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基本单位（fundamentalunits） 见物理量。

基本粒子（elementary Particle） 在物质结构层次中属于比原子核更深层次的物质单元，如光子、电子、质子、中子、π介子等。迄今已确认有 400 余种基本粒子，它们都是通过宇宙线和加速器实验发现的。基本粒子的性质可用一系列描述其内禀性质的物理量，如质量、电荷、自旋、宇称、同位旅、轻子数、重子数、奇异数、超荷等表征。基本粒子之间存在弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用（参见基本相互作用）。通过这些相互作用，基本粒子可发生创生、湮灭以及相互转化等现象。

按照参与相互作用的类型，通常将基本粒子区分为三大类：轻子、强子和规范玻色子。轻子如电子、μ子和中微子等，它们仅参与弱作用和电磁作用。强子如质子、中子、π介子等，它们参与上述全部三种作用。规范玻色子如光子、中间玻色子（W±，Z0）、胶子等，它们是传递相互作用的媒介粒子。光子传递电磁作用，中间玻色子传递弱作用，胶子传递强作用。

基本粒子中除光子、电子、中微子和质子以及它们的反粒子等极少数几类粒子是稳定粒子外，绝大多数都是不稳定粒子，经历一定平均寿命后， 将通过相互作用而转化为其他粒子。平均寿命大于 10-16 秒的粒子包括稳定粒子只有 30 余种，粒子物理学中常常把这些粒子都称为稳定粒子。其余约百余种粒子的寿命约为 10-20 秒，另外 200 余种粒子的寿命约为 10-23 秒， 相当于接近光速运动的粒子穿越 10-15 米距离所需时间。

随着实验和理论研究的不断深入，本世纪 60 年代以来已发现许多基本粒子具有内部结构（参见强子结构）。这个发现使人们认识到，基本粒子这一名称并不确切。所以目前物理学界常常把原来所谓基本粒子的物质统称为粒子，把研究基本粒子性质及其相互转化规律的学科称为粒子物理学。

基本相互作用（fundamental interaction） 自然界普遍存在的物质间相互作用的现象。亦称基本力。迄今发现自然界中存在四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。其中引力作用和电磁作用广泛地存在于微观、宏观及宇观现象中，而弱作用和强作用则仅仅存在于比原子核更深层次的微观领域中。物理学中的一切现象和一切相互作用都可归因于这四种基本相互作用。

引力相互作用 物质间最普遍存在的一种基本相互作用。牛顿于 17

世纪用万有引力定律描述这种作用。爱因斯坦于 1916 年建立了广义相对论，利用时空弯曲来描述这种相互作用，并引进了引力场的概念。引力作用在四种基本作用中其强度最弱。例如两个质子之间的引力与它们之间在

同样距离上的库仑力之比为4πε 0

GM p ≌10^-38 ，式中ε 为真空电容

e 2 0

率，G 为引力常数，Mp 和 e 分别为质子的质量和电荷。由于引力作用的强度很弱，在微观现象和不少宏观现象中通常可不考虑。但是在大质量和电中性的天体和宇宙学等宇观领域中，引力相互作用常常是决定性的。

电磁相互作用 带电粒子间的相互作用，这种作用是通过电磁场传递

的。在量子理论中，电磁场由光子构成，所以实质上说，电磁作用是荷电粒子间通过光子传递的一种相互作用。从牛顿的万有引力定律和电磁学中的库仑定律可以看出，引力和电磁力的值都与两个质点或两个点电荷的距离平方成反比，即它们都是“平方反比的力”。这种力称为长程力，它们广泛地表现在微观和宏观等现象中。在原子线度（～10-10 米）、分子线度

（10-10 米～10-8 米）以及宏观线度上所发生的许多物理现象都可归因于电磁相互作用。通常所说的分子力、范德瓦尔斯力、摩擦力、附着力、弹性力等实质上都是电磁力的表现。宏观电磁相互作用的理论是 1864 年麦克斯韦建立的电磁理论，这个理论也常称为“经典电动力学”。该理论与量子力学原理相结合，便产生了“量子电动力学”，它是描写微观电磁相互作用的理论。电磁相互作用是目前人们研究得最多，认识最为深刻，应用也最为广泛的一种基本相互作用。

弱相互作用 人们对于弱作用的研究开始于 20 世纪 30 年代初关于β 衰变现象的研究，β衰变是一个中子衰变为一个质子、一个电子和一个相应的反中微子的过程。中子的寿命很长（约 15 分钟），所以导致中子发生β衰变的作用强度很弱，这种作用便称为弱相互作用。弱作用与电磁作用相比，有如下两个特点：一是其作用强度小，电磁作用的强度比弱作用的强度大 103 倍；另一特点是，其作用范围很小（＜10-16 米），是一种“短程力”，当粒子间的距离一旦达到或超过 10-16 米时，弱力便很快减小为零。所以弱相互作用仅仅发生在比原子核更深层次的微观世界中。现在已经知道，所有轻子（如电子、μ子、中微子等）和夸克都参与弱作用。由于强子由夸克构成，所以一切强子当然也参与弱作用。

本世纪 60 年代末又进一步发现，电磁作用和弱作用是一种统一相互作用（称为电弱相互作用）的不同表现。在这种理论中，传递弱作用的媒介粒子是中间玻色子 W±、Z0。

强相互作用 最早研究的强作用是原子核内核子间的核力相互作用。现在发现，强作用是存在于构成强子（如质子、中子、π介子等）的更基本组分粒子——夸克之间的一种作用。夸克带有色或色荷，这种色或色荷就是强作用的源。强作用也是一种媒递作用，传递强作用的媒介粒子是胶子。夸克的色荷有 3 种；胶子也带有色荷，胶子的色荷有 8 种。作为

比较，在电磁作用中电荷只有 2 种（正或负电荷）；传递电磁作用的光子则不带电。由此可知，强相互作用将显示出非常不同的特征。首先，强力是一种短程力，其作用距离＜10-15 米，即小于强子的线度。所以强相互作用仅仅存在于基本粒子领域中。另一个特点表现在它的作用强度随距离的变化。当夸克之间的距离达到 10-15 米或更大些时，强作用将显示为一种很强的吸引作用，使构成强子的夸克无法分离而成为自由夸克（夸克囚禁）； 当距离变小时，相互作用的强度反而变得愈来愈弱（渐近自由）。描述强相互作用的理论是“量子色动力学”。强相互作用使夸克紧密束缚为强子。原子核内核子间的核力实际上是构成质子或中子的夸克之间的强相互作用的一种剩余效应，犹如分子力得构成原子的原子核和电子之间电磁作用的一种剩余效应一样。核力虽然是强作用的一种剩余效应，但其强度通常比电磁力大两个数量级，从而能够克服原子核内质子间的静电斥力而使核子束缚在原子核内。下表简要列出了四种基本相互作用的特征。

四种基本相互作用的比较

基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff 1824～1887） 德国物理学家。生于柯尼斯堡。1847 年毕业于柯尼斯堡大学。1850 年任布雷斯劳大学教授。1854 年任海德堡大学教授。1875 年任柏林大学理论物理教授。同年当选为英国皇家学会会员。

主要贡献在电磁学和光谱学方面。1845 年，发表了关于电路计算的两个定律：①基尔霍夫第一定律又称节点电流定律，它是建立在稳恒条件之上的；②基尔霍夫第二定律又称回路电压定律，它是建立在稳恒电场的环路定理之上的。后来又阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致性。基尔霍夫两定律及其研究，是对欧姆定律的重大发展，在解决各种复杂电路问题中，占有重要地位。1859 年， 得出物体的发射本领和吸收本领的比值与物体的性质无关；对于所有物体，这个比值是波长和温度的普适函数的规律，被称为基尔霍夫辐射定律。同年，与著名化学家本生合作，创立了光谱分析方法，为光谱学的发展作出了贡献。1860 年，说明了夫琅和费线的起源，指出太阳光谱的暗线是太阳大气中元素吸收的结果。通过对太阳光谱进行多次测定分析，还证明了太阳上的元素与地球上的元素的一致性。1862 年，提出绝对黑体的概念， 并且给出绝对黑体的模型。基尔霍夫的热辐射定律和绝对黑体概念，成为普朗克提出量子论的基础。基尔霍夫的光谱分析方法奠定了天体物理学的基础。其所著的《数学物理学讲义》（共 4 卷，1876～1894），对德国理论物理学的发展有重大影响。

基尔霍夫定律（Kirchhoff law） 计算多回路电路问题的基本定律。由德国物理学家基尔霍夫在 1845 年首先提出，故名。包含两个定律。

1. 基尔霍夫第一定律：又称节点定律。在任一节点（电路中三个或三个以上支路联接的点）处，流向节点的电流之和等于流出节点的电流之和， 或者说，汇合于任一节点处的各支路电流代数和等于零，即

∑ I _k = 0。

k=1

通常规定流向节点的电流为正，离开节点的电流为负。基尔霍夫第一定律来源于电荷守恒定律。

1. 基尔霍夫第二定律：又称回路定律。对于多回路电路中的任一闭合回路，各段电路上电压降之和等于零，即

∑ U_k = 0。

k= 1

列出基尔霍夫第二定律的步骤是：①先选定回路绕行方向。②对于电阻，当假设的电流方向与回路的绕行方向一致时，该电阻上电压取正， Uk=IkRk；当假设的电流方向与回路的绕行方向相反时，该电阻上的电压取负，Uk=-IkRk。③对于电源，当电源的电动势εk 的方向（即电源的负极指向正极的方向）与回路绕行方向一致时，Uk=-εk；当与回路绕行方向相反时 Uk=εk。

基尔霍夫定律是网络分析中重要定律之一，适用于交直流电路。对于交流电路，该定律应用复数形式表示，即

n

∑&I k k=1

n

= 0，

∑ V& = 0，

k=1

式中 Ik 和 Vk 为复数电流和复数电压。

基矢（unit vector） 构成原胞的平行六面体的边矢量，如图所示的α1、α2、α3 三个矢量。基矢是从一个格点到另原胞一格点的位置矢量。原胞六面体的每一个顶角均为原子所占有，原胞内部没有原子。整个晶格就是原胞沿基矢方向的周期重复。

基音（fundamental tone） 又称第一谐音。物体振动往往是复合振动，它同时发出频率不同的音，其中频率最低的音称为基音，它好比是其他声音的基础。一般来说，基音总较其他谐音强，决定着复音的频率。但某些弦乐器（如小提琴、古琴）和铜管乐器（如长号、圆号）可用特殊的拉、拨、吹、按的演奏方法使个别谐音特别突出。

期刊管理系统（Periodical manage system） 是用计算机完成下列工作的系统。

1. 建立期刊文档。文档中记录可以包括反映期刊特征的现刊名、副刊名、原刊名、创刊年代或终刊年代、出版频率、文种、原刊物分类号、国际标准连续出版物号、检索号以及馆藏年、卷、期等十几种标识字段内容。

2. 期刊的订购。包括选书、订购、查核、续订、寄发、索补缺期单。(3)编制期刊目录。建立期刊编目的子系统，编制刊名、主题、地点、

供应者等各种顺序的目录，以及缺期目录、装订目录、收到刊物目录等， 同时还可以编制书本式期刊联合目录。

1. 登录。像登录专著一样，连续出版物管理系统也能记录收到的每一期刊物，并要求供应者供给未收到的各期和更新馆藏资料档案，自动登录过程中的有用副产品是编制新书目录，这种目录可对用户流通，因而可作为新到资料通报服务。

2. 期刊订购管理。由计算机查阅征订目录选书，同时打印征订单和办理续订手续。

3. 期刊装订管理。期刊是分册出版的刊物，一般需按年或卷装订成合订本，计算机可以作出有关装订的必要决定，印出装印通知单，当合订本送回时，更新装订记录等。

4. 期刊流通。主要包括两方面的工作，一是馆藏期刊的出借和归还工作；二是由计算机进行期刊定期定题发送处理工作。

5. 期刊检索。主要利用刊名、题内关键字和收藏单位代号等来实现各

种检索，一般是采用对话式检索。

积分矩形近似（integration by rectangle）近似计算中的一种方法。设 f（x）在区间（x0，xa）上是连续的，将 x 区域分成 n 个相等

的子区间（参见图），每一子区间的宽度为△x = xa − x0 ，并且在各子

n

区间内找这样一组数：

然后写出其求和公式

x0≤c1≤x1， x1≤c2≤x2， x2≤c3≤x3，

⋯

xn-1≤cn≤xn，

∑ f (c_i )·△x，

i=1

如果 n 取得非常多，上式变为定积分计算公式

xn n n

∫xf (x)dx = lim ∑ f (c_i )△x = lim ∑f(c_i )·△x。

₀ n→∞ i =1 △x→ 0 i=1

如果 ci=xi-1，则 f(ci)=f(xi-1)，上述积分变为：

xn n

∫xf (x)dx = lim ∑ f (x_i−1)△x = △x·∑f_i−1 = △x∑ y_i−1。

₀ n→∞ i =1

图中阴影区表示矩形近似的误差。计算积分值变为函数分立值的累加，最后乘以子区间的大小。

积分矩形近似图

积分抛物线近似（integration by parabola） 近似计算中的一种方法。设函数 f（x）在子区间（xi-1，xi+1）内用二次插值函数即抛物插值多项式表示，则可写成

∫xi+1 f (x)dx = ∫x i+1 (Ax ² + Bx + C)dx，

xi −1 xi −1

把积分限改为-△x 到△x 可使数式简化，即

∫xi+1 f (x)dx = ∫△x (Ax² + Bx + C)dx，

xi −1

−△x

= 1 A ³ + 1 Bx² + Cx｜ ^△x △x

3 2 ^—

= 2 A·△x³ + 2C·△x 。

3

根据二次插值多项式的计算，

A = y i+ − 2yi + yi−1 ，因此

2·△x ²

xi+1 f (d)ds = △x [ y − 2y + y ] + 2△x·y

i −1

3 i+1

i i−1 i

= △x [y 3

i− 1

• 4y

_i + yi+1 ]，

积分变量向 x1 到 xn 时，n 是奇整数，则

xn f( x)dx = △x ( y

• 4y

+ y ) + (y

• 4y

+ y ) + + (y

• 4y

• y )

x1 3

1 2 3 3 4 5

n− 2

n −1 n

= △x[y + 4y + 2y + 4y + 2y + + 4y

+ y ] 。

3 1 2 3 4 5

n−1 n

这就是计算面积的辛浦生法则。

积分梯形近似（integration by trapezoid） 近似计算中的一种方法。设函数 f（x）在子区间（xi，xi+1）内，用线性插值多项式来表示， 则在（xi，xi+1）范围内曲线下（参见附图）的面积是

xi+1

i

xi +1

f (x)dx

i

(Ax + B)dx

= Ax² +

 xi +1

 Bx

  i

= A x² + Bx − A x² − Bx 。

2 i+ 1

i+ 1

2 i i

根据插值多项式，有关系式：

A = y i+1 − yi ，B = xi+ 1·yi − xi ·yi+1 ，△x = x

• x ，

△x

所以改写为：

■

积分梯形近似图

△x

xi+1 f (x)dx =  yi+1 + y i (x

• x )

i+1 i



xi  2

 i+1 i



=  yi+1 + yi ·△x。

 

