若干层次，逐步进行具体研究的方法。任何一项物理研究都自觉或不自觉地使用分析方法。通过分析，可以将复杂的问题分解为简单的问题进行研究。这不仅简化了研究工作，而且更深刻地揭露研究对象的本质。例如在伽利略之前，不少人花了大量的精力和时间去研究抛体运动，都得

不到正确结论。而伽利略用分析方法解决了抛体运动问题。他在把握惯性运动和自由落体运动之后，敏锐地认识到抛体运动可以分解为水平方向的惯性运动和竖直方向的自由落体运动。

物理现象和过程往往有许多因素共同作用，它们互相牵制，只有将它们逐个分解，才便于认识每个因素的作用和在整个事物或现象中的地位， 在这个基础上，才能对整个研究对象有全面的了解和认识，这就是物理学研究中最普遍使用的分析方法——控制变量的方法。例如对一定质量的气体，体积（V）、压强（P）和温度（T 绝对温标）三者作用互相牵制，在未认识它们之间的关系之前，只能用控制变量的方法先得出三个气体实验定律，然后在分析研究的基础上，总结出气体状态方程，全面地揭示了体积、压强和温度之间的关系。

对某个课题，使用分析方法研究，有时还表现为一种历史过程。例如对原子的研究，就经历了证实原子的客观存在、发现电子、测定电子电量和荷质比、证实电子是原子可分离的组成部分、发现原子的核武结构和质子，到发现中子等的研究过程。这是几代物理学家从纵横两个方面，对原子这个客体进行深入分析研究的成果。

在物理研究中，实验分析和理论分析是相辅相成的，在实验工具和手段受到限制的情况下，理论分析就成为一种主要的形式，借助于它，有可能深入到问题的本质，发现新的因素或线索，指导实验分析。理论分析又要以实验分析作为基础、依据和出发点。

分析论述题（explanation question） 对所给出问题情景作出分析、解释的试题。它的评价目标包括理解分析和应用。这类试题主要测试学生能否正确理解一个熟悉或不太熟悉的问题情景中所包含的物理概念或原理，并能通过正确的科学语言（简要的文字叙述、公式、计算、图像或图线）来分析问题中的物理现象，从而作出解释。

分析试卷指标（index to analyse test paper） 根据教育测量理论对试卷进行定量分析的依据。试卷指标可分为效度、信度和难度。效度是反映测验准确性的重要指标，它说明一个测量在多大程度上达到测量的目的，是衡量测验准确性和有效性的指标，这种有效程度简称为效度。效度分为内容效度、效标效度（也称准则关联效度，即一个测验结果与另一个可以作为效度准则的评价测量结果的相关程度）等几种。在一般物理教学测验中，最重要而且最常用的是内容效度，也就是试卷是否真正测试了所要检测的物理知识。如果试卷从学生学过的物理知识总体范围和内容中取样适当，而且试题设计较合理，使整个试卷能较真实地反映考生达到各项测试目标的程度，试卷的内容效度就高。因此为了提高试卷的内容效度， 在编制物理试卷时，一要注意试卷知识内容取样对考试目标覆盖程度；二要注意编制试题时排除影响预期测试目标的因素，例如某道题的数学运算太复杂，数学变换能力要求太高，就会干扰要检测的物理内容而影响内容效度。

信度是反映测验可靠性的重要指标，这说明测验结果对某考生群体的可信程度。如果几次测量的结果一致，则表示测量是可靠的，是可信的。几次测量的结果不一致，表明有随机误差存在。因此信度也表示不受偶然随机因素干扰的程度。信度的最大值为 1，即随机误差的影响为零，这实际上是不可能的。在常模参照型测验中，一般要求信度值不低于 0.8。对

大规模的标准化考试，试卷信度则应在 0.9 以上。试卷的信度跟试题的难度分布范围有关。如果各道试题的难度基本接近，说明试题间的相关程度高，试卷的内在一致性好，试卷的信度较高。反之，假如试题的难度分布过于离散，例如难度高和难度低的题多，中等难度的题很少，这样不仅会削弱试卷的内在一致性而降低信度，还会影响试卷的区分特性。

对常模参照考试，题目的难度分布越离散，即很容易的题或很难的题占绝大多数，分数分布往往越集中。而试题难度集中在中等难度附近时， 分数分布则呈现比较离散的正态分布（标准差 SD 较大），这样便于比较每个考生在总体中的相对位置。因此，要使试卷有高的信度和较好的区分鉴别特性，试题的难度应相对集中在中等难度的范围内。一般讲常模参照考试的试卷中大部分试题（70%左右）的难度应控制在 0.4 到 0.6 之间，难度

小于 0.2 的很难的题和难度大于 0.8 的很易的题应占很小的比重，甚至不予采用。

分析试题指标（index to analyse questions） 根据教育测量理论对试题进行定量分析的依据。评价试题有两个要求：难度要恰当，区分

度要好。难度是试题的难易程度，得分值为M的试题，难度F = M ，M

M

为全体考生对该题的平均得分。难度在 0～1 之间，F 越小，试题难度越大； F 越接近 1，难度越小；F=0.5 左右，试题难度中等。

区分度是指试题对不同能力的考生的区分程度。对答案只有正确或错误这两种选择的选择题，区分度 D 应当用求点两列相关系数的公式来估

Mp − Mq

算，D = S pq ，式中p为答对该题考生的比例（即通过率），q

为答错考生的比例（q=1-p），Mp 为答对考生试卷总分的平均值，Mq 为答错考生试卷总分的平均值，S 为在该考试中全体考生所得总分的标准差。对具有不同得分值的试题，区分度则用考生对该题的实际得分和整卷总分之间的积差相关系数来计算。区分度 D 可以在-1.0 到+1.0 之间变化，试题的区分度一般最好大于+0.4。D 在+0.3 以下的试题区分度偏低，D 值接近 0 和为负值的题不宜使用。

试题难度太大或太小都无法保证试题有一定的区分度。F=0.5 时，试题的区分度 D 最大。一般试题难度控制在 0.3～0.7 比较适当，这样能得到较高的区分度。

分析天平（analytical balance） 高精确度的质量测量仪器。为了防止空气流动、湿度、腐蚀性气体对天平的影响，分析天平都安置在木制的玻璃橱内，橱内还安放干燥剂。操作时可打开边门取存重物和砝码，正面的玻璃挡住测量者导致的 CO2 侵入。半自动的分析天平使砝码的增减通过橱外的旋钮调节自动配置，致使砝码得到有效的保护。

目前物理实验室常用的分析天平，秤量有 1mg、0.5mg、0.2mg 和 0.1mg 四种。为了缩短分析天平的振荡摆动周期，在天平横梁两端设置两个空气阻尼器，提高测量速度，对气流等影响有效地加以抑制。全自动分析天平采用了自动换量程、增减砝码，并显示秤衡值，使测量的人工操作步骤大为减少，测量速度大大提高。

分音（partial tone） 复音中的一个物理成分。主观评价上是指复

音中可用耳分清为一简单声音而不能再分的成分。分音的频率可比复音的主频高或低。它可以是主频的整数倍或分数倍；也可以不是，此时的分音称为非谐频分音。谐音、基音和泛音都是分音。

分子（molecule） 参见分子运动论。

分子电流（molecular electric current） 又称“安培电流”或“安培分子电流”。分子或原子中由电子运动所形成的电流。1822 年由法国物理学家安培为解释物质的磁性和磁化现象所提出的一种假说。

1920 年奥斯特发现电流的磁效应后，揭示了物质的磁性，受到科学界的重视。安培受到菲涅耳等人的启示，率先提出分子电流假说：任何物质的分子中都存在圆形电流，称为分子电流。分子电流相当于一个基元磁体。在通常情况下由于热运动，这些基元磁体取向无规则排列，对外产生的磁效应互相抵消，整个物体不呈现磁性。在外磁场作用下，基元磁体将出现沿外磁场方向的取向排列，从而使物体显示磁性。

安培分子电流假说在当时对物质微观结构知之甚少的情况下，在很大程度上是一咱臆测。上世纪末本世纪初以来原子物理学和基本粒子的研究表明，组成物质的原子中不仅有电子的绕核运动，而且原子核和电子、质子等粒子还有自旋运动。这些运动可以等效于“分子电流”，从而使这一假说有了实在的基础。

分子光谱（molecular spectrum） 分子内部能量状态发生跃变过程中所产生的光谱。分子的内部运动包括整个分子的转动，各组份原子的核在其平衡位置附近的振动，以及分子中价电子的运动。这些运动的能量状态都是分立的，因而形成能级。纯转动能级间的跃迁产生“转动光谱”。由于分子的转动能级之间的间隔很小，所以转动光谱的频率很低，波长很长，通常位于远红外区和微波区。纯振动能级间的跃迁产生“振动光谱”， 其波长位于近红外区。同时考虑分子的转动和振动运动所产生的光谱称为“振动—转动光谱”，它具有较复杂的结构。分子的价电子在电子能级间的跃迁产生“电子光谱”，它通常位于可见光区和紫外光区。由于电子跃迁总是伴随着振动和转动状态的改变，所以电子光谱常常不再是由谱线系构成的线状光谱，而是由“谱带系”构成的带状光谱。分子光谱包含了分子结构和分子内各原子相互作用的信息，通过分子光谱的研究可以了解物质分子结构的特征。例如通过纯转动光谱的研究，可测定分子的转动惯量和分子内各原子间的距离；通过电子光谱的研究，可了解分子内价电子的分布，确定分子的电离势和离解能等。

分子力（molecular force） 参见分子运动论。

分子量（molecular weight） 参见分子运动论。

分子束外延（molecular beam epitaxy） 在超高真空（10-8 帕）系统中将分子或原子束直接射向衬底，从而在衬底上淀积生长外延层的方法。在 MBE 系统内，分子或原子束由装有待淀积物质源的喷射炉产生。在淀积过程中，喷射炉内源的成分和喷射率由炉温调节保持恒定。衬底安装在由转速可变的马达控制的支座上，并备有加热装置，以获得均匀的外延层。整个系统包括外延层成分及薄膜生长环境用质谱分析仪监控。

分子束外延的特点是淀积温度（～250℃）低，淀积速率（0.001～0.3 μm/min）相当慢，因而可获得极其良好的掺杂剖面和任意的掺杂组分，是目前制造超薄膜（小于 10nm）的理想手段。如超晶格材料中周期性改变的

超薄膜层，就是采用分子束外延技术制得的。

分子运动论（kinetic theory of molecule） 认为物质是由不停地运动的分子所组成，试图从物质微观结构出发说明热现象的一种理论。

发展简史 人类很早就开始思索物质的构成。公元前 600 多年，古希腊的哲学家设想土、气、火、水是构成名种物质的四种独立元素。我国古代的五行学说也包含有水、火、木、金、土“以成百物”的朦胧思想。留基伯和德谟克利特提出的原子论可看作是物质结构理论的萌芽。1658 年法国物理学家伽桑迪考察了原子论的观点，进而假设物质内的原子可以在空间各个方向上不停地运动，并用来解释固液气三种物质状态。1738 年瑞士物理学家伯努利从物质的分子结构假设出发，从理论上导出了玻意耳定律，并论证了气体的压力是气体分子与器壁碰撞的结果。1744 年俄国物理学家罗蒙诺索夫提出热是分子运动的表现；把机械运动守恒定律推广到分子运动的热现象中。自 19 世纪中期开始，随着实验技术的不断改进，分子运动论得到了迅速的发展。

基本假设 分子运动论的基本假设主要包括三个方面。

1. 物质由大量分子所组成，分子是物质中能够保持一切化学性质而独立存在的最小微粒。目前用高分辨率的电子显微镜可观察到晶体的分子结构图像。实验结果表明，分子直径的数量级约是 10-10 米，即 0.1nm。分

子的质量与¹²C的原子质量的 1

12

的比值称为该分子的分子量，它也等于

一个分子所有原子的原子量的总和。0.012 千克的 12C 含 12C 原子 6.022045

×1023 个，称为 1 摩尔的 12C，6.022045×1023 摩-1 就是阿伏伽德罗常量。(2)分子不停地作无规则运动，分子运动的剧烈程度是用温度来量度

的。分子运动的直接实验观测来自各种扩散现象，而间接实验证实来自布朗运动。温度越高，分子无规则运动就越剧烈，因而又称为分子的热运动。

(3)分子之间存在相互作用力。当两分子比较接近时，相互作用力主要表现为吸引力，它来源于一个分子受到另一个电偶极矩的极化作用；当两分子相当接近时，主要表现为排斥力，它来源于两个分子外层电子云重叠而产生的排斥作用。大约在分子间距 r=r0～10-10 米处，分子间吸引力和排斥力大小正好相等。当物体受到外力挤压使分子间距小于 r0 时，分子之间的排斥力就会阻碍压缩，表现为对外力的一种抗拒，而当物体受到拉伸而使分子间距大于 r0 时，分子之间的吸引力就会抗拒拉伸。

分子之间这种相互作用力，使物体中的分子形成某种规则分布，而分子的无规则热运动要破坏这种规则分布。这两种相互对立的作用构成了物质热运动状态变化的内在依据。实验还证明，当物体温度升高到一定的临界值时，分子热运动的激烈程度可以冲决分子作用力的约束，从而使分子从被束缚在 r0 附近作微振动的状态下解脱出来，逐渐变为互相分离，这就发生了通常所观测到的固态—液态—气态的相变。

研究方法 分子运动论的研究方法是以经典力学为基础的，它在一定程度上可以阐明气体的某些性质和行为。1859 年英国物理学家麦克斯韦得到气体分子速率分布律，后来德国物理学家玻耳兹曼给出更严密的论证， 并得到实验证实。1872 年玻耳兹曼给出分子运动论的基本方程，并首先把概率观念引进分子运动论，给出熵的统计意义。1902 年美国物理学家吉布

斯创立了统计物理学，把基本上只适用于气体的分子运动论推进为对固体、液体都适用的一般理论。

汾丘里流量计（Ventruimeter） 测量封闭管道中流体流量和流速的仪器。由收缩管（即汾丘里管，又名咽喉管）和测量压力差的 U 形管装置组成（见右图）。将收缩管接入待测流量的流体管道中，只要读出原管道

（主管）和收缩管细部流体的压力差，即可得

■汾丘里流量计

出流量，其公式为：

2gh(ρ − ρ)

Q = S1S2

汞 ，

ρ(S² − S² )

1 2

其中 S1、S2 为主管与收缩管细部的截面积，h 为 U 形管内水银面的差

（它反映压力差），ρ为该种流体密度，ρ汞为 U 型管中水银密度。又因 Q=vS1，故也可用它来测量流速 v。

风洞（wind tunnel） 研究物体的空气动力特性的主要实验设备之一。能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象。它是一种具有足够大直径的管道状的实验设备。英国人菲利普斯于 1885 年首先在第一个风洞中做了实验。风洞实验是飞行器研制工作中一个不可缺少的组成部分，它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，且在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等方面也得到越来越广泛的应用。用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型或实物，这样，条件易控制，可重复、经济地取得实验数据。

风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统三部分组成。风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小可分为低速、跨声速、超声速和高超声速风洞。

夫兰克（James Franck 1882～1964） 德国物理学家。1902 年入柏林大学，1906 年获物理学博士学位。1917 年任威廉皇帝物理化学研究所的分部主任。1920 年任格丁根大学教授、第二实验物理研究所所长。1933 年从格丁根大学辞职，作为他对德国公布种族法和在希特勒统治下的纳粹政权的抗议。1935 年任霍布金斯大学物理学教授。1938 年任芝加哥大学物理化学教授。第二次世界大战期间，参加了与研制原子弹有关的工程，但在 1945 年轰炸广岛事件前两个月，与一批科学家共同给美国国防部写了“夫兰克报告”，极力主张在无人烟地区公开试验原子弹，以代替在对日战争中不加宣告地使用这种武器的军事决定。虽然这份报告没有达到它的主要目的，但集中反映了他作为物理学家追求真理的勇气。

主要贡献是做了证明原子内部能量量子化的实验，发现电子和原子碰撞所遵循的规律，获 1925 年诺贝尔物理学奖。1914 年，和 G·赫兹利用电场加速由热阴极发出的电子，使电子获得能量并与管中汞蒸气原子发生碰撞。实验发现，当电子的能量未达到某一临界数值时，与汞原子产生弹性碰撞，不损失能量；当电子的能量达到某一临界数值时，与汞原子就发生非弹性碰撞，电子有一定量能量传递给汞原子，后者被激发。实验结果表明，电子的能量变化严格遵守着以 4.9 电子伏特为单位，这既说明电子失去的能量只能等于一系列的分立值，又证实玻尔提出的原子存在分立能态

的假设是正确的，从而有力地推动了原子的量子理论的建立。

夫兰克-赫兹实验（Frank-Hertz experiment） 用低速电子对原子碰撞的办法直接证实原子中存在分立能级的实验。1914 年由德国物理学家夫兰克和赫兹首先实现。

■图 1 夫兰克-赫兹实验示意图

电子从热阴极 K 发出，经 K 与栅极 G 之间的电场加速。获得一定速度的电子在 K 和 G 之间与汞原子发生碰撞，然后到达接收极 A。在 G 与 A 之间加-0.5 伏的反向电压。若电子在 KG 区域与原子碰撞时几乎不损失能量， 则该电子就能够克服反向电压而达到 A 级，此时电流计有较大读数；反之若电子与原子碰撞时将能量转移给原子，则电子余留的能量不足以克服 GA 间的反向电压，不能到达 A 极，此时电流计读数很小。实验结果表明（图2），加速电压由零开始上升时，A 极电流同步上升。当电压达到 4.9 伏时， 电流计读数突然下降，然后再上升，直到电压达到 2×4.9 伏时，电流计读

数又第二次突然下降，然后再上升，在 3×4.9 伏时第三次突然下降，⋯。

这一结果表明，汞原子并不接受低于 4.9 电子伏的能量，汞原子内存

在一个能量为 4.9 电子伏的状态，只有当电子的能量达到 4.9 电子伏时才

能为处于基态的汞原子所吸收，而被激发到第一激发态。图 2 中的三个峰值的位置表示电子在 KG 区域中与一个汞原子、二个汞原子和三个汞原子发生碰撞的情况。所以这一实验直接证实了玻尔提出的原子内存在分立的能量状态的假设。改进的夫兰克—赫兹实验（1920 年）还能用来测量分立的第二和第三激发态能量。

夫琅和费衍射（Fraunhofer diffraction） 光源和接收屏都离衍射屏无穷远时出现的光的衍射现象。光源在无穷远，这意味着将光源放置在透镜的焦平面上，使之成为平行光束，再照射在障碍物上。接收屏在无穷远是指它位于第二块透镜的焦平面上。夫琅和费衍射可以直接用惠更斯— 菲涅耳原理来计算衍射图样的光强分布。图 1 是实验装置。氦氖激光经倒望远镜系统构成的光束扩束器 L1 扩束后，投射到衍射屏 BB′上，然后用透镜 L1 把衍射光聚焦在接收屏 DD′上。

■图 1 夫琅和费衍射

单缝衍射衍射屏若为一宽度为 b 的狭缝，在接收屏上便可得到该狭缝的衍射图样。它是一组平行于狭缝的明暗相间条纹，中央条纹最宽最亮。为了对衍射图样进行分析，可将狭缝分为一组平行于缝长的窄带，每

一条窄带发出次波，其振幅正比于窄带宽度 dx。设平行光在进入狭缝前的振动方程为 y=A0sinωt，狭缝各条窄带所发出的次波的振动方程为 dy=

A 0 dxsinωt。在单缝BB′上任意找一点C，C点离狭缝中心O点的b

距离为 x。作 OG 垂直于 BG。从 C 点处的窄带和 O 点处的窄带所发出的次波到达 P 点时的光程差为 xsinθ，故 C 点处窄带的次波在 P 点处的光振动表式为：

dy = A 0 dx sin(ωt − 2π x sin θ)。

^p b λ

求上式从x = - b 到x = b 的积分，可得到沿衍射角θ方向传播的所

2 2

有各窄带的次波在观察点 P 处所生的光波的合振幅，结果为

A = A sin θ( πb sin θ) ( πb sin θ)

P 0 λ λ

令u = πb sinθ，故P点的光强为I = A² = I （sinu / u） ²，其中I =

λ

A² 。

p 0 0

不同的衍射角θ对应于接收屏上不同的观察点。

当θ = 0时，聚焦点在P ，该点的光强为A ²，为最大值。满足 πb

0 0 λ

sinθ = kπ的一些衍射方向，即当sinθ = k λ

b

（k = ±1，±2，±3，

⋯）时，Ip=0，接收屏上这些点处呈暗条纹，k 称为衍射级。每两个相邻极小值之间，有一极大值。衍射条纹光强极大值与极小值位置沿着垂直于缝长的方向分布，如图 2 所示。它具有如下特点：中央亮条纹的宽度是各次最大亮条纹宽度的两倍，大部分光能集中在中央亮条纹上；暗条纹是等间隔的，但次最大则是不等间隔的，第一次最大在μ=1.43π处，第二次最大在μ=2.46π处。中央亮条纹的角宽度之半称为半角宽度△θ，它与

缝宽和波长λ的关系为△θ = λ 。可见，当b >> λ时，△θ→0，即衍

b

射图样压缩成一条亮线，便得到几何光学中的结果。

■图 2 衍射条纹光强分布

多缝衍射 当衍射屏是一组等宽等距的平行透光狭缝时，在接收屏上便得到多缝衍射图样。若缝宽为 b，相邻两缝间不透明部分的宽度为 a，令a+b=d，N 为狭缝数目，则接收屏上的光强分布为

  πb

  ²   Nπd

  2

sin λ

sin θ  sin λ sinθ 

I = I 

      。

⁰  πb sinθ

 λ

 

 

 πd sin λ

sin θ 

令u = πb sinθ，v = πd sinθ，则上式化为

λ λ

 sinu 2  sinNv 2

 sin u 2

I = I ₀ 

u 

 sin v  。

 sinNu 2

其中

u 

表征宽度为b的单缝衍射光强分布函数，另一因数

sin v 

则是多光束干涉的光强公布函数。故夫琅和费多缝衍

射是单缝衍射和N个相干光干涉结果两者的组合。图3是以N = 4， d = 3

b

为例所作的多缝衍射光强分布曲线。可以看出，在多缝衍射的强度分布中， 保留了单缝衍射强度曲线的形式，但多缝衍射图样中出现一系列新的强度最大值和最小值。其中那些较强的亮线称为主最大，较弱的亮线称为次最大。主最大的位置与缝数 N 无关，但它们的宽度随 N 增多而减小，它们的强度与 N2 成正比；相邻主最大之间有 N—1 条暗纹和 N—2 个次最大。

■图 3 多缝衍射光强分布

双缝衍射 当取双缝衍射屏时，在接收屏上便得到双缝衍射图样。采用多缝衍射图样的结果，令 N=2，便得到双缝衍射的光强分布，为

 sinu 2

I = 

u 

4I cos² v 。

当b << λ时，u = πb sinθ→0，（sinu / u）→1，上述光强分布

λ

就与双缝干涉的情况一致。实际上很难做到使缝宽远小于波长，因此杨氏双缝干涉中的干涉亮条纹很难达到相同的亮度。它们只是一种被单缝衍射分布所调制的双缝干涉条纹。

圆孔衍射 衍射屏是一个开有小孔的不透明屏时，在接收屏上便得到圆孔衍射图样。它是一组明暗相间的同心圆环。中央亮斑称为爱里斑， 它的半角宽度为△θ = 1.22 λ ，其中D是圆孔的直径。中央亮斑的光

D

能量占通过圆孔总光能量的 84%，其余 16%的光能量分布在它周围的各级亮圆环中。若夫琅和费衍射中第二块会聚透镜的焦距为 f′，则爱里斑的半径为ρ = 1.22 λ f′。

D

任一光学元件都有一定的通光孔径，即使不加任何光阑，平行光通过它们时也会出现衍射现象。所以实际光学系统对点状物形成的像，不可能是点状像，而是有一定大小的爱里斑。波长一定时，通光孔径的直径 D 越大，爱里斑越小，越接近于点状像。当 D>>λ时，ρ→0，便得到几何光学的结果。

浮力（buoyancy force） 流体作用于浸在其中物体（全部或部分） 的向上托起的力。若把固体浸在液体中，固体侧面受到的压力相互平衡， 但下面受到的压力总大于上面受到的压力，所以物体受到的合力总是竖直向上的，浮力的大小等于物体所排开的液体的重量。这就是阿基米德定律

（也称阿基米德原理），由希腊学者阿基米德于公元前 3 世纪发现，传说是他为了测定王冠含金的纯度，在洗澡时发现的。

阿基米德定律是流体力学的重要规律之一，有十分广泛的应用。船舶、飞艇、潜艇和气球等的设计都要应用这个原理；用来测定液体密度的比重计，也是根据这一原理制成的。

浮力的作用线通过被排开流体的重心，该点称为浮力中心，简称浮心。

浮力中心 （buoyancycenter） 见浮力。

伏打（Alessandro Volta 1745～1827） 意大利物理学家。生于科莫。早年读书时，曾想成为一个诗人，由于结识了一位从事物理学研究的子弟，在他的实验室里尝到科学研究的趣味，于是改变当诗人的初衷，全力投入自然科学的研究。1774～1779 年任科莫大学预科物理学教授。1779 年任帕维亚大学物理学教授，1795 年起任该校校长。1782 年成为法国科学院院士，1791 年当选为英国皇家学会会员。

主要贡献是发明了伏打电池。对伽伐尼的“动物”电的实验很感兴趣， 于 1792 年开始重复这些实验，不久就得出结论：青蛙的蛙腿出现痉挛，并不像伽伐尼所认为的那样，是它们自身所固有的“动物”电，而是由于两种不同金属接触时所产生的电效应。通过实验还观察到电不仅产生颤动， 而且影响视觉和味觉神经：由两种金属联成弯杆，一端放在眼睛附近，当

另一端与嘴接触的瞬间有光亮感；用一根导线连接两个不同的金属币，将其一放在舌尖上感觉到苦味。伏打由此猜测，所有这些实验中最根本的是不同金属的接触。在此基础上，先后采用了各种不同金属，放在各种液体中进行几百次实验，终于发明伏打电池。1799 年所制造的一种电池是由 20 对铜、锌圆片（中间用盐水润湿的纸板圆片隔开）组成的。1800 年正式向皇家学会报告了他的发现，从此产生稳恒电流的装置开始在电磁学研究中发挥了巨大作用。在此之前，1775 年发明树脂起电盘，1778 年提出电的张力相当于电位差的概念，建立了导体的电容 C、电荷 Q 及其张力 T 之间的关系式：Q=CT。还研制成一种灵敏验电器（1771）、电容器（1773）、电位计和其他仪器。发现了火焰的导电性（1787）。著有《伏打著作集》（共7 卷，1918～1929）、《伏打通讯集》（共 3 卷，1949～

伏特计（Voltmeter） 测量电压的电表。在中学里都使用指针式伏特计。伏特计仅有一个重要参数：电压灵敏度，常用Ω/V 和 kΩ/V 作为单位。例如 500 型万用电表的直流电压表的电压灵敏度为 20kΩ/V。如果测量选择旋钮指在 25 伏，说明伏特计的量程电压为 25 伏，内阻为 25V×20k Ω/V=500kΩ。中学里的伏特计都是用毫安表改装的，因此其电压灵敏度为1kΩ/V，如果用来测量电压的伏特计其电压量程为 3 伏，则其内阻为 3kΩ。

伏特计的内阻越大，测量电路某两点的电势差的影响越小，即分流造成的误差越小，反之则大，大到一定程度必须加以修正或者补偿以求得真正的电势差。

在使用伏特计测量电压时要注意并接，并要求“+”、“-”端不要接反。伏特计的结构就是电流表串接降压电阻。

复摆（compound pendulum） 见摆。

复音（complex tone） 又称乐音。具有一个以上音调的声音。物体振动时同时发出多种频率的声音，由一个基音与许多泛音组成。复音中音调最低或频率最低的分音称为基音或基频。能代表复音音调的主要频率称为主频。一般来说主频是基频，但不一定总是基频。当复音具有周期性时， 其分音的频率都是基频的整数倍；当复音为非周期性时，其分音的频率并不一定是基频的整数倍。对于任何两个发音体，可以通过调节，使它们具有相同的基音，但泛音的数目与强度却很难达到一致。

傅科摆（Foucault pendulum） 见摆。

富兰克林（Benjamin Franklin 1706～1790）

美国科学家、政治家、社会活动家。生于波士顿。父母都是英国移民， 因家境贫寒，只读了两年书。12 岁起到印刷厂当徒工，自学成才。40 岁后才开始从事电学研究，1756 年当选为英国皇家学会会员。晚年主要从事政治活动，参加起草《独立宣言》和《美国宪法》。

1746 年，富兰克林在波士顿观看了一位英国学者表演的莱顿瓶放电实验后，对电学产生了强烈的兴趣。不久他又收到了英国朋友柯林生寄来的莱顿瓶，于是他出让了经营多年的印刷所，潜心于电学研究。1747 年 7 月他给柯林生的信中提出了关于电的学说：“电火是一种普通的元素，它存在于所有的物体之中。如果一个物体得到比它正常的份量更多的电，它就被称为带‘正电’；反之，它就被称为带‘负电’。”这就是他提出的单流体学说。在这个学说中，他最先引入了正、负电的概念，使电成为可以定量的物理量，给研究带来很大的方便。事实上，单流体学说已经包含了

电荷守恒定律的内容。

富兰克林在莱顿瓶的实验中发现实验中的“放电”与天空中的“闪电” 在许多方面很相似，如发光、光的颜色、曲折的路径、快速运动、被金属传导⋯。为了验证自己的设想，1752 年 7 月，他冒着生命危险，在雷雨时， 将风筝放上了天空，把云层中的电荷引下来。这就是著名的“费城实验”。它破除了人们对闪电的迷信，证实了“天电”和“地电”的统一性。富兰克林因此获得了英国皇家学会 1753 年的科普利奖章。富兰克林还提出了用避雷针保护建筑物的设想，几年后避雷针开始在欧洲出现。

富兰克林还发明过双焦距眼镜、节能火炉以及用电火花来引爆炸药等。对金属的导热性、声在空气中和水中的传播也作过研究。他在给友人柯林生的信中阐述了自己的研究。这些信出版后被译成多种文字，受到广泛的注意。著有：《对电的实验与观察》（1751）、《富兰克林著作集》

（共 18 卷， 1959～1973）。

G

γ射线（γ-ray） 波长短于 0.2 纳米的电磁波。最早由维拉尔发现。当时已发现了α、β两种射线，故称这种射线为γ射线。γ射线是由核内能级发生跃迁时发射的。由于核内能级间距大（从几十 keV 到几个 MeV）， 发射的γ光子的能量大，所以其频率很高，波长很短。在核反应或其它粒子反应中也会产生γ光子。γ射线在空气中穿行几百米以后，其强度不会显著减弱，或者说其穿透本领极强。例如能量为 1MeV 的γ射线穿过 1 厘米厚的铅板后，其能量约损失二分之一。对于长波γ射线，可以利用晶体衍射法测定其波长。对高能光子，由于其波长远小于点阵间距，更好的方法是通过测量γ光子的能量来确定其波长。例如可以利用γ光子的光电效应，通过光电子的能量来测定γ光子的能量，然后应用普朗克公式（E=hv） 算出频率和波长。

盖耳曼（Murray Gell-Mann 1929～） 美国物理学家。生于纽约。15 岁时就入耶鲁大学，19 岁毕业。随后入加利福尼亚大学理工学院，直接攻读博士研究生，1951 年获哲学博士学位。后曾在普林斯顿高级研究院工作和芝加哥大学任教。1956 年任加州理工学院教授。

主要贡献是对粒子分类、相互作用研究以及提出夸克理论，获 1969 年诺贝尔物理学奖。青年时代就显露出卓越的才华，18 岁时在对宇宙线进行研究中发现了奇异粒子。1953 年，和日本物理学家中野董夫、西岛各自独立提出了某些核粒子的“奇异性”概念，用奇异量子数来解释当时所遇到的某些困难取得成功。后来物理学界把这种解释称作盖耳曼—西岛法则。1958 年，和费曼合作提出在核理论进展中有重要影响的核β衰变矢量电流守恒理论，这是经过 20 余年曲折发展以后达到的关于弱相互作用的正确的唯象理论。盖耳曼本人还提出了一种试验此项理论的方法——从氢气、硼、碳原子核的β衰变能谱中去求证。后来这一验证方法在吴健雄的指导下取得成功。1961 年，与英国物理学家奈曼独立而几乎是同时提出了强子分类的“八重态法”，建立强子的周期表，提出强子不是最基本的粒子，并预言Ω-粒子的存在。1964 年，Ω-粒子在实验上被发现，证实了八重态法理论的正确性。同年，还发展了坂田昌—关于强子结构的思想，提出强子是由更基本的成分“夸克”所组成，夸克有三种，各自有其反夸克， 夸克带有分散电荷，介子由一个夸克和一个反夸克组成，重子则由三个夸克组成，这模型被称为夸克模型。从夸克假设提出后，物理学家一直在找寻自由的夸克，但迄今尚未有被确证为成功的报道。夸克模型在解释粒子的静态性质上取得很大成功，但在解释粒子的动态性质上则未涉及。

盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac 1778～1850） 法国物理学家、化学家。生于圣莱奥纳尔。1800 年毕业于巴黎工艺学校。1802 年起在该校工作，1809 年起任化学教授。1808～1832 年兼任巴黎大学物理学教授。1832 年起任巴黎植物园化学教授。

在物理学方面主要从事分子物理、热学和磁学研究。1802 年，发现一切气体的膨胀系数相同，并计算出它的值为 0.00375 度-1，由此确立了一个新的气体定律（被称为盖—吕萨克定律）。1804 年，在气球上进行两次飞行，其中一次是观察地磁场对磁针的作用，以及分析高空中空气的化学成分。当乘坐的气球升到 7016 米的高处，他还想再向上升，便将许多零星

物体，包括乘坐的椅子都扔了出去，借以减轻气球的重量。测量的结果表明，即使在这样的高度，地磁场也几乎没有什么变化，高空的空气的成分也与地面附近的基本一样。1807 年，发现空气膨胀时温度降低，压缩时（无热交换）温度升高，由此得出气体的热容与其体积无关的结论。1808 年， 在实验上发现了一切单纯气体按简单的倍比彼此化合的规律（被称为体积倍比定律）。1811 年，提出确定蒸汽密度的方法。1816 年，研究了饱和蒸汽压。在化学方面，与特纳尔合作，研究出制备钾和钠的方法。先后制备出一系列化合物，其中包括氢氰酸等，奠定了定量分析的基础。1815 年起， 与阿拉果合作，编辑《化学和物理学年鉴》杂志。

盖-吕萨克定律（Gay-Lussac law） 参见气体实验定律。

杆振动（Vibration of a rod） 杆的纵振动和横振动的统称。①杆的纵振动：以一定方式支承的细杆中，某些部分受到纵向扰动以后，杆中的横截面相对于其平衡位置纵向位移的往复变化。例如，用锤沿杆轴方向轻击杆的一个端面的中心，端面因受打击而向前运动，由于杆中各横截面之间的应力作用，邻近的横截面亦将依次沿着杆身发生相对位置的变化。端面由于受到邻近横截面的挤压而受到的弹性回复力将力图使它恢复其平衡位置，邻近的横截面也将依次被应力带动而进行这种运动，同时构成各横截面的物质由于其惯性，在返回平衡位置后，将依次继续反向运动，反复如此，形成振动在杆中传播的纵波，此波在杆的两端被反射，使杆中各部分只能以离散的频率同相地或反相地振动，即杆的纵振动。杆纵振动的频率随着杆的长度、材料和两端的约束条件而定。如杆的两端被固定，振动的最低频率（基频）f 由 f=c/2l 确定，l 为杆的长度；c 是杆内纵波传播的速度，由杆的密度和杨氏模量决定。杆以基频振动时，杆中各横截面同相地振动，以杆中点处的振幅为最大。此外，此杆还可以以基频的任何整数倍频率（泛音频率）振动，在杆以泛音频率振动时，无纵向位移的各个节点以 l/n 的间距沿杆长分布。当杆的一端自由，另一端固定时，其基频为 f=c14l，泛音频率为基频的奇整数倍，即 f=nc/4l，其中 n=3，5，7，⋯。

②杆的横振动：以一定方式支承的细杆由于某些部分受到横向扰动而产生的横向振动。杆的横振动的频率与杆的支承方式、截面形状、材料等有关。例如，一端被固定的圆截面杆的几种振动方式如图所示。它的基频为f=0.28ac/2，l 是杆的长度，a 是圆形截面的半径，c 是杆内纵波的速度， 其高阶振型的频率与基频之比依次是 17.5，34.4 等。

■杆振动

感生电动势（induced electromotive force） 由磁场变化所产生的感应电动势。按照法拉第电磁感应定律，只要闭合回路中的磁通量发生变化，就会产生感应电动势。如果回路固定不变，但回路所在空间磁场发生变化，则通过回路面积的磁通量也要变化，由此产生的感应电动势即为感生电动势，其量值为

ε = − dφ =

at ^s

∂B ·dS。

∂t

但是，感生电动势的起因不能像动生电动势那样归结为洛伦兹力的作用。后来，麦克斯韦根据这一现象，提出了变化磁场激发感生电场的理论， 使感生电动势得到了合理的解释。按照这个理论，形成感生电动势的非静电力即为电荷所受的感生电场力。

■感应电动机结构示意图

感应电动机（induction motor） 亦称“交流异步电动机”或“异步电动机”。根据电磁驱动原理将交流电能转变为机械能的动力装置。是应用最广泛的一种动力用交流电动机。因其转子电流由电磁感应而产生， 故名。又因转子转速总小于旋转磁场转速，故称“异步”。基本结构如图如示。定子部分包括机座、定子铁芯、定子绕组等。三相异步电动机的定子绕组由输入端互相间隔电气角 120°的三组线圈组成，嵌在定子铁芯的凹槽内，作星形联接成三角形联接后接到三相电源上。由于各线圈电流产生的均匀正弦交变磁场的位相依次相差 2л/3，从而在磁极空间中产生转速与交流电角频率相同的旋转磁场。转子由与旋转磁场同轴的转子铁芯和转子绕组构成。绕组结构有鼠笼式和绕线式两种。前者是在转子铁芯凹槽内嵌入金属条，在铁芯两端互相联结而形成导体回路。其外形像鼠笼，故名。后者是在铁芯上遍绕三组线圈，结构和形状与定子绕组基本相同，只是比定子绕组略小。绕组的三个出线端可通过转轴上的滑环与电刷引出机外，与变阻器相接以改变和调节电动机的机械特性。现在大多采用此种制式。接入交流电源产生旋转磁场后，转子各回路中便产生感应电动势和感应电流。磁场作用于感应电流的安培力驱使转子随旋转磁场转动，以拖动生产机械。如果转子与旋转磁场转速相同，转子绕组各回路内的磁通量便不再变化，感应电动势和感应电流不再出现，电磁驱动也就停止了。故转速异步，或转子转速总慢于旋转磁场转速是感应电动机工作的必要条件。对于恒定负载，转子转速可稳定在一定值上。这种电动机的优点是结构简单、工作可靠、维护简便，且效率较高，适用范围广。其缺点是转速调节较困难，功率因数也较低。

■感应圈装置示意图

感应圈（induction coil） 利用电磁感应原理从直流低压获取高压的一种电源装置。主要由断续器和互感线圈两部分组成。基本结构如图所示。断续器包括触点 Z、弹簧片 P 和螺旋调节器等。互感线圈中原线圈的导线粗、匝数少，副线圈的导线细，匝数为原线圈的数百倍。它们一起绕制在直条形铁芯上。合上低压电源开关，原线圈中有直流电流通过，铁芯被磁化而吸引弹簧片，触点脱离，电路被切断。铁芯失去磁性后放开弹簧片，它又与触点接触，电路再度被接通。由于切断时磁通变化快，产生高压；而接通时磁通变化慢，感生电压不太高，如此不断重复，造成原线圈回路中的脉动直电流。根据电磁感应原理，此时在原线圈和副线圈中都有感应电动势，但两者由于匝数不同将相差数百倍，从而在副线圈中能产生数万伏高压。电容器 C 的作用是在直流电被切断时触点处不发生火花，从而使切断时间远较接通时间为短，造成副线圈中的电动势在直流电切断时要比接触时大得多，从而能获得与直流相近的脉动高电压。在实验室中， 常用感应圈获取高电压。汽车发动机等的点火装置也是利用感应圈的原理工作的。

干涉滤光器（interference filter） 利用光的干涉原理，从复色光中滤出所需波长范围的光的器件。它利用干涉现象而不是利用吸收或散射来消除那些不需要的波长。从结构原理而言，实质上是一个间隔层极薄的法布里—珀罗标准具，其间隔层的光学厚度（nd，n 为间隔层折射率，d 为厚度）为某一波长的半波长，对该波长，其中心条纹的光程差为 2nd=λ，

满足多光束干涉的主极大条件，因而干涉滤光器对该波长是透明的，但它允许透过的光谱范围比有色玻璃小得多。为使滤光效果更好，通常采用真空镀膜工艺把干涉滤光器直接制备在有色玻璃的基板上。

目前使用较广的是多层膜滤光器，多层膜是利用高折射率和低折射率的介质（如 ZnS、MgF 等材料）通过真空镀膜多层叠合而成，当每一层的光学厚度是四分之一波长时，使该波长的光同相位反射加强。膜层数为奇数时反射率增加，如对于七层反射膜的滤光器，其反射率可达 95%。

干涉图样（interference pattern） 在光的干涉现象中观察到的光的加强和减弱按一定规律分布的整体图像。杨氏双缝实验的干涉图样是明暗相间彼此平行的直线条纹，称为干涉条纹。牛顿圈实验中出现的是一组明暗相间的同心圆，称为干涉圈或牛顿环。

利用一些极简单的装置就能观察到干涉图样。例如在已曝光的黑色底片上用锐利的小刀划出两条平行狭缝，相距不大于 0.5 毫米。通过它看电灯丝，就可观察到明暗相间的彩色干涉条纹。水面上的油膜在阳光下呈现出色彩，这也是一种干涉图样。

干涉图样常用于检验产品质量。牛顿环常用于透镜曲面加工中曲率半径的检测。利用等倾干涉条纹可检测平行平面的平行度。

除了简单的明暗相间的直线条纹或同心环图样外，还可能存在各种复杂的干涉图样。晶体干涉实验或光测弹性中就会出现这类图样。例如单轴晶体的干涉图样是一个边界不太清晰的暗十字和一系列其中心在十字交点处的明暗相同同心圆环的组合。双轴晶体的干涉图样更为复杂。这些图样在矿物学中常用于检测晶体晶轴的方向。若不用单色光而用白光，干涉图样还带有彩色。

固定于某区域的干涉条纹称为定域条纹，反之，称为非定域条纹。观察定域条纹时如不把眼睛调视在该区域，便看不到这种干涉条纹。观察非定域条纹时，只要将眼睛调视到光束传播方向上的任一平面上，都能看到干涉条纹。

刚体（rigid body） 各部分的体积和形状都不会发生变化的物体。刚体是抽象化的力学模型。实际物体都不是真正的刚体，在有些问题中， 物体本身大小和形状的变化对整个运动过程的影响可忽略，即可把它看作刚体而使问题大为简化，其所得的结果仍能和实际情况相当符合。在实际问题中，一个物体是否可看作刚体，应视具体情况而定。一般来说，对于在外力作用下变形很小的固体，在讨论其移动或转动时就可把它看成刚体

（在讨论其应变或内部振动时则不能）。

刚体力学（rigld body mechanics） 以刚体为研究对象的力学理论。刚体被看成各部分之间相对位置不能变化的物体，这是有一定大小的物体的最简单模型，又是许多实际固体的近似描写。所以刚体力学在实际问题中有广泛的应用。刚体力学包括刚体运动学和刚体动力学两大部分，前者讨论刚体运动的描述方法，后者研究刚体运动的客观规律。与质点相比， 刚体是由多个质点或许多物质微元构成的系统；与一般的质点系相比，刚体各部分的位置、速度和加速度是互相牵制的，并因此在各部分之间存在着保持刚体大小和形状不变的约束力。刚体的运动方式可分为平动、定轴转动、平面平行运动、定点转动和一般运动等。因此在刚体运动学中，除了有刚体上各点的位置、速度和加速度这种运动学概念之外，还有描述整

个刚体位置和运动的运动学量，就是刚体上被指定的一个特定点（基点） 的位置、速度和加速度，以及刚体的角坐标、角速度和角加速度。刚体平动部分的描述与质点运动学相同；刚体转动部分的描述则用角位移、角速度和角加速度等概念。刚体的动力学特性是刚体中各部分之间的内力对刚体的运动没有直接影响，决定刚体运动的是分布于刚体上一切外力的合矢量以及这些外力对刚体质心力矩的合矢量。含有力的合矢量和力矩合矢量的动力学方程决定了刚体在外力作用下的运动，这使许多刚体动力学问题的实际求解成为可能。鉴于刚体力学在力学中的特殊地位，它构成了力学中的一个非常重要的部分。

杠杆（lever） 在外力作用下，能绕着杆上一固定点或固定轴旋转的简单机械。如杆秤、橇棍、拔钉榔头和剪刀等。杆杠是一种增力机械， 利用杠杆可以用小力获得大力。或虽不能增力，但能增加位移。杠杆上的施力点称为力点，所施的力称为动力。固定点称为支点。阻力的作用点称为重点。支点到动力作用线的垂直作用距离称为动力臂，支点到阻力作用线的垂直距离称为阻力臂。对于动力臂大于阻力臂的杠杆，可以用较小的动力克服阻力使杠杠平衡。对于动力臂小于阻力臂的杠杆，力点的较小位移可以使重点获得较大位移。支点在力点和重点之间时，动力和阻力方向相同，支点在杠杆的一端时，阻力和动力方向相反。

■杠杆

O：支点 F：动力 A：力点 F′：阻力 A′：重点 L：动力臂 L′：阻力

臂

杠杆原理（lever principle） 又称杠杆定律。杠杆平衡时动力矩

（动力与动力臂的乘积）和阻力矩（阻力与阻力臂的乘积）大小相等的定律。以 F 表示动力的大小，L 表示动力臂；以 F′表示阻力的大小，L′表示阻力臂，杠杆原理的数学表示是

FL=F′L′。

利用杠杆原理制得的杠杆可以省力，但不能省功。为要省力，就必须使动力臂大于阻力臂，这时杠杆对阻力作功而使重点移动的距离小于动力对杠杆作功而使力点移动的距离。应用机械功原理也可得到杠杆原理。

高频加热（high-frequency heating） 利用高频电能使金属或介质等发热的方法。可分高频感应加热、高频介质加热和微波加热等。

高频感应加热 利用涡电流加热物体的方法。被热对象主要是各种金属、合金和半导体材料。变化的电磁场在导电体内产生涡电流，从而产生焦耳热，使被热物体温度升高甚至熔化。频率越高，产生热量越多。工业上常用于焊接、冶炼、热处理以及半导体提纯等。所用频率通常在 0.1～ 1MHz 之间。当用于冶炼、提纯等工艺时，常将材料置于坩埚内，坩埚外绕制线圈，通以高频交流电。这类装置称感应加热炉。家用电磁灶也是一种感应加热炉。

高频介质加热 利用介质损耗加热物体的方法。被热对象为各种电介质。在交变电场中，介质分子反复极化，转动、振动等分子运动加剧，相互间的摩擦等作用也加剧，这些都要吸收或损耗电磁能量，并且转变为热能形式使物体温度升高。交变电场频率越高，强度越大，介质损耗越严重， 用于加热时升温也越快。一般使用频率在 1～100MHz 间。此法常应用于皮革、木材、电木粉等的加热、塑料热合以及电疗、杀虫、杀菌等方面。

高频加热有其他加热方法不可比拟的优点。例如，热量发生于被热物体内部，不需要中介传热，热效率高，升温快，且易于控制。加热过程无须接触，材料不受污染，可在真空等特殊要求下进行，避免高温下的氧化。既可均匀加热整块介质，也可利用趋肤效应加热金属表面，对表面进行淬火。

高斯(1)（Karl Friedrich Gauss 1777～1855） 德国数学家、物理学家、天文学家和发明家。生于不伦瑞克。幼时家境贫苦，父亲靠做短工维持生活，母亲是石匠的女儿。高斯从小聪明过人。10 岁时，一次在课堂上教师让学生计算从 1 到 100 的和，他立刻得出答案为 5050，这使教师倍加赞赏。11 岁时，发现了二项式定理。 1792 年，15 岁的高斯在费迪南公爵的帮助下，才得以进一所较好的学校受教育。1795 年入格丁根大学学习，第二年成功地发明了用圆规和直尺作正 17 边形的方法，解决了两千多年来的一个重大几何难题。1799 年获博士学位。1807 年任该校教授和天文台台长。1804 年当选为伦敦皇家学会会员，1820 年成为巴黎科学院院士。

高斯在数学、物理学、天文学等方面都创造了惊人的业绩，在电磁学方面取得的成绩尤为突出。从 1831 年开始进行电磁学的实验研究。1832

年，建立了绝对单位制，引入三个基本单位：时间单位 1 秒，长度单位 1 毫米，质量单位 1 毫克。1833 年，建成一座地磁观察台，成为当时观察研究磁偏角变化的中心。与韦伯合作，制成德国第一台电磁电报设备。1839 年，在其著作《与距离平方成反比的吸引力和推斥力的普遍理论》中，阐明了势理论的原理，确立了高斯定理，即表示电场强度对任意封闭曲面的通量只取决于该封闭曲面内电荷的代数和，与曲面内电荷分布情况无关， 与封闭曲面外的电荷亦无关。该定理成为静电场的一个基本定理。1840 年，在其著作《屈光研究》中，利用几何学知识研究光学系统近轴光线行为和成像，建立了近轴光学，又称高斯光学。早在 1845 年，就有了电磁相互作用的传播速度是有限的思想。

在数学方面，主要从事数论的研究，对超几何级数、复变函数论、统计数学、椭圆函数论都有重大贡献。他的曲面论是近代微分几何学的开端。1818 年，提出存在非欧几何学的可能性，是非欧几何学的创始人之一。结合实验数据的测量，发展了概率统计理论和误差理论，发明了最小二乘法， 引入高斯误差曲线。