 

最后扩展到区间（x0，xn），那么积分的梯形近似为：

xn f ( x)dx = △x ( y + 2 n−1 y

x

_i + y _n )。

0 2 i=1

激光（laser） 60 年代初出现的受激辐射过程的新型光源。与普通

光相比，它具有方向性强、亮度大、单色性和相干性好的特点。自从 1960

年在实验室制成第一台红宝石激光器以来的 30 年里，激光技术的发展突飞

猛进。研制成功的各种激光器，其波段范围从 0.24 微米以下的紫外到 774 微米的远红外区。输出功率从几微瓦到几兆兆瓦。激光技术的应用和发展已对物理学和其它自然科学领域，以及工农业、医学和国防工业等部门产生了巨大的影响。从光学学科本身来看，近 30 年来关于激光物理和激光光谱的研究已取得了巨大的成果，开创了许多新的研究领域。激光技术已成为现代科学技术的重要组成部分。

历史上激光器是从微波量子激射器发展而来的。美国物理学家汤斯于1951 到 1954 年之间研制成功第一台微波量子激射器，那时亦称“脉塞”。

1958 年，肖洛和汤斯把微波量子激射器的原理推广到光学波段，促使梅曼

于 1960 年成功地产生了激光。激光的产生过程是一种光的受激辐射放大过程，按英文词汇第一个字母拼成“ laser”（light amplification by stimulatedemission of radiation），我国原来译为“莱塞”， 1964 年后改评为“激光”。

激光测距（laser ranging） 利用激光测量远处目标的距离。大体

上可分为适用于工程的短程测距，适用于大地测量和地震预极的中长程测距，以及适用于导弹、人造卫星、月球等空间目标的远程测距。激光测距是测量激光束发射至待测目标再返回的传播时间，再乘以光速，便可算出距离。

脉冲测距 用测距仪对准目标，使激光器发出一个强而窄的光脉冲。经发射望远镜压缩发散角后，一部分直接进入接收望远镜作为参考信号， 用来标定激光脉冲出发的时间；另一部分光脉冲则射向目标，然后经目标反射后返回，进入接收望远镜，经光电转换后进入时间记录系统。测得的时间由显示器标出，或者经过校正后，在显示器上可直接读出被测目标的距离。脉冲测距过程中，要求激光脉冲有足够的强度，并要求方向性和单色性好。光脉冲宽度要窄，避免反射回来的光和发射出去的光互相重叠。一般远距离测距采用固体激光器，近距离测距采用半导体激光器，激光雷达则常采用二氧化碳激光器。

相位测距 测量连续的调制激光在待测距离上往返过程中的相位差，再求出激光传播时间。为了便于相位测量，信号频率要低，因为低频信号的相位变化 2π需要的时间长。相位测距比脉冲测距在技术上复杂些，因为任何测量交变信号相位变化的方法，不能确定整周期相位变化， 只能测定小于 2π的相位变化。因此必须采用种种补偿办法。

激光雷达 激光测距仪的进一步发展，便是激光雷达。它既要求测定目标的距离，还要求测定目标的方位及其运动状态，以便对目标进行跟踪。激光雷达的优点是保密性好，抗干扰性强，测量精度高。但它的工作常常受到气候条件的限制，而且由于激光发散角小，不可能进行大面积搜索。

激光大气监测（laser monitoring of atmosph- ere） 基于大气中物质对光的吸收和散射，用激光雷达和长程吸收激光辐射的方法对大气进行监测。是大气遥感探测的新兴分支。

由于激光具有很好的单色性、方向性、相干性和高强度，所以它是光学探测大气方法中的理想光源。激光雷达方法就是将激光束经发射望远镜射向大气，当激光在大气中传播时，将与大气中的气体分子、粒子、水滴等相互作用，产生激光辐射能量的吸收和散射，其中后向散射光由接收望远镜接收，经光电探测器检测，最后将检测到的信号作为时间的函数加以记录或输入示波器，或记录在磁带上以便输入电子计算机进行信息处理。为适应大气探测的不同需要，在激光雷达基本结构的基础上发展了基于激光辐射和分子、原子不同相互作用机制的各类激光雷达，如拉曼激光雷达、共振激光雷达和差分吸收散射激光雷达。激光雷达常用的激光器是固体激光器，如 YAG（钇铝石榴石）激光器、钕玻璃激光器和二极管激光器，对于要求具有波长调谐的激光雷达，染料激光器也常被采用。为了有效地探测极低的回波强度，高灵敏的多级光电倍增管是较理想的探测器件。在有的激光雷达中，也采用光子计数和光外差探测技术来检测微弱信号。通常， 激光雷达采用的是单端系统，即激光束的发射和信号接收望远镜放在一起。

激光雷达和长程吸收等遥测技术主要用于以下几个方面：①污染气体探测。用激光遥测技术可以探测大气污染的时空分布，是大气监控的有效手段。根据拉曼散射和差分吸收的原理，已相应建成了监测污染气体的拉曼散射激光雷达和差分吸收激光雷达。分子的拉曼散射光波长不同于照射

光的波长，二者的差异只决定于散射分子的成分而与照射光的波长无关。由此可根据后向散射光的频移来鉴别污染气体的成分，并根据后向回波幅度的大小测定污染物的浓度。如日本在 1971 年建成的一台移动式拉曼激光雷达用来监测烟囱排放的 SO2，激光器的工作波长为 532 纳米，接收望远镜直径为 50 厘米，光电探测部分是高灵敏度的同步单光子计数设备。估算的 SO2 浓度为 1850ppm（1ppm 相当于百万分之一的体积比）。差分吸收激光雷达能灵敏地探测大气污染分子的浓度，这是由于大多数污染气体分子在中红外光谱区（2.5 微米～25 微米）具有特征结构的吸收谱线，这种激光雷达发射波长仅差百分之几微米的两种激光，其中之一恰好位于待测分子的中心吸收谱线上，另一波长则偏离此中心吸收线，而且尽可能位于该待测分子的吸收低谷。激光雷达接收到这两种波长的回波信号后，通过除法器处理，可以消除大气衰减和激光雷达仪器参数对探测精度的影响，从而获得待测气体分子的浓度。这类激光雷达对所发射激光的波长要求苛刻。在用差分吸收法测量时，如果接收的信号不是距离分辨的回波信号， 而是远距离的固定目标如山、树林或角反射器等的回波信号，此时所获得的是待测气体的全程积分浓度。西德首次用差分吸收激光雷达测量环境大气中的二氧化氮。差分吸收的长程监测可用于进行现场定域监测，如使用可调谐染料激光器与远距离后向反射器通过差分吸收探测烟囱羽中的二氧化硫；用分立可调谐激光器与远距离反射器探测二氧化氮，并可研究浓度随时间的变化规律。②云、降水和能见度的探测。用激光探测云的高度具有准确、快速的特点。激光雷达向云底发射一束激光脉冲，经过 t 时刻后， 收到云层的回波信号。根据光速 c 和时间 t，可求出激光雷达至云底的斜距，再由激光雷达的仰角，可求得云底离地面的垂直高度。如激光束遇到云层后继续在云中传输，直至穿过云层，遇上第二层或第三层云，就能接收到第二层或第三层云的激光回波，由此可确定各个层次的云层高度和厚度。用弹性后向散射激光雷达很容易完成云的一般观察或云层厚度和云顶高度的测量。光辐射在大气介质中传输时，大气吸收和散射使光强受到衰减。若距离度量 r 处的光强为 I（r），光在大气中传输距离元 dr 后，光强衰减量为-dI（r）与乘积 I（r） dr 成正比，比例系数σ（r）就是距离 r 处的大气消光系数。由激光雷达探测雨滴消光系数的分布后，可求得降水强度的分布。能见度是人眼视程的标度，根据理论推算及考虑到人眼的生理特点，水平能见度与水平方向大气平均消光系数的乘积等于 3.912。利用激光雷达探得大气消光系数的分布后，可求出各个方向的水平能见度。根据脉冲激光雷达探得不同仰角的激光大气回波信号后，可求得大气消光系数随高度的分布，从而可获得斜视能见度。③高层大气探测。主要是指对臭氧层和 80 千米～100 千米高度范围中的钠原子的探测。近十几年来，由于氟里昂等含氟氯烃化合物的大量排放，使得南极上空的臭氧层浓度几乎降低一半，形成所谓臭氧层空洞。如果空洞不断扩大，则将使地球丧失对太阳紫外辐射的屏蔽能力，从而引起生命平衡失调。因此密切监测南极上空的臭氧浓度，研究其变化规律及成因是十分必要的。通常用差分吸收散射激光雷达来进行监测。共振荧光激光雷达在探测高层大气中的原子成分方面显示出明显的优点，此时由于高层大气空气稀薄，又加上原子的散射截面比分子大得多，所以共振荧光效应突出。用一台闪光灯泵的若丹明 6G 染料激光器和孔径为 97 厘米的接收反射镜，能以高信噪比发现存

在于 90 千米～100 千米高空附近的钠层。

此外，激光雷达还可以用来探测风、湍流和飘尘，若将激光雷达安装在气象卫星上，它还能探测大气的温度、湿度和气压，使气象卫星获得更为丰富的全球气象资料。

激光的特性（features of laser）

方向性 点光源发出球面波，可以说没有方向性。平行光束的方向性最好，光束没有发散角。从光学谐振腔方面讲，只有平行于腔轴的光才能在腔内振荡而形成激光输出，因此激光束应该是方向性最好的平行光束， 没有发散角。理论证明激光束是高斯光束，它在光斑尺寸最小的束腰处是平面波，向前传播过程中又逐渐变成球面波。因此激光束的发散角既不是像平面波那样为零，也不是像球面波那样完全发散。激光的发散角与谐振腔结构有关，一般为毫弧度量级。这是指平面角。折算成立体角，约为 10-6 立体角。所以激光的方向性比普通光好得多。

亮度 对于一定的光源来说，其发光面上的亮度与该光源发光的面积、发光时间和发光立体角均成反比。这里说的亮度与人眼对不同波长的感光灵敏度无关，所以是辐射亮度而不是光亮度。人眼看不见红外激光， 但亮度仍很高，甚至可以用来切割金属。普通光源发光立体角为 4π，而激光的立体角可小至 10-6 数量级。激光的发光时间也可以压缩在极短的时间内。如红宝石脉冲激光器为 10-4 秒，调 Q 红宝石激光器则为 10-9 秒。锁模激光器的发光时间可短至 10-12 秒。因此，激光的亮度（有时候指功率密度，是同样的意思）可以达到太阳亮度的 1010 倍以上。如果再用透镜把激光会聚在更小的面积上，则可得到每平方厘米 1012 瓦的功率密度。

单色性 理想的单色光是正弦波，频率和波长完全确定。实际的光都是波列，由各种频率成份组合而成。只包含很小范围频率成份的光称为准单色光，频率宽度（也即波长宽度或谱线宽度）越小，单色性越好。由于激光谐振腔的反射镜具有波长选择性，加上激光是原子某一对固有能级间的受激跃迁，因此激光的频率宽度很窄。例如氦氖激光器输出的 0.6328

微米激光谱线，线宽为△λ = 10^-11微米。一般用 △λ 或△v 作为单色

λ v

性的标志。于是氦氖激光的 △λ 约为10^-11 ～10^-12 数量级。而λ = 0.6438

λ

微米的红镉线的 △λ 约为1.4×10^-6 ；波长λ = 0.6057微米的氪86线，

λ

△λ 为8×10^-7 。可见氦氖激光的单色性要好得多。在各种激光器中，

λ

单色性最好的是气体激光器，其次为固体和半导体激光器。如果再采用选模和稳频技术，则更可大大提高输出激光的单色性。

相干性 普通光的谱线宽度大，单色性差，因而时间相干性也差。普通光源发光面上不同两点所发出的光互相独立，因而没有空间相干性。对于激光，谱线宽度窄，单色性和时间相干性好。而且激光是在谐振腔内经反射镜多次来回反射振荡放大形成的。每经过一次反射，因反射镜的有限大小而引起衍射发散，向外衍射使光强减弱；向内的衍射使光束截面上各点发出的光互相混合。在经历多次衍射后，激光光束截面上各点的光彼此

都有联系，故空间相干性也很好。

激光加工（laser machining） 利用激光的高功率密度对材料进行加工。在 60 年代，激光主要应用于微型加工，例如轴承打孔、微型焊接、划片和切割等。后来又应用于微电子元件制造中，例如硅片退火、外延、掺杂、光刻等。到 70 年代后期，由于高功率激光器的研制成功，已发展到对大工件进行加工，如切割、热处理、表面合金化、深穿透焊接等等。

激光焊接 当高强度激光照射在材料表面上时，部分光能将被材料吸收而转变成热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的。一般要根据金属的光学性质（如反射和吸收）和热学性质（如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等）来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等，对普通金属来说， 光强吸收系数大约在 105～109 厘米-1 数量级。如果激光的功率密度为 105～ 109 瓦/厘米 2，则在金属表面的穿透深度为微米数量级。为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑，要控制激光功率密度，使金属表面温度维持在沸点附近。对一般金属，激光功率密度常取 105～106 瓦/厘米 2 左右。激光焊接有许多优点。它的突出优点在于高熔点金属或两种不同金属的焊接，而且光斑小，热形变小，还可对透明外壳内的部件进行焊接，适于实现自动化。

激光切割 用高功率激光照射材料，使材料瞬间气化并形成孔。移动激光束便可在材料上形成深而窄的切口。激光切割的优点是：切缝窄而平整，材料变形少，适用于机械强度高、熔点高的不锈钢或合金钢。

激光热处理 用激光照射材料，使表面迅速加热。控制加热温度在材料的临界温度以上、熔点以下。移去激光后，材料便迅速自淬冷却。对材料进行热处理后，可使表面的结晶结构发生变化，提高表面硬度。用来进行表面硬化的激光，其功率密度一般在 103～104 瓦/厘米 2 的数量级。优点是可处理各种形状的零件，而且加热速度快，因此工件变形小。