高斯著作颇丰，成就甚多。一生中共发表 323 篇（种）著作，提出 404

项科学创见（发表 178 项），完成 4 项意义重大的发明：（日光）回照器

（1820）、光度计（1821）、电报（1832）和磁强计（1837）。本世纪 30

年代，由格丁根大学的学者们整理出版了《高斯全集》，共 11 卷。(2)（gauss），磁感应强度非国际单位制（电磁系单位制或高斯单位

制）中的一种单位，目前仍常使用。常用 G 或 Gs 表示。它与国际单位制中磁感应强度单位“特斯拉”的关系为：1 高斯=10-4 特斯拉。

高斯定理（Gauss theorem） 电磁学中反映电场强度与电荷分布相互关系的定理。电场强度 E 在任意曲面上面积分∫SE·dS 称为电场强度对该面积的通量。根据库仑定律可以证明，电场强度对任意封闭曲面的通量正比于该封闭曲面内的总电荷 Q，即

∮ E·dS = Q ，

S ε

0

这就是高斯定理。高斯定理表明静电场是有源的，源头在电荷所在处。高斯定理中的 E 是指空间中所有电荷分布产生的电场。该定理表明，

总电场的电场强度对任一闭曲面的电通量与该曲面外的电荷分布无关。不过上述结论并不意味着曲面外的电荷对面上电场强度没有贡献。例如若闭合曲面的电通量为零，面上 E 并不一定处处为零，如果闭曲面内无电荷， 这表明，这时面上的电场正是由面外电荷激发的。高斯定理对任何电荷分布总是成立的。

当存在电介质并用电位移 D 描述电场时，高斯定理可表示成

∮SD·dS=Q0，

即电位移 D 对任意封闭曲面的通量等于该封闭曲面内总自由电荷 Q0。在这个情况下，与自由电荷在面内的分布情况无关，与极化电荷亦无关。

静电场的高斯定理还可以推广到非静态场情况，这时它便成为麦克斯

韦方程组的组成部分。

哥白尼（Nicolaus Copernicus 1473～1543） 波兰天文学家，日心说（地动说）的创始人。生于波兰西部托伦城圣阿娜港。曾在克拉科夫的雅盖隆大学学习。23 岁赴意大利求学，先在波伦亚大学、后到帕尔瓦大学和法拉腊大学学习。1503 年回到波兰，成为他的舅父、大主教瓦琴路德的秘书和医生。1512 年，舅父去世，他一直在教会任职达 30 余年。在此期间，他完成了名著《天体运行论》，并于 1543 年正式出版。

哥白尼一生最伟大的成就是创立了日心说。他以惊人的勇气、胆略和严格的科学态度，摈弃了当时公认的托勒密的地心说。按照他的日心说：

①地球是运动的，它包括绕轴的自转、绕太阳的公转和用以解释二分岁差的地轴的回转运动；②太阳为宇宙中心，一切行星和恒星天球都绕着太阳转动；③行星在太阳系中有一定的排列次序。哥白尼日心说是人类认识宇宙过程中的一次革命，它不仅破除了地球是固定不动的假设，动摇了宗教神学宇宙观的基础，而且破除了亚里士多德和托勒密的权威性，沉重打击了封建神权的统治，从而把自然科学从神学和经院哲学中解放出来，走上了大踏步发展的征程。哥白尼日心说也有局限性；①认为天体运动是匀速圆周运动；②把太阳当成宇宙的中心。这些错误随着以后开普勒发现行星运动三定律和牛顿发现万有引力定律得到了修正。

哥白尼革命（Copernican revolution） 哥白尼提出的日心说使欧洲科学思想在 17 世纪经历了一场深刻的变革。在中世纪欧洲科学思想中占主导地位的是托勒密的地心说。这种理论承袭亚里士多德“地球中心说” 的宇宙观念，假设太阳、月亮和行星都在所谓本轮的圆周上作匀速运动； 每个本轮在中心又在所谓均轮的圆周上作匀速运动；不动的地球位于均轮的中心。这种理论虽然用少量的本轮和均轮，通过计算可得到与当时粗糙的观测较为相符的结果，但由于以不动的地球为中心的宇宙更适合于宗教的思想，这样，托勒密的地心说就被用来为宗教服务，他们断然宣称：这个地球为中心的宇宙观念与宗教教义同样神圣，谁要怀疑它，谁就是大逆不道，亵渎神灵，就应当作为异教徒来论处。

哥白尼日心说的诞生 随着资本主义的发展，航海事业也迅速得到发展。而以托勒密地心说为指导编制的天体运行表，在实际航海中总是给观测结果带来较大的偏差。由此终于使人们开始怀疑其理论本身的正确性，这就有力地推动哥白尼在天文学中的革命。哥白尼从 1516 年开始撰写

《天体运行论》，经过周密的思考和计算后指出，托勒密体系在认识论上的根本错误之一，就是没有将现象和本质加以区别，把假象当作真相。哥白尼认为，不要只停留在事物的现象上，而要进一步去认识事物的本质。正是在这种科学态度的指导下，大胆地提出了日心说。哥白尼还估计到《天体运行论》中提出的太阳为宇宙中心和地球运动的新观念之后，必然会遭到来自教会神学和封建保守势力的反对。但他以大无畏的精神，理直气壮地宣布：“对数学一窍不通的无聊的空谈家会摘引圣经的章句加以曲解来对我的著作进行非难和攻击。对这种意见，我决不予以理睬，我鄙视他们。”哥白尼日心说的内容 主要有下列几点：①地球是运动的，地球不

仅绕太阳公转，它自己也有自转运动，因而从地球的从西向东运动来解释太阳和恒星的东升西落，是符合事实的。②太阳为宇宙中心，而不是地球为宇宙中心，行星都围绕太阳运转。③行星在太阳系中的排列次序：离太阳最远是土星（当时尚未发现天王星、海王星、冥王星），绕太阳运转一周，需时 30 年；其次是木星，绕太阳运转一周，需时 12 年；然后是火星，

绕太阳一周的时间是 2 年；第四是地球和同它一起的月亮，地球绕太阳一

周的时间是 1 年；第五是金星，绕太阳运转一周，需时 9 个月；离太阳最

近的火星，只需 80 天就可以绕太阳运转一周。在所有这些行星外，是所谓“恒星天球”，离太阳最远，它包罗一切，但本身是不动的。

哥白尼日心说的意义 哥白尼日心说是人类认识宇宙过程中的一次革命，它的重大意义在于：①日心说是作为托勒密地心说的对立面出现于历史上的。它把地球从宇宙中心上拉了下来，降为太阳系的一颗行星，和其他行星一起绕太阳运行，这就从事实上否定了长期统治人们思想上的上帝存在，动摇了宗教神学宇宙观的基础。②日心说也是作为经院哲学的对立面出现于历史上的。它一扫经院哲学那种空洞、烦琐、无聊的反科学的态度，坚持从对客观事物的科学考察出发，在积累了大量科学事实的基础上，去得出科学的结论，这对后来物理学的发展有深远的影响。③日心说的建立，为自然科学的发展开辟了道路。由于哥白尼所关心的是，行星怎样运动才会产生最简单最和谐的天体几何学，这样他认识到必须把行星运动的坐标系从地球移住太阳，于是势必牵涉到物理学、天文学和数学等领域中的革命。哥白尼的日心说对于把自然科学作为“神学恭顺的婢女”更是一次有力的冲击。从此自然科学便开始从神学中解放出来，包括物理学在内的近代自然科学获得了迅猛的发展。

哥白尼日心说也有其局限性，主要有下列两点：首先由于受到古希腊毕达哥拉斯学派关于圆形是宇宙中最和谐、最美好的形状的影响，哥白尼体系便用圆运动或圆运动的组合来描绘，而且运行速度又是均匀的，这与天体的实际运动情况是不相符合的。其次，哥白尼体系虽然抛弃了地球中心说，但却把太阳当成宇宙的中心，认为整个天球都是绕太阳运转的，这也是错误的。再次，哥白尼对恒星怎样配置，宇宙有限还是无限，行星靠什么运动等问题也未给出满意的回答。这些错误和不完善的地方，随着伽利略、开普勒、笛卡儿的工作不断得到了修正，并由他们为解决这些问题而提出了独特的见解，而牛顿则把这些研究成果做了独创性的综合，为近代自然科学奠定了牢固的基础。

哥本哈根解释（Copenhagen interpretation） 量子力学的正统解释，以不确定原理与互补原理为主要基础。最初是以玻尔和海森伯阐述的

量子跃迁这一不连续过程的概念作为对量子力学本质的解释。1926 年，玻尔邀请薛定谔到哥本哈根讲学，薛定谔在报告最后，依然提出要放弃量子跃迁观念，坚持微观世界中无所不在的连续性，由此引起了一场激烈的争论。海森伯思考了这种分歧的根源，认为这是由于量子力学的形式体系缺乏明确的解释引起的。为了作出明确的解释，海森伯于 1927 年 2 月同泡利经过深入的通信讨论之后，3 月底发表了一篇题为《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》的论文，分析了粒子的位置、速度、轨道、能量等基本概念，提出了“不确定关系”：对于一个粒子位置所测得的数值的不定性，同对它的动量所测得的数值的不定性的乘积，和普朗克常数是同一数量级。这意味着量子力学的解释与经典物理学中理论认识的根本假定全然不同，在微观世界中，位置和动量是不可能同时准确地测量的。在此基础上，玻尔于 1927 年 9 月提出“互补原理”，它的主要论点是：“量子论的本性迫使我们把空间-时间坐标表示和因果性要求看作是各自用来表示观察和定义的理论化的描述的两个彼此互补但又互斥的特征，而这两者的结合则是古典理论的特征。”从而在哲学上对不确定关系作了概括，并用以解释量子现象的基本特征，于是这一互补原理便被称为量子力学的“哥本哈根解释”，30 年代后成为量子力学的正统解释，但遭到爱因斯坦的坚决抵制。此后爱因斯坦和玻尔就量子力学的实质是什么展开了长时期的论争。

哥本哈根学派（Copenhagen school） 20 世纪 20 年代形成的以玻

尔为首的著名的物理学派。该学派的聚集地是 1920 年由玻尔创立并领导的哥本哈根理论物理研究所，当时该所创立的目的就在于促成理论物理学家和实验物理学家的密切合作。早期到研究所工作的有匈牙利的赫维赛，德国的弗朗克，荷兰的克雷默斯，瑞典的克莱因，挪威的罗斯兰德。其后奥地利的泡利，德国的海森伯也来到该研究所。还有英国的狄拉克、福勒等也不时来到研究所进行短期工作。在玻尔所取得的巨大学术成就及严谨的治学作风的感召与影响下，这批出类拔萃的、对量子力学有着基本相同理解的年轻物理学家形成了一个哥本哈根学派。该学派对现代物理学的发展作出了重大贡献。如到哥本哈根的泡利，在玻尔的指导下研究反常塞曼效应，获诺贝尔物理学奖。又如海森伯两次到哥本哈根工作，两次都有重大的理论建树：先是建立了矩阵力学；后又提出了不确定关系。该学派还影响和造就了大量物理学人才，有人统计，全世界有 30 多个国家的近千名现代物理学家曾经或长或短地在该研究所里工作过。

隔音（sound insulation） 又称隔声。声音入射到分隔构件或间壁上，使透射到另一侧的声能减少的方法。也是利用间壁构件防止空气声和固体声传入室内的一种技术。隔音的目的主要是减少声波、振动、撞击等作用对构件所引起的振动，以及减弱在构件中的声波传播和向外辐射。播音室、病房、教室、影剧院、会议室等等都希望有一个安静的环境，尽量不受外界杂音的干扰，为此都需要好的隔音设备。隔音技术可分为两类：

①空气声的隔绝；②固体声的隔绝。声波入射到单层墙或板上，引起墙或板的振动，间接地又将声能传过去，其振动与传声的大小主要取决于墙或板单位面积的质量，若构件质量提高一倍，其透射损失约增加 6dB。另外， 有空气夹层的双层隔音结构，比同样质量的单层结构隔音要好。如在空气层中填充吸音材料，可进一步改善隔音性能。声音除了可以通过空气传播

外，还可以通过墙或基础等固体传播。机器运转时产生的振动可直接传给基础，并以弹性波的形式从机器沿房屋结构传到其他房间去，这就是固体声。要减弱或消除这种声音，可在振动源和它的基础之间安装弹性构件（如弹簧隔振器、橡皮、软木、沥青毛毡和玻璃纤维毡等）。

隔振（vibration isolation） 把机械或仪器安装在合适的弹性装置上，使其中一种结构传递到另一种结构的振动极大地降低的一种措施。隔振可分为两类：①主动隔振，又称为积极隔振。对于本身是振源的设备， 减少它对周围环境的影响，将它与支承隔离开，以便减小传给支承上的不平衡惯性力。例如对电动机和各种转动设备的隔振。②被动隔振，又称消极隔振。把系统安装在一个隔振的台座上，使之与地基隔离，以减少外界振动传到系统中来，例如车辆的乘座、精密仪器的安装、环境运输的包装等。

使系统尽可能避免和减轻共振作用，或减小振源引起的不需要的振动影响的装置称为隔振器。其性能可用隔振系数η来表示，它等于隔振后机器设备的振幅与支承运动的振幅之比。隔振系数小表示隔振效果好。隔振系数与频率的关系见图所示。ζ为粘滞阻尼系数与临界阻尼系数之比。ω i 为外界激励频率，ω0 为隔振系统的无阻尼共振频率。λ为ωi 与ω0 之比

值。从图中曲线可看出：当λ = ω i

ω 0

= 1时为共振状态；λ =

2时传递力

等于外力；λ＞ 2时传递力小于外力。实用时一般取λ为2.5～5。

此外可看出：增大阻尼可减小机器在起动和停车过程中经过共振区的振

幅，但在λ＞ 2时，阻尼的增加反而减小隔振效果。

■隔振系数计算线图

隔振器一般由重基座、阻尼器和倔强系数很小的弹性体组成。把系统或振源（如机器）固定在重基座之后，就与弹性体、阻尼器等构成一个有阻尼的弹性振动系统，相当于一个有阻尼的弹簧振子。可通过加大隔振器的质量、减小倔强系数，使此阻尼弹簧振子的固有频率远低于外界强迫力的频率，以避免共振；再通过增加阻尼，使共振振幅减小。隔振器正是据此原理设计而成的。重基座是为了增加整个系统的质量，可由铸铁或水泥制成，阻尼器可以是沙土或装有粘滞液体的气缸，弹性体可以是弹簧或柔软橡皮制品，近十几年出现多种高分子化合物的粘弹性材料制品，这些材料既可用来隔振，又能起抗冲击、降噪声的作用。

格拉肖（Sheldon Lee Glashow 1932～） 美国物理学家。生于纽约。1954 年毕业于康奈尔大学。1955 年获哈佛大学文科硕士学位，1958 年获哲学博士学位。1958～1960 年在哥本哈根工作。1962 年任加利福尼亚大学副教授。1966 年任哈佛大学物理学教授。

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。1958 年的博士论文《基本粒子衰变中的矢量介子》中已显示出电弱合一的早期想法，从而得到了一个弱相互作用与电磁相互作用统一的理论。1961 年首先意识到要同时描写弱相互作用和电磁相互作用，内部对称性应当扩大， 即除了弱同位旋以外还应加上弱超荷，预言了中性弱流的存在，并引用了规范场这个概念。格拉肖曾认为这样的具有部分规范对称性的理论仍然是可以重正化的，后来知道这个结论并不正确。实际上只有在引入对称性自

发破缺概念之后，才有可能建立一个既可重正化又使中间玻色子具有质量的电弱统一理论。1967 年温伯格将规范理论和对称性自发破缺的概念用到电弱作用中，其中所采用的规范对称性即为格拉肖所提出的弱同位旋和弱超荷对称性。1968 年萨拉姆也提出了类似的理论模型。这一模型因而被称为格拉肖-温伯格-萨拉姆电弱统一理论模型。1970 年合作研究了对奇异数改变的中性弱流问题，提出了格拉肖-伊略普洛斯-迈安尼机制，从而可使格拉肖-温伯格-萨拉姆模型推广到强相互作用粒子，这样到 1971 年，一个完整的电弱统一理论模型已经完成。1973 年欧洲核子中心和美国费米国家加速器实验室都测到了中性弱流的反应的事例，其形式和强度与格拉肖的预言相一致。这又表明，格拉肖-温伯格-萨拉姆理论取得了巨大成功。

各向同性媒质（isotropic medium） 在任意方向上物理性能都相同的媒质。气体和液体基本属此类。但液体有时也呈现各向异性的情况。有些物体虽然由无数微小的各向异性晶体组成，但如果它们的晶轴方向随机分布，作为整体从宏观上仍然表现为各向同性媒质。属于立方晶系的晶体， 如岩盐，为光学各向同性媒质。光在这类晶体中并不出现双折射现象，在不同方向上也没有吸收或反射差异。原因是立方晶系中立方形的高度对称。例如在立方体中任意作一对互相垂直的直线，它们对立方体是完全对称的。

各向异性媒质（anisotropic medium） 光的传播速度因方向而异的媒质。在按晶轴的性质而分类的七种晶系中，除立方晶系为各向同性媒质外，其余六种均为各向异性媒质。三斜、单斜和正交晶系的晶体均为双轴晶体；四方、三角、六角晶系的晶体均为单轴晶体。自然光进入各向异性晶体后，将分裂为两个振动方向互相垂直的线偏振光。它们的传播速度不同，而且这种不同的程度随方向而变。此外在各方向上对光的吸收也各不相同，出现多向色性。

跟踪（track） 或称为示踪，是一种程序调试的手段。在跟踪程序的控制下执行时，跟踪程序会按时间顺序显示程序每一步执行时的操作和结果。跟踪方式给出的大量信息，可以用来分析程序执行的各个细节，这对查错是非常有用的。

在汇编语言程序调试中，跟踪信息通常包括上一条指令执行后的累加器值，所有通用寄存器的内容，下一条指令的地址和指令内容。

在高级语言例如 BASIC 程序调试前，只要输入 TRACE命令，程序执行开始，就会显示程序进行的行号（前有#表示）和有关数据，以便快速寻找到故障产生的原因。调试完毕再键入 NOTRACE命令，计算机就会恢复高速执行，进行正确运算，直到结束程序。

耿氏二级管（Gunn diode） 见耿氏效应。

耿氏效应（Gunn effect） 由 Gunn 发现的在半导体本体内所产生的高频电流现象。在 N 型砷化镓薄片的二端制作良好的欧姆接触电极，并加上直流电压使产生的电场超过 3kV/cm 时，由于砷化镓的特殊性质就会产生电流振荡，其频率可达 109Hz，这就是耿氏二极管。这种在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。耿氏二级管与普通半导体二极管不同，它不需要 PN 结。

砷化镓的能带结构中，导带有两个能谷（见半导体），两能谷的能隙为 0.36eV。把砷化镓材料置于外电场中时，外电场的作用使体内电子在能

谷之间跃迁，导致其电导率随电场的增加时而增加，时而减小，从而形成了体内的高频振荡现象。

功（work） 量度能量转换与传递的基本物理量。一个物体在力的作用下移动，叫做力对物体作功。物体沿直线运动时，恒力 F 作的功 W 定义为 W=Fscosθ，F 是力 F 的大小，s 是物体沿直线位移 s 的大小，θ是力 F 与位移 s 之间的夹角（见下图）。W 也可以写成 F 与 s 的标积形式 W=F·s。在不是恒力和物体沿曲线运动的情形，力 F 在物体的一段元位移 ds 上作的元

■

功是 dw=F·ds。在物体经过一段路径 C 时，力 F 作的功 W 是它在路径C 的每一段元位移上所作元功之和：W=∫CF·ds。根据力学定律，力对物体作的功在数值上等于物体机制能的增加。根据电磁学定律，外力克服电磁力所作的功，在数值上等于电磁场能量的增加。根据热学定律，在没有热传导的情况下，外力所作的功，在数值上等于热力学系统内能的增加。一切实验事实表明，对一个系统作一定数值的功的过程，就是等量的能量向系统传递的过程，所以说，功是能量转换传递的量度。功的量纲与力和位移相乘的量纲相同，是 ML2T-2，功的 SI 单位是焦耳，等于 1 牛顿力使物体沿力的作用方向运动 1 米所作的功。

功率（power） 表征作功快慢程序的物理量。如物体在无限小时间间隔△t 内移动的元位移是△s，作用在物体上的力 F 在这段时间内作的功就是 F·△s，单位时间所作的功，也就是作功的快慢程度是

p = lim = F·△s = F· ds = F·v，

△t→0 △t dt

v 是物体的运动速度。由于功是能量传递的量度，所以功率是被作功物体在力的作用下所发生的能量随时间变化快慢的量度。功率的量纲是ML2T-3，在国际单位制中，功率的单位是瓦。1 瓦=1 牛顿·米/秒。

功率因数（power factor） 交流电流和电压相位差ϕ的余弦 cosϕ。数值上等于平均电功率 P 与视在功率 S 之比，即

cosϕ = P = P 。

S IU

电功率 P=IUcosϕ，若电路为一纯电阻，其电压和电流同相，功率因数cosϕ=1，电功率 P=IU，这与直流电功率的公式形式相同。若电路为一纯电容或纯电感，这时电流和电压相位差为±90°，功率因数 cosϕ=0，平均功率 P=0，这表明电路内没有功率消耗。一般情况下，无源电路的功率因数在 0 与 1 之间：0＜cosϕ＜1。平均功率 P=IUcosϕ≤IU。

实际上，用电网络多为感性电路（如感应电动机、变压器等），功率因数可能比 1 小很多，这就必须设法提高功率因数。因为：①由于功率因数 cosϕ的存在，对于传输 P=IUcosϕ的电功率，本来只要求电路中通过

I′ = Icosϕ的电流就够了，但现在却需要通过I = I′ ＞I′的电流，

cosϕ

从而增加了传输线上的能量损耗；②功率因数 cosϕ限制着发电设备所能输出的实际电功率。设发电机的容量为 S=IU，但由于功率因数 cosϕ的存在， 它输出的实际电功率 P=IUcosϕ小于它的容量。

在生产技术上提高功率因数的措施有：利用电容器补偿电感性器件； 正确选择电动机；选取合理的运行制度等。

功能原理（work-energy theorem） 又称功能定理。力学系统在运动过程中，其机械能增量等于外力所作的功和非保守内力所作的功的总和。在此，机械能被理解为系统中各物体的动能和系统内各部分的相互作用势能。若把系统在外场中的势能计入系统的机械能内，则功能定理表述为：系统在运动过程中，其机械能增量等于非保守外力和非保守内力所作的总功。由于系统势能的增量在数值上等于克服保守力所作的功，所以功和能的这种关系又可以表述为：系统在运动过程中，其动能增量等于一切外力和内力作的总功。

汞灯（mercury vapor lamp） 可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种。低压汞灯点燃时汞蒸气压小于一个大气压，此时汞原子主要辐射波长为 253.7nm 的紫外线。常用的“日光灯”灯管内壁涂以卤磷酸钙荧光粉，再将紫外线转变为可见光。节能型荧光灯内壁涂有稀土荧光粉，发光效率更高。高压汞灯点燃时汞蒸气压为 2～5 个大气压，内管用石英玻璃。高压汞灯辐射的紫外线光谱加宽，且偏蓝绿，可用于光化反应、光刻机、紫外线探伤及荧光分析等。为使高压汞灯在照明上得到应用，常采用以下两种方式改善它的光色：①在石英内管外面，再加一个玻璃壳，内壁涂耐较高温度的荧光粉，将紫外辐射转换成红色可见光，使高压荧光汞灯的辐射光谱接近于暖白色，且有较高的发光效率。②玻璃外壳内壁不涂荧光粉，而在壳内与石英灯管之间串联一钨丝，它既作为镇流器，又可辐射出高压汞灯所缺少的红光，以改善光色。这类高压白炽汞灯使用方便，可直接接到 220 伏交流电源上，发光效率低于高压荧光汞灯，但高于白炽灯。

超高压汞灯点燃时汞蒸气压达 10 个大气压以上，具有体积小、亮度高，可见光和紫外线能量辐射很强等特点，可用作荧光显微镜、光学仪器及光刻技术的强光源。

共点力系（system of concurrent forces） 见力的合成。

共价键（covalent bond） 由两个原子各贡献一个自旋相反但并非成对的电子所组成的具有方向性的键。如两个氢原子各自出一个 1s 电子， 1s↑，1s↓组成共价键。共价键使两个氢原子结合为一个氢分子。

共价键只是在某一特定的方向上形成，这个方向是组成共价键的电子的电子云密度最大的方向，如氨（NH3）分子中 N 与 H 只是在 x、y、z 三个方向形成三个最稳固的共价键，这称为共价键的方向性。此外一个原子只能形成一定数目的共价键，如氨分子中氮原子可以有三个共价键，而氢分子中的氢只能组成一个共价键，这称为共价键的饱和性。方向性和饱和性是共价键的两个重要特征。

共鸣（resonance） 声学中指由发声振动而引起的共振现象。我国古代对共鸣原理早已知晓。在西汉著作《淮南子》中就有“鼓宫则宫鸣， 鼓角则角应”的记述。“宫”和“角”都是有一定频率的乐器，宫与宫、角与角的频率相同，所以会发生共鸣现象。

人们常利用共鸣现象来增强发声体的响度。如音叉下面所附的木箱是一个空气室，它的大小与音叉的振动频率相对应，能与音叉一起振动，发出响亮的声音，这个木箱就称为“共鸣箱”（或称“共鸣器”）。许多弦乐器（如琵琶、三弦、二胡）的琴身和琴筒都起共鸣箱的作用。但有时这

种共鸣现象却是要加以防止的。例如登山队员攀登高山时禁止高声喊叫， 就是为避免由于叫喊引起与积雪层共振，使积雪层强烈振动而发生雪崩。这是十分危险的，因此禁止高声呼喊，成了登山队的一条戒律。

■亥姆霍兹共鸣器

声学中经常用到的亥姆霍兹共鸣器是一种最基本的声共振系统。它是一种用来分析复音的仪器，其外表如图所示，是一套用黄铜制成的大小不同的球形共鸣器。每个球有大小两个口，使用时，把小口插在耳中，大口对着声源，接收传来的声波。如果传来的声波中有与该共鸣器固有基音相同的谐音，就发生共鸣，否则就听不到声音。用一套具有各种不同的固有频率的共鸣器，就可分辨出复音中的各种谐音。但这种分析方法不很准确， 比较麻烦，且不能定量测量，现在已为更完善、更准确、更迅速的电声法所代替。

古代火箭（ancient rocket） 各种靠喷气推进的烟火、飞行器，它的前进运动是由向后喷射高速气体的反作用力获得的。世界上公认火箭是我国最先发明的。我国古代的烟火指爆仗、起火或流星一类，它们由几层纸经过某种工艺要求而包裹火药，成圆形或柱形，纸壳上有引火线，点火即发生爆炸。古代以此作为朝廷喜庆娱乐。《武林旧事》载：唐代已有了“烟火、起轮、走线、流星”一类玩物。到宋代，公元 1161 年采石场战役中使用了“霹雳炮”，它“以纸为之”、“其声如雷”、“纸裂而石灰散为烟雾”。这种“霹雳炮”被认为是以喷射推进的火箭在中外历史上最早的记载。另据席姆的《火箭与喷射》一书中讲到，公元 1232 年发生的汴京之战中，守城的人如何使用火箭把蒙古兵吓退。这种火箭以十六层纸裹成二尺许的火箭筒，内实以火药。将此火箭筒用绳子捆扎在枪头上，名曰“火枪”；因其能自行飞翔，又名“飞火枪”。特别是火箭筒在爆炸后，“药尽而筒不毁”，表明它为火箭无疑。转而传入欧洲，以后阿拉伯人的著作中称之为“中国箭”。

古代物理学史（history of ancient physicalsciences） 16 世纪以前物理学发展的历史。古代物理学的萌生经历了原始社会、奴隶社会和封建社会等社会阶段。在漫长的历史时期内缓慢地形成与发展。西方奴隶社会物理知识发展的高峰在古希腊时期。以留基伯和德谟克利特为代表的原子论和以芝诺为代表的斯多噶派物理学，对宇宙间物质存在的一般形式和运动、变化作出了各自的说明。亚里士多德集雅典派的大成，提出他自己的物质观和运动观，并确立了把一切自然现象归于少数原理的物理学方法，然而他的物理学原理大部分是属于思辨性质的，含有较多的猜测和臆想的成分，因而错误百出。由于阿基米德的工作，古希腊后期才能用数学较为严格地处理静力学和流体静力学的问题。进入封建社会的西欧，处于教会神学的严加控制下面，因而中世纪前、中期的物理学几乎陷于停滞的境地。在力学研究方面，直至中世纪后期，欧洲人才取得一些进展，主要是有关物体运动的推理分析和冲力说的提出。在光学研究方面，阿拉伯人在希腊人的工作基础上作出了宝贵的贡献。

中国古代物理知识的发展，在世界物理学史中占有特殊的重要地位。中国是世界上最早进入封建社会的文明古国，从战国到秦汉，中国古代物理知识开始形成了自己的特色。其中墨翟和他的弟子是这个时期研究物理知识成就最大的学派，他们所写的《墨经》既是古代力学论说的代表作，

又是世界上最早的几何光学著作之一。经过汉、唐的发展，唯物主义思想家王充在他的《论衡》中记述了许多物理知识。时至宋、元（公元 10 世纪

至 14 世纪），堪称中国封建社会自然科学研究的黄金时代，物理知识的积累更为丰富，指南针、印刷术等都是在这个时期内取得的重大发明，具有深远的世界影响。这个时期内，在理论上，一些带有总结性的典籍，诸如

《梦溪笔谈》、《营造法式》、《武经总要》等相继问世；在技术上，开始把古代设想的许多东西变为现实，力学、热学、磁学知识得到较广泛的应用，从而在很多方面超过西方，闪耀着中华民族智慧的光辉。

古希腊罗马的物理知识（physical knowledgein ancient Greek and Rome） 古希腊罗马时期物理学发展成就的概括。在西方古代，古希腊时期物理学发展曾达到一个高峰，然而古希腊人在物理学方面的成就与他们在数学、逻辑学、形而上学、文学、艺术方面的成就相比，相对来说还是比较小的。古希腊人的物理知识，主要表现在力学、光学、声学、热学和磁学等方面。随着罗马帝国的建立，宗教的统治，使古希腊人开创的物理研究活动走向衰落。

力学方面 亚里士多德和阿基米德，是古希腊力学知识的集大成者， 他们主要研究物体在最简单的情况下（如在重力作用下）的运动和平衡问题。这与当时生产技术的需要（如抛掷物体，举高和搬运重物，建筑宫殿、桥梁等）是密切联系着的。

亚里士多德曾试作杠杆理论，他说，距支点较大距离的力更容易移动重物，因为它画出了一个较大的圆圈。他把杠杆端点的重物的运动分解为切向运动和法向运动两部分，并称切向运动为合乎自然的[运动]；而把法向运动称为违反自然的[运动]。关于落体的一些观点和真理相去更远，他说，体积相等的两个物体，较重的下落得较快。他还确立了把一切自然现象归于少数原理的物理学方法，然而他的力学原理大部分是属于思辨性质的，含有较多的猜测和臆想的成分，因而错误百出。

阿基米德就不同，他是把当时的技术实践和严密数学结合起来进行静力学研究的第一个人，并取得下列几项重要成果：①杠杆定律的证明；② 提出重心的概念及各种形状物体重心的求法；③阿基米德浮体定律。在力学应用方面，他曾发明了螺旋推进器、威力巨大的投射器和其它机械。

在阿基米德之后的一个世纪，亚历山大的泰西比乌斯发明了水钟（漏壶）、水风琴和压缩空气抛弹机。他还制造了最早的救火机，即灭火唧筒， 它由两个压力唧筒联合组成，可以交替喷水。

光学方面 毕达哥拉斯、德谟克利特、伊壁鸠鲁和卢克莱修等认为， 视觉是由所见物体射出的微粒进入眼睛而引起的。原子论者的这一观点是后来把光看作某种物质实体的光的粒子说的萌芽。但是，恩培多克勒、柏拉图、欧几里得却认为，眼睛本身发出某种东西，它直线射出，与物体的边界相切的这些射线形成一个锥体，从而被看到，物体的大小由视角来确定。亚里士多德认为，视觉是在眼睛和可见物体之间的中间媒质运动的结果。他认为，这种中间媒质有让光通过的可能性（潜在能力），即是透明的，光则把这种可能性变为现实。所以，没有中间媒质就没有视觉。在这种看法中包含着后来的光的波动说的萌芽。

古希腊的几何光学有较快的发展。亚里士多德曾直接提出过这样的问题：为什么插入水中的棍子好像是折断了。欧几里得在他的《反射光学》

一书中研究了反射现象，知道了凹面镜的聚焦作用，假定其焦点在球心或球心与镜面之间，并指出用凹面镜对准太阳也能点火。传说当罗马人包围叙拉古时，阿基米德借助于凹面镜反射光，使距城墙一箭程外的敌船队起火。活动于亚历山大里亚的希隆以光程最短的原则论证了反射定律，这个原则后来为费马所发展。托勒密对光的折射作了实验研究，但并未由此发现正确的折射定律，而是断言折射角与入射角成正比，这个结论只在入射角较小时才适用。

声学方面 毕达哥拉斯很早就从事声和音阶的研究，他指出了音程间的算术关系。亚里士多德把声音看作为一种运动，他指出，发声体撞击空气使之在各个方向发生拉伸和压缩运动，从而传播开去；当它碰到障碍时， 就像球被反射一样而产生回声，这是关于回声产生的正确认识。古罗马的建筑师门，从经验里提出了建筑声学的一些问题，如声音的交混回响、回声、共振等。他们还把声音的传播和石块投向水面产生的水波相类比后认为，声音也会以无限膨胀的圆形向外发散。

热学方面 最著名的是希隆在他制作的“小涡轮”中把蒸汽作为动力使用。这是一个装有两个弯管喷口的中空的球。喷管与球的轴成直角，各自弯向相反的方向。当蒸汽在球内产生时，蒸汽就由喷口射出，使球体绕轴转动。这是现代涡轮机的雏形。

磁学方面 古希腊人称磁石为“灵敏的铁”，磁石具有吸铁的力量， 激励起人们的想象。诸如，牧人玛格内斯的寓言中表明，他由于穿着带铁钉的皮鞋，拄着有铁尖的手杖而被吸住，在艾达山上寸步难行。苏格拉底已知道了磁化现象，他说：“这石不仅吸引铁环，而且还使铁环具有类似的吸引其它铁环的能力，有时你可以看到一些铁片和铁环彼此勾挂以致形成一个十分长的链，而它们的悬吊力全都来自原磁石。”

古希腊罗马的原子论（ atomictheories in anci-ent Greek and Rome） 古希腊罗马时期一种认为世界万物是由不可再分的物质微粒的原子组成的学说，其主要倡导者为留基伯、德谟克利物、伊壁鸠鲁和卢克莱修等人。留基伯和德谟克利特首先提出原子的概念，他们认为世界万物包括人和灵魂都由原子这种不可再分的物质微粒所组成。原子是永恒的，由它组成的整个自然界、整个世界也是永恒的。原子本身不变化，但能运动。原子的数量无限多，但它们之间没有性质的不同，仅有大小、形状、次序和位置的区别。世界万物由于构成它们的原子在大小、形状、次序和位置上的不同，而形成千差万别的性质。他们还用原子来说明人的生命现象， 认为灵魂也是物质，是由精细和圆滑的原子组成的；这种原子布满了全身而形成灵魂的各部分，空气中有大量灵魂的原子，随着人的呼吸与人体交换，从而维持人的生命；一旦呼吸停止，灵魂的原子不能重新交换，生命也就结束了。伊壁鸠鲁继承和发展了他们的思想，提出原子有重量的观点， 认为重量是原子运动的内在原因，自然的垂直平行降落是原子运动的主要形式。更重要的是，他提出了原子偏斜运动的思想，认为在原子垂直平行降落的过程中，有的原子可以由于其内部原因而脱离它原来运动的直线轨道，向旁边偏斜出去，这样，原子就相互碰撞，从而结合成世界万物。古罗马时期卢克莱修根据当时科学发展水平，在《物性论》中，以诗的语言和丰富的事例详细论证了原子论。他认为没有任何事物能从无产生出来， 一切东西都是由原子（他称为“种子”、“本原”、“原初物体”等）产

生的；也没有任何事物消灭后归于无，物质是永恒存在的。古希腊罗马的原子论，为了说明千变万化的自然现象，对原子的性质和运动作出了不胜枚举的种种假设。在这种意义上的原子论，远远不是人们今天所了解的严密的科学理论。但是，在科学发展史上，这却是一种很早的唯物主义思想， 因为原子论学者力图用客观存在的事物来说明自然，而并不借助于物质以外的精神或神灵。

固体（Solid） 物质的一种凝聚态，具有一定体积和形状。在不太大的外力作用下其体积和形状改变很小，外力撤去后能恢复原状的固体称为弹性体，不能恢复的称为塑性体。大致上说，切变粘滞系数大于 1013 泊的物质属于固体，小于此值的属于液体。

从结构上说，一般把固体分为晶体和非晶体两大类。晶体又包括单晶体和多晶体。单晶体中原子呈有规则的周期性排列，即结构是长程有序的。多晶体则由许多大小不一、取向不同的单晶晶粒组成。自然界中存在的大多数固体都具有晶态结构。非晶体，也称为无定形固体，其组成原子在空间的分布不具有长程的周期性，但在几个原子的线度上仍呈现某种规则排列，所以说它们是短程有序的。玻璃、橡胶、石蜡、沥青和塑料等都是非晶体。晶体有确定的熔点。而非晶体则没有确定的熔点，它随着温度升高而逐渐软化，流动性也逐渐增加。因此有时把非晶体看作过冷液体，而固体则专指晶体。1984 年在实验上发现了一类既区别于晶体又区别于非晶体的新的固态物质，称为准晶体，它的结构特征是长程有序的，但没有周期性。用快速冷却方法制备的 AlMn 合金等是准晶体。实验上可利用 X 射线（或电子、中子）衍射技术来区分这三类固体物质：晶体的衍射图样由一组组明锐的斑点构成，衍射斑点的分布显示出物体结构的对称性特征；非晶体的衍射图样是一些很宽的弥散环；准晶体的衍射图样与晶体相似，也是由一组组清晰的斑点所构成，但它显示出传统晶体所没有的对称性质，如五重、八重对称性等。

非晶体和晶体及准晶体和晶体之间可以互相转化。处于亚稳态状态的非晶体和准晶体，在一定条件下可转化为稳定的晶态物质，物质状态的这一转化过程称为晶化过程。晶体受高能辐照等影响，内部原子的周期性排列遭到破坏，也可向非晶态转化。

固体的能带（energy band of solid） 描绘固体中电子运动能量状态的一种图像。孤立原子中电子的能量状态是一系列分立的能级。当原子互相靠近聚集成固体时，原子间的相互作用使电子的运动状态发生变化， 这时原子的内层电子受到的影响较小，它和原子核一起可看成是个离子实，同孤立原子中的情况相似；但外层电子不但受到其所属那个原子核的作用，还受到其他原子的作用，因此它们不再仅仅属于某个原子，而是在整个固体中运动，成为共有化电子。大量共有化电子的运动是个极其复杂的多体问题，通常可简化为单电子问题处理：把每个电子的运动看成是独立的在一个等效周期势场中的运动，这种等效势场由晶格的离子势场和其他电子的平均势场所构成。用这种单电子近似方法处理晶体中电子运动的理论称为能带理论。能带理论表明，固体中电子的能量状态即能级可分为若干区域，每个能量区域由大量间隔极小的、可视为连续分布的能级组成， 称为能带。相邻两能带之间的能量间隔称为能隙或“禁带”，晶格中的电子不可能取这种能量状态。完全被电子填满的能带称为满带，满带中的电

子不导电；完全未被电子占有的能带称为空带；部分被占有的能带称为“导带”，导带中的电子能够导电；价电子所占据的能带称为“价带”。

利用能带理论可以解释金属、半导体和绝缘体的区别。在固体的能带中，能量比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带，如图所示。在金属中，价带是导带，所以金属能导电。在绝缘体和半导体中，价带是满带，因此它们都属于非导体。绝缘体中价带与空带之间的能隙较大，在通常情况下电子很难被激发到导带，因此绝缘体几乎是不导电的。但半导体中价带与空带之间的能隙较窄，电子很容易由于热激发从价带跃迁到上面最靠近的空带中，使空带中出现少量电子，价带中出现少量空穴，从而半导体具有一定导电性。在实际半导体中，往往引入杂质来改变能带的填充情况，使价带中的电子数目减少，即空穴数目增加或使空带中的电子数目增加，从而改变半导体的导电性。

固体的热学性质（thermal properties of solid） 主要讨论固体的热容量或比热（1 克物质的热容量）随温度的变化。固体的热容量 CV 是其能量随温度 T 的变化率。实验发现，在高温和常温情况下 CV 与 T 无

■导体非导体

导体和非导体的能带

关，是常数，且 CV=3R，其中 R 是气体常数；但在低温时，CV 随着温度的下降而变为零。

固体热容量的经典理论 即杜隆-珀替定律。若把整个晶体（含 N 个

原子）近似为 3N 个独立的简谐振子，按经典的能量均分定理，每个简谐振子的能量为 kT，k 为玻耳兹曼常数，则总能量为 3NkT，从而可算出固体的热容量为 3R。这个定律仅在常温和高温情况下才与实验符合。普朗克量子论的建立是建立低温下热容量理论的基础。在此基础上，爱因斯坦和德拜分别提出了各自的模型以解释固体热容量的实验结果。

固体热容量的量子理论 有爱因斯坦模型和德拜模型。爱因斯坦假定，固体中每个原子围绕格点的振动具有相同的频率，而每个振子的能量由普朗克的理论给出，从而算出固体的热容量。他的理论在高温和常温时， 得到与实验一致的结论；但在低温时，爱因斯坦模型的结果与实际并不符合。德拜假定，每个原子的振动频率是不相同的，具有一定的分布，其中有一个最高频率。按照这个模型算出的固体热容量与温度 T 的三次方有关，因此当温度降到绝对零度时，热容量 CV 也为零。这就是有名的低温热容量的温度三次方定律。它成功地解释了低温时固体热容量的性质。

固体中的光吸收（absorption of light in solid） 光在固体中传播时，能被物质吸收的现象。一束平行光透射入固体时，其光强随穿透距离衰减的规律就是光的吸收定律。从实验上建立的光吸收定律一般可表示为：I=I0e-aL，其中 I0 为入射光将透入固体时的强度，l 为光束通过固体层的厚度，I 为光束透入到 l 厚度处的光强度，α称为物质对该频率光的吸收系数。物质的吸收系数与光频率的关系决定该物质的吸收光谱。各类固体材料的吸收光谱可以有很大差别，但通常总可将它分为几个吸收区，不同吸收区中光吸收的机理是不同的。

本征吸收 价带电子吸收入射光能量（大于或等于禁带宽度 Eg）后跃

迁到导带，产生电子-空穴对。由于各种固体材料能带结构的差别，它们的

Eg 不相等，因此本征吸收可以发生在紫外、可见光或近红外区。本征吸收的特点是吸收系数α很高，可达 105～106cm-1。在本征吸收的低能量端， 吸收系数下降很快，这就是本征吸收边。只有当入射光的能量等于或大于禁带宽度 E■时，才有本征吸收。

自由载流子吸收 导带中的电子或价带中的空穴吸收光能量后在带内从低能态向高能态跃迁。由于这是一种带内跃迁，因此吸收光能量比较小，所以自由载流子吸收一般发生在红外波段和微波波段。自由载流子吸收的吸收系数与载流子浓度有关。金属内自由电子的浓度较高，这种类型的吸收很强。

杂质吸收 与杂质相联系的吸收过程种类很多，因固体材料及材料中杂质的种类而异，例如半导体中浅能级杂质电子跃迁的吸收过程就是一种杂质吸收过程，这种过程只有在较低的温度下才能被观察到。

晶格吸收 在红外区存在与晶格振动相联系的吸收峰，在这种吸收中光子能量直接转换为晶格振动动能。离子晶体的这类吸收过程的吸收系数很高，可达 105cm-1。

激子吸收 在价带中的电子吸收光子（其吸收能量小于材料的禁带宽度）而形成激子的吸收过程。由于激子光吸收过程所需光子能量比本征吸收小，所以激子吸收发生在本征吸收限的长波区。

光的吸收在科学技术中有广泛应用，如利用吸收光谱对固体进行定性和定量分析，根据光谱的线型确定物质的化学组分、能带结构等。

固体中的热传导（thermal conduction in sol-ids） 当固体中的温度分布不均匀时，热能由高温处向低温处流动的现象。实验表明，固体的热传导同气体、液体的热传导一样，都遵循同一宏观规律，即傅里叶

定律：单位时间内通过单位横截面的热量Q与温度梯度成正比Q = −k dT ，

dx

式中的负号表示热量总是由高温流向低温，比例系数 k 是材料导热能力的量度，称为热导率，单位为瓦/（米·摄氏度），其倒数称为热阻系数。对于不同类型的固体，其热导率有很大的差别。此外，热导率还明显地依赖于温度以及固体材料的纯度和物理状态，在低温下尤其如此。

固体中的热量是通过自由电子和晶格振动的格波来传输的。在绝缘体中没有自由电子，它们主要通过晶格振动导热，这种机制的导热效果较差， 因此绝缘体的热导率较小。纯金属中有大量自由运动的电子，电子对导热的贡献远大于晶格振动，因此纯金属是热的良导体，其热导率较大。实验表明，在温度不太低时，纯金属的热导率 k 和电导率σ之比值与绝对

温度T成正比，即 k = LT，其中比例系数是个常数，与金属材料的种

σ

类无关。上述关系称为维德曼-夫兰兹定律。对于许多合金、不纯金属和半导体来说，两种热传导机制，即电子导热和晶格导热都起着重要作用。

气体的热传导现象可用气体动理论来解释，固体中的两种热传导过程也可采用相似的模型来描述。它们的热导率都可以写成 k（常数）v，式中v 是粒子的平均速度，l 是平均自由程，c 是单位体积的热容。电子导热可用自由电子气模型描述。晶格导热可看成声子的传播过程。在固体物理学中，晶格振动系统可以等效为声子系统，或者“声子气体”。当晶体中温

度分布不均匀时，高温处的晶格振动将具有较多的振动模式和较大的振动幅度，也即较多的声子被激发，声子密度的不均匀分布导致声子的扩散运动，并伴随着热能的传递。声子的平均自由程由声子间的相互碰撞和声子受缺陷、杂质、晶粒间界及晶体表面的散射所决定。

挂图和模型（picture and model） 物理课堂教学中，为增大可见度，增加直观性，说明较复杂结构、过程或抽象物理模型时使用的大型图片和实物模型。

有下列一些需要运用挂图和模型的情况：①某些实物或现象，在课堂上难于让全班学生观察，需要制作放大的模型或挂图。例如说明左、右手定则的模型和挂图。②某些内部结构复杂的实物，无法从外部或某一侧面看清楚，需要制作解剖式的模型或带剖面的挂图。例如内燃机的结构、原理挂图。③某些联系实际的装置、设备，无法参观或参观时无法一目了然其全貌和结构原理，需要制作简化的模型和挂图，如发电站输配电线路模型、水压机、船闸等。④某些不可能拿出实物的抽象模型，如晶体空间点阵模型、原子结构模型等。

模型比挂图的直观性更强，但挂图比模型在某些方面更容易突出对象，而且成本低廉，有时可将两者长处结合起来，制作带有个别活动部分的示教图，它既可像挂图一样简便，又能起到活动模型的作用。

观察能力（observation skill） 有目的、有计划地运用各种感官或借助仪器去感知客观事物和现象的能力。通过观察，可以了解现象的特征及其发生、发展的条件，认识事物的部分属性和特点，了解事物的相似点或因果关系。因此，观察是学习和科学研究的一种基本方法。观察的目的是：①通过比较、归纳来感知对象的主要特征、条件；②取得资料；③ 发现问题，即发现细微的、很有意义的问题，从而达到正确的感知和准确的判断。观察能力要通过培养和训练逐渐形成和发展。物理教学中，学生应具有的观察能力是：①有目的地观察。②用科学的方法观察。这首先要能进行重点的观察，即对与实验目的有关事物和现象的观察；在观察过程中能抓住现象的主要特征和发生的条件。其次是能作比较的观察，即在观察中能对几个事物、现象进行对比，或对某一事物发生变化过程中的情况进行比较。这有助于发现事物的共同特征和某事物的变化规律及条件。再次是要能作归纳的观察，即通过对个别现象分别进行观察，得到一些个别的结论，再通过对所观察到的现象的归纳，得出多因素复杂现象的一般规律，例如用控制变量方法观察、研究多变化因素的问题。使用归纳观察法， 有利于掌握现象的实质，以及研究比较复杂现象的一般规律。

培养学生观察能力的任务是激发学生的观察兴趣，培养细致敏锐的观察力，养成善于观察的良好习惯。这首先要充分运用演示实验和学生实验手段培养学生的观察能力，其次要有意识地引导学生观察他们周围的事物和现象，并提出各种启发性的问题，把学生的注意力集中到观察对象的特征和条件上来。

管理信息系统（management information sy-stem） 输入与管理有关的数据，输出管理人员所需要的信息系统。从系统工程的观点出发，任何一个工厂、商店、银行都是一个系统。如果从动态观点分析这系统的运行，会发现有物资流和信息流在这类系统中流动。如果仅考虑这类系统中信息流的收集、载荷、处理和传递，那么实际上就是信息系统，即企业信

息系统。在企业信息系统中，根据企业管理的层次结构和信息的特点，又可把企业信息系统向下分为管理信息系统和业务信息系统。

管理信息系统所接受的是浓缩了的、与企业长期任务的决策有关的信息，例如市场、用户、上级以及政策等等，并包括执行决策后果估计和实际执行所得结果的有关信息。

管理信息系统帮助高级管理人员进行质量分析、市场预测、库存控制、质量控制等项工作，以便让高级管理人员作出重大的决策，如产品更新， 重大革新项目的采用，新的市场的开辟。