利用激光能进行局部加热的特点，可对工件表面进行合金化。主要是在金属表面进行碳、氮、铬的扩散或其它元素的气相沉积，从而获得所需的物理化学性能。

激光理论（laser theory） 研究激光形成机制和激光与物质相互作用的理论。将激光场看成由麦克斯韦方程组描述的经典电磁波场，将介质原子或其它微观粒子看作由薛定谔方程描述的量子力学系统，场对介质的作用使原子的状态发生变化因而表现为微扰哈密顿量，而介质所产生的极化强度又成为电磁波场的源。这种相互作用反复进行，达到自洽。这就是兰姆的激光半经典理论。用此理论可以满意地解释激光振荡的阈值条件、增益饱和、频率牵引和推斥、模式竞争和模式锁定，以及烧孔效应、兰姆凹陷等等许多有关激光的问题。半经典理论不能说明激光场由真空场建立，也不能解释辐射场噪声所引起的激光线宽以及激光场的光子统计学规律。激光的全量子理论把原子体系和辐射场都作量子化处理，建立激光场的约化密度矩阵运动方程，可以对半经典理论不能解释的三个问题作出满意的说明。另外，还有一种简化的量子理论，称为速率方程。该理论忽略光子数起伏和量子化激光场的相位特性，描写光子和原子体系的相互作用，可以对激光的有关问题作定性的解释。

激光疗法（laser therapy） 利用激光治疗疾病的方法。激光光束作用于机体，可在极短时间内产生热、光、机械压力和电磁场等效应，从而产生治疗作用。激光的热效应是指利用激光的能量集中，使被照射部位

产生很高的温度，有时在极短的时间内可达千度以上，这样高的温度足以使机体组织受到烧灼而裂开或汽化而实现医疗作用。如激光刀就是按照这一机理来完成外科手术的。激光的光效应是指生物体吸收激光后，使生物体发生化学变化。如将激光用于对癌的诊断和治疗等都是激光光效应的结果，目前这一领域正在深入研究。激光的压力效应是由于激光束很细而光强很强，因而聚焦后投射到生物体上就产生很大的压力，这种压力有时可大到几千个大气压，从而会使病灶爆炸，而把病毒细胞分离出来。激光作为一种特殊的电磁波，当光的强度很强时，其电磁场强度也很强，因此激光的电磁效应也很明显。这种电磁波作用在机体细胞上，细胞会受到一种作用力，因此对病理组织的细胞产生抑制作用。

激光医疗与激光技术的进步密切相关，最初应用的是红宝石激光，并在眼科、牙科率先进行尝试。Ar 激光器出现后，由于它发出的绿光或青光很少被眼睛的玻璃体吸收，而能为眼底视网膜组织吸收，并通过光-热作用凝固止血，因此成功地治疗了视网膜剥落、眼底出血等疾病，使激光医疗跨出了第一步。后来利用石英光纤传递激光光束，再配以内窥镜，实现了体腔内病巢的非手术切开治疗。随着激光技术和医疗仪器的发展，目前几乎在所有医疗领域都可以看到激光治疗的例子：①成形外科，用 CO2、Ar、Nd：YAG 以及染料激光可去除痣等皮肤表面的异物。②肺外科，Ar、YAG、Ar-染料等激光与支气管镜相配合，可治疗肺癌、气管狭窄等疾病。③心血管外科的激光治疗也有进展，用高功率激光在心肌打贯穿孔治疗因冠状动脉狭小而造成冠状动脉不能回路。CO2、YAG、Ar 激光还可进行血管吻合术和血管形成术。④整形外科和一般外科，主要使用 CO2 激光。⑤脑外科则常将 CO2 激光和手术显微镜配合进行微细手术。⑥内科，采用掺钕钇铝石榴石激光和内窥镜的凝固治疗已占绝对优势，对于消化系统的早期癌症、胃溃疡、动脉出血等体腔疾病的非剖腹治疗也正在发挥威力。还可利用激光治疗结石、膀胱癌、前列腺癌、尿道狭窄以及妇科等疾病。激光疗法作为一种新颖、安全、高效的医疗手段正受到人们广泛的重视，并不断得到发展。

激光器（laser） 产生激光光源的器械装置。激光器由三部分组成： 工作物质、光学谐振腔和激励系统。工作物质用来产生激光，常常把工作物质名称放在激光器之前，例如氦氖激光器、红宝石激光器等等。并非各种物质都能实现粒子数反转。在能实现粒子数反转的物质中，也不是任何两个能级间均能实现粒子数反转。因此寻找适当的工作物质和适当的能级就非常重要。激光是一种受激辐射。但是在一般情况下，受激辐射总是远小于自发辐射。光学谐振腔的作用是使某一方向上的受激辐射产生正反馈并实现振荡，以便使受激辐射超过自发辐射。激励系统是能源，又称抽运或泵。意思是把处于激光下能级上的粒子，泵到上能级去，以便实现粒子数反转。

按工作物质分类，有气体激光器、液体激光器、固体激光器和半导体激光器等。按激励方式分类，有热激励、光泵激励、化学激励、核激励和放电激励激光器等。按谐振胶结构分类，有稳定腔、亚稳腔和非稳腔激光器等。按工作方式分类，有连续、脉冲、调 Q、锁模激光器等。按激光输出特性分类，有单模、多模激光器等。按输出波段分类，有红外、可见和

紫外激光器等。还有很多其它的命令方式，如可调谐激光器，稳频激光器， 环行激光器，折叠式激光器，等等。

激光器在生产、科研和国防上都有重要的应用。

激光医学（laser madicine） 激光在医学上诊断和治疗等方面的应用。利用波长为 10.6 微米的二氧化碳红外激光作外科手术刀，已取得很好效果。这一波长的红外光容易被水吸收，而生物组织都含有 75%以上的水。用 50 瓦的二氧化碳激光连续照射在生物组织上，使生物组织升温汽化，以达到切割的目的。激光手术刀的优点是可将激光聚焦在很小的范围而不致伤害周围的组织，出血量较少。眼科上常用这种技术治疗网膜裂孔、青光眼、白内障等。用弱激光如氦氖激光照射穴位或病灶区，具有消炎、镇痛、散瘀、消肿、促进伤口愈合等作用。

激光育种（laser breeding） 激光在农业上的一种应用。例如，实验上用红宝石激光照射蚕豆种子，能使发芽期从 26 天缩短至 16 天。其它各种种子经激光照射后，都有类似的情况。其原因是，激光光子激活了生物分子中某种特定的生物键，从而改变了分子结构，影响了遗传密码。这种激光对生命物质的影响有可能通过细胞分裂传至后代。激光诱发突变的成功率较高，但不易做到定向诱发突变。有些昆虫经激光照射后，会丧失繁殖能力，这对农业上病虫害防治有作用。

几何光学（geometrical optics） 在不涉及光的发射和吸收等与物质相互作用过程的微观机制，将光的波长视为极短，从而其波动效应不明显时，仅仅研究光在透明介质中传播规律的光学分支。它的理论基础是： 光的直线传播定律，光的反射和折射定律，光的独立传播定律，以及光路可逆原理。几何光学是波动光学在光的波长趋于零时的极限。在实际应用中，大多数光学元件的线度比所涉及的光的波长大得多，这时就可应用几何光学。几何光学是光学系统设计的理论基础，但即使把所有几何像差全部消除，由于存在着衍射效应，光学系统仍不可能理想成像。因此，对光学系统的像场分布、分辨本领、成像质量等问题进行讨论时，仍然需要应用波动光学。

机器人（robot） 具有类似某些生物器官功能、用以完成特定操作或移动任务的应用程序控制的机械电子自动装置。机器人（Robot）一词来源于捷克语。1920 年，捷克作家卡列尔·查培克创作的幻想剧《洛桑万能机器人公司》（Rossum’sUniversal Robot），第一次使用“Robot”一词。后来被许多科学家所采用。

现代机器人问世于本世纪 50 年代。美国联合控制公司是开发工业机器人的先驱。1958 年该公司利用德威尔的专利，首先研制出数字控制的自动编程装置。1961 年美国尤尼梅逊公司制成世界上第一台往复式工业机器人。到 1979 年，随着微电子技术的一系列突破，人们开始赋予机器人更多的才能，使他们能说会走，有视觉、听觉、嗅觉、触觉，甚至有一定思维能力。全世界机器人的产量也以 30%以上的年率递增。因此，人们常常把1979 年称为“机器人的元年”。

现代机器人必须具备两个特性：首先要具有类似于人的上肢功能，即可做空间多自由度运动；其次是要使用计算机控制，能灵活地适应不断变化的工作情况。由此不难看出，机器人本身是机电一体化的产物。

机器人的“大脑”是一部电脑，存贮器中存放着程序和资料；机器人

的“眼”是电视摄像机，通过图像识别装置把接收的电信号进行分类，辨别出所识目标；机器人的“耳”是话筒或录音机，用来收集声音信号；机器人的“嘴”是扬声器，用来发音和说话；机器人的“鼻”是用半导体气敏传感器制成的电子鼻，能灵敏地测出有毒气体或可燃气体的含量，以便人们及时预防；机器人的“手和脚”能运动，手上装有力敏、热敏等传感器，使手具有触觉和力感，脚可移动。手和脚的活动由受电脑指挥的运动执行机构完成。

机器人分类的方法很多，若按用途分类，有如下几种类型：①工业机器人；②医疗福利机器人；③教育娱乐用机器人；④特殊作业用机器人；

⑤其他。

机器人能适应各种艰苦和危险的环境，酷暑高温中不产生疲劳，凛列寒风中也不缩手缩脚，不嫌噪音刺耳，也不介意有毒的烟雾，动作准确， 节奏明快，误差极小。机器人的使用可大大提高劳动生产率，实现多品种小批量生产的自动化，保证产品质量的稳定，减少工伤事故等。

机械能（mechanical energy） 物质机械运动的量度。一般指动能或势能，或动能与势能之和。

机械能守恒定律 （ Principle of conservation ofmechanical energy） 经典力学的一条基本定律。当力学系统所受外力和内力都是保守力，或虽有非保守力但它不作功时，系统的动能 T，它在外力场中的势能 Ve 和在内力场中的势能 Vi 之和，即系统的机械能，在运动过程中保持为常量，即

T+Ve+Vi=常量。

对一个质点来说，机械能守恒定律表述为：质点在保守力场中运动时， 其动能 T 和在此力场中的势能 V 之和，即机械能保持不变：

T+V=常量。

机械能守恒定律一方面是牛顿定律的推论，另一方面又是自然界普遍规律——能量守恒定律在机械运动中的表述。

机械效率（mechanical efficiency） 机械输出功与输入功之比。任何机械在工作时由于摩擦和其他原因必有能量损失，故机械效率恒小于100%。机械效率也就成为用以衡量机械摩擦损失和损耗功率的大小。常用百分数表示。例如，一机械系统的机械效率为 30%，是指对机械输入的功为 10 焦耳时，它输出的有用功是 3 焦耳，其他 7 焦耳的功被用来克服例如摩擦力而转化为无法利用的热能。

吉伯（William Gilber 1544～1603） 英国物理学家。生于英格兰的科尔切斯特。14 岁入剑桥圣约翰学院学习，1569 年获医学博士学位。1601年任英国伊丽沙白一世女王御医。

吉伯是近代磁学和电学的创始人之一。1600 年发表了他的著作《磁性、磁体和巨大地磁体》，叙述了他对磁现象和电现象的研究（包括 500 多个实验），建立了最早的磁学和电学的理论。他通过磁石球实验证明地球为一大磁体，磁针指南北是由于地球为磁体，而不是天体（如北极星） 吸引；发现磁铁永远有两个极——北极和南极，分割磁铁时，永远不会得到只有一个磁极的磁铁；发现利用磁铁会使天然磁性加强的现象。用自己设计的第一台验电器证明，不仅是琥珀，而且如金刚石等多种物体摩擦之后都能吸引轻小物体；首次明确区别了电的吸引与磁的吸引，指出电和磁

是两种不同性质的力；最早提出“电”、“电力”和“电吸引”等概念； 还观察到火焰能使物体被摩擦时所获得的电性质消失。吉伯的工作是实验和学术相结合的典范，对后来英国科学的发展产生过很大的影响。

吉布斯相律（Gibbs phase rule） 参见相和相变。

吉布斯佯谬（Gibbs paradox） 经典统计物理学从计算系统微观状态入手，在得出不同种类理想气体混合前后熵改变的公式以后再讨论相同种类理想气体混合前后熵改变时而得到的不合理推论。

按照经典统计物理学，对于一个能量 E、粒子数 N 和体积 V 给定的孤立系统，它的熵函数 S 与系统可能存在的微观状态数Γ之间有如下关系S=klnГ（k 为玻耳兹曼常数）。吉布斯设想了初始温度都是 T 的两种理想气体，分别处于用隔板隔开的两个容器中（见图），然后抽去隔板，使两种气体混合。利用上述关系式可以得出，在气体混合以后的熵 Sf 大于混合前两种气体熵的总和 Si，即△S=Sf-Si＞O。这个结论是必然的，因为这种混合过程是热力学的不可逆过程，在混合以后，不能用任何简单手续在不引起外界任何变化的条件下把两种气体重新分开，而在绝热的不可逆过程中熵一定增大。如果被隔板分开的同种理想气体，按上述方法混合后，同样可以得到熵增大的结果。然而这个结论是不合理的，因为这种混合过程是热力学的可逆过程，在混合以后，重新放入隔板，气体依然恢复到混合前的状态，而不引起外界的任何变化，而在绝热的可逆过程中熵应保持不变。这个不合理的结论就称为吉布斯佯谬。

为了消除这个佯谬，吉布斯对系统的微观状态的计数进行了修正，加

上了一个

1 的因子，从而使N个粒子系统的熵的表示式中减去一个特

N!

定量 klnN＃用这个修正以后的熵来计算同类气体混合前后的熵变，就得出了合理的结论，不再出现吉布斯佯谬。这样做的物理原因在于组成系统的微观粒子是不可分辨的全同粒子，而经典统计理论恰恰给微观粒子编了号，使微观粒子成为可分辨的，从而使 N 个粒子互换产生出 N！个新的不同的微观状态，导致了吉布斯佯谬。在量子统计理论中，考虑到粒子的不可分辨性以及由此导致的波函数的对称性，在涉及微观状态的计数时自动

地出现因子

1 ，从而根本上解决了吉布斯佯谬。

N!