管理信息系统以企业参谋人员和业务信息系统所提供的数据（一般是把这些数据存储在企业的中央数据库中）作为基础，运用一些数学方法如回归分析、排队论、线性规划、优化理论等作为工具，对有关的数据进行处理，向高级管理人员提供倾向性的数据和各种图表。

惯性（inertia） 物质的基本属性之一。任何物体所具有的保持其原有运动状态的性质。汽车突然开动时，站在汽车里的人会向后倾倒，是因为车已前进而车中的人仍保持相对地面静止的缘故；当汽车突然停止时，站在汽车里的人会向前倾倒，是因为车已静止但车中的人仍相对地面运动的缘故。当作用的物体上的外力为零时，惯性表现为物体相对惯性系保持其运动状态不变，即静者恒静，动者仍以不变的速度运动。当作用在物体上的外力不为零时，惯性表现为外力改变运动状态难易的程度，在一定外力的作用下，有的物体运动速度的变化率即加速度小，有的物体运动速度的变化率即加速度大，这时就说前者的惯性大，而后者的惯性小。物理学中用惯性质量的数值来量度惯性的大小。

惯性导航（inertia navigation） 利用装在飞行器（或船舶）上的惯性敏感元件（如加速度计）感受飞行加速度，再通过计算机自动完成二次积分运算而得出飞行器（或船舶）所达位置的一种导航方法。惯性导航不需要任何地面设备，不发射任何信号，因而不怕干扰，可在任何高度、任何地区、各种气象条件下使用，缺点是误差随时间加大。

惯性定律（law of inertia） 参见牛顿运动定律。

惯性离心力（inertialcentrifugalforce） 在相对于惯性系有转动的参考系中质点具有的一种惯性力。也就是由于转动系统内各处都具有向心加速度，所以在转动的参考系中质点将受到一种要使它沿径向飞离出去的相似的力。例如车辆行经弯道时，乘客会感到似乎有一个力使他离开弯

道中心向外倒去。这个力的方向与转轴垂直且背离转轴，其大小为 mrω2， m 是质点的质量，r 是质点与转轴的距离，ω是这个转动参考系相对于惯性系运动的角速度。地球是一个相对于惯性系有转动的参考系，在忽略公转后，地球的转动是绕地轴的自转，所以相对于地面来说，除位于地球两极之外，都有惯性离心力作用。物体的重力就是地球对物体的万有引力和惯性离心力之和，但此惯性离心力的量值远比万有引力的量值小，常常可以忽略不计。惯性离心力有时常被称为离心力。

惯性力（inertial force） 在非惯性系中所观察到的、由于物体的惯性所引起的一种相似的力。例如车辆突然向前加速时，面向前站的乘客将向后仰，站在地面上的人看来，这是乘客由于惯性而使其上身部位维持原来未被加速时的运动状态，但车上的乘客却感到好像有一个力使他向后倾，这个力就是惯性力。惯性力并不是物体间的真实相互作用，所以，惯性力没有反作用力。在平移加速运动的参考系中，物体所受惯性力的方向与加速运动参考系相对于惯性系的运动方向相反，惯性力的大小等于物体的质量与参考系加速度大小的乘积。如果在非惯性系中把物体相对运动的加速度也理解为由力的作用而产生，那么，在合力中除了真实的作用力外， 还必须计入物体所受的惯性力。

惯性质量（inertial mass） 参见质量。

光（light） 一种电磁波。历史上曾仅仅将引起人们视觉的电磁波称为光，它的波长范围是 0.39～0.76 微米，现在称为可见光。波长大于

0.76 微米而小于微波（1 毫米）的电磁波称为红外光。在短波段，其波长介于 0.39～0.04 微米的电磁波称为紫外光。X 射线波长在 0.1～10-9 微米之间。小于 10-9 微米的电磁波称为γ射线。除可见光外，红外光、紫外光、X 或γ射线都不能引起人的视觉，只能用仪器检测。光在一定条件下的行为像经典的“波动”，在另外一些条件下，它的行为却像经典的“粒子”。因此，光具有波粒二象性。

光笔（optical pencil） 一种铅笔状的光检出器，亦称“光枪”。其作用是将光信号进行转换或放大后传入电子计算机，还常用作对电子计算机所需数据随时进行修改和补充的一种工具。一般的光笔由光导纤维、光电元件或光电倍增管、接触开关组成。它的工作过程是：将光笔对准阴极射线管的显示屏，在光笔指点处的光点被光笔感受后，将光信号转换成电信号，经放大传入电子计算机；通过程序翻译，便可使计算机迅速知道光笔指点处所显示的数据，以及如何对它进行处理。

光波（light wave） 波长在千分之几微米到几毫米之间的电磁波。可分为紫外光、可见光和红外光三个波段。可见光波段的波长范围介于

0.39 微米到 0.76 微米之间。波长小于可见光的称为紫外光，大于可见光的称为红外光。波长的单位即长度单位。我国法定计量单位中长度的单位为米。因此，波长的单位是米或它的分数单位，如毫

0 0

米，微米。以前常用埃作为波长单位，记为A ，1米 = 10¹⁰ A 。这是因

纪念瑞典光谱学家埃斯特朗而得名的。

光波的源是原子或分子等微观客体。它们发射的光波由波列组成，每段波列为长度有限、振幅为常数或稍有变化的近似正弦的电磁波，各段波列之间无确定的相位关系。如果发射源受到其它原子或分子的作用越强，

或者说发光过程受到的干扰越大，所发射的光的波列就越短。即使是稀薄气体发光，原子或分子间的相互作用可以忽略，其发射光波列的持续时间也将小于或等于 10-8 秒。因此，波列的长度也只有几米。

通常采用正弦或余弦函数描写光波。但正弦波或余弦波都是时间上无限、空间上也无限的理想波动，实际中并不存在。利用数学中的傅里叶变换方法，可以求出光波的强度按波长的分布。对正弦或余弦函数作傅里叶变换，它的强度在中心波长处为极大，在大于或小于中心波长处，强度为0。这表明，正弦或余弦函数所描写的是理想的单色光波。对实际发射有限长度的光波波列作傅里叶变换，它的强度也是在中心波长处为极大，但大于或小于中心波长的成份并不为零，且随着离开中心波长的距离而逐渐衰减。这表明，实际光波是具有一定谱线宽度的非单色光。不过，当光波波列的持续时间比发光体受扰动的周期长得多时，除了考虑相干性等问题外，还是可以用正弦或余弦波来很好描述的。

光测弹性（photoelasticity） 研究物质在应力下对光作用的影响。有些非晶体材料如塑料、玻璃、环氧树脂等，通常是各向同性媒质，不产生双折射现象。但受到应力后，会呈现各向异性而显示出双折射现象。这称为光弹性效应。这种效应可应用于无损研究各种机械结构和建筑物模型中的应力情况。一般把它们放在一对互相正交的起偏器和检偏器之间，并在与水平轴垂直的方向上施加压力或拉力，使待测物成为具有双折射性质的各向异性媒质。这种有内应力的透明物中 no-ne≠0，且与应力分布有关。不同地点因（n0-ne）不同而引起寻常光和非常光间不同的相位差。从观察屏上可观察到反映应力分布的干涉图样。应力集中的地方，各向异性强， 干涉条纹细密。根据该原理可检查待测物的应力情况。

在矿井的坑道壁上，嵌入一块玻璃镜，前面放一块偏振片，它对入射光是起偏器，对反射光是检偏器。如从观察的干涉条纹中发现玻璃镜中有应力增大的迹象，即为冒顶事故的前奏。用同样的办法可以预报地震。

光程（optical path） 折射率和光所经过的路程的乘积。光在真空中传播时，折射率 n=1，光的几何路程即为光程。光在折射率为 n 的媒质中经过路程 r 时，光程为 nr。因为折射率为真空中光速与媒质中光速之比， 故有

nr = c r = ct，

v

即光程等于相同时间内光的真空中通过的路程。利用光程概念，可把光在媒质中经过的路程折算为光在相同时间内在真空中的路程，便于光学问题的计算。

两条不同光路的光程之差，称为光程差。光程差恰好等于光的波长λ 的两点处，光波的相位差为 2л。故光程差δ与相位差Δϕ之间存在如下关系：

△ϕ = 2π δ。

λ

光的独立传播定律（law of indePendent pro-pagation of light） 几何光学的基本定律之一。说明不同光线在媒质中传播时互相不受影响， 各自保持其原有的频率和方向。例如两束相对行进的光束在媒质中相遇后，将不受影响地继续沿各自的方向传播；用一个小孔光阑从光束中取出

一小部分光线时，不管取出的这部分光束是多么细小，它仍将沿原来的方向传播。在力学中，有力的独立作用原理；在电磁学中，有叠加原理，这些都与光的独立传播定律的含义相类似。本世纪 60 年代激光出现以后，由于它的高强度，在媒质中传播时由于与媒质的作用而出现非线性效应，这时便不再遵循光的独立传播定律。但这并不表示不能用激光器做几何光学实验，因为非线性光学的实现还必须满足不少特定的条件。

光的反射定律（law of reflection of 1ight） 确定反射光线方向的几何光学基本定律。当光线行进到两种不同媒质的界面上并发生反射时：①入射线和反射线位于同一平面内，此平面由两条线决定，一条是入射线，另一条是通过入射点且与反射面垂直的法线。②称入射线和法线之间的夹角为入射角；反射线和法线之间的夹角为反射角，则入射角和反射角位于法线的两侧。③反射角等于入射角。

本定律是从实验得出的。历史上不同的理论都能对本定律作出解释。牛顿把光看成是一群微粒，光的反射就等于微粒在反射面上的弹性碰撞。牛顿用这一模型能够解释光的反射定律。惠更斯用光的波动说也能解释这个定律。19 世纪中叶建立的光的电磁理论对该定津作出了严格的证明。

光的干涉（interference of light） 符合相干条件的两束光在空间叠加后，其总强度按空间周期性变化的现象。设从空间两定点 S1 和 S2 发出有相同初相位的光振动，它们分别是 y1=A1sinωt 和 y2=A2sinωt。同时到达 P 点时，P 点的光振动为

 2π   2π 

y = y₁ + y₂ = A ₁sinωt - λ x₁ + A ₂sin ωt - λ x₂  ，

式中 x1 和 x2 分别为 P 点离开 S1 和 S2 的距离。因为光波经过一个波长的光程，相位改变 2л，故光程差△和相位差δ之比为λ/2л。上述两光

波到达P点时的光振动，与原来出发时的光振动的相位差分别为 2π x 和

λ 1

2π x

λ 2

。这里假定光在折射n = 1的媒质里传播。P点的光强度为其振幅的

平方，故有

IP = I1 + I 2 + 2 I1I 2 cosδ，

其中，I = A ²，I = A ²，分别为两光波单独在P点时产生的光强

1 1 2 2

度，它们与在出发点 S1 和 S2 时相同，因为这里并不考虑光在传播过程中的衰减。δ为两光波到达 P 时的相位差，根据相位差和光程差的关系，δ=

2π n(x

λ

₂ − x1

)。2

cosδ称为干涉项。当cosδ取正值时，P点光强大于

（I1+I2），称为相长干涉。取负值时，P 点光强小于（I1+I2），称相消干涉。当相位差δ为л的偶数倍时，即δ=2kл（k=0，1，2，3，⋯），则光强度有最大值

IP=Imax=（A1+A2）2。

当δ为л的奇数倍时，即δ=（2k+1）л（k=0，1，2，3，⋯），则光强度有最小值

IP=Imin=（A1-A2）2。

当δ介于两者之间时，P 点光强在最大值和最小值之间。若两相干光

强度相等，I = I ，则P点的光强度为I = 4I cos² δ 。此时最大值为

1 2 P 1 2

单独一束光波强度的 4 倍，而最小值为零。

如果考察的不只是一个 P 点，则两光束到达观察

屏上不同考察点时经过各不相同的路程，因而有不同的光程差或相位差。每一个考察点都将按上述规律成为最亮、最暗或中间过渡状态，于是形成干涉图样。为了观察干涉图样，要求从 S1 和 S2 发出的两光波始终保

持相同的初相位。否则，干涉项应为2 I1I2 cos（δ + δ′）。而无规

则杂乱变化的初相位差δ将使整个干涉图样在空间移动不定，从而不能察觉它，看到的只是平均强度。如将同一点光源的光分割成两束，使它们分别通过不同的光路后交叠在一起，便可得到两束光波之间的稳定的相位差，从而出现干涉图样。根据将同一光波列分割成两束的方式，光的干涉分为两类：分波阵面法和分振幅法。前者将点光源发出的波阵面分割成两部分，使它们通过不同的光路，经反射、折射后交叠在一起，产生干涉图样。杨氏实验、洛埃镜和菲涅耳双棱镜属此类。后者用半透明膜把同一点处的光振幅分割成两部分。薄膜干涉、牛顿环和迈克耳孙干涉仪属此类。在有多于两束光波叠加时，情况类同。设有 n 个同频率光波列，振幅

都为 A，振动方向沿同一直线。如果它们两两之间的相位差杂乱改变，则合振动强度简单地为 I=nA2。如果各个相位差稳定，空间各点的合振动强度介于 n2A2 和 0 之间，产生干涉图样。

光的量子性（quantization of light） 光的电磁理论揭示了光的电磁波本质，可以解释光的干涉、衍射和偏振等重要的光的波动现象。但在深入研究光与物质相互作用过程中，发现一些用光的电磁理论无法解释的现象。如在黑体辐射、光电效应和康普顿效应中，光显示出粒子性。1900 年普朗克提出辐射的量子论，认为辐射只能以一定的能量子进行发射，能量子的大小是电磁波的频率与普朗克常数乘积的整数倍，因而能量子只能是量子的而不是连续的。 1905 年爱因斯坦把量子论发展到整个辐射和吸收过程中，并提出光量子理论，成功地解释了光电效应，并为包括康普顿效应在内的许多实验所证实。

光的散射（scattering oflight） 光通过光学性质不均匀的媒质时偏离原方向而向四面八方散开的现象。若入射光强为 I0，通过厚度为 x 的媒质后光强减弱到 I，则下列指数规律成立：

I = Ioβ −( K_a −K_s ) x ，

式中 ka 是吸收系数，ks 是散射系数。二者之和称消光系数。

光通过光学均匀媒质时，媒质中的原子在光波作用下发生振动，并发出与入射光频率相同的次波，各振子之间有一定的相位关系，因而这些次波具有相干性。次波在非折射光线方向上的叠加互相抵消，因此只有折射光，没有散射光。光学不均匀媒质含有大量颗粒，例如尘埃、烟、雾（空气中），或乳状液、悬浮液（液体中的另一种液滴或固体），以及毛玻璃等。这些杂质的线度比波长小或与波长有相同数量级，但它们之间的距离比波长大且无规则排列。因此它们在光作用下发出的次波没有固定相位关系，不可能在除了某一方向的任何方向上形成相消叠加，从而出现散射光。

由媒质中无规排列的颗粒引起的散射，称为廷德耳散射。

光经过均匀媒质时，如果分子的热运动破坏了分子间的固定位置关系，使分子发出的各次波丧失固定相位关系，也能产生散射光。这种现象称为分子散射。1871 年瑞利从理论上讨论了分子散射，他发现散射光频率与入射光的相同，散射光强度与散射方向有关，且与波长的四次方成反比。天空高层大气密度的不均匀，引起短波长的光散射较强，傍晚时太阳光穿过的大气层比较厚，被散射掉的短波蓝光成份也就较多，故落日呈红色； 而在白天，大气中气体分子散射太阳光，故天空呈蓝色。因为蓝光散射多， 故红光通过薄雾时比蓝光的穿透力强，而红外线比红光更强，因此遥感技术宜用红外波段。

大气中的水滴形成天空中的白云，因水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小，不再遵从瑞利散射定律。米氏散射理论证明，当颗粒的半径a与波长λ的关系满足 2πα ≥0.3时，散射强度与波长的依赖关系不再

λ

十分明显，因此天空中的云雾呈白色。

光的色散（dispersion of light） 媒质的折射率随波长而变的关系。白光通过棱镜后分解为彩色光谱就是一种色散现象。色散的原因是不同频率的光在同一媒质中的传播速度不同。我国北宋年间的杨亿早在 11 世纪就有关于天然晶体的色散现象的记载。媒质色散的程度用折射率 n 随波长λ变化的快慢来表示。色散本领就是用来描述这种性质的物理量，它定义为

D = dn 。

dλ

色散本领表示某一指定波长区域中的色散。媒质对波长为 0.4861 微米的氢 F 线与对波长为 0.6563 微米的氢 C 线的折射率之差 nF-nC，称为平均色散。如果媒质对波长为 0.5893 微米的钠 D 线的折射率为 nD，那末把

（nF-nC）/（nD-1）称为色散系数。它的倒数（nD-1）/（nF-nC）则称为倒色散系数，又称为阿贝数或 v 值。函数关系 n=f（λ）称为色散方程，而把 n～λ的曲线称作色散曲线。在折射或衍射中，若两条相隔很近空间

线距离为dl的谱线，其波长间隔为dλ，则它们的比值 dl

dλ

称为线色散，

类似地还有角色散 dθ 。色散不仅指光分解成光谱的现象，广义上说，

dλ

任何物理量随波长而变的现象都可称为色散。

正常色散 大多数透明物质的折射率和色散本领随波长变短而增加，这种色散称为正常色散。科希于 1836 年建立了描述正常色散的经验公式：

n = a + b + c + ，

λ2 λ4

式中λ为真空中波长，a、b、c⋯都是物质常数，由实验确定。在一般情况下，取前两项就足够了。于是有色散本领近似地与波长三次方成反比的关系：

dn = − 2b 。

dλ λ³

反常色散 在吸收带附近正常色散被破坏的现象。在吸收带长波一方折射率高；短波一方折射率低。在吸收带附近折射率随波长的变化很迅速。光的吸收（absorption oflight） 光在媒质中被减弱并使其能量转

变为其它形式能量的现象。最主要的是转变为热；也可以转变为化学能， 这时称为光化吸收；也可以转变为电能，这时称为光电吸收。如果吸收很少且在给定波段内对各波长光的吸收相同，称为一般吸收，或中性吸收。这样的媒质对该波段光为透明媒质。如果对某一波段范围的光具有强烈吸收，称为选择吸收。

朗伯定律 光通过均匀媒质后其强度减弱的程度与入射光强和媒质厚度的乘积成正比。朗伯定律的数学表示为 I=I0e-kx，其中 I0 和 I 分别为入射和透射光强，x 为媒质厚度，k 为吸收系数。对于一般吸收，k 值很小且近似为常数。对于选择吸收，k 值很大且随波长而变。k 的单位为米-1。比尔定律 光通过溶液后强度减弱的程度，与入射光强、溶液浓度和

厚度的乘积成正比。比尔定律的数学表示为：I=I0e-kcCx。其中 C 为浓度，

kC 称为分子吸收常数或比吸收常数。

对于溶液，k=kCC0 有时在纯物质中也用比吸收常数。这时 k=kCρ，其中ρ为媒质的密度，这里的比吸收常数 kC 也称为质量吸收常数。

比尔定律只在溶液浓度较小时成立。浓度很大时，分子对光的吸收本领受四周邻近分子的影响很大，分子间的相互影响不能忽略，比尔定律不再成立，但是朗伯定律始终成立。

光的相干条件（coherent condition of light） 产生干涉现象的两束光所必须满足的条件。它们是：①频率相同、偏振方向一致且相位差保持恒定。②两光波在相遇点的振幅差别不大。③两光波在相遇点的光程差不大于光波的相干长度。

任何波动发生干涉的必要条件是其频率相同，光的干涉当然也不例外。偏振方向如果相互垂直，则两列波叠加后仅仅出现其强度相加，不存在干涉效应。只有偏振方向一致的两列波叠加时才会出现干涉项。如果偏振方向既不垂直，又不平行，而是相交成某一角度，则仅仅在它们的平行分量之间才发生干涉。至于相位差恒定，这是光波干涉的特有问题。因为光波是由原子或分子等微观客体发射的，它们的持续时间通常约为 10-8

秒。所以 1 秒钟内同一发光客体可能会发出 108 个波列，其中每一个波列

都有自己特定的初相位。这表明，1 秒钟内由于波列初相位无规跃变 108

次，干涉图样也会闪变 108 次。干涉图样无非是一些亮暗条纹，如果亮暗交变如此频繁，人们根本无法看到干涉图样，接收器也无法记录这种干涉效应。

光波的干涉过程实质上是一种能量的重新分配过程，亮条纹处光能分配多些，暗条纹处光能分配少些。若两光波在相遇点的振幅大小相差悬殊， 则该点合振动的振幅与原来一列光波的很大振幅相差极小，也就观察不到明显的干涉条纹。

第三个相干性条件也是专门针对光波的。实际光波不是无限长的正弦波，而是有限长的波列。如果光程差很大，一个波列已经通过，从另一条光路上传来的波列尚未到达，这样它们根本不曾相遇，当然就不会出现干涉现象。波列的长度就是相干长度。只有光程差不大于波列的长度，它们

才可能相遇。

光的衍射（diffraction oflight） 光绕过障碍物偏离直线传播并使几何阴影区和几何照明区的光强发生重新分布的现象。衍射现象是否出现，主要决定于障碍物线度与光的波长的对比。只有当障碍物的线度与波长可以比拟，或者障碍物的线度虽比波长大得多，但光源距离障碍物足够远时，才会出现明显的衍射现象。声波的波长为几十米，无线电波波长为几百米，它们所遇到的障碍物线度通常小得多，因而它们可以绕过障碍物传播，表现出明显的衍射现象。微波波长只有微米或厘米量级，可见光波波长更短，为 0.4～0.7 微米，这些波长通常远小于地面上障碍物线度，因而表现出直线传播。只有遇到厘米或微米量级的小孔或狭缝这样的障碍物时，微波或可见光才会呈现出明显的衍射现象。

衍射现象可分为菲涅耳衍射和夫琅和费衍射两类。光源和考察点至障碍物的距离中有一个或两者为有限时的衍射称为菲涅耳衍射；两者距离均为无限远或（通过透镜系统）相当于无限远时的衍射，称为夫琅和费衍射。

光的折射定律（law of refraction oflight） 确定折射现象中折射光线方向的定律。是几何光学的基本定律之一。光线从第一种媒质入射到第二种媒质时，通常在两种媒质的界面上发生折射。光的折射定律是：

①折射光线在入射光线和过入射点的法线所决定的平面内；②折射线和入射线位于法线两侧；③入射线和折射线与法线的夹角θ1 和θ2 分别称为入射角和折射角；第一媒质和第二媒质的绝对折射率分别为 n1 和 n2，则有n1sinθ1=n2sinθ2。这公式又称为斯涅耳折射定律。由于第二媒质对第一媒质的相对折射率为n21=n2/n1，故斯涅耳折射定律又可表示为 Sinθ1/sin θ2=n21，即对于给定的两种媒质来说，入射角的正弦和折射角的正弦之比为常数，且取决于这两种媒质的相对折射率，而与入射角的大小无关。人们在游泳时戴上防护目镜看东西比较清楚。这是因为眼睛和水的绝对折射率近似相等，光线几乎不发生折射。当戴上防护目镜后，眼睛前有一层空气，这样有利于光线的折射，从而在视网膜上形成清晰的物像。

历史上早期的光的微粒说对折射定律也能作出解释。微粒说假设媒质界面存在一种力，使光微粒弹性小球通过界面时法向速度发生改变，而切向速度不变。如果第一、第二媒质中光的速度分别为 v1 和 v2，速度的方向为光线的传播方向，则可得 v1sinθ1=v2sinθ2。就是说，入射角正弦和折射角正弦之比值为一个与入射角大小无关的常数。这样便解释了折射定律。但是将此结果与上述斯涅耳折射定律表示式比较后可以看出，微粒说必然导致光微粒弹性小球在绝对折射率大的光密媒质中的速度大，在绝对折射率小的光疏媒质中的速度小。这一结论为后来的实验所否定。惠更斯用波面传播的次波理论正确地解释了光的折射定律并且推断出光密媒质中光的速度小的正确结论。

光的直线传播定律（law of rectilinear propag-ation of light） 几何光学的基本定律之一，表明光在均匀媒质里沿直线传播。日蚀和月蚀现象，物体的本影和半影以及针孔成像等，都是光的直线传播定律的明证。此定律只有在障碍物的几何线度远大于光的波长，光的波动性不太明显时才成立。当障碍物的几何线度与波长可比拟时，光的衍射使它的传播明显地偏离直线，光的直线传播定律这时不再适用。在非均匀媒质中，光将因

折射而弯曲。普通光学仪器以及天文和大地测量中，通常都以光的直线传播定律为基础。

光电倍增管（photomultiplier） 利用光电效应原理制成的对光电流具有放大作用的真空光敏电子器件。它有一个抽空的泡壳，内设光电阴极、若干个倍增极和阳极等部分。这些电极的电势逐级升高，能将前一电极发出的电子吸过来。当光照射光阴极时，从光阴极发射光电子。在电场加速下光电子束射向第一个倍增电极，引起次级电子发射。每个光电子能从这个倍增电极上打出 3～6 个次级电子，被打出的次级电子再经电场加速后打在第二个倍增电极上，光电子数又增加 3～6 倍。这样，每一个倍增电极都产生放大作用，直到最后一个倍增电极，如图所示。倍增电极

■光电倍增管示意图

数通常为 13～14 级。阳极最后收集到的光电子数将达到阴极发射的光电子数的 105～107 倍。因此光电倍增管的灵敏度要比光电管高几万倍到几百万倍，只要有极微弱的光照射，就能产生很大的光电流。

光电倍增管常用于探测紫外、可见和近红外（小于 1 微米）波段的微弱光及高频调制光和光脉冲信号，广泛应用于自动控制，录音、电视摄像等设备中，也用于夜视仪。在天文学上用于测量微弱星光的强度，在核物理学中用于探测微弱的闪光。

光电管（Phototube） 利用光电效应原理制成的光电转换器件。

光电发射管 应用外光电效应制成的光电管。主要部分是一个阳极和一个阴极。阴极在光照射下发射电子，阳极吸收电子并通过导线引到管外。多于一个阳极的光电发射管又称光电倍增管。中间阳极称倍增靶极。如果每个电子经过一次靶极可以释放五个新电子，如有十级靶极，则电子数可增 106 倍。玻璃管内是真空的，称为真空光电管；如充有气体，则称为充气光电管。有时也可按其外形、材料、波段或光敏部分材料来称呼光电管， 如环形光电管、石英光电管、红外光电管以及铯或镉光电管等。

光电导管 应用内光电效应制成的光敏电阻。有些半导体受光照后， 其导电性能将会改变，一般情况是导电性提高，电阻降低。若半导体是纯物质，制成的光电导体称内禀或本征光电导体。半导体含杂质时，称外赋或非本征光电导体。半导体光电导管的时间常数约为几微秒至几毫秒，灵敏度极高，通常比光电发射管高百倍以上。最常用的在可见光区的光电导材料是硫化镉，其感光极大在 0.5 微米。在红外区是锗，其感光极大在 1.6 微米。含锌或锑杂质的锗在低温下可应用于几十至一百微米的远红外区。

太阳能电池 根据内光电效应制成的将太阳能转化为电能的装置。把表面敷有氧化铜的铜片放在铜网下，当阳光照射在氧化铜表面时，光电子只能流向铜片内，这是因为氧化铜与铜网之间存在一极薄的阻挡层。由此造成的电动势可在外电路中形成电流。这种效应称为光生伏打效应。利用这种效应制成的电池称光生伏打电池，也称整流光电池或阻挡层光电池。具有上百年历史的光生伏打效应在半导体技术发展后的今天，才有可能被用来制造太阳能电池。通常在半导体材料上设置一个掺染料的塑料窗口， 使太阳光中的短波转变为适合光电效应的 0.7 微米较长的波，可望提高效率。较新的产品有硒光电池和硅光电池。

光电计时器（Photoelectric timer） 是物理实验中用光电控制的最精确计时仪器。用光电信号控制计时的开始和结束，可大大减小因操作

的延迟而带来的误差。用光电控制时，延迟带来的误差大约为 10 微秒，甚至更小。由于光电计时器中采用了晶体振荡器和脉冲数字电路，所以准确度也大为提高，时间的相对误差不大于 10-7。并且数字电路很容易实现得到 1μs、10μs、100μs、1ms、10ms、100ms 以及其它 10 分频的计时脉冲。因此光电计时器操作简单、精确度高，是物理实验中最重要的计时仪器。

光电计时器的种类较多，计时的精确度各不相同，可根据需要选择购买，其基本指标如下：

计时脉冲的周期应选择在 1μs～1s。

计时精确度不大于10^-6 ，即 △r < 10⁻⁶ ，式中τ为计时值，Δτ为计时

τ

值的误差。

“计”时和“停”止的输入脉冲幅度不高于 5 伏，通常为 0.5 伏，上升沿不低于 10μs。

显示数字位数通常为六位。

计时方式选择应该种类越多越好。

显示时间可连续调节，也可置“∞”以及手动复位。

光电效应（photoelectriceffect） 金属表面受光束照射后有电子逸出的现象。所逸出的电子称为光电子。光电子形成的电流称为光电流。从实验中总结出来的光电效应的基本规律有下列四条：①单位时间内被照射光击出的光电子数与入射光强成正比。②光电子的最大初动能与入射光强无关，只与入射光频率有关。频率越高，光电子的能量越大。③入射光有一个极限频率值，频率低于极限值的入射光，不论光的强度多大，照射的时间多长，都不能击出光电子。④只要入射光的频率大于极限频率值， 即使光强很弱，击出光电子的延迟时间也不会超过 10-9 秒。

对这些规律，经典理论不能解释。爱因斯坦提出光子概念后才圆满解释了光电效应。根据爱因斯坦的假设，光是光子的集合。当光子与金属中的电子碰撞后，其能量（hv）为电子所吸收，其中一部分能量（A）用于挣脱金属对它的束缚，这部分能量称为电子的脱出功；余下的部分能量变

 1

成离开金属表面后电子的初动能 2 mv

²  ，故有

hv = 1 mv ² + A， 2

此式称为爱因斯坦光电效应方程。有些物体受光照时，内部原子释放电子。这些电子并不从表面逸出，而只逗留在内部，使物体导电性增加。这称为内光电效应。与此相对应地，把有电子逸出的称为外光电效应。

光度计（photometer） 测量发光强度并通过它测定光通量、亮度、照度等物理量的仪器。有目视比较法和物理比较法两种。前者称主观测量； 后者称客观测量测定光通量的光度计称流明计；测定照度的光度计称照度计，又称勒克司计。将一个发光强度已知的光源作为参考源，把待测光和参考光分别照在光屏上左右两半个视场上。用眼睛目视比较左右两边的照度。当照度相等时，两个光源的发光强度之比等于它们与光屏的距离之比。于是可获得待测光源的发光强度。物理比较法是用光电管、光电池、热电探测器和照相片等物理器件代替眼睛进行比较，可避免主观测量中由于观测者不同而造成的误差，得到更准确的结果。光度计中提供比较两个光源

的照度的光屏，称为光度头。两半个视场称为光度场。我国古代科学家赵友钦在 14 世纪研究针孔成像现象时，就注意到光的强弱的规律。他认为针孔成像中的像的暗黑程度，与孔的大小和屏至孔的距离有关。四百多年后法国物理学家布格提出光度场的最初形式，两部分有些间隔，后来，德国物理学家朗伯作了改进，使两部分紧紧相挨。陆末—布洛洪光度计的光度头中，光度场的两部分互相包围，测量灵敏度最高。也有不用比较法而直接进行测量的仪器，如用光电池制成的流明计和照度计，曝光表就是这种仪器。

光度学（photometry） 研究可见光强弱的学科。它所研究的量有些既与客观的物理量，如能量有关，又与人眼的主观视觉因素有关。这些量的单位组成独立的系统，与一般物理量的计量单位不同。光度学认为光能量通过光线传播，且遵守能量守恒定律。研究各种电磁辐射强弱的学科称为辐射量度学，因此光度学只是辐射量度学的一个部分。

与辐射有关的物理量

辐射通量 又称辐射功率，单位为瓦。若ψ（λ）dλ是波长在λ到λ

+dλ范围内的辐射通量，则所有波长的总辐射通量即为

∞

ψ = ∫0 ψ（λ）dλ，

其中ψ（λ）为辐射能的频谱分布，称为辐射通量谱密度。

辐射度和辐射出射度 投射到单位面积上的辐射通量为辐照度，单位面积上投射出去的辐射通量为辐射出射度。它们的单位都是瓦/米 2。

辐射强度 在某一特定方向上单位立体角内发出的辐射通量，单位为瓦/球面度。在均匀辐射情况下，所有方向上的辐射强度都相同，所以向各方向发出的总辐射通量为辐射强度的 4π倍。

辐射率 又称辐射亮度，单位为瓦/球面度·米 2。若辐射面元的法线为 n，与法线成θ角的 r 方向上的辐射率是辐射面元在垂直于 r 的平面上单位投影面积的辐射强度。

视见函数

视见函数曲线 在较明亮的环境中，人眼对波长为 0.5550 微米黄绿光最敏感，规定其视见函数值为 1；对其它波长的光，视见函数值小于 1；对红外和紫外光，视见函数值为 0。知道了眼睛对各种不同波长的光的视觉灵敏度，才能够研究客观的辐射通量与它们在人眼中所引起的主观感觉强度之间的关系。视见函数曲线即为视见函数值对可见光波长的分布曲线， 这可通过对正常人眼视觉灵敏度测量而得到。在较昏暗的条件下，视见函数曲线的最大值所对应的波长为 0.5070 微米，比明亮环境中的最敏感波长

短约 0.05 微米，且整个视见函数曲线向短波方向有一位移。它们分别称为适光性和适暗性视见函数曲线。

视见函数 以波长为 0.5550 微米的黄绿光为参考标准，若对此波长和对任一其它波长为λ的光产生同样亮暗感觉所需的辐射通量分别记为ψ

_0.555 和ψλ，则视见函数定义为 V(ψ）=ψ0.555/ψλ。现已从实验测得国际

上公认的视见函数值和曲线。例如透光性 V（0.4）=0.0004，V（0.76）

=0.00006。这表明，要引起 1 毫瓦 0.555 微米黄绿光相同亮暗感觉的 0.4

微米紫光，需要 2.5 瓦；而对 0.76 微米的红光，则需要 20 瓦。

光功当量 如果波长在λ到λ+dλ范围内的辐射通量，产生相应的光

通量，则后者对前者之比称为光谱光效能，也称为光功当量，单位为流明/ 瓦特。光功当量随波长而变。因为对波长为 0.5550 微米黄绿光的视见函数值为 1，故该波长的光功当量具有最大值，用符号 Km 表示。适光性最大光功当量 Km=683 流/瓦。

光度学基本概念

光通量光源 表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强弱称为光通量。当光源的辐射通量相同但波长不同时，由于视见函数值不同，因而光通量不同。光通量用某一波段的辐射通量和该波段的视见函数值的乘积来量度，单位为流明。

发光强度 光源在某一方向单位立体角内发出的光通量称为发光强度，单位为坎德拉。大多数光源的发光强度随方向而异，但总光通量对于确定的光源来说是一定的，它表征了该光源的发光特征。光学系统的作用是把光通量作重新分配，但并不能增加总光通量。例如增加某些选定方向上的发光强度，同时相应地减少其它方向上的发光强度。发光强度常用 I 表示。

亮度 光源发光面面元在法线方向单位立体角发出的光通量，常用 B 表示，单位为流明/（米 2·球面度）。它表征了发光面发光强弱的特性。因此，亮度通常应用于扩展光源，而发光强度则应用于点光源。它们不仅适用于自身发光的物体，还可描述反射体。

亮度不随发射光方向而改变的光源称为遵从朗伯定律的光源，简称朗伯发光体或余弦发射体。太阳看起来像一个亮度均匀的发光盘，它接近于余弦发射体。理想的漫反射面是朗伯反射体。

面发光度 光源单位面积向各个方向（即在立体角 2л范围内）发出的光通量称为面发光度。它也适用于反射体。

照度 落在受照物体单位面积上的光通量称为密度。单位为勒克斯。点光源所造成的照度与光源到受照面距离的平方成反比（平方反比律）， 且与光束和受照面法线方向之间夹角的余弦成正比。照度常用 E 表示。

光度学单位

基本单位 在光度学的一系列光度单位中，发光强度的单位常作为基本单位。早年规定发光强度的单位为烛光，它所采用的基准是标准蜡烛、标准火焰灯或标准电灯。1948 年第 9 届国际计量大会规定用绝对黑体作为发光强度单位标准，定名为坎德拉。该单位也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。在以后的历届国际计量大会上，都不断对坎德拉的定义作了修改。1979 年第 16 届国际计量大会规定的新定义为：“发出频率为 540

×1012 赫的单色辐射源，若在给定方向上的辐射强度为 1/683 瓦/球面度， 则该光源在该方向上的发光强度为 1 坎德拉。”

导出单位 发光强度为 1 坎德拉的点光源，在某方向上单位立体角内发出的光通量定义为 1 流明。1 流明的光通量均匀分布在 1 平方米面积上所产生的照度为 1 勒克斯。1 平方米发光面沿着它的法线方向的发光强度为 1 坎德拉时，该面积的亮度为 1 尼特。以上是国际单位制。它们与实用单位制的关系为：

1 勒克斯=10-4 辐透，

1 尼特=10-4 熙提。

光幻视（optical illusion） 由于主观的生理或心理原因，对所观

察的景物得到不正确的认识。例如图 1 中，看上去似乎白框中的黑块比黑

框中的白块要小些，但实际上却是销大些。在图 2 中，一组辐射线形

■图 1 左边的白块比右边的黑块小

成强视觉结构，一对平行直线形成弱视觉结构；强结构使弱结构产生变异，两条实际上平行的直线看上去似乎外凸或内凹。有人认为这是一种光渗效应，如图 1 所示，因为亮点在视网膜上成小圆斑像，而不是一点， 所以白方块的像会侵入到黑框区域，而白框的像

■图 2 两条平行直线

也会侵入到黑块区域。许多光幻视现象至今尚不能得到圆满解释。

光极（opticalpolar） 一种新型的传感器，产生于 80 年代。其作用是接受并传递光子，这和电极接受并传递电子有类似之处。常用来把化学反应所产生的光、激光透过有色溶液所射出的光耦合到光导纤维中去。优点为：①抗电磁场干扰能力强，②应用面广，③构造简单，④价格低廉。一般的光极由发光二极管或半导体极光器、试剂相、入射光纤维、出射光纤维与检光器组成。它的工作过程是：光源经入射光纤维发出的光，受试剂相的调制后进入出射光纤维，达检光器被检出。为此光极特别适应于在恶劣环境下作监测用，此时把光极放在待测定的环境中，而把检光器置于安全的地方进行分析，其中试剂相由被测定的化学成分与其相应的化学试剂组成。

光具组（opticalsystem） 按某种方式排列使光线折射或反射的一系列光学元件的组合。又称光学系统。光学元件采用各种光学材料制成的各种形式的反射镜（平面镜、凹面镜、抛镜面镜等）、透镜（凸透镜、凹透镜等）、棱镜（正棱镜、直角棱镜、尼科耳棱镜等）、吸收片（如玻璃色片、干涉滤光片、偏振片等）及光阑等。从物和像离光学系统的远近， 可分为四种类型：①物和像均在远处的望远系统；②物在近处，放大像亦在近处的显微放大系统；③物在远处而像在近处的摄影系统；④物在近处而像在远处的放映系统。

光阑（diaphragm） 光学系统中一些开有圆孔的不透明屏。圆孔中心在光轴上，孔面垂直于光轴，其作用是对进入光学系统的光束进行限制。透镜或反射镜的边框也可看作光阑。有些光阑具有特殊的形状。照相机中的光阑并非严格圆形的，且大小可变，称为可变光阑，又称为光圈。光圈上附有刻度，表示光阑口径的大小，常称为光圈数。

孔径光阑 一个光学系统中有不止一个光阑，其 中实际上起限制光束作用的那个光阑，称为有效光阑，又称孔径光阑。有效光阑随物点的位置而变化，因此有效光阑总是对某一参考点而言的，这个参考点为物平面与主轴的交点。把光学系统中每个光阑，包括透镜边框在内，当作物，令光线由右向左传播，求出每个光阑的像，即求出每个光阑由其前面那一部分光学系统所成的像。从参考点看第一个透镜边缘和上述各个像所张的各个顶角，其中最小的顶角所对应的光阑即为有效光阑。被有效光阑所限的边缘光线与物方光轴的夹角，称为入射孔径角，简称孔径角；与像方光轴的夹角，称为出射孔径角，简称投射角。有效光阑被自己前面部分的光学系统所成的像叫做入射光瞳；被自己后面部分的光学系统所成的像叫做出射光瞳。

视场光阑 孔径光阑对光轴上物点所发出的光束加以限制。对轴外物

点所发光束起限制作用的光阑叫做视场光阑。每一个给定的光学系统都只能对物空间中一定范围的物体成像，该范围即为视场。视场光阑对视场起限制作用。与孔径光阑的情况相类似，视场光阑由其前方和后方部分光学系统所成的像分别称为入射窗和出射窗。

入射线如果通过入射光瞳中心点，其出射线必然通过出射光瞳中心点。轴外物点与其像点之间的共轭光束中通过上述两个中心点的光线，称为此光束的主光线。有些轴外物点离光轴稍远，其主光线被遮挡，但仍有一些光线可以通过光学系统而到达像点，此时的像点会暗些。因此，像平面内视场的边缘变得逐渐昏暗，使像的边缘没有明显的界限。这种现象称为光晕现象。在入射窗与物平面重合或入射光瞳很小时，入射窗可以完全决定视场，避免出现光晕现象。

入射窗直径对入射光瞳中心的张角称为视场角，又称角视场。出射窗直径对出射光瞳中心的张角称为像视角。

光路可逆原理（principle of reversibility oflight） 几何光学的基本定律之一。说明在同一问题中，如果使光线行进方向反向，即原来的出射光线成为入射光线，则这时的出射光线必然为原来的入射光线。在几何光学成像问题上，光路可逆原理说明物和像可以互换。即当光路反向时，原来的像变成物，则原来的物变成了像。

光密媒质（optically denser medium） 两种透明媒质相比较时， 折射率较大的一种媒质。折射率较小的媒质称为光疏媒质。由折射率的定义可知，光在光密媒质中传播的速度较小，在光疏媒质中传播的速度较大。把光媒质分为光密和光疏起源于牛顿的微粒说。牛顿微粒说认为，光的弹性微粒在疏密不同的媒质中传播时因受到的排斥阻力不同而发生折射现象。按照这种说法，必须认为光在光密媒质中的速度大于在光疏媒质中的速度，而事实恰好相反。

光密与光密度是两个不同的概念。后者代表感光胶片经曝光后的不透明程度。透射率的倒数是不透明度，而光密度定义为不透明度的对数，是感光胶片曝光后发黑程度的量值。

光年（light year） 光在真空中一年内所传播的距离。常用来计量天体间距离的一种单位。缩写为 ly（或 l.y.）。因光速 c=299792.46 千米

/秒，故 1 光年等于 94605 亿公里，或等于 0.307 秒差距，或等于 63240 天文单位。从地球到一些天体的距离如下表。

光盘（opticaldisk） 一种新型的光学信息存储装置，由盘基、存储介质和保护层组成的圆形盘片，与磁盘和唱片相似。光盘的构造较复杂，

是一种夹层结构，中间基底是涂有碲（Te）或碲的混合物薄膜的玻璃或塑料圆盘，信息即记录在薄膜上，外表包有保护透明塑料。

下图为光盘记录装置示意图。光学头是记录与读出信息的关键部件， 它由聚焦透镜、焦点自动调节装置与轨道自动跟踪装置、光学头传动装置等组成。光盘在记录信息时，输入信号经过编码后对连续输出的激光进行调制，然后使激光束经聚焦透镜聚焦后投射到记录介质薄膜上，使介质膜产生一连串具有新的物理特征的小区域。如使介质膜气化，产生一个个烧蚀

■光盘存储装置示意图

微孔，从而引起光反射率的变化或改变磁矢量的取向状态等，这样就把输入信号记录在介质膜上。在记录信息时，光盘一直旋转，而光学头则沿光盘半径方向缓慢移动，因此，记录信息的轨道实际上在光盘上形成了一条螺线。信息的读出是信息记录的相反过程。使激光束聚焦到记录有不同信息的区域时会有不同的反射强度，由此可读出所记录的信息。读取时所用的光学头与记录用的光学头常常是同一只（或同一种）光学头，使用的激光功率比记录时低一些。记录用的激光器功率约 10～20 毫瓦，光脉冲宽度约 0.2 微秒。

光盘大致可分为三类：①只读式光盘，常用于录制电视节目等，其声音和图像远优于磁带系统。②档案形光盘，只写一次信息。这两种光盘均采用不可擦型存储介质，如在介质上烧蚀微孔等以不可逆变化的方式记录信息。③可反复重写的光盘，录制信息时使记录介质小区域上产生磁光效应或相变等可逆变化，它是光盘存储技术研究的发展方向。光盘有许多优点，受到人们极大的重视。光盘的存储密度高。因激光具有良好的空间相干性，可将光斑聚焦到很小，一般激光束在介质上形成的小孔宽约 0.4 微米，长约为 0.6～1.8 微米，所以存储密度要比磁盘高 1～2 个数量级。目前一张 30 厘米直径的光盘单面可存储 2.4×1010 比特信息，相当于 A4 版图书两万页的信息量。光盘的另一显著特点是非接触式读出，不产生机械摩擦，因而光盘的寿命长、噪声小。目前，光盘已进入实用阶段，各种实用化产品不断出现。主要用于：计算机大容量存储器，档案文件存储，图书资料存储，以及由计算机管理的现代图书馆。视频光盘可以放映色彩鲜明的电视图像，声频光盘用于播放宽频带立体声音乐等。

光谱仪（spectrometer） 能将复色光按不同波长分成光谱的光学仪器。用光栅或干涉仪作色散系统的光谱仪，分别称为光栅光谱仪和干涉分光仪，用棱镜作色散系统的，称为棱镜光谱仪。

结构 光谱仪通常由照明系统、准光系统、色散系统和投影系统等部分组成。由准光物镜和在其物方焦面上的狭缝组成准光系统。来自待测光源的光束经过狭缝后射向物镜，使狭缝成为发射待测光的物。因为狭缝位于物镜的焦面上，故经物镜后成为平行光。色散棱镜把这沿同一方向射来的复色光按波长分成沿不同方向出射的各组分光。由投影物镜和在其像方焦面上的光屏组成投影系统。从棱镜射出的各组分光的传播方向不同，但相同波长的光仍保持平行，因此通过投影系统后，在光屏上获得按波长次序排列的各组分光造成的狭缝的像。这就是光谱。光谱线形成的面称为谱面。

探测系统 按探测光谱的手段不同，组成不同的光谱仪器。若用望远

镜来观察光谱，就成为分光镜。若装有角度刻度盘，可以记录望远镜观察不同波长光谱线时的角度，从而求出不同波长光的偏向角，这种分光镜叫做分光计。若用照相机或其它装置来记录光谱，就组成摄谱仪。若用另一个狭缝做探测手段，只让某一个波长的光谱线从此狭缝中射出，就组成单色仪。

波长范围 光谱仪光学系统所用的光学材料决定了该光谱仪的波长范围。紫外光谱仪用石英或萤石做光学系统；红外光谱仪则采用氯化钠或溴化钾晶体；可见光光谱仪用光学玻璃。

色散 光谱仪色散能力的大小标志着性能的优劣。色散能力由线色散表示，它等于波长相差 1 单位的两条光谱线在谱面上的间隔。间隔大，不同的谱线可以分开，反之则可能重合或部分重叠，不能截然分开。棱镜光谱仪的线色散 dl/dλ与角色散成正比，因为角色散 D 定义为波长相差 1 单位的两条光线在空间分开的角度。棱镜对处于最小偏向角的光线的角色散为：

2 sin α

D = 2 · dn ，

dλ

式中α为棱镜的顶角，dn/dλ是表征棱镜材料性能的色散率。故棱镜光谱仪中常用色散率大的重火石玻璃棱镜。

分辨本领 任何光谱线都有一定的宽度，绝不是一条宽度为 0 的几何线。谱线中心的强度最大，逐渐向两边递减。角色散或线色散只是指谱线中心分离的程度，如果每条谱线宽度很大，即使谱线中心分开了，仍无法分辨出有两条线。设能够分辨的最小波长差为δλ，通常定义分辨本领为波长λ与在该波长附近能被分辨的最小波长间隔δλ的比值，并记以 R， 根据瑞利判据，可推断：

R = λ

δλ

= b dn

dλ

其中 b 为棱镜底边的长度，可见，棱镜的色散率越大，底边越长，棱镜光谱仪的分辨本领就越高。

光栅（grating） 具有等宽等间隔的相互平行的多狭缝光学元件。常应用于衍射方法产生光谱，故又称衍射光栅。一般可通过在玻璃或金属平面上刻划出稠密的等间距平行线而制成。光栅狭缝数目最密可达每毫米千余条，所以原刻光栅很贵重。在原刻光栅上蒸涂一层物质，揭下来便制成一块复制光栅。用全息照相术可制成全息光栅。按光栅平面形状，可分为平面光栅和凹面光栅。按被衍射的光是反射光还是透射光，又可将它分为反射光栅和透射光栅。

设光栅各缝的宽度为 b，相邻两缝间不透明部分的宽度为 a，并定义d=a+b 为光栅常数。使用时通常把光栅作为夫琅和费衍射的衍射屏，它的衍射图样中主极大的位置由满足如下光栅方程

dsinθ=mλ（m=0，±1，±2，⋯）

的衍射角θ决定。m 为衍射级，m=0 为零级衍射，m=±1 为 1 级衍射等。零级即中央亮条纹。除零级外，不同波长的主极大位置不一样，且按波长由短波至长波的顺序从中央亮条纹向左右两侧展开，形成光谱。当平行光