集成电路（integrated circuits） 把二极管、晶体管以及电阻、电容等元件同时制备在一块薄薄的硅单晶片上，并把它们按电子线路的要求连接起来，使它具有电路的功能，这就是集成电路。集成电路是在 1958 年由美国德克萨斯公司的科学家吉尔比首先发明的。

集成电路按集成元件数目的多少可区分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路等。小规模集成电路所包含的元件数约为 10 个～100 个；中规模约为 100 个～1000 个；大规模约为 1000 个～100000 个；而超大规模集成电路的元件数则常常在 106 个以上。

根据制造工艺的不同，可将集成电路分为半导体集成电路、薄膜集成电路，厚膜集成电路和混合集成电路。目前世界上产量最多、应用最广的是半导体集成电路。

极光（aurora） 在晴朗的夜晚，北极地区和南极地区的上空会浮现和闪耀绚丽多彩的道道强光，通常黄绿相映，有时还出现红、蓝、紫色，

其强度作时慢时快的浮动，这就是极光。极光出现时，景象壮观，道道极光平行列成长排，好似光彩熠熠的帷幕。

极光起因于太空中带电粒子与地球大气层中原子和分子的碰撞。太空中带电粒子进入地磁场时，由于洛伦兹力而倾向于运动到地磁两极处，当这些运动电荷与大气层中的原子、分子碰撞时，会撞出原子和分子中的电子。在游离电子与离子结合时，便发出强光。极光现象与太阳表面活动有密切联系。太阳常发生大量炽热气体的猛烈喷发（耀斑现象），此时有大量的高能带电粒子流射入太空，部分进入地球大气层被吸引到地球磁极附近，随即出现极光现象。

计算机辅助物理教学 （ computer-assisted instr-uction in physics） 运用计算机作为信息交流和信息处理工具的物理教学辅助系统。计算机辅助物理教学的主要方式有以下几种。

1. 人机对话。运用不同项目的学习软件，通过学生操作计算机学习有关物理知识，进行自测、反馈和再学习。计算机是实现物理教学过程个别化的一种重要工具，而人机对话是实现教学过程个别化的一种重要方式。 (2)模拟物理现象和过程。运用设计好的软件，计算机可形象地摸拟许

多物理现象和过程，尤其是能把一些课堂上不能演示的物理现象和过程（例如随机性质的物理现象）直观地模拟出来。由于微机画面能模拟物理过程的动态特性，并能运用声光结合的手段，因此模拟效果比挂图、板画好，能给学生留下较深印象，有利于学生对物理知识的理解和提高学习兴趣。 (3)实验信息的适时处理。利用各种传感器将实验中的非电信号（如时

间、温度、压力等）转换成电信号，再通过微机接口变换信号，经一定程序软件处理，即可在显示屏上适时显示物理量的变化情况和某些物理量间的关系。例如，利用微机可适时显示温度、压力、冲力、动量、动能、势能等物理量随时间变化的关系。用计算机适时处理演示实验的信息，迅速显示演示实验效果，能大大提高教学效率和增强教学效果。

(4)处理实验数据。将实验中记录下的数据输入计算机进行运算和作图，可大大减少某些费时的数据处理工作时间。但在中学阶段仍应加强学生处理数据能力的基本训练，不宜完全由计算机代替学生的实验数据处理工作。

计算机辅助物理教学必须与其他教学手段配合使用。它毕竟只是一种教学手段和工具，不能代替教师和真实实验的作用。

计算机图形学（computer graphics） 研究和利用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。计算机图形学是随着计算机硬件、软件技术的飞速进步以及计算机的应用逐步由数值计算、数据处理向信息处理和知识处理领域拓宽而产生的一门新学科。它主要涉及图像处理、模式识别和计算几何。图像处理是将客观世界中物体的原始映像处理成新的数字化图像，如气象预报中的云图和海图处理等，其核心技术是消除噪声，使模糊图像变得清晰，突出图像中某些特征和重建三维图像。模式识别是分析和识别所输入的图像，找出其特征，如数字、字母及汉字的自动识别等。计算几何则着重研究如何使用计算机进行表示和处理几何形体，实现三维造形、曲面的构造与拼接等。

计算机图形学一般包括图形信息的输入、输出、显示，图形的变换、增强、识别，图形与图形间的运算以及人机交互式绘图等方面内容。它利

用计算机及其外部设备如数控绘图机、光笔图形显示器、图数转换器、坐标读取装置等，能高速度、高精度地自动绘制各种图样和进行辅助设计。计算机产生图形的过程大体上分成两步：首先为被研究的对象建立模型， 即使用计算机对该对象进行描述，研究对象可以是各种实际物体如汽车、房屋等，也可以是抽象的或假想的事物如天气形势、人口分布等。计算机图形学根据研究对象的几何性质和外貌特征（形状、大小、位置、结构、颜色等），在计算机中建立起它的几何模型。然后根据实际问题的需要， 像照相一样，选择适当的观察位置和视角，设定取景范围和深度，布置光源的数目、种类、颜色及强弱等，最后产生该对象的图形输出。图形输出可通过彩色显示器或绘图机、激光印字机等设备进行。

利用计算机生成图形是自从发明照相和电影、电视技术以来一种最重要的产生图形的机械手段。与照相和影视技术相比，它的主要优点有：计算机不仅能生成实物对象的图形，还能生成假想或抽象对象的图形，如科幻片中怪兽、飞行器，构思中的新产品外形图等；计算机除了能生成静态图形外，还能生成各种动态图形，反映各种运动和变化，并可在生成图形过程中进行人机对话实施各种控制和修改。目前计算机图形学已得到广泛应用，主要有：计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）、地理信息和自然资源、自然现象的图形制作、作战指挥和军事训练、计算机动画和计算机艺术、计算机辅助教育和计算机辅助教学（CBE/CAI）、科学计算形象化技术、电子印刷排版等。

计算机在人事资料管理中的应用 （applicationof computer in personnel management） 用计算机管理人事资料，具有查询迅速、使用方便、安全可靠、输出格式多样、保密性强等优点。常用的人事资料信息一般分为两个部分：履历表文件和档案资料文件。履历表文件的信息按编号顺序（由小到大）存放在数据文件（Datafile）中。一个数据文件存放一个单位（教研室、研究所、工厂、车间或处、科）人员的履历表。一个成员的履历表信息称为一个记录（Record）。一个记录包含有若干字段。整个数据文件的全部记在履历表文件中。记录中某些项可能是空的，有些可用代号（或者字符）来表示。例如性别可用 M 代表男性，而没有 M 的代表女性。在输出信息时，由输出程序作相应的转换，因而不影响查询。履历表信息是按编号顺序一个记录接一个记录地记入存储介质的。而读出时可以从第一个记录开始，也可以从中间任意一个记录开始。每一次读出的记录个数不受限制。但是通常要考虑显示屏幅面的容量或打印机行宽的限制。档案资料文件较详细记载了每个人的情况。其内容包括：经历（学历、工作经历等），技术情况（发明创造、论文、译著、职称晋升情况等）， 工资级别变迁情况等。为了节省存储空间，档案资料文件应尽可能精炼。对人事档案通常要进行以下几方面的操作：①查阅。查阅是通过查询程序查阅所需的人事资料，查询的快速度及灵活性极为重要。由于人事资料有一定的保密要求，因此在进入查询程序之前要进行保密审核，并要进行用户登记审查。查阅有三种方式：成批查阅、单个查阅和条件查阅。成批查阅是对一批记录进行查阅。这批记录可以是一个组、科或车间人员的履历表。单个查阅是为用户找出他所指定的某一成员信息并且显示或者打印出来的一种方式。条件查阅方式是根据用户所规定的某些条件来查阅有关成员信息。用户规定的条件可以是一项，也可以是多项。条件的内容就是履

历表中的各个项目，在调查某类人员情况时，往往就要用条件查阅方式。

②统计数据，打印报表。使用统计程序可实现对某类人员情况的统计。用户提出的条件或项目的个数是任意的，履历表中所有的项目都可以作为条件。用户造表输出可根据具体需要，用户提出造表要求，由输出程序编制表格并显示出来，或者在打印机上打印。③更新。由于情况的变化，人事调动等，履历表信息和档案资料文件就要作相应的更新。更新有三种方式， 删除、增加和修改。删除是从履历表中抹去一个或一批记录的一种更新方式。给履历表文件增加一个或多个记录的更新方式叫做增加工作方式。例如招收一批职工，这就需要将这些职工的记录存入到适当的位置。修改是修改已有记录中的项目内容。在操作过程中首先要求用户给出相应记录中想要修改的项目内容及新内容，然后进行修改操作。

加速度（acceleration） 是描述物体运动速度变化快慢的物理量。在从时刻 t 到时刻 t+△t 的时间之内，质点的速度增量为△v=v（t+

△t） - v（t），比值 △v 是速度矢量在时间△t内的平均变化率，称

△t

为质点在△t 中的平均加速度，记为α平：

a = v( t + △t) − v( t) = △v ，

^平 △t △t

平均加速度的方向与时间△t 内质点速度增量的方向一致。平均加速度反映质点运动速度在时间△t 内的平均变化率。

当时间△t→0 时，平均加速度的极限称为在时刻 t 的瞬时加速度，以α表示：

a = lim △v = dv =

d ( dr )。

△→0 △t

dt dt dt

瞬时加速度又称为即时加速度或简称为加速度。加速度是速度矢量对时间的一阶导数，也是位矢对时间的二阶导数。

加速度的方向是速度增量△v 的极限方向，也是速端图中速端连线的切线方向，在质点作曲线运动时，加速度方向指向轨迹的凹侧。

■曲线运动中α指向轨迹的凹侧

在直角坐标系中，加速度可以用质点的直角坐标表示为

d ²x

a dt ²

d ²y

1. dt ²

d² z

1. dt 2 k。

加速度的量纲是 MT-2，其 SI 制单位是米/秒 2。

加速度计（accelerometer） 测量加速度的仪表。固定在作加速物体（例如火箭）的内部，以测量此物体在运动中各时刻的加速度。加速度计的一个应用是，可判断物体及所载的仪器设备等受到的动载荷，即它们在获得此加速度情况下所受的力。常见加速度计的构件（见下图）和工作原理大致如下：外壳（与被测物体

■加速度计原理

固连），参考质量，敏感元件与讯号输出器等。当外壳被加速时，被弹簧连接在外壳上的参考质量对外壳有一相对位移，其大小与外壳的加速度有关。这个相对位移作为信号被传感到敏感元件，变成一定形式的电讯号被输出。

加速器（accerator） 加速带电粒子，使其动能增加的装置。被加速的带电粒子通常是电子、质子或重离子。从加速器得到的粒子束的动能可以很高，其速度接近光速。

加速器的结构 加速器有三个基本组成部分：①粒子源，用以提供所需加速的各种粒子；②真空加速系统，如加速管，加速腔等，它提供某种类型的加速电场，使粒子在高度真空的条件下不断地获得能量，达到加速目的；③引导、聚焦系统，如电磁透镜，主导磁场和偏转磁场等，它们的作用是使被加速粒子束沿预定的轨道运动，并按计划引入实验室。

加速器的种类 按照加速电场和被加速粒子的轨道形态，大致可将加速器分为四大类：直流高压式加速器，电磁感应式加速器，直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。

1. 直流高压式加速器。这类加速器将直流高压加在一对或一系列串接的加速电极上，带电粒子通过电极间隙时受到高压电场的作用而被加速。按照取得高电压的方式，又可将这类加速器分为倍压加速器、静电加速器、绝缘转子式静电加速器等。这类加速器由于高压绝缘的限制，加速能量不高，但粒子束流量很大。这类加速器主要应用于核物理和表面物理学的研究，以及作为制造半导体器件的离子注入机等。

2. 电磁感应式加速器。利用交变磁场产生的感应电场加速带电粒子

（通常是电子）。由于回旋电子辐射效应的限制，这类加速器的能量通常只能达到 25MeV 左右。这类加速器目前主要应用于肿瘤的辐照治疗和金属无损探伤等。

1. 直线谐振式加速器。粒子在高频电场作用下沿直线轨道加速的加速器，简称直线加速器。电子直线加速器的原理是，利用电子的质量小，其速度很容易接近光速的特点，设法使电磁波在传播中与电子速度一致，从而达到不断加速电子的目的。质子或重离子直线加速器的原理则不同。一系列一个比一个长的称为漂移管的铜管电极排成一直线，质子或重离子在漂移管内匀速运动，当它通过漂移管间隔时就被不断加速。直线加速器可产生很高能量的粒子束，应用于粒子物理和高能核物理学的研究。大型电子直线加速器的长度达到 2 千米。质子直线加速器还可产生很强的π介子流，所以有关的加速器和实验设备常称为“介子工厂”。π介子在医学、中子武器和固体物理学等领域中有广泛的用途。

2. 回旋谐振式加速器。被加速粒子在导引磁场控制下作回旋运动，在此过程中使粒子重复通过加速电场区而多次被加速，直至达到额定能量后通过偏转磁场将它引出。回旋谐振式加速器又可分为两类：一类是导引磁场的强度不改变而加速粒子的曲率半径随能量的增加而增加，如“回旋加速器”；另一类是导引磁场的强度随粒子能量的增加而不断增加，但粒子的轨道半径保持不变，如“电子同步加速器”、“质子同步加速器”等。目前的大型回旋加速器圆周直径可达 2 千米以上，可将质子的能量加速到102GeV 以上。大型同步加速器主要应用于粒子物理学和高能核物理学的前沿领域研究工作。电子在环形轨道上运动时会沿切线方向发出很强的电磁辐射，称为“同步辐射”。同步辐射有很宽的频谱范围，目前已被广泛地应用于固体结构、表面物理、生物化学和非线性光学等领域的研究中。某些早期建造的电子同步加速器现在已专门用于产生供实验用的同步辐射， 故常称为“光子工厂”。

近来在加速器的建造中已广泛采用超导磁体，这一措施可极大地增大加速器的能量，减小加速器的直径和规模。此外，许多科学家还正在探索新的加速粒子的原理和方法，如利用激光代替高频或微波电磁场来加速粒子等。

伽伐尼电（galvanism） 原先是指由伽伐尼发现的在特定条件下激发的“动物电”，后来泛指不同物质的接触面产生的电位差现象。1780 年意大利解剖学家伽伐尼在观察青蛙解剖时，当用手术刀轻轻触及蛙腿时， 蛙腿立即发生抽动，而此时附近的电机正好出现电火花。伽伐厄大惑不解， 不知道这种现象到底是由于放电所致的感应现象，还是由于手术刀触动蛙腿神经引起的一种生理现象。为了找出这一现象的原因，他重复多次做了一系列的实验，结果意外地发现若用两种金属分别接触蛙腿的神经和肌肉，则当两种金属相碰时，蛙腿也会发生抽动。伽伐尼的解释是：“在动物的神经和肌肉中存在着与普通电相同的电流体，可称之为‘动物电’。它在脑血管中制造出来，通过神经送到肌肉中。在神经和肌肉中间放置金属或是发生火花，就会破坏肌肉的电平衡，肌肉纤维在这时会激烈收缩。” 后来伏打指出这种解释是错误的，特别是伏打电堆的发明，从根本上否定了伽伐尼的“动物电”的存在。