束入射方向和光栅平面法向之间的夹间为θ0 时，光栅方程应改写为 d（sin θ±sinθ0）=mλ（m=0，±1，±2，⋯）。θ仍为衍射角，是衍射方向与法线方向的夹角。θ与θ0 在法向同侧时，光栅方程左边括号中取加号；在异侧时取减号。光栅性能由分辨本领和色散本领表征。平均波长与能分辨的最近邻两条谱线波长之差的比值定义为该光栅的分辨本

领。它与光栅总狭缝数和衍射级成正比，即 λ

△λ

= mN。色散本领定义为

λ和λ+dλ的两条光谱线的衍射角之差 dθ与波长差 dλ的比值，即

dθ =

dλ

m

d cosθ 。

光栅制造中的某些差错会引起一些附加最大强度值的出现，这些谱线称为鬼线。各级谱线的强度分布，随 d 与 b 的比值而变。当这比值为整数时，某些级次谱线强度为 0，即这些谱线将消失。例如当 d=2b 时，所有偶数级次的谱线消失；当 d=3b 时，级次为±3，±6，±9，⋯的谱线消失。这现象称为谱线缺级。

凹面先栅 光栅最早由杨氏于 1801 年发明，为平面光栅。1883 年罗兰将缝线刻制在凹面镜上，称为凹面光栅。利用凹面光栅，可省去用透镜使衍射光聚焦的手续。如果把条状光源和凹面光栅放置在直径等于凹面光栅曲率半径的圆周上，则由此凹面光栅所形成的光谱也将呈现在这个圆周上。此圆称为罗兰圆。

阶梯光栅 将 20 至 40 块厚度和折射率都相同的透明玻璃板或石英板胶合在一起，但略有错开且排列得像一个阶梯。在阶梯上涂一层反射膜， 便成为反射式阶梯光栅；未涂反射膜的称为透射式阶梯光栅。阶梯光栅利用提高程差，使高级次的亮纹获得最大的相对光强。因此阶梯光栅具有高分辨本领。

■闪耀光栅

闪耀光栅 在玻璃基板上镀一层铝膜，用特殊形状的金刚石刀在铝膜上刻划出稠密的平行刻槽，便成闪耀光栅。附图为其剖面图，倾角θB 称为闪耀角。它也是槽面法向 n 和光栅平面法向 n′之间的夹角。假如平行光束沿 n 方向入射，反射光沿原方向返回。单槽衍射的 0 级主最大就在这反射光方向上。而相邻槽面反射光的光程差为δ=2dsinθB 。对于波长为λ1 的光，1 级谱线的位置由下式确定：2dsinθB=λ1。故单槽衍射 0 级主极大正好落在λ1 的 1 级谱线上，使λ1 的 1 级谱线强度大大增加。更因 b≈d， λ1 的其它级次都落在单槽衍射的暗线位置，形成缺级，使λ1 的 1 级谱线更为增强，几乎可集中 90%的光能量。因此λ1 称为 1 级闪耀波长。通过对闪耀角θB 的设计，可使光栅适用于某一特定波段的某级光谱。如果入射光沿光栅平面法向 n′入射，槽面反射光与原入射方向夹角为 2θB，在此方向上主极大有最大强度。

透射光栅的零级主极大占有总光能量的大部分，但不存在色散，无应用价值。实际使用的非零级处的光谱强度较弱，闪耀光栅则把光能量集中到这种非零级光谱上，大大提高了光栅的应用价值。

光束（light beam） 光在传播过程中形成的波面的法线束，也可以

说是光线簇的总体。由点光源发出的光束是发散光束。由某个光学系统将光形成实像时将存在会聚光束。两者都称为同心光束，因为都重合于一点。对于发散光束，所有光线直接由一点发出，也可能光束中的所有光线反向延线通过一点；对于会聚光束，所有光线直接会聚于一点，也可能光束中的所有光线的延长线会聚于一点。平行光束可认为是位于无穷远处的点光源所发出的同心光束，它们形成曲率半径为无限大的球面光波（即平面光波）。扩展光源或面光源发出的光束是许多发散光束的综合。一般的光束是指从物体所发出的光中由仪器的入射光瞳或光阑提取出来的部分。从点光源产生的光通过圆形光阑所产生的光束又称变光锥；平行光束称为光柱。通过光锥顶端与出（入）射光瞳中心连线相重合的光线称为主光线； 在光柱或光锥表面的光线称为边缘光线。位于光轴上的物点发射的光束称为轴向光束，它的主光线与光轴重合。

如果光波波面既非球面又非平面，则与此波面面元对应的细光束称为像散光束。光线之间既不彼此平行，也不相交于同一点，而是会聚成两条互相垂直的短线段。

光速（speed of light） 光的传播速度。通常用 c 表示。光以有限速度传播以及光速的测定对光的电磁理论的建立起了重要作用。对光速的测定近 300 年来从未间断过，现代许多科学家还在研究采用更先进的技术进行更精确的测量，因为光速是物理学中的一个非常重要的普适常数。按照麦克斯韦电磁理论，电磁波在真空中的传播速度

c等于 1

，其中ε0 和μ 0 分别为真空电容率和真空磁导率。光速的实

验值是 c=2.99792458×108 米/秒。

如不特别指明，光速常常是指光在真空中的速度。与任何一种波动的传播速度一样，光速也有相速度和群速度之分。相速度是严格的单色光的相位传播速度。而群速度财是实际脉动波列上一定振幅向前推进的速度。当脉动波在正常色散媒质中传播，且其波形变化不大时，群速度代表波的能量的传播速度。

光速不变原理（principle of invariance of lightspeed） 真空中光的速率在任何惯性参考系中都相同的原理。它和相对性原理一起构成了爱因斯坦的狭义相对论的两个基本出发点。这原理迄今已为大量直接的和间接的实验所证实。例如，1966 年一个实验小组在欧洲原子核研究中心的加速器上曾经测量了从高速运动光源发射的光的速度。他们采用加速器实验中所产生的π0 介子作为高速运动光源，因为π0 介子能衰变为两个γ 光子（π0→γ+γ）。实验中π0 介子的运动速率达到 0.99975c。科学家们使用了极其精密的仪器，精心地测量了沿π0 介子运动方向发射的γ光子的速率。经过多次测量以后，他们所得到的结论是：在万分之一的精度内， 这种γ光子的速率仍然为 c。

光通信（laser Communication） 在通讯技术中，载波频率越高， 信息容量就越大。微波频率比无线电波高，故微波通讯携带的信息比无线电波多。光波频率更高，因此光通信的信息量也就更多。激光器诞生后， 已使激光通信成为现实。

数字编码 无线电波通信是把讯号经调制后发送出去。而光通信首先把讯号数字化，使它成为脉冲波，然后在接收端再进行解码，复现原来的

讯号。数字编码分两个步骤。首先将讯号按短时间间隔Δt 进行分割，将振幅大小从零到最大值之间分成 255 等分，讯号的大小就可在 0 到 255 等

分之间进行编码。再用 8 个脉冲波组合成代表 256 个可能值，例如，1 个

脉冲波表示 1，无脉冲波表示 0 等等。每 1 组脉冲波有 8 个二进制信息量， 代表一个可能的振幅数值。由于采用二进制，故总共有 28 种组合方式，表示 256 种可能的振幅值。

光通信系统 把讯号（如讲话的声音）进行数字编码后变成电脉冲， 放大后驱动光源，使光源发出光脉冲；科用光导纤维将光脉冲传输到接收端；最后变成电脉冲并放大，经解码器还原为原来讯号。

光通信系统主要由三部分组成：光源、光纤传输和光探测器。探测器用普通的半导体探测器，只要能探测讯号 0 和 1 即可。通常采用硅光电二

极管，它的量子效率很高，在 1.1 微米波段可达到 30%。即 100 个光子输入，可产生 30 个电子。反应时间为 150×10-12 秒。用于传输光脉冲的光导纤维的直径为 100 微米，由 24 根光纤组成一支光缆。每根光纤可同时传输700 名用户的通话。如果采用不同频率的激光，则传输能力更大。例如用

两种频率的激光通信，传输能力便增加一倍。一支光缆的直径约 1.2 厘米，

在两种激光频率下可同时传输 33600 名用户通话。所以光缆的通讯能力比电缆通讯提高很多。光源常用半导体激光器，使用在 1.0～1.1 微米波段。因为光纤对这波段的激光吸收最小。激光器的工作电压为 2 伏，电流约 100 毫安。一个好的激光器可使用多年，不必经常更换。

光纤通信（optical fiber communication） 利用光导纤维作远距离传送信息的通信手段。一般用激光或发光二极管作光源，光纤作为传输线，雪崩光电二极管作光电检测器，再加上各种电子电路做信号处理，就得到一个点对点的光纤通信系统，其方框图如图 1 所示。电信号经过调制器可直接改变光源的注入电流和光功率输出。光波主要是在光纤芯线里通过反复的反射或折射向前行进。光电检测器把光功率转变为电信号，再经过电子电路作电信号处理后得到输出。

■图 1 光纤通信系统方框图

光纤是一种比头发丝还要细的玻璃纤维丝。根据原材料的不同，光纤有全石英、全塑料、石英纤芯（塑料包层）等若干种。其中以石英为基础材料制成的光纤光信号传输衰减最小。图 2 为光纤的立体图。一般芯线材料的折射率大于包层材料的折射率，这样当光以一定的入射角射入光导纤维后，光线就由于在芯线与包层间的全反射而呈“之”字形向前传播。光纤分多模与单模两种，多模光纤可以传播多个电磁场分布形式不同的模式，其芯子直径约 50 微米，包层直径约 125 微米。单模光纤只能传输一个模式，芯子直径在 4～10 微米，包层与多模光纤相同。光纤的主要质量指标为衰减和色散。衰减代表透明度，色散代表传输带宽。现在一般可做到每公里的衰减在 0.2dB 以下。采用单模光纤，其色散和衰减都极小，于是可以传输更多的信息和极长的距离。现在一条单模光纤可同时传输 2 万路

以上的电路，传输距离达 100 公里以上。

■图 2 光纤立体图

用光导纤维作传输光的媒介的思想是由美籍中国科学家高锟博士于1966 年首先提出的，20 余年来，经过各国科学家的努力，高质量、高速率的光纤通信业已实现，现正在迅速发展，不久将成为最主要的通信方式。

光纤通信与传统的电通信相比，其通信容量要大成千上万倍。光波是频率达 1014 赫的电磁波，在通信中，载波的频率越高，能够携带的信息量越大。一般信号带宽约占中心频率的 30%左右，因此光波能够携带的带宽就可以高达 3×1013 赫，所以利用光束通信能够传输惊人的信息量。一般在两支光缆上可以传送数万路电话或上千路电视。它传递信息的速度快、保密性强。光纤体积小、重量轻，能与原来的同轴电缆同孔敷设，从而敷设费用低。制造光导纤维的材料主要是资源丰富的硅酸盐，可以节省大量的有色金属，成本较低。光纤通信抗电磁干扰的能力很强，且具有很强的耐辐射能力，所以原子弹试验基地必须用光纤通信，还可以在某些特殊环境下使用。光纤通信系统除了能传送电话，还可以传送数据、传真、图像等各种信息。在使用上也非常灵活，既可用于大容量信息传输系统，也可用于中、小容量的系统。目前光纤通信已发展成一门产业。

光线（lightray） 表示光能量传播方向的概念。不要把这个概念看成可以借助某种仪器从实际光束中分离出来的任意狭窄部分。更不要认为，孔的线度愈小，光透过后所分出的光束就愈窄，在极限情况下，可以得到像几何线那样的光线。实际中由于光的衍射现象，任何企图利用孔径趋于零的小孔产生任意窄的光束是不可能的。通过半径为 R 的圆孔后，实

际光束不可避免地要发散，它的角宽度由衍射角θ = 0.61 λ 决定。R

R

愈小，发散角愈大。只有在 R>>λ时，衍射现象才不显著，这时才可用光线表示其传播方向。

光波在媒质中沿着光线方向传播时，其相位在不断地改变。同相位的各点组成光的波面。在各向同性媒质中，光的传播方向和波面的法线方向重合。故从点光源发出的光线是以光源为球心的径向光线。位于无限远处的光源，发出平行光线。在许多实际问题中，人们只考虑光的传播方向而不考虑相位，这时的波面是垂直于光线的几何面。因此在实用中，特别是在光学成像技术和照明工程中，仅仅借助于光线或波面的概念就可进行必要的几何光学计算，而不必涉及光的波动性。所以几何光学有时也称为光线光学。

光学（optics） 研究光的学科。内容包括光的本性、发射、传播以及光与物质相互作用等。光学是物理学中最古老的一个分支，已有两千多年的历史。它的发展大致可分为五个时期。

萌芽时期 在我国春秋战国时代的《墨经》中，就已有光的直线传播和光的镜面反射现象的记载，并提出了某些经验规律，解释了物和像的位置、大小与镜面的曲率的关系。一百多年以后，希腊人欧几里德在《光学》一书中提出平而镜成像时的反射角等于入射角的反射定律。公元 1 世纪希腊人托勒密研究了光的折射现象，测量了光通过两种媒质分界面时的入射角和折射角。公元 10 世纪时，埃及人阿尔哈金认为，光以球面形式从光源发出；反射线和入射线共面且入射面垂直于界面；他还研究了球面镜、抛物面镜和人的肉眼的透镜性质，并首先发明了凸透镜。公元 11 世纪，我国宋代的沈括在《梦溪笔谈》中对凹面镜、凸面镜的成像规律，凹面镜焦点的测定，以及虹的成因等作了创造性的阐述。15 世纪末和 16 世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜、成像暗箱和幻灯等都已相继问世。

几何光学时期 在这时期中，建立了光的反射定律和折射定律，奠定

了几何光学的基础，发明了助视光学仪器、望远镜和显微镜等。17 世纪初荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，延森制造了显微镜。1610 年伽里略用望远镜发现了绕木星运行的卫星。开普勒用两块凸透镜制成开普勒天文望远镜；提出了照度定律，即点光源照明时的照度与受照面至光源距离的平方成反比；发表了《折光学》一书，系统地阐述了几何光学原理 1621 年斯涅耳提出，入射角的余割和折射角的余割之比是常数。1630 年笛卡儿给出了现在熟悉的折射定律形式。1657 年费马提出光在介质中传播时所走的路程取极值的原理，并根据这个原理推出了光的反射定律和折射定律。

这个时期除了奠定了几何光学的基础外，还开始了向波动光学的过渡。17 世纪初意大利人格里马第首先发现光的衍射现象。1672 年牛顿发现白光由各种色光复合而成，白光通过棱镜后会在光屏上形成按一定颜色次序排列的彩色光谱。牛顿还解释了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色牛顿圈的现象，提出了颜色和空气层厚度有关的结论。1704 年牛顿出版了

《光学》一书，提出了光的微粒说。惠更斯则提出光的波动说，并于 1690 年出版了《光论》一书，认为光是在“以太”中传播的波。尽管当时牛顿的微粒说占有统治地位，但仍然相继发现了光的干涉、衍射和偏振等波动现象。

波动光学时期 波动光学在 19 世纪初形成。1801 年托马斯·杨用干涉原理解释了双缝干涉实验和白光照射下薄膜颜色的由来，并第一次成功地测定了光的波长。1815 年菲涅耳用杨氏干涉原理进一步说明了惠更斯原理，建立了惠更斯—菲涅耳原理，成功地解释了光的衍射现象。1808 年， 马吕发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。为了解释光的偏振，杨氏于 1817 年提出光的弹性波动理论，认为光是横波。1845 年法拉第发现光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的联系。1856 年韦伯发现电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的速度。光的波动性的完全确立是在 1865 年，那一年麦克斯韦建立了电磁理论，并且证明了光是电磁波，在真空中以光速 c 传播。这一理论在 1888 年被赫兹的实验所证实，从而使人们在认识光的本性方面迈出了一大步。

量子光学时期 20 世纪初，光的研究深入到光和物质相互作用的领

域。光的电磁理论在对黑体辐射和 1887 年赫兹发现的光电效应的解释中遇到了困难。1900 年普朗克提出辐射的量子论，成功地解释了黑体辐射问题。1905 年爱因斯坦把普朗克的能量子假设进一步推广到整个光的辐射、吸收和传播过程中，提出了光量子理论，从而解释了光电效应。从此光学进入了一个新的阶段。

现代光学时期 1948 年伽柏提出共轴全息图，1955 年建立了光的传递函数的概念，1960 年诞生了新型光源激光器，这三件事标志了现代光学时期的到来。全息技术已在显微学、信息存贮、像差平衡、信息编码、声波全息、红外全息和全息干涉量度等方面获得了应用。光学传递函数的概念和理论已普遍应用于光学仪器设计评价、光学透镜质量检验及光信息处理等方面，并成为相干光学计算机的基础。激光技术的发展，在激光物理、激光应用等方面已取得了巨大的进展，并且已经在打孔切割、导向测距、医疗育种、同位素分离、光纤通讯、核聚变和遥感技术等领域开始了广泛的应用。现代光学与其他科学技术的结合，为人们开创了认识自然、改造自然和进一步提高劳动生产率的广阔的前景。

《光学》（Optics） 英国物理学家、数学家、天文学家牛顿的一部重要著作。成书于 1704 年。该书一开头，牛顿就写道：“在这本书中我的意图不是用假说来解释光的性质，而是用讨论和实验来叙述和证实它们。” 一共有 8 条定义和 8 条定理，定理都用实验证实。接着全书分为三编。第一编描述了这些实验和讨论，已包括了现代几何光学的基本部分。第二编主要阐述了光的干涉现象，其中包括牛顿环等实验及其讨论，书中对这些问题的 24 种新奇的观察结果都一一作了详尽的记载。第三编前面列举的实验事实主要阐述光的衍射；后面对光学的一些基本问题作了广泛的探讨， 提出了 31 个发人深思、富有启发性的问题。对此，有的学者指出：“只有对那些引起这些问题和由它们反映出来的思想的全部意义进行仔细的钻研以后，我们作为另一时代的人，或许才可尽力做到去亲切地认识这位超群天才的无比的、巧妙的和坚强的内心思想活动。”

牛顿的这部著作也获得了巨大的成功：在 18 世纪仅英文版就至少出了

4 次，拉丁文版出了 6 次，法文版出了 3 次。由牛顿亲自负责的最后一版，

即第 3 版在 1721 年出版；第 4 版又根据牛顿对第 3 版的订正于 1730 年出

版。当这部著作第 4 版于 1913 年重印时，科学巨匠爱因斯坦为该书写了序言，并高度评价了牛顿的科学活动及其科学成就：“他（指牛顿）把实验家、理论家、工匠和——并不是最不重要的讲解能手兼于一身。他在我们面前显得很坚强，有信心，而又孤独。他的创造的乐趣和细致精密都显现在每一个词句和每一幅插图之中。⋯牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库。尽管如此，他的光学著作的这个新版本，还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎，因为只有这本书，才能使我们有幸看到这位无比人物本人的活动。”

光学倍频（optical frequency doubling） 用非线性晶体使基频入射光波产生倍频光波（又称光学二次谐波）的非线性光学效应。1961 年弗兰根首次使光学倍频得以实现。次年，勃罗姆贝根作出了理论解释，为非线性光学奠定了基础。

当入射光很强时，入射光在晶体材料中感生的电极化强度 P 可能包含非线性项：

P=X(1)E+X(2)E2

如果某点处入射光波表示为 E=E0cosωt，则

p = 1 χ( 2) E2 + χ(1) E

cosωt + 1 χ^{(2) E2} cos2ωt。

2 0 0 2 0

可见，电极化强度中除了有直流成分外，还有频率为ω的基频和频率为 2ω的倍频成分。与这些电极化强度成分相应，有基频极化波 P（ω）和倍频极化波 P（2ω），及其相应的基频次波幅射和倍频次波辐射，即 E′

（ω）和 E′（2ω）。

在光学二次谐波产生过程中，非线性晶体的原子或分子的量子状态不发生变化，因此辐射场光子须满足能量守恒和动量守恒，后者在非线性光学中称为相位匹配。基频入射光子的能量为 hv，波矢

2πn(λ)

为k = α

；谐波光子能量hv′，波矢K′ = 2πn(λ′) α′ 。这里n

λ ⁰ λ′ ⁰

（λ）和 n（λ′）为非线性晶体对基频光和谐波光的折射率；α0 和α′

为基频光和谐波光传播方向上的单位矢量。于是能量守恒要求 hv+hv=hv

′，即要求二次谐波的频率 v′应该是入射基波频率的二倍。动量守恒要

求 h k +

2π

h k =

2π

h k′。若入射光和二次谐波波矢方向相同，即α = 2π ⁰

α′0 ，则要求n（λ） = n（λ′）。或以频率为标记表示为

n（v）=n（2v），即要求晶体对入射基波光和二次谐波光的折射率相同。设晶体为负单轴晶体，具有正常色散特性。晶体内 o 光和 e 光折射率满足条件：ne（2v）＞ne（v）和 n0（2v）＞n0（v）。则实验中可选择基频入射光以 o 光形式入射，使谐波光以 e 光形式出射，则在与晶体光轴成ψ0 角的特殊方向上，可以实现 ne（v）=n0（2v）。还可以用其它方法实现相位匹配条件。

光学倍频目前已广泛使用于激光频率转换，由基波向二次谐波的能量转换效率可达 30～50%。将 1.06 微米红外激光转换成 0.53 微米的绿色激光，已在实验室中实现。

光学放大率（optical magnification） 光学系统中某些互相对应量的比值。垂直于光轴的像长与对应的物长之比，称为横向放大率或垂轴放大率，用β表示。如果长度为 d 的物 AB 与光轴重合，它的共轭量 A′B

′也必与光轴重合，且像长为 d′。d′与 d 之比的极限为纵向放大率，用α表示，即

α = lim d′ 。

d→0 d

出射光线和光轴夹角的正切与入射光线和光轴夹角的正切之比，称为角放大率，用γ表示。如果 n、n′分别为入射光线和出射光线所在空间的折射率，在折射系统中，如下关系式成立：

α = β² n′ ，

n

β=αγ。

在光学仪器中，物通过光学仪器后所成的虚像对人眼瞳孔中心所张的角的正切，与物放在光学仪器所成虚像的平面上对瞳孔中心张角的正切的比值，称为仪器放大率，又称视角放大率。它是光学仪器的特性参数，但并不是光学系统互为对应的共轭量的比值，因此与横向、纵向放大率和角放大率的概念有所不同。

光学纤维（opticalfiber） 一种用玻璃、塑料或石英等透明材料拉制成的传光纤维。又称光导纤维或光纤。它是由很细的直径为几微米的高折射率纤维芯和低折射率的介质包层组成的。例如内层芯子的折射率为1.8，外层材料的折射率为 1.52。当光由内层射到内层纤维与外层介质的界面时，入射角小于临界角的那些光线根据折射定律射出纤维；入射角大于临界角的光线则由于全反射而仍然保持在纤维内传播，并最后传到光纤的另一端。大量这样的光纤组成的光纤束称为光导（或光缆），可用作照明传输或传递图像。由于低损耗和低色散光纤的研制成功，光缆已正在逐步取代电缆，应用于通讯技术。

光纤的种类很多，大致可分为两大类：相干纤维束用于传输图像；非相干纤维束用于传输照明。后者纤维束中各条纤维无需有规则排列。以光纤束中纤维的折射率分布来划分，有阶跃突变型和梯度渐变型两种。此外，

若光纤只能传输某一特定波长的光，则称为单模光纤；若可传输多种波长的光，称为多模光纤。按使用波段划分，除可见光波段光纤外，还有红外光纤和紫外光纤。以含钕的磷酸盐玻璃为芯所制成的光纤可作为激光谐振腔，在泵的作用下可以发射激光，故称为激活光纤。还有用耐辐照光学玻璃制成的耐辐照光纤，它可在强辐照环境中使用。

光学谐振腔（resonant cavity） 由两个或两个以上光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近 100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。两者有时也分别称为高反镜和低反镜。

种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。

如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔，否则称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长，使凹球面的球心落在腔内， 则腔中除沿光轴的光线外，其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔外， 故也为不稳定腔。对称凹面腔中，如腔长太长，使两球面球心分别落在腔中心点靠近自身一侧，也是一种不稳定腔。

稳定腔 光学谐振腔中任一束傍轴光束离光轴的距离，如果在它来回反射过程中不会无限增加，则这种腔必定是稳定腔。若用 L 代表腔长，R1、R2 分别为两球面反射镜的曲率半径，则稳定腔应满足如下条件：

0≤(1 −

L )(2 −

R1

L )≤1 。R 2

从第一个不等式看，只有 R1、R2 同时大于腔长或同时小于腔长时，才能形成稳定腔。从第二个不等式看，R1 和 R2 必须比腔长小，也不能小得太多。

功能 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统。

谐振腔的另一功能是对激光波型加以选择，使输出激光具有一定的纵模和横模。

光压（light pressure） 光施加于被照射物体上的压力，也称为辐射压力。麦克斯韦的电磁理论已指出光压的存在。1900 年俄国物理学家列别捷夫用实验证实了这一点。用光子概念更易理解光压。光子具有能量

hv，动量 hv 。如果频率为v的单色光正入射到物体表面上，设光通量

c

每秒内在每平方厘米上入射 N 个光子，则能量为 Nhv。如果受照物体是完全吸收体，则物体表面上每一平方厘米在每秒钟内获得的动量为 Nhv/c。这也就是作用在这个面上的光压。如果受照物体是完全反射体，则一个光子所引起的动量改变为 2hv/c ，作用在这个反射体表面上的光压为2Nhv/c。如果光子以入射角 i 入射物体表面，则光压还应乘 cos2i。光压的存在说明光子是物质存在的一种形式。