伽利略（Galileo Galilei 1564～1642） 意大利物理学家、天文学家。科学革命的先驱，经典力学的开创者，实验科学的创造人。

生平 伽利略 1564 年 2 月 15 日生于比萨。17 岁入比萨大学学医。21 岁回到佛罗伦萨，在家勤奋自学。1589 年，在友人古杜巴尔多伯爵推荐下， 赴比萨大学任教。1592 年移居威尼斯，任帕多瓦大学教授。1611 年访问罗马，成为林赛研究院院士。1615 年三访罗马，要求不公开压制他讲述哥白尼学说，结果受到教会法庭的警告。次年 2 月，罗马宗教裁判所发出所谓

“1616 年禁令”，不许宣传哥白尼的学说。伽利略并未服从，继续著书立说。1632 年发表《关于托勒密和哥白尼的两种世界体系的对话》，反对托勒密的地心说，支持和发展了哥白尼的日心说，因而触怒罗马教皇。1633 年 2 月，到罗马宗教法庭受审；6 月，被判处终身监禁，监外执行。在监禁期间，他仍坚持科学著述，于 1638 年完成《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》，总结了自己一生在力学科学和实验科学上的研究成就。晚年，他双目失明，死于幽禁之中。

学术成就

经典力学的开创者①关于运动的描述。伽利略高度评价和论证了哥白尼把坐标系与太阳系中心相结合做法的优越性，从而对质点位置的描述确立了伽利略系。他又进一步以匀速直线运动的船舱中物体运动规律不变的著名论述，第一次提出了惯性参照系的原理。这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理。可以说，如果没有这个原理，力学的任何重大进展都是不可能的。②加速度概念的确立。伽利略通过周密观察，以速率的增量△v 和用去的时间△t 成正比的运动作为匀加速运动的定义，并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来，从而第一个提出加速度这个全新的概念，有力地促进了力学的研究。③落体定律的提出。伽利略早在比萨大学任教时，就对亚里士多德的落体观点提出疑问，反对重物比轻物下落要快的论断。他采用小球沿斜面滚动的实验，得出了物体下落的行程与它经历的时间平方成正比，而与它重量无关的结论，即

落体定律：S =

1 at

2

²。④惯性原理的发现。亚里士多德认为推一个物体的

力当不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。伽利略不同意这个单凭直觉得到的结论。他通过观察一个沿着光滑斜面向上滚动的小球的运动， 发现当该斜面成为水平面时，小球就永远达不到原来的高度，它将以不变的速率沿平面永远运动下去。由此他写下了这样出色的推论：“如果这样一个平面是无限的，那么，在这个平面上的运动同样是无限的了，也就是说，永恒的了。”第一次表述了惯性原理，并预示了以后由牛顿把它写成的惯性定律。⑤抛物体运动的研究。伽利略通过研究弹道，发现水平与垂直两方面的运动各具有独立性，互不干涉，但通过平行四边形法则又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀速运动，完整地揭示了抛物体运动的规律，这也是运动合成研究的重大收获， 并具有实用意义。⑥力的作用的两种估计。伽利略对力的作用主要从两个方面来加以认识：一是按力在给定的时间间隔内产生的速度的意义来理解；二是按物体克服给定阻力的能力来理解。总之，这一系列开创性的重大发现，对物体运动和运动原因所作深刻而正确的描述，使得从亚里士多德时代以后近两千年的一直没有重大进展的运动学和动力学别开生面，取得了重大的突破，标志着经典力学的真正开端。伽利略作为经典力学的开创者也是当之无愧的。

实验科学的创始人在伽利略看来，自然科学的结论必须是正确的、必然的，不以人们意志为转移的。自然科学的结论要从客观事实出发，就离不开观察和实验。因此，实验方法在自然科学的研究中始终占据着很重要的地位和作用。伽利略极力主张要用实验科学的知识来武装人们。综观他的物理实验研究，从方法论上来说，有以下几个特点：①把实验和数学演绎结合起来，这是科学方法的一大发明。在哥白尼和开普勒那里，数学的简单性与谐和性被看作物体运动应该符合的先验原则。伽利略既继承了重视数学演绎的正确方向，又抛弃了数学先验论的观念。他强调既要进行观察和实验，又要对获得的材料进行确切的数学分析，把各个物理量之间的关系用简洁的数学形式表达出来，从而去揭示各个物理量之间的内在联系，把实验结果上升到普遍理论的高度。②有意识地在实验中丢开一些次要因素，而抓住问题的根本。如在小球滚动实验中，他知道存在空气阻力的影响，而这种阻力也是可以测量的，但是在实际测量过程中却大胆地把它忽略掉了。这样，就可以获得超越这一实验本身的特殊条件的认识。③ 设法改变实验的测量条件，使之易于获得精确的结论。如由于物体自由坠落速度太大，不容易测得精确的结果，伽利略就设法“冲淡引力”，设计了小球在倾斜平面上滚动，从而把物体在一定高度下自由下落的时间“放大”，以致在他当时的实验条件下变得可以测量。④首创了所谓“理想实验”。这些实验虽然只是想象中的实验，但它们是建立在可靠的事实的基础上的，并通过对“理想实验”的归纳和分析，往往能得出惊人的又是正确的科学结论，这就为实验科学的发展提供了新途径。⑤重视用实验去验证理论。他指出，从观察到的材料中提出规律，然后用实验验证；如果发现与事实不符，立即回过来考查自己的结论。以往的知识要用这种方法加以检验。他还认为，科学实验不应该是偶然的和无计划的，而是具备了进行实验的理论概念之后，为了证明它才去做的。⑥十分注意科学仪器在实

验中的作用。当时望远镜、显微镜已相继发明。他认为，这些科学仪器在实验中能够帮助人们克服感觉器官的局限，使过去观察不到的现象显示出来了，过去分辨不清的东西变得清晰了，人的认识因而进入到了新的领域。

伽利略变换（Galilean transformation） 经典力学中两个惯性系之间时间和空间坐标的变换。若惯性系 S′相对于另一惯性系 S 以匀速度 v 沿 S 系的 x 轴运动，并设 S 系的 x 轴与 S′系的 x′轴重合，S 系的 y 轴和z 轴与 S′系的 y′轴和 z′轴分别平行，并用（x，y，z，t）和（x′，y

′，z′，t′）表示一件事在 S 系中发生的地点和时刻，以及在 S′系中发生的地点和时刻。假定 t=t′=0 时，S′系的原点和 S 系的原点正好重合，则有

x=x′+vt， y=y′， z=z′， t=t′，

这就是伽利略变换式。按照这一变换：①时间间隔在任何惯性系中都一样，②空间距离在任何惯性系中都一样，③时间坐标与空间坐标相互无关。伽利略变换是人们对时间和空间性质认识的一个阶段，认为时间的流逝和空间的间隔是绝对的，与观测者的运动状态无关。科学发展表明，这种认识实质上是机械唯物主义的，它只是在低速运动情况下时空性质的近似描写，在讨论高速物体的运动规律和电磁现象时，就不能用这种变换而应该用洛伦兹变换。

■伽利略变换

伽利略相对性原理（Galilean principleof relativity） 亦称力学相对性原理。力学基本原理之一。该原理断言：力学定律在所有惯性参考系中的形式都相同。也就是说，在一惯性系内部所作的任何力学实验都不能确定该惯性系相对于其他惯性系的匀速运动速度。实验证明，伽利略相对性原理是内容更为广泛的相对性原理的一种特例，后者断言，一切物理定律在所有惯性系中的形式都相同，这个相对性原理称为爱因斯坦相对性原理。

假说（hypothesis） 科学研究中假定性的说法。物理事实、物理理论、在理论基础上的逻辑推导，三者都是物理假说的客观依据，物理学假说大体上有三种类型。①根据已知的物理原理和事实，对新出现的物理事实作出的假定性说明，很多物理假说都属于这一类型。②在已知物理理论的基础上进行逻辑推导，预测可能出现的现象、特性、规律，这种方式多见于现代物理假说。因为现代研究的物理运动比之于早期研究的物理运动更深入，特别是引进了现代的数学工具，使现代物理理论更概括和抽象。如麦克斯韦关于电磁理论的假说，狄拉克提出的正电子假说等。这种假说不一定依赖于新事实。③根据新的物理事实提出与已往的理论观念根本不相容的假定性说明。普朗克提出的量子假说和爱因斯坦狭义相对论的新时空观假说，都是突出的例子。这类假说多发生在新的科学发现与传统观念相冲突的时候，这类假说为数不多，但却成为物理学发展史上的重要的里程碑。上述形成假说的三种方式，不是绝对的，而是互相渗透的。

一个物理假说的提出没有某种特定的形式，它们常常通过归纳、演绎、类比、综合等方法形成。运用归纳方法提出假说，就是根据实验得来的大

量材料，总结概括出可能的物理特性和规律。这是提出物理假说初步和基本的方法，在经典物理学发展的初期，普遍使用。例如玻意耳定律、欧姆定律，开始时都是通过归纳方法提出的假说。通过归纳提出的假说把握性较大，运用演绎方法提出假说，就是从一般物理原理到个别物理现象的推理。例如，费米和泡利立足于能量守恒定律，进而提出中微子假说。运用类比方法提出的假说，是根据未知和已知的物理事实之间某些方面的相似或相同而推出它们在其他方面也可能相似或相同。例如多普勒根据声和光的类比，提出光源移动时，观察者接收到的光波频率也会改变的假说。运用综合方法提出假说，一般都是以物理学某一领域积累的大量感性材料和理论材料为基础。通过综合，提出一些更本质更具有普遍意义的认识。牛顿提出万有引力假说，就是综合了开普勒和伽利略力学的实践及理论成就，通过综合形成的假说。

物理学假说有两重验证，一是理论逻辑验证，二是实践验证。理论逻辑验证不能作为判别物理假说的最终标准，物理假说最终只能以实践来验证。例如李政道、杨振宁提出的弱相互作用下宇称不守恒的假说，吴健雄成功地用实验验证了李、杨的假说，于是，弱相互作用下宇称不守恒得到确认。一些物理假说以比较抽象的数学形式出现，难以用实验直接验证， 但也要用实验间接验证，即验证由这些假说推论到的必然结论。间接验证的实验，往往都能起到判别一个假说真伪的作用。例如直到赫兹用实验验证了麦克斯韦方程组的必然结论——电磁波的存在，麦克斯韦的理论才为人们接受。

物理假说是物理学发展的形式，任何一个物理真理都经历过假说的形式，由假说脱胎出来。在物理学发展史上，不同假说的争论从来没有停止过，这种争论推动着物理学的发展。有些对立的假说一方是正确的，另一方是错误的，有些假说双方都是错误的，也有双方都是正确的，光粒子说和光波动说的争论是一个典型的例子。光的粒子说和光的波动说，实际上是从不同的角度反映了光的本质。对于统计的平均现象，光表现为波动； 对于瞬时涨落现象，光表现为粒子，即波粒二象性，它是整个微观世界最根本的特性。从粒子说和波动说的争论出发，到掌握波粒二象性，是认识上的伟大飞跃。这个过程中一系列重大的研究和发现，直接或间接地根源于粒子说和波动说的争论。

尖端放电（point discharge） 带电导体尖端附近大气中所发生的放电现象。大致说来，带电孤立导体表面凸出而尖锐处（曲率很大，且为正）的面电荷密度б很大；较平坦处（曲率较小）的面电荷密度较小；表面凹进处（曲率为负）的面电荷密度更小。因为导体表面外侧电场的强度与该处电荷面密度成正比（E=

σ ），所以在导体尖端附近的场强很强，很容易导致该小区域内的空

ε0

气电离并被击穿，从而产生火花放电现象。夜间在高压输电线附近往往可看到笼罩着一层绿色的光晕（电晕），这是一种微弱的尖端放电现象。这种放电增加了高压输电中的能量损耗，因此要求高压输电线表面光滑。为避免尖端放电，通常需将高压设备中的电极设计成光滑的球面形状。

尖端放电现象也有许多应用。例如，避雷针，感应起电机的喷电针尖， 以及静电除尘和静电喷漆等设备，都应用了尖端放电效应。

检波（detector） 参见解调。

简谐波（simple harmonic wave） 见波。

简谐振动（simple harmonic vibration） 最简单、最基本的振动， 是振动的理想模型，是物理量随时间按正弦或余弦规律变化的振动。以 x 表示位移，t 表示时间（图 1），简谐振动的数学表示式是

x=Asin（ω+ϕ）。 (1)

式中 A 是振动的最大幅度，称为振幅。ω是 2π时间单位中振动的次数，称为角频率或圆频率。T=2π/ω是振动一次所需的时间，称为周期。v=1/T 是单位时间内振动的次数，称为频率。ω t+ϕ表示在一次往复的振动过程中，在时刻 t 的运动状态，称为位相。t=0 时的位相ϕ称为初相。振幅A、角频率ω和初相ϕ称为简谐振动的三要素，它们完全地描述了简谐振动。

■图 2

如图 2 所示，轻弹簧的倔强系数为 k，一端固定，另一端连结在光滑的物块上，物块和弹簧构成了一个振动系统。当弹簧形变不超过一定限度时，弹簧对物块的作用力是与物块离开平衡位置的位移成正比的回复力。以 x 表示物块离开平衡位置的位移，则此回复力为-kx。物块的运动方程是

d ²x

m dt ²

d ²x

kx或 dt 2

+ ω ²x = 0。

(2)

式中m是物块质量，ω ² = k / m。这个方程的解就是(1)式，说明物块的运动是简谐运动。物块运动的振幅和初相由 t=0 时物块的位置 x0 和速度 v0 决定：

A = x ² + v ² / ω² ，ϕ = arctan ωx0 。

0 0

0

ω0 只由振动系统本身的性质 m 和 k 决定，所以又把频率 v=ω/2π称为此系统的固有频率，同时把周期 T=1/v 称为此振动系统的固有周期。在简谐振动中，当经过的时间为周期的整数倍时，该物理量又恢复原值。任何复杂的自由振动都可以由许多不同频率和振幅的简谐运动来合成。

建筑声学（architectural acoustics） 声学的一个分支。主要研究房间内的声学过程，包括室内音质和建筑环境的噪声控制，基本任务是保证房间里任何地方都能有很好的语言与音乐的可闻度，并降低城市环境和建筑中所产生的各种噪音，以满足人们听觉上的要求。为此，首先必须保证在房间里每一处都能有适当的响度，同时要考虑减少过度的回声，并消除或削弱来自外界透入到房间的各种杂声和噪声。解决这些问题的主要途径是正确选用吸音材料与房间的形式，以及创造特殊的隔音结构等。各种戏院、影院、会场对声音的要求很高，设计时都必须应用建筑声学的原理。