光源（light source） 将其它能量转变为光的物体或其表面。光源可以是天然的，如太阳。也可以是人造的，如各种灯和气体放电光源。激光器是一类新型的光源。就发光来说，直接将其他能量转换为光的装置称为初级光源；不是直接发光，仅是通过反射或透射获得的光，称为次级光源。在某些具体问题中，光源可以不是指直接发光体，如被照明的狭缝可以作为光源；用双棱镜形成光源的两个虚像，也可看作两个光源。当光源的几何线度远小于观察点到光源的距离时，称为点光源。在考察的问题中不能忽略发光面积时，称为扩展光源。表征光源发光本领的物理量是发光强度或亮度。单位时间内吸收的能量为 P，其中可能转化为光的能量为 P

_{光，则光源的辐射效率 P 光/P。}

光轴（optical axis） 球面镜曲率中心与该球面通光孔径中心点（又称顶点）的连线。又称主光轴或主轴。过曲率中心但不经过顶点的任意一条直线称为副光轴或副轴。对于薄透镜，通过光心和折射球面曲率中心的直线称为光轴；当入射、出射光线所在的两部分空间的折射率相同时，通过光心但不经过曲率中心的任意直线称为副光轴。

双折射晶体中存在一个特定的方向，称为晶体的光轴。光沿这个方向传播时，o 光和 e 光不分开，这表明它们的传播速度在该方向上是相同的， 这时不发生双折射现象。只有一个光轴方向的晶体为单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等；有两个光轴方向的晶体为双轴晶体，如云母、蓝宝石等。

光子（photon） 构成电磁场物质的基本粒子。是一种质量为零、自旋为 1 的电中性粒子，常用希文γ表示。光子也是传递电磁相互作用的媒介粒子。1900 年，普朗克为了解释黑体辐射的频率分布，最早提出了能量子的概念。他认为物质放出或吸收的电磁辐射的能量是分立的，是一份一份的。1905 年，爱因斯坦在解释光电效应时进一步指出，电磁辐射或光是由这种带有一份份能量的光量子构成的。1922～1923 年，康普顿通过 X 射线与电子的碰撞实验（康普顿效应）进一步显示了光的粒子性，光量子的观念于是被普遍接受。1926 年正式出现光子这个名词。光子的能量和动量分别为 E=hv，p=h/λ，其中 h 为普朗克常数，v 和λ分别为光的频率和波长。光子有很宽的能量范围，从高能γ光子、X 射线、紫外线、可见光、红外线，直到微波、射频波等。光子的静质量为零，根据狭义相对论，它在真空中只能恒以光速 c 运动。

广义相对论（general theory of relativity） 研究物质间引力相互作用的一种基本理论。爱因斯坦于 1915 年建立了这个理论。该理论的基本原理是：①“等效原理”。在任一小区域中的引力与某一加速系统中的惯性力等效。②“广义协变性原理”。任何物理现象的基本运动规律在任何参考系（包括非惯性系）中都相同。这一原理显然是狭义相对论中的爱

因斯坦相对性原理的进一步推广。

根据上述原理，引力的存在可用空间的弯曲来描写。弯曲时空空间称为黎曼空间，在这种四维空间中，线元（即无限小四维间隔）的平方一般可表示为 ds2=gμvdxμdxv，其中分别对μ，v 求和，求和遍及 0，1，2，3， 且 dx0=cdt，dx1=dx，dx2=dy，dx3=dz。gμv 称为“度规张量”，共有 16 个分量，它描述了时空的弯曲程度，因此也就描述了引力场的分布。在特殊情况下，若 g00=1，g11=g22=g33=-1，其它分量为零，则 ds2=c2dt2-dx2- dy2-dz2，这就是狭义相对论中的四维间隔的平方。由这一特殊的度规张量所描述的空间是平直空间（称为欧几里德空间），这时不存在引力场。爱因斯坦于是用（黎曼）几何学方法来研究引力场。引力场的基本方程是描述空间弯曲程度的度规张量及其导数与引起时空弯曲的源（物质的能量、动量，以及由于物质运动而产生的能量流和动量流）之间关系的方程。爱因斯坦的引力场方程是一高度非线性微分方程，一般很难严格求解。寻找某些条件下引力场方程的精确解以及建立有效的近似求解方法是广义相对论研究中的一个很重要的课题。

广义相对论导出了如下一些重要的结论。

1. 引力红移。在引力场作用下，时钟的频率或原子辐射的频率减小或向光谱的红端方向移动的现象。根据相对论，频率为 v 的光子具有的动质量为 hv/c2，这里 h 为普朗克常数，c 为光速。光子在引力场中因此也将具有引力势能。当光子从星体表面向外辐射到远处时，其引力势能将会增加。根据能量守恒定律，光子自身的能量将减小，频率降低，从而出现红移现象。当光子在地球表面的重力场中从高处向地球表面落下时，其重力势能减少，光子自身的能量增加，频率增高（称为“引力紫移”）。引力红移现象在白矮星光谱的观察中已得到证实。白矮星（天狼 B 星）由于引力场很强，其引力红移现象较为明显，实验上观察到的相对频移约为

△v = -6.6×10^-5 。光子在重力场中的引力紫移现象在1960年利用

v

穆斯堡尔效应对 57Fe 的一条γ谱线的实验中以很高的精度得到了证实。(2)行星近日点的进动。太阳系中行星的近日点位置随时间有变化，且

以水星的近日点进动最为显著，观察值为 5599.74″/百年。其中由于地面观察者的非惯性系效应的贡献为 5025.65″/百年；其他行星影响的贡献为531.54″/百年，余下的 42.55″/百年可用广义相对论解释。由于太阳质量使它周围的时空发生弯曲，根据广义相对论可以算出，绕太阳运行的行

星每公转一周，其近日点的进动量为△ =

6πGM

c²a(1 − ε)

，其中G为引力常数，

M 为太阳质量，a 为行星椭圆轨道半长轴，ε为偏心率。由此可以算出各行星的近日点进动量，其中以水星为最大，其值为 43.03″/百年。从而很好解释了牛顿理论所不能说明的行星近日点的剩余进动。

1. 光线偏折。光线经过质量为 M 的引力中心附近时，将会由于空间弯

曲而偏向引力中心，远处观察者测得的偏转角为δ = 4GM ，其中r 是光

c²r ⁰

线路径与质量中心的最短距离。根据这一公式，爱因斯坦曾预言当光擦过太阳边缘到达地球时，由于太阳引力场而产生的星光偏转角为 1.75″。这

一预言最早于 1919 年为日全食时的观察所证实。

1. 雷达回波延迟。从地球上发出一雷达波，到达太阳系中的某一行星

（如水星或金星），然后再被反射回来，其间由于经过太阳系引力场，其路径将有弯曲。从地面上测得的这种雷达波的往返时间Δτ（约 30 分钟）

将比无引力场时增长了约 200 微秒，这相当于其光程比真空直线距离长了

约 60 公里。这个实验是由夏皮洛于 1964 年最早提出的。至本世纪 70 年代末，这类实验的测量结果已经在 1%的精度上证实了广义相对论的预言。其后人们又利用人造卫星代替行星做了类似实验，使理论和实验的符合程度达到了千分之一。

《广义相对论的基础》 （ Die Grundlage der allgemeinen Relativitatstheorie） 爱因斯坦著。1916 年发表。是广义相对论的第一篇完整的论文。当年还出版了一个单行本，是物理科学中又一篇具有划时代意义的历史文献。全书除引言外，共分 5 个部分：A.“对相对性公设的原则性考查”；B.“建立广义协变方程的数学工具”；C.“引力场理论”； D.“‘物质’现象过程”；E.包括“牛顿理论作为第一级近似”、“静引力场中量杆和时钟的性状。光线的弯曲。行星轨道近日点的运动”。

该著作一开头就提出：“狭义相对论使空间和时间的理论所受的修改确实是深刻的，但在一个重要之点却保持原封未动。即⋯对一个静止（刚） 体上两个选定的质点，总对应着一个长度完全确定的距离，这距离同刚体所在的地点和取向都无关，而且也同时间无关。对于一只同（特许的）参照系相对静止的时钟上两个选定的指针位置，总对应着一个具有一定长度的时间间隔，这个间隔同地点和时间无关。我们马上就要指出，广义相对论就不能再固执坚持这种关于空间和时间的简单的物理解释了。”

接着指出，所以要扩充相对论公设的缘由，“是由 E.马赫最先清楚地指出来的”。爱因斯坦把狭义相对论所考察的作匀速运动的参照系之间的相对性，推广到作任意运动的参照系之间的相对性时认为：“物理学的定律必须具有这样的性质，它们对于以无论哪种方式运动着的参照系都是成立的”，即“普遍的自然规律是由那些对一切坐标都有效的方程来表示， 也就是说，它们对无论哪种代换都是协变的（广义协变）”，这就是广义协变性原理。广义协变性对物理定律的内容并没有什么限制，只是对定律的数学表述提出了要求。爱因斯坦后来也是这样认为的：广义协变性只有通过等效原理才能获得物理内容。

在该著作中，爱因斯坦再次强调了时间和空间的几何都不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定的思想。这个思想直接导致他采用黎曼几何来描述具有引力场的时间和空间，建立了正确的引力场方程。在此基础上，导出了作为场方程结果的物质的动量能量定律，进而精确地解释了水星近日点的剩余进动，并预言了“光线经过太阳，要受到 1.7″的弯曲”。著名的 1919 年日全食观测，证实了爱因斯坦关于光线偏折的预言，当时全世界为之轰动，情况之热烈，在科学史上是空前的。随后，广义相对论便被物理界普遍接受下来，并被公认为经典理论物理学中最完善的理论。

圭表（gnomon） 中国古代的天文计时器。表是一条直立的杆子，太阳光照射在表上，就在观测面上投射出一条影子。圭是测影长用的工具， 多数是用石料或铜料制成的一块平板，一头放在表基，延伸向北，在这块平板上刻凿尺寸。由圭和表合成的整体，称为圭表。《三辅黄图》中载：

“长安灵台有铜表，高八尺，长一丈三尺，广一尺二寸。”这里的“长一丈三尺”，指的是铜圭，这是目前能找到的整体圭表的最早记载。而郭守敬创用的高表为八尺之表的五倍。利用圭表，在白天测量太阳的影长，根据表影的长短，就可以确定冬至和夏至等节气。一年正午表影最长之日， 叫冬至；一年正午表影最短之日。叫夏至。再从这些表影最长和最短变化周期中，知道一年是三百六十五又四分之一日。圭表的作用，不但可以定夏至和冬至的时刻，而且在一日内，根据表影长短的变化，也可知道大概的时间。

归纳（induction） 从个别事实中概括出一般概念、一般规律的思维方法，是一种推理形式。归纳法分三个步骤：搜集材料、整理材料、抽象概括，因此归纳推理实质上就是抽象概括的思维方式。抽象是在思想中抽取事物的本质属性，概括是把这种属性推广到同一类事物上去，形成这类事物的普遍概念。抽象和概括是在对大量事实进行分析、综合的基础上， 总结出适用范围更为广泛结论的过程。物理的概述、一般原理和适用范围是运用归纳法，通过抽象、概括形成的。就形成概念而言，一般有两种运用归纳法来定义物理量的方式。一种是在抽象概括基础上形成的理论性定义，例如，物体所含物质的多少叫质量，物体运动的快慢叫速度。理论性定义给出了概念的物理意义。另一种是在抽象概括的基础上形成的操作性定义，例如，质量（惯性质量）是一个物体所受的力与产生加速度的比值， 速度是物体运动的位移与所用时间的比值，操作性定义给出了概念的量度方法。就物理教学中运用归纳推理的方式而言，在初中物理教学中常采用简单枚举归纳法，即只根据若干事便就推出一般性结论的或然性推理。简单枚举归纳得出的结论还必须经过实验检验才能成立。在高中物理教学中还常用科学归纳法，即由观察或实验发现一些事物具有某种属性，并分析其原因，然后推出这类事物都有该属性的推理。

近代归纳法是培根提出的。它是在 15 世纪后期适应科学发展的需要而产生的，15 至 17 世纪，自然科学在归纳法的指导下逐渐抛弃了经院哲学的束缚，借助于实验，正确地概括和总结了许多物质运动的特性和规律， 获得了辉煌的成就，科学的归纳法也取得了迅速的发展。经典物理学的奠基者伽俐略的许多成就，同归纳法联系在一起。例如单摆运动的等时性、加速度的概念、作匀加速运动的物体经过的路程与时间的平方成反比的规律，都是归纳法的结果。牛顿的不少成就也是从经验中找出普遍特性和规律。例如太阳光通过三棱镜得到太阳光谱而归纳出太阳光由多种色光组成。无论经典物理还是现代物理，归纳法都是不可缺少的，现代物理归纳法是对传统归纳法加以改造，应用概率的概念和概率论的数学工具形成的。

归纳法的基础和过程，决定了归纳的结论是一种不够严密的或然性的推理。它虽然深入到事物和实验中去，但不能保证通过感性认识就能全面、正确地把握和反映研究的对象，还要由实践作出裁决。例如伏打认为电池产生电流时本质在于金属接触，提出了“接触说”，是一种错误的归纳。若过分强调归纳法，还容易陷入狭隘的经验之中，有碍于发挥理论思维的作用。而在物理学研究中，理论思维有着重要的作用，现代物理学的发展， 越来越依赖于理论思维。由于现代物理学的研究对象很难用经验直接感受到，例如巨大、遥远的天体和极其渺小、存在时间又极其短暂的基本粒子

的运动和变化的研究必须借助于理论思维，而不是单凭简单的归纳法可以得出的。物理学中一些概念如场、熵无法从归纳法中得出，像原子、分子等客体，也不可能从经验事实中直接归纳得到。

轨迹（trajectory） 质点运动时其位矢端点所描绘出的一条连续曲线。质点运动时，其位置矢量连续地随时间变化，使位矢γ成为时间 t 的函数：r=r（t）。在以位矢起点为坐标原点的直角坐标系中，位矢函数可以表示成

γ（t）=x（t）i+y（t）j+z（t）k，

方程

x=x（t），y=y（t），z=z（t）

是质点的运动方程，同时也是质点轨迹的参数方程。从运动方程中消去时间 t，得出联系 x、y、z 之间的两个方程，这个方程组是质点在空间运动的轨迹方程。如质点在 z 平面中运动，这时 z=0，轨迹方程实际上是由 x=x（t）和 y=y（t）中消去时间 t 后所得出

的结果。例如，平抛体的运动方程可表示为x = v0 t，

1

y = gt 2

²（和

z=0），这里 x 轴为水平轴，y 轴竖直向下，抛出点为坐标原点，抛出时刻为 t=0，g 为重力加速度。消去时刻 t 后，可得平抛体的轨迹方程为

y = g 2v²

x²，

它是抛物线。轨迹方程也可用其他坐标表示，例如轨迹为圆周的平面极坐标方程是 r=a，这里圆心在极坐标的原点，圆轨迹半径为 a，（γ，θ） 是质点的平面极坐标，本例中，θ可取任意值。

郭永怀（1909～1968） 中国力学家，中国力学科学事业的开拓者之一。山东省荣成县人。1935 年毕业于北京大学物理系，后继续在该系攻读研究生。1940 年赴加拿大留学。1941 年获多伦多大学硕士学位。1941 年底赴美国加州理工学院航空系，在著名力学家冯·卡门的指导下，从事可压缩流体力学，特别是跨声速流体力学的研究。1945 年获博士学位。1946 年被聘为美国康乃尔大学教授。1956 年回国后，被聘为中国科学院力学研究所研究员、副所长，同时担任中国力学学会副理事长，中国科学技术大学化学物理系教授、系主任。1957 年当选为中国科学院数学物理学化学部学部委员。1968 年 12 月 5 日因公出差过程中飞机失事不幸牺牲。毕生致力于流体力学、空气动力学、爆炸力学以及新兴力学学科的研究。1945～ 1947 年从事跨声速流体力学解的不连续性问题的研究，并与著名力学家钱学森共同提出了“上临界马赫数”的概念，发表了《可压缩流体二维无旋的亚声速和超声速流动以及上临界马赫数》的论文，用超越几何函数展开， 发展了查普雷金的速度图法，使解在整个流场中很快收敛。此后又进一步研究了绕物体跨声速流动的稳定性问题，为飞机速度如何突破“声障”， 以及对提高超声速飞行速度作出了贡献，博得了国际上的普遍重视与公认。1953 年发表《在中等雷诺数下绕平板的不可压缩粘性流动》的重要论文，将变形坐标法与匹配渐近展开法结合起来，处理了平板边界层前缘的奇异性问题。这一开创性工作，被钱学森命名为“庞加莱—莱特希尔—郭永怀（PLX）方法。回国后，他继续指导学生研究湍流边界层方面的工作， 对钝体头部湍流传热给出了较好的计算方法。1963 年阐明了对钝锥绕流，

在一定情况下，其后身流场可能产生“悬挂”激波，并给出了产生二次激波的条件。此外，对高超声速气动力学的研究，对弹头外形、烧蚀、热环境和气动特性的研究，核爆力学的研究以及发展我国导弹、核弹、宇航事业和力学科学人才培养等方面，都作出了重要贡献。

国际物理奥林匹克竞赛（International Phy sics Olympiad，IPhO） 一项国际性的中学物理竞赛。它始于 1967 年，开始时仅东欧五国参加，后

扩展到包括原苏联在内的八个国家。自 1972 年开始有非东欧国家参加，以后逐渐扩大，21 届竞赛（1990 年）已有欧洲、美洲、亚洲和澳洲约 32 个国家参加，使它真正具有国际性。

根据竞赛章程，它的举办是为了促进学校物理教育方面国际交流的发展，主办竞赛和参赛都由各国教育部委托各该国物理学会负责组织。代表队一般由五人组成，参赛者年龄不得超过 20 岁，由领队和教练各一人陪同赴赛。竞赛则为个人之间的竞赛，不计国家名次。

竞赛分两天进行，理论、实验竞赛各占一天，各考 5 小时。理论试题

为三道，总分为 30 分，实验试题为一道或两道，总分为 20 分。应试范围编有大纲。从近年试题水平发展情况看，所涉及内容深度和对解题的创造性要求都很高，已超过许多国家中学教学的目标。参赛者一般都需经过一段时间的特殊培训。评奖办法如下：竞赛成绩最佳的三名参赛者所得积分的平均值计为 100%；积分在 90%以上（含 90%）的参赛者，授予一等奖（金奖）；积分低于 90%而在 78%以上（含 78%）的参赛者，授予二等奖（银奖）； 积分低于 65%而在 50%以上（含 50%）的参赛者，给予表扬；积分低于 50% 的参赛者，发给参赛证书。还可设理论成绩最佳奖、实验成绩最佳奖、女生成绩最佳奖等。竞赛的工作语言是英语和俄语，由领队负责将试题译成参赛者的母语。

我国从 1986 年起组队参赛。为了组队参加国际物理奥林匹克竞赛，我

国每年通过全国中学生物理竞赛挑选 15 名左右物理学习优秀的中学生，进行强化训练，最后选拔出参加国际物理奥林匹克竞赛的中国代表队队员。中国科学技术协会和国家教育委员会共同负责与国际物理奥林匹克竞赛的常设机构和每届的组织者联系，并承担集训及出国参赛经费，国家自然科学基金会支持此项活动，给以经费赞助，中国物理学会委托北京大学物理系负责代表队的集训。

在 1986 年～1992 年间，我国共派参赛者 33 人，其中得一等奖 13 人，

二等奖 10 人，三等奖 8 人，表扬 2 人。1994 年将在北京举行第 25 届竞赛。

国际物理教育研究组织（International Or-ganizations of Physics Education ）国际物理教育委员会（ International Connission of PhysicsEducation），简称 ICPE，是国际性的物理教育组织。它是国际性的物理学会组织“国际纯粹和应用物理学联合会（International Union of Pure and AppliedPhysies，简称 IUPAP）”下属的第 14 个专门委员会， 负责推动物理教育方面的国际交流，成立于 1960 年。它主办过多次国际性的物理教育学术会议，如关于普通教育中的物理教学、物理教师培养、物理研究生培养等专题的讨论会。近几年曾举办过三次国际性的“近代物理教学会议”（分别在瑞士、美国、德国举行），研究讨论如何将物理学的最新成果纳入大学基础课和中学课程，并促进在前沿学科作研究的物理学家与大、中学教师间的沟能、结合。它也参与和资助在各国举办国际性的

物理教学会议，例如 1986 年在南京举行的“国际物理教育学术讨论会”，

1990 年在天津举行的“国际物理实验教育学术会议”等。它还出版《国际物理教育通讯》（International Newsletter inPhysics Education）， 传播有关信息。现任主席是 E.L.Jossem（美），副主席 G.Marx（匈牙利）， 秘书长 J.Barojas（墨西哥）。委员会成员有我国赵凯华等。

国际物理教育研究组织（Groupe International deRecherche sur l’ Enseignement de la Physique），简称 GIREP。原是由欧洲国家发起的研究物理教育的组织，后来发展成为国际性。每隔一、二年举办一次国际性学术讨论会，大多在欧洲举行。议题一般都是在当前各国物理教育改革中大家感兴趣的问题，例如，中学物理中统计和概率的教学，熵的教学，代用能源与风险教育，在大学中学讲授非线性现象，从各人角度看力学教育， 从哥白尼到爱因斯坦等。现任主席是 P.Black（英）。

还有一些地区性的物理教育研究组织，如：

亚洲物理教育联络网（Asian Physics EducationNetwork），简称ASPEN。成立于 1981 年，现有亚洲和太平洋地区的 17 个国家参加。致力于推动亚太地区内大学物理教育有交流、合作。每年主办或资助举办一系列地区性物理教育会议和讲习班。重点放在第三世界国家物理教师最感兴趣的问题上。例如，如何使教学计划适合国家对物理人才的需要、实验教学

（1983 年北京会议的主题）、大中学衔接、微机视听等设备在物理教学中的应用等。出版刊物《亚洲—太平洋物理新闻》（Asia-Pacific Physics News）。现任主席是李椿（中），副主席 M.Zawawi Ismail（马来西亚）， 执行秘书 V.Talisayen（菲律宾）。

欧洲物理学会（European Physical Society）所属物理教育咨询委员会（Advisory Committee of PhysicsEducation），是欧洲方面的交流合作组织，兼顾大、中学物理教育。1983 年曾组织欧洲 20 国中学物理教育调查，也举办物理教育学术会议。出版刊物《欧洲物理教育新闻》

（Europhysics Education News） 。

南北美洲方面，美国物理教师协会（Associationof American Physics Teachers），简称 AAPT，实际上是美国和加拿大的物理教育组织。拉丁美洲各国也经常举行各种地区性的物理教育研究活动和学术讨论会。例如1987 年曾在墨西哥举行讨论物理教育合作联络网等问题的全美洲讨论会。

联合国教科文组织（简称 UNESCO，总部设于巴黎）和国际理论物理中心（简称 ICTP，设于意大利的特里雅斯特）也经常资助或组织物理教育方面的国际会议或活动。例如，联合国教科文组织目前正在推行一项适合第三世界国家的“大学现代科学基础课程”计划，在最近阶段集中于物理和化学方面。它把这一物理课程革新计划作为促进“北南东西四方的接触和合作”的活动。

国内外物理教学主要刊物（magazines of ph-ysics teaching） 在国内外公开发行的、以探讨物理教学为主要宗旨的出版物。

国内有关中学物理教学的主要刊物有：

《学科教学》（双月刊），由国家教委中小学教材审定委员会办公室和北京师范大学主办。编辑部：北京师范大学教育科学研究所。

《物理教学》（月刊），由中国物理学会教学研究委员会主力。编辑

部：华东师范大学。

《物理教师》（月刊），中国教育学会物理教学研究会会刊。编辑部： 苏州大学。

《物理通报》（月刊），涉及中学到大学普通物理的广泛教学问题。编辑部：河北大学。

《中学物理》（双月刊），由中国教育学会物理教学研究会、哈尔滨师范大学主办。编辑部：哈尔滨师范大学。

《物理教育研究》（季刊），哈尔滨师范大学主办。

《国际物理教育通讯》（International ExchangeProgram），每年 5 月、11 月定期出版两期。中国物理学会教学研究委员会国际交流组主办。编辑部：东南大学物理系。主要刊登国外大、中学样教育的经验、改革及发展趋向，刊登国际著名物理工作者有关物理教育的专论，报导国外大、中学校物理教育研究的重要活动及国际物理教育会议的有关信息。

国外讨论研究物理教学的刊物主要有：

《物理教师》（美）（Physics Teacher）（月刊，6、7、8 三个月停刊），由美国物理教师协会（AAPT）和马里兰大学物理和天文系主办。刊物宗旨是加强各级各类学校的基础物理教学，属于教育类刊物。

《物理教育》（英）（Physics Education）（双月刊），英国出版的一份讨论中学、大专和大学低年级基础物理教学的杂志。介绍物理教学中新方法、新仪器、各种专题文章、物理在其他学科和工业中的应用，以及教学难点讨论。