交流电（alternating current） 通常指大小和方向都随时间作周期性变化的电流。其大小和方向都随时间按正弦（或余弦）函数作周期性变化的交流电称为正弦交流电。下页图中显示了某些典型非正弦交流电的波形图，不同形式的交流电有不同的用途。例如电力工业中常用的是频率为 50 赫的正弦交流电；广播和电视中用来载送讯号的则是频率高达数百千赫到数百兆赫的交流电；在示波器的示波管、电视机的显像管和电子计算

机的终端显示屏中，用来使电子束作水平扫描运动的是锯齿波交流电（图(b)）；数字和脉冲电路中大量采用持续时间极短暂的脉冲波（图(c)）等。交流电的最基本形式是正弦交流电，其他非正弦交流电都可以表示为不同频率成份的许多正弦交流电的叠加。

交流电的电功率（electricpower of alternating current） 在单位时间内交流电流在一段电路上所做的功。常用 p 或 P 表示。在交流电路中，由于电压

■交流电波形图

和电流是不断变化的，电压和电流间又存在相位差，因而常用瞬时功率、平均功率、有功功率、视在功率和无功功率等概念来描述交流电路的电功率特征。

瞬时电功率 负载两端瞬时电压 u 与流经负载的瞬时电流 i 的乘积。常用字母 p 表示，则有 p=ui。若正弦交流电的电流和电压分别表示为i=Imsinωt，u=Umsin（ωt+ϕ），式中 Im、Um 是电流、电压的最大值，ω 是交流电的角频率，ϕ是电压和电流的位相差，则瞬时电功率为

P=ui=UmImsinωt·sin(ωt+ϕ)

=UIcosϕ-UIcos(2ωt+ϕ)。

瞬时电功率随时间的变化如图所示。可以看出，瞬时电功率 p 有时为正，有时为负。电功率为正值表示负载

■交流电瞬时功率图

在吸收电能；电功率为负值表示电路中有某些储能元件，将原来它所吸收的电能放出，送回电源。

从图中还可以看出，p＞0 的时间比 p＜0 的时间要长些，在一个周期中电路从电源吸收的电能通常大于所释放的电能。这是因为一般电路总具有电阻，在电阻上有电能转化为热能的过程，且这个过程是不可逆的。

平均电功率交流电一周期内在电路上所消耗掉的电功率的平均值。平均电功率又称有功功率，简称“功率”。若交流电的瞬时电功率为p=UI[cosϕ-cos（2ωt+ϕ）]，式中 U、I 分别是电压和电流的有效值，ϕ 是电压与电流的位相差，ω是交流电的角频率，故一周期 T 内的平均电功率

1 T

pdt

T 0

T

UI[cosϕ − cos(2ωt + ϕ)]dt

T 0

= UI cosϕ。

即在单相交流电路中，平均电功率等于电压的有效值、电流的有效值和功率因素三者的乘积。单位为瓦、千瓦。

视在功率 交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积。用符号 S 表示。即 S=IU。它的含义与直流电路不同，它不能代表交流电路中的有功功率。视在功率 S 乘以功率因素 cosϕ等于有功功率 P，即 P= Scosϕ。视在功率的单位用伏安（VA）、千伏安（kVA）、或兆伏安（MVA）表示。

视在功率表示交流电器设备的容量。交流电器设备都是在额定电压下工作的，工作时受额定电流的限制，电器设备在运行中的视在功率也能表

示它的工作状态，并受其额定值的限制。例如，变压器容量的大小就是用视在功率表示的，额定电压 220 伏、额定电流 5 安的变压器，它的视在功

率是 1100 伏安。

无功功率具有电感或电容的交流电路中，电感的磁场和电容的电场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源的这部分功率。常用符号 Q 表示。数值上 Q=UIsinϕ，式中ϕ为电流和电压之间的位相差，U、I 分别为电压和电流的有效值。

在 R、L、C 串联的电路中，电感 L 两端的电压 uL 与电容 C 两端的电压uc 位相相反，它们瞬时电功率的数值的正负号亦相反，当电感吸收能量时， 电容正在放出能量，反之电感放出能量时，电容正在吸收能量，二者互相补偿，故电路对外进行能量交换的最大瞬时电功率（即无功功率）也就减小了。

交流电动机（alternating current motor） 将交流电能转变成机械能的动力装置。种类繁多。主要结构包括定子和转子两部分。在定子绕组中通以交流电产生旋转磁场，其磁场线切割转子绕组回路中的导线，产生感应电动势和相应的感应电流。感应电流在旋转磁场中受安培力作用而产生迫使转子转动的力矩，由此形成机械能输出。按正常运转时转子与旋转磁场转速是否相同，分为同步电动机和异步电动机两类。动力用电动机中以交流异步电动机使用最为广泛。在自动控制技术中使用的微型电动机的输出功率较小，常作为动力以及受控信号的传递与转换器件之用。

交流电桥（alternating current bridge） 可用来测量交流元件例如电阻、电感、电容值及其组合件参数的最准确仪器。形式与惠斯通电桥相同，但是指零器和电源都是交流仪器和信号源。桥臂电阻换成阻抗组件， 因此交流电桥的平衡和相应一些性质表现出许多

■交流电桥

特殊之处，交流四臂电桥线路如图所示。交流电桥的平衡条件是对臂阻抗乘积相等，故必须同时满足对臂阻抗幅值乘积相等以及对臂相角和相等两个条件：

(R1+jX1)(R3+jX3)=(R2+jX2)(R4+jX4)，

写成分式，变为：

Z₁Z₃ = Z₂ Z₄



由于平衡条件是含两个未知数的二元联立方程组，所以使电桥平衡必须至少有两个可调元件。注意：既不是任意配置四个臂就能使电桥平衡， 也不是任意

■

选两个独立可调参数就可将电桥调至平衡，而必须是满足上列式子中的两个可调参数才能使电桥平衡。要适当选择可调量，使被测阻抗中的两个被测分量（Z、R、X、ϕ四个量中的任意两个）分别只与一个调节参数有单值关系，这样便实现了交流电桥的分别读数。

常用的阻抗比平衡电桥分为电容电桥和电感电桥两大类。每类电桥中有多种线路和应用特点以及计算表达式。可参看下列表。表中未画出检测器和电源。通常检测器接在 cd 间，电源接 ab 端。

交流发电机（alternating current generator） 将机械能转变成交流电能的电源装置。基本结构主要包括产生磁场的磁极和产生感应电动势的线圈（称为电枢）。其中转动的部分称转子，固定部分称定子。此外还有金属滑环、电刷与机座等。只有一组电枢绕组的称为单相交流发电机， 电枢有三组绕组从而产生三相交流电的称为三相交流发电机。它们的工作原理相同。

图示为旋转电枢式发电机工作原理。在线圈匀速转动过程中，通过回路面积的磁通量随时间不断变化，从而产生感应电动势

式中ω是在外力作用下电枢的转动角速度，即交流电的角频率。εm 是感应电动势的最大值，它与ω及磁感应强度 B 的乘积成正比，即

εm=CBω，

式中 C 是由电枢线圈的匝数和面积等决定的结构参数。通过转轴与磁场线垂直的平面称为中性面。线圈处于中性面时的瞬时感应电动势为零。电刷通过弹簧机构压靠在与电枢相连的滑环上，从而将电能源源输出。如果电压很高，电刷与滑环间将发生火花放电，易使电机发热烧毁。同时， 电枢可能占据的空间将受到磁极间隙的限制，匝数不可能太多，故旋转电枢式发电机提供的电压一般不超过 500V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能提供输出功率高达数十万千瓦、电压高达数万伏的交流电，故大多数发电机均采用此种方式。由于交流电，特别是正弦交流电，是现代用电最主要的方式，故交流发电机也就成为最主要的电源装置。

交流欧姆定律（Ohmlaw for alternating current）表述交流电路中电流、电压和阻抗三者关系的定律。在一段电路中，用复数 U&表示这段电路两端的正弦交流电压，复数&I 表示通过该电路的正弦交流电流，复数 Z 表示这段电路的阻抗（复数阻抗 Z 的实部是电阻 R，虚部是电抗X=XL-Xa）。则交流欧姆定律可表示为

U&

I = Z ，

这一表达式与直流电路中的欧姆定律形式相同。

胶子（gluon） 传递夸克间强相互作用的媒介粒子，常用符号 g 表示。质量为零，自旋为 1。胶子不带电荷，但带有色或色荷。胶子的色共有 8 种。由于胶子带有色荷，所以胶子与胶子间将存在相互作用，与胶子相应的场（胶子场）存在自作用。与此不同，光子不带电，也不带色，光子之间不存在相互作用，与光子相应的场（即电磁场）不存在自作用。所以，胶子的性质与光子的性质有很大差别，由胶子传递的强作用与由光子传递的电磁作用也存在很大的差别。迄今已有许多实验证实了胶子的存在。例如高能电子与质子的散射实验表明，质子内部不仅存在点状的荷电粒子（即夸克），还存在电中性物质（即胶子）。定量测量还表明，质子的一半动量是由这种电中性物质所携带。另一类典型的证实胶子存在的实验是所谓“三喷注实验”。高能电子——正电子对撞后，从中心沿径向方向会出现三束粒子流，通过分析发现，其中两束粒子流分别由夸克和反夸克演化而来，第三束粒子流则是由胶子演化而来。

焦耳(1)（James Prescott Joule1818～1889） 英国物理学家。生

于曼彻斯特。少年时未能上学读书。青年时向道耳顿学习，并在他的鼓励下从事自然科学研究工作，利用一切空间时间钻研物理、化学和数学，终于自学成才。1850 年当选为英国皇家学会会员，后又成为法国科学院院士。1872 年和 1887 年两次担任英国科学促进协会主席。

主要贡献是发现能量守恒和转化定律。开始从事电磁学方面研究，1840年，发现电流在一定时间内通过导体时所放出的热量，与导体电阻成正比， 与通过导体的电流的平方成正比。楞次也于 1842 年独立地发现了这一定律， 后被称为焦耳-楞次定律。 1843 年，钻研并测定了热和机械功之间的当量关系，写了《论水电解时产生的热》和《关于电磁的热效应和热的功值》两篇论文。后者通过用磁电机发出的电流通入导体以产生热量，比较在通路时转动磁电机所作的功，和在断路时所作的功之差，与所得的热量来决定热功当量的数值。该论文在考尔克举行的英国学术协会上宣读时宣布：自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到相当的热， 热只是能的一种形式。这一宣布在当时立刻引起轰动。

此后，焦耳继续改进实验方法，将压缩某定量空气所需要的功与压缩时产生的热量作比较。又根据水通过细管运动放出的热量来确定热功当量。 1847 年，做了迄今认为确定热功当量的最好实验：在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降的重物带动叶片旋转，由于叶片和水的摩擦，水和量热器都变热了，根据重物下落的高度，以及量热器内水的升高的温度，就可计算出热功当量的数值。不仅用水作实验，还用鲸油进行实验，测得热功当量的平均值为 428.9 千克重米/千卡。接着又用

水银来代替水，并不断改进实验方法，直到 1878 年还有测量结果的报告， 测得热功当量的平均值为 423.9 千克重米/ 千卡。这个值比现在的公认值：427 千克重米/千卡约小 0.7%，如此精确的实验结果为能量守恒和转化定律的建立，提供了无可置疑的实验证据。

焦耳对分子运动论的发展也作出了重要贡献。1845 年，研究了气体压缩和膨胀时的热现象，并用稀薄气体膨胀实验证明理想气体的内能与体积无关。1848 年，首次计算了有关气体分子的速度，确定了这个速度与温度的关系。还认为气体的压强是气体粒子对容器壁碰撞的结果。1853 年～ 1854 年，与 W·汤姆孙合作，发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳-汤姆孙效应。

(2)（Joule）国际单位制中能量和功的单位，常用符号 J 表示。1J 相当于 1 牛顿的力使物体在力的方向上移动 1 米过程中所作的功。

焦耳定律（Joule law） 又称焦耳-楞次定律。确定电流通过导体时产生热量的定律。是能量守恒和转化定律在电能转换成热能这一特殊情况下的形式。由焦耳在 1840 年和楞次在 1842 年各自独立发现。其内容为： 电流通过一段导体时放出的热量 Q 与电流 I 的平方、导体的电阻 R 及通电时间 t 成正比，即

Q=KI2Rt。

若电流强度的单位为安培，电阻的单位为欧姆，时间的单位为秒，热量的单位为焦耳，则实验测定比例系数 K =1，这时焦耳定律表示为

Q=I2Rt。

应该指出，热量单位“焦耳”和“卡”之间的换算关系为

1焦耳 = 1

4.1868

卡≈0.24卡，

所以，如果焦耳定律公式中 Q 的单位取卡，则比例系数 K=4.1868 卡/ 焦耳。

焦耳实验定律（Joule experimentallaw） 参见理想气体。

角动量（angular momentum） 又称动量矩。描写系统转动状态的物理量。如质点的质量为 m，运动速度为 v，对某点 O 的位矢为 r，则质点对该点的角动量定义为 L=r×mv。角动量是动量 mv 对点 O 的矩。质点对空间某一轴的角动量，定义为质点对该轴上任一点 O 的角动量在该轴上的投影值，此值并不因 O 点在轴上位置的不同而改变。质点对空间某一轴 z 的角动量还有一等价的定义：把动量 mv 分解成沿轴的和垂直于轴的两个分矢量mv∥和 mv⊥，垂直于轴取 mv⊥所在的对轴的角动量平面π，π与轴 z 交于 O 点。O 到 mv⊥矢量线的垂直距离为 h，则质点对轴 z 的角动量 Lz 的大小是 mhv⊥，v⊥是 v⊥的大小；当ｈ≠0 时，如 mv⊥对 O 点构成逆时针关系， Lz 取正值，否则取负值。若系统为一质点组，它对空间一点的角动量或对空间某一轴的角动量是质点组中每一质点对空间中同一点或同一轴角动量之和。若系统是一个绕着某一轴以角速度ω转动的物体，它对转轴的角动量是转动物体中的每一部分对转轴角动量之和，等于 Iω，I 是物体对转轴的转动惯量，ω是角速度ω在转轴上的投影。

质点系统或物体对空间中某一点 O 的角动量可分解成两部分之和。一部分是质心对 O 点的角动量，也就是把质点系统或物体的质量全部集中于其质心时，它对 O 点的角动量。另一部分是质点系统或物体相对于质心的角动量，也就是，在随着质心一起平动的参考系中观测时，它们相对于质心的角动量。角动量的量纲是 L2MT-1，其 SI 单位是千克·米 2/秒。

角动量定理（theorem of angular momentum） 又称动量矩定理。表述角动量与力矩之间关系的定理。质点系在惯性系中运动时，对固定点的角动量时间变化率等于质点系中各质点所受外力对同一点的力矩的矢量和。角动量定理中不出现质点系中各质点相互作用的内力，这是因为每一对内力对同一点的力矩矢量和永远等于零。如果计算力矩的参考点（矩心） 在惯性系中运动，上述角动量定理一般不成立。如果考察运动的参考系不是惯性系，此定理一般也不成立。但对质心和质心系来说是例外。质心系是坐标原点在质心上，并在惯性系中平动的参考系。这时角动量定理表述为：质点系相对于质心系运动时，对质心角动量的时间变化率等于该质点系中各质点所受外力对质心力矩的矢量和。力学系统中只有单独一个质点时，此定理称为质点的角动量定理。

角动量守恒定律（law of conservation of angu-lar momentum） 又称动量矩守恒定律。自然界的普遍定律之一。任何物质系统在不受外力矩作用或所受外力矩之和为零时，其总角动量保持不变。在力学中，角动量守恒定律只是角动量定理的推论：在角动量定理中令外力矩的矢量和等于零，即得出总角动量保持不变。但若物质系统不仅只有力学运动时，角动量守恒定律就变成了一条普遍定律，这时定律中所涉及的角动量是一切运动形式的总角动量。

角加速度（angular acceleration） 描写角速度变化快慢和方向的物理量。在时刻 t 以后的时间间隔△t 内，刚体的角速度由ω变化到ω+△

ω，则

β = △ω

△t

称为刚体在时间 t 至 t+△t 中的平均角加速度。当△t 趋近零时，平均角加速度的极限

β = lim △ω = dω

△→d △t dt

称为刚体在时刻 t 的瞬时角加速度，简称为角加速度。角加速度是一个矢量。在定轴转动时，β的方向沿固定转轴，若 k 表示沿转轴某指定方向的单位矢量，则

β = dω k

dt

当刚体加速转动时，dω/dt＞0，β与ω同向；当刚体减速转动时，d ω/dt＜0，β与ω反向。在刚体作定点转动时，由于瞬时转轴方位时刻变化，亦即角速度的方向时刻变化，所以角加速度方向与角速度方向一般不相重合。无论在定轴转动还是在定点转动情况中，刚体上一点的加速度α 均可由下式给出

α=β×r+ω×v。

这里 r 是此点对固定转轴上任一点的位矢，或是对定点转动中固定点的位矢，v 是此点的速度。角加速度的量纲为[T-2]，其国际制单位为弧度/ 秒 2。

角速度（angular velocity） 描写刚体转动快慢和方向的物理量。设定轴转动刚体或定点转动刚体在无限小时间间隔 dt 内绕着固定转轴或瞬时转轴转过一无限小角位移 dθn，dθ是无限小转角的大小，n 是一单位矢量，与刚体的实际旋转方向构成右手螺旋关系，角速度ω，定义为

ω = dθ n 。dt

转动刚体上一点的速度 v 与转动刚体的角速度ω之间有确定的关系。设点 P 对于固定转轴上任一点的位矢为 r，或 P 点对定点转动中的固定点的位矢为 r，则 P 点的速度是

v=ω×r。

角速度的量纲为[T-1]，其国际制单位为弧度/秒。

角位移（angular displacement） 描写刚体转动时位置变化的物理量。刚体在作定轴转动或在定点转动中绕瞬时轴转动时，转过一个无穷小角度 dθ，按右手法则根据旋转方向决定单位矢量 n，n 必沿转轴，dθn 称为无穷小角位移矢量。在定点转动的一般情况中，无论刚体的初位置和末位置如何，对于指定的初末位置，总可以找到通过固定点和有一定指向n 的一根轴线，刚体可以绕着这根轴线按右手法则从初位置转过一个角度θ到达末位置，θ和 n 两者构成了从初位置到末位置的角位移。定点转动的有限大小角位移并不是一个矢量。角位移的国际制单位为弧度，其他常用单位为度。

角坐标（angular coordinate） 描写刚体转动时的

■图 1 定轴转动刚体的角坐标图 2 圆周运动的角坐标

位置的物理量。定义为刚体上通过固定转轴的一个平面π与通过此轴的另

一固定平面π0 之间的夹角ψ（图 1），面对指定了方向的固定转轴看，如果π0 逆时针向转过ψ角到达π，ϕ取正值；否则ϕ取负值。对于质点的圆周运动，角坐标ϕ定义为通过质点 P 的半径 OP 与沿指定方向的半径 OP0 之间的夹角ϕ（图 2），如从 OP0 逆时针向转过ϕ角到达 OP，ϕ取正值；否则ϕ 取负值。

教材结构图示（chart of structure of instruction materials） 是利用网络图的形式显示教材知识结构、思维方法训练要求、数学手段运用等相互关系的一种形象化表示方法，是物理学学科结构在教材分析中的具体体现。教材结构图示方法的作用是：①表明教材的知识体系结构。指出该部分知识的核心内容、重点以及各部分知识之间的相互联系，还可以反映知识逐步深化的过程。②表明科学方法训练和能力培养的要求。在表明教学流程的同时还可以标明各部分内容在教学过程中应当贯穿哪些科学方法训练，如观察实验，分类比较，概括归纳，类比和等效替代，分析推理、假设和物理模型，以及综合、评价能力等。③表明数学手段的运用。在表明教学流程的同时指出教学过程中要运用哪些数学手段，如平面几何知识，立体几何知识，一次函数，二次函数，一元一次方程，一元二次方程， 二元一次方程，三角函数，三角方程，函数图象等。利用图示法还可以反映其他要求。

下页图是高中力学教材的两种结构图示举例。图 1 是单一的知识体系结构图。它反映了高中力学中有关力和运动部分的知识系统。结构图体现了力是改变物体运动状态的原因，合力的情况不同就有不同的运动状态。自上向下表示由简单到复杂的知识进程。横向表示某种因果关系或延伸扩展。图 2 是一种包含项目较多的结构图示，它既反映知识结构，又包含能力目标和数学手段运用。图示纵向以知识进程为序。左边是有关科学方法训练和能力培养的目标，右边是有关数学手段的运用。

教科书评介（evaluating textbook） 对物理教科书进行的分析和评鉴。以下是美国《物理教师》杂志组织的教科书评价委员会对美国十几种常用高中物理教科书进行评价的标准。它对我国物理教科书的编写和评价，有一定的参考价值。

评价教材的依据建立在下面七条准则上：内容、可接受性、可读性、版面设计、科学性、社会问题、课外作业。每个方面都附有详细说明。

准则一：内容、内容的准确性和合适性。①教材的内容是否与当前物理学界的思想相吻合。②基本概念的定义是否准确，课文是否尽可能地应用了基本概念。③是否始终如一地应用了 SI（国际单位制）？④所选的内容是否适合于高中学生学习？⑤内容的安排顺序是否连贯，是传统的结构还是其他的形式？⑥前后内容是否有联系而不需要死记硬背？⑦解释原理的实例是否恰当？

准则二：可接受性，对中学生的合适性。①数学方法是否限于中学生所掌握的数学？②书中所出现的思想中学生是否能够接受？③是否体现了学生的典型直观经验？④课本是否能激发学生的兴趣？⑤是通过物理现象之间的关系使学生思考，还是要求学生机械地接受课文的思想？

准则三：可读性，学生可以方便地阅读。①句子、段落是否简短？② 语言是否有趣味性而且丰富多采？③用词是否通俗恰当？④是否有足够的

图片和图解，这些图片和图解是否有助于对课文的理解？⑤书中是否避免应用不必要的技术词汇？⑥数学表述是否用恰当的

■

图 2 关于“功和能”的能力要求和数学手段运用结构图示

语言解释出来？⑦为了加强记忆，必要的物理术语是否重复使用？

准则四：版面设计，对视觉的吸引力。①所使用的照片能否引起学生的注意？②版面设计得是否拥挤？③颜色的运用是否易于想象？④每节内容是否都附有标题？⑤图是否能吸引学生的注意？⑥所设计的插图是否强调了重要概念？

准则五：科学性，课本是否体现了物理学是一门正在发展中的科学。

①理论的发展有没有充足的实验材料做基础？学生参与实验和研究过程的程度。②理论是实践的指导有没有得到充分的体现？③对于有待于用实验或理论来解决的、但目前还属于未知世界领域的问题，有没有给出一些例子？④有没有认识到现存理论只是对自然规律的近似解释？⑤有没有写物理理论的历史进程和发展趋势？

准则六：社会问题，物理对社会的影响。①有没有充足的关于基础科学对技术贡献的材料？②图片及说明是否提供了典型人物？③言词中是否含有性别歧视？④有没有提到物理对社会的影响？比如废物处理、能源利用、核武器等。

准则七：课外作业，适当给学生布置一些课外学习材料。①需要查看的文献资料是否列出了？②有无学生课外活动的建议？③有无要求经分析和推导才能得到答案的问题？④每章的结束有无足够的与课文结合紧密的问题？⑤有无要学生把两个概念或更多个概念联系起来才能解决的习题？

⑥习题中的数据在日常生活中能否找到？⑦问题表达得是否很清楚，学生能否确切地知道在问什么？⑧有没有激励好学生进一步学习的习题？

根据每条准则，相应地把书评为差、一般、良好或优秀。在评价差别比较大的地方，则给出了等级范围，并尽可能地说明分歧的原因。不同的教科书适合不同类型的学生，教科书的编选和评价极易受编选者个人好恶的影响，而不是看学生喜欢还是不喜欢。随着我国教材向多样化方向的发展，根据大多数教学对象的特点和他们的需求，对可供选择的不同教科书作出尽可能客观和适当的选择，是一个物理教师面临的重要课题。就我国来说，教材是否在渗透德育教育方面做了应有的努力，也应当是评价的一个重要方面。

教学研究报告（research report in teaching） 物理教学研究实施后，得到关于研究对象的数据、情况描述等结果，对结果进行整理和分析的学术性文件。

数据的整理，常用图表法，分为统计表和统计图两种。数据分析必须运用教育统计的基本方法对数据进行处理。通过分析、比较、抽象和概括， 得出一个比较客观公正的结论。

研究报告要反映研究工作的全过程。一篇良好的研究报告，必须有较好的理论价值，在实际中能被人应用。研究报告必须符合客观性和科学性原则，所作的结论必须严格以研究中得到的资料为依据，不能用主观愿望去代替科学结论。研究报告必须目的明确、内容充实、措词严谨、文字精

炼、符合规范。撰写研究报告的格式，一般来说，可包括以下几个部分：

①文献综述、问题的提出；②研究的目的；③研究的方法和程序；④研究的结果；⑤讨论；⑥总结和结论；⑦参考资料；⑧附录。

教学研究的课题（the topics of research inteaching） 选择中学物理教学某方面的特定问题，有计划有目的地探索物理教学的规律、方法以及有关具体教学问题。物理教学研究属于学科教育研究的范畴，它将教育研究的一般理论和方法运用于物理教学。选择研究课题是进行物理教学研究的起点。中学物理教学研究的课题一般包括以下几个方面。

1. 物理教学的一般问题研究。这类研究问题的涉及面很广，包括物理教学理论和实践、物理课程设置和实践、物理学习水平评价、物理教学水平评价、物理教学与其他学科教学的联系、物理教学与环境教育、物理教学如何渗透思想政治教育等方面的一般性问题。

2. 物理教材的分析研究及开发、推广。包括对现行国内外各种教材的整体和局部的分析研究以及新教材的开发和推广使用。

3. 物理教学法的研究。包括物理课堂教学的分析研究，各种教学方法的试验和对比，新教学方法研究，物理学中某些专题的教学方法改进等。 (4)学生学习物理中的思维特点和思维障碍的研究。包括学生学习物理

中先入为主的概念和错误概念的分析研究，性别差异与学习物理过程中思维特点及差异的研究等。

1. 物理实验和教学手段的研究和开发。包括演示实验、学生实验、学生课外实验的改进和开发，新仪器、新教学软件的开发等。

2. 测验和评价技巧的研究。物理测验中的命题技巧和方法的研究，各种测试手段及可靠性的研究等。

物理教学研究的课题应面向实际需要，有物理教学中的事实根据和教育理论的根据，并具有一定的可行性。

教学研究方法（research methods in teaching） 在物理教学研究中运用的几种基本教育研究方法。常用的研究方法有调查法、实验法和经验筛选法。

1. 调查法。调查法的基本步骤是：①确定调查课题、调查对象和调查范围，制订调查计划、调查手段和调查程序；②实施调查手段，搜集资料；

③整理资料；④撰写调查报告。常用的调查手段有：问卷、测验、观察。其中问卷法使用较为普遍。问卷法也叫填表法。它是用表格的形式，要求调查对象笔答问题。最为重要的是编制问卷。常见的方式有：①是非式（对命题表示个人是否同意）。②选择式（从规定的多种答案中挑选出最适宜的，加一记号）。③排列式（用数字表示答案按某种看法，例如重要性前后的排列顺序）。④评判式（表示个人对命题的判断。例如，五级态度量表是一种常用的评判式问卷，它要求被调查者从对某项命题的强烈肯定、肯定、不置可否、否定、强烈否定五项评判中选取一项）。问卷的措词必须特别准确、清楚。调查对象对每一问题会有哪些回答，事先必须进行周密估计，事后必须便于分类统计。对大规模调查，可先作小样本尝试性调查，及时修改问卷，然后再进行正式调查。问卷的卷首应附有“说明”， 强调调查的目的、意义和具体要求。 一般说来，问卷的回收率要达到 70% 以上。调查法可分为全部调查、抽样调查和分类调查三种。抽样调查要特别注意样本的代表性。调查必须在正常教育、教学环境中进行。

1. 实验法。实验法是用人为控制某种因素，建立实验条件，对某种物理教学方式，进行研究的方法。实验法通常采用等组法和轮组法两种方法。等组法常称为对照实验法。选择的两个组条件应基本相同。一个作为试验组，采用某种特定的教学方法，确定它对试验组的影响。另一个作为对照组，作为比较的标准。实验后进行效果测定，作对比分析。轮组法是选用 A、B 两个实验组，第一次 A 组用甲法，B 组用乙法，教学后进行效果测定； 第二次 B 组用甲法， A 组用乙法，教学后再次进行效果测定。综合两次统计，比较甲、乙两法的差别，作出分析。运用实验法，要注意排除无关因素的影响。必要时进行重复实验或扩大试验，方可取得较好的成效。

2. 经验筛选法。对教学实践中创造的各种经验进行反复的筛选，探索教学规律，为理论研究提供原材料。筛选法的顺序一般为：①总结先进的教学经验，对各种经验加以分析，制订出筛选计划。②按预定计划，在授课中实施这些方法。并对实施过程进行系统的考察和评价。③根据考察、评价的结果，对原有的经验进行比较、淘汰、筛选和优化。

一项教育研究，特别是一个比较复杂的研究课题往往需要用几种方法进行较长时期的综合探讨，构成一个方法组合的有机体系。

接触电（contact electricity） 伏打在发明电堆过程中发现的两种不同金属的接触会产生的正负电。意大利物理学家伏打从 1791 年开始研究伽伐尼电现象。开始他也接受伽伐尼关于动物电的假说，结果实验工作进展不大，但这一系列实验本身使伏打日益相信动物体、蛙腿只具有次要意义。1792 年，伏打从实验上证明伽伐尼电本质上是两种不同金属与湿的动物体联接在一起而引起的，蛙腿只是起到验电器的作用。1793 年，伏打便向伽伐尼关于动物电的观点进行挑战，即他完全排除了动物电的存在。他指出：“用不同的导体，特别是金属导体接触在一起，包括黄铁矿、其他矿石以及炭等，我们称之为干导体或第一类导体，再与第二类导体或湿导体接触，就会扰动电液，引起电激励。”同年，伏打对各种金属相互间的接触电动势进行全面研究，结果发现在锌、锡、铅、铁、铜、银、金、石墨的这一系列中，每一种金属当与其后面任何一种金属接触时，其本身的电位将高于其后面任何一种金属的电位，由此表明了接触电的由来，并揭示了伽伐尼电的全部秘密都隐藏在两种不同金属的接触点上。然而这一发现是在伏打发明电堆的过程中引发的，1799 年，伏打终于发明了第一个能够产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。

接触电现象（contact electric phenomena） 原来不带电的两种金属互相接触时，在接触处分别带有正负电荷的现象。两金属间由此而存在的电势差称为接触电势差。其值仅与相互接触的金属导体的化学成分和温度有关，通常很小，一般只有十分之几伏，最多也只有几伏。

依照两种金属相接触时其相对电动势的高低，可将金属排成一个序列。1797 年，意大利物理学家伏打首先根据实验结果确定了下述序列：铝

（Al）—锌（Zn）—锡（Sn）—镉（Cd）—铅（Pb）—锑（Sb）—铋（Bi）

—汞（Hg）—铁（Fe）—铜（Cu）—银（Ag）—金（Au）—铂（Pt）—钯

（Pd）。当这序列中的任意两种金属接触时，前者带正电，后者带负电。可以证明，当几种不同金属 A、B、C、D 依次相互接触时，接触电势差的总和仅与两端处的金属 A 和 D 的性质有关，而与中间金属 B 和 C 的性质无关。

接触电势差产生的原因是由于不同金属的功函数不同，亦即电子脱离不同金属表面所需的功不同，因而当两种金属互相接触时，温度相同，功函数较小的金属由于失去电子而电势增高，功函数较大的金属由于获得电子而电势降低。

接口（interface） 中央处理机和外部设备之间的连接通道及有关的控制电路，也可泛指任何两个系统之间的交接部分，或两个系统之间的连接设备。

接口一般应具备以下功能。①传送数据：数据通常分为三种类型。a. 数字量，即以二进制形式表示的数或以 ASCⅡ码表示的数和字符；b.模拟量，由传感器输出，经过 A/D 转换变为数字量再输入计算机，计算机的控制输出也必须先经过 D/A 转换才能去控制执行机构；c.开关量，即有两种状态的量，可控制电机的启动和停止，阀门的开和关。②传递状态信息； 在输入时，输入设备的传送信息是否准备好；在输出时，输出设备是否空闲。这些“已准备好”、“闲”、“忙”等设备状态信息要向主机“汇报”。

③传送控制信息：控制输入输出设备的启动、停止和定位。

结构式问题（structured question） 围绕同一问题情景给出若干子问题的试题形式。其中每个子问题可视为一个简答题、计算题、论证题等，它们的答题要求和方式都有明确的要求。子问题的构成方式可以是连续的或独立的。例如：质量为 2 千克的物体，位于粗糙水平面上，在大小为 F=5 牛、方向与水平成 37°角的斜向下的推力作用下，从静止开始运动， 在 2 秒内通过 2 米的路程。第 2 秒末撤去力 F（cos37°=0.8，sin37°=0.6。 g 取 10 米/秒 2）。求：①在开始 2 秒内物体所受的摩擦力。②物体与水平面间的摩擦系数。③从撤去力 F 直到物体停止运动，物体克服摩擦力所做的功。

结构式问题是目前国内外基础物理测试中使用最多、最广泛的一种评价技巧，它能有效地测试学生对基本物理概念和规律理解的深、广度和灵活应用能力。由于结构型问题中每个简答题都有较专一的评价目标和明确的评分标准，它能较有效和细致地检测应试者达到评价目标的程度，因此适合标准参照的物理测验。从教学角度看，结构型问题的设计实际上给考生提供了一条简捷有效的解题思路，这对引导和训练学生进行有条理的逻辑思考有重要的意义。

结型场效应晶体管（junction field effect transistor） 利用外加在 PN 结上的偏置电压来控制电流传输的半导体器件。如图所示，一块 N 型半导体的两端作为电极，一个称为源极，用 S 表示；另一

■结型场效应晶体管

个称为漏极，用 D 表示。在两电极间外加一漏源电压 VDS，D 接正，S 接负， 此时在半导体内将有电流 IDS 从漏极流向源极，形成了一条导电通道。如果此时再在该 N 型半导体的底部和顶部各扩散一层 P+层（上标符号+表示 P 区的浓度大于 N 区的浓度），以形成 PN 结，并制一金属电极，称为栅极， 用 G 表示，这样就构成了一个 N 沟结型场效应晶体管。沟道长为 L，宽度W。利用外加在栅极 G 上的电压在 PN 结上形成的偏置电场来控制沟道宽度， 从而改变沟道电阻和漏源电流，以实现结型场效应晶体管的功能。

节拍器（metronome） 一种低频振荡器，产生频率为 0.6Hz 到 3.5Hz 左右的机械接触声或者调频节拍声。节拍器有机械节拍器和电子节拍器两

种。可用作进行等时间测量的控制信号。例如研究布朗粒子在不同时刻的位置分布，就是利用节拍器的时间信号，记下跟踪布朗粒子的位置，最后画出布朗粒子轨迹图，为研究分子运动的规律取得重要的实验资料。

机械节拍器的原理就是摆的等时性原理。节拍器摆是较复杂的物理摆，并在外力策动下作强迫振动。为了取得物理摆的某种特定频率，在物理摆上设有可调节位置的摆锤。摆锤位置与频率刻度线有对应的关系，所以可方便地调节摆锤位置得到所需要的节拍数。为了补充物理摆在摆动时的能量耗散，在节拍器的下部装有卷簧，开始时卷紧卷簧，即外力作功贮藏弹性势能，摆动时，棘轮强迫物理摆振动，使节拍器按照本身机械结构所产生的质量分布作来回摆动。

由于物理摆的对称轴不能像单摆可任意取，并且物理摆的重心必须低于支点，摆在对称轴两边偏离的最大幅度尽可能相同，因此机械节拍器放置时，摆杆在静止时尽可能垂直于水平面，否财容易衰减幅度最后停止。

电子节拍器有音响清晰、频率调节范围宽、使用方便、放置位置任意、不怕振动等优点。电子节拍器的工作原理就是晶体管或者集成电路振荡器。振荡频率由电路中的电阻、电容元件的数值决定，常用的电子节拍器有十种频率段，即每分钟振荡有 20、40、60、80、100、120、140、160、180 和 200 等次等，调节微调旋钮可得到 20～200 中的任意一种节拍数。

不论是机械还是电子节拍器，频率的不稳定性为 10-4，即相对误差为0.01%，不稳定性误差是一种偶然性误差，所以不能修正和补偿。

解调（demodulation） 从携带信息的已调信号中恢复信息的过程。发送端用已调制的波发送、传输信息，接收端必须恢复所传送的信息才能加以利用，这就是解调。解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方式也相应地有所区别。解调可分为“正弦波解调”（有时也称为“连续波解调”）和“脉冲波解调”。正弦波解调又可分为幅度解调、频率解调和相位解调。

在无线电广播收音机、电视机以及雷达或其它接收机中，都有一级解调器，实现从载波信号中分离出需要的话音、图像等信号。解调器又称为检波器。在高放式无线电接收机中，检波器将声频信号从放大后的输入射频载波信号中分离出来。在超外差接收机中，变频器又称为第一检波器， 它将射频信号变为已调中频载波信号。而第二检波器才将声频信号从载波信号中分离出来。在调频接收机中，解调器又称为鉴频器，它将载波频率的变化变为相应的声频信号。在彩色电视接收机中，解调器从输入的已调载波信号中提取色差信号。

解决物理问题的能力（ability to solve Physicsproblem） 运用物理学知识和思想方法、基本技能分析、解决具体物理问题的能力。解决物理问题的能力不只是一般意义上解书面习题的解题能力。因为所要解决的具体物理问题有两类，一类是实际问题，即问题情景包括真实给出的实验装置、仪器或其他实物，学生应按照问题的要求综合运用观察能力、实验能力和思维能力，给予分析和解决。对学生讲，这类问题的情景应当是新的，而不应是过去做过实验的简单重复。问题的解决过程应该是简捷明了、力所能及的，这类问题能有效地培养手脑并用的能力和灵活应用知识的能力。另一类是书面问题，即以书面方式设置一个假想的问题情景，包括实验情景，让学生解决。这是训练学生运用知识的主要手段和方式，学

生基本上只运用思维能力分析、解决问题。在解决这类问题时，要防止不从物理概念出发，不分析物理过程和物理规律适用条件就乱套公式，要强调以下分析和解决问题的方法。①首先要明确题意，找出问题情景中的有关的显性和隐性的因素，即有关的物理量和物理条件。②确立研究对象， 将问题情景抽象成可以运用有关概念和规律解决的物理图景和物理过程。

③形成解决问题的思维中心，按一定思路解决问题。

学生解决物理问题能力的提高，不仅有赖于提高问题的质量，防止问题情景的程式化和抽象化，使学生在解决问题过程中能有效、全面地提高观察、实验能力和各种思维能力，而且有赖于持之以恒的训练，以养成科学地分析、解决问题的习惯。

介质（medium） 又称“媒质”。物质系统在其间存在或物理过程在其间进行的物质。一般分为电介质、磁介质等。电介质是指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媒质。电介质可分为气态电介质（如氢、氧、氮及一切在非电离情况下的气体）、液态电介质（如油、纯水、漆、有机酸等）、固态电介质（如玻璃、陶瓷、橡胶、纸、石英等）。磁介质是指在磁场作用下能发生变化并能反过来影响磁场的媒质。磁介质按其磁性可分为铁磁质（如铁、钴、镍及含铁的氧化物等）、顺磁质（如氧、一氧化氮、空气及某些碱性元素、碱土元素、稀土元素的盐等）、抗磁质（如铜、铅、银、水、氮及碱金属盐类、卤素等）。广延的实物，如空气、水等也被称为媒质，声音就在这种媒质中传播。不存在实物的真空， 有时也称为媒质，电磁场就是在这种媒质中传播的。

金属—半导体接触（metal-semiconductor contacts）金属和半导体接触可以有两种形式：欧姆接触和整流接触。整流接触时，金属和半导体之间将形成一个势垒，这一观念最早是由肖特基于 1938 年提出的，故称为肖特基势垒。所有半导体器件和集成电路都要通过金属引线使之与电子线路中的其它元器件相连接，这种金属和半导体之间的接触是一种欧姆接触。

若N型半导体的功函数W^{(n型) 小于金属功函数W ，即W(n型) ＜W ；}

x m s m

或P型半导体的功函数W^{(P型) 大于金属功函数，即W(P型) ＞W ，则这}

s s m

时所形成的金属—半导体接触就是肖特基接触，它使电子从半导体流向金属。这时只有当正向偏置时才有较大的正向电流，而反向电流非常小。这就是肖特基势垒的整流作用。

精密度（Precision） 用来描述测量者在测量过程中的判别和估计能力。测量值可能比仪器的准确度高，也可能相等或者低。例如用米尺测量物体的长度时，准确度为 1 毫米，但是测量者如果准确地估计最小分度

间的读数，可能使测量结果准确度提高到 0.1 毫米。但要在更准确的仪器

测量后才能确认，在没有更准确的仪器复核时，不能说准确到 0.1 毫米，

只能说精密到 0.1 毫米。所以精密不一定是准确的。如果测量者不顾米尺的最小分度，只读到厘米，显然读数没有达到仪器的准确度，这就是测量精密度低于仪器的准确度。其实不需要高精密读数时，选用的仪器准确度也可适当降低，只有当精密度稍稍高于仪器的准确度时才算是合适的测量，而精密度的要求与其它待测量的相对不确定量有着相同的量级，整个实验才算安排得合理和准确。

晶格结构（structrue of crystallattice） 晶体内原子周期性排列的形式。不同晶体其原子规则排列的具体形式不同，因此具有不同的晶格结构。原子在晶格内占有的位置称为格点。自 1912 年劳厄发现了 X 射线对晶体的衍射现象以来，用 X 射线衍射分析等方法已探明了数以万种的晶体的结构，从简单的金属到结构极其复杂的蛋白质。下面给出几种常见的典型晶格结构。

简立方结构 在立方体的八个顶角上都有原子的一种最简单的原子排列形式，如图 1(a)所示。如金属钋（Po）就是这种晶格结构。

体心立方结构 如图 1(b)所示。除在立方体的八个顶角均为原子所占有外，在体心还有一个原子。如金属锂（Li）、钠（Na）、钾（K）等都具有这种晶格结构。

面心立方结构 如图 1(c)所示。除在立方体的顶角有原子外，在立方体六个面的面心处各有一个原子。如金属铜（Cu）、银（Ag）、金（Au） 等都是面心立方结构。

(a)

■简立方晶格（b）■体心立方晶格（c）■面心立方晶格(d)■六角密排晶格

图 1 几种典型的布拉伐晶格结构

六角密排结构 如图 1(d)所示，图中每一个黑点表示原子占有的位置。如镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等，它们的原子就是按六角密排结构排列。

上述几种简单晶格都属于布喇菲格子。但是有些晶体的晶格结构是由两种布喇菲格子套构而成的，这种晶格称为复式格子。氯化纳、金刚石、砷化镓的晶格结构就是三种典型的复式晶格结构。

氯化钠晶格结构如图 2(a)所示，它是由 Na+和 Cl-两种面心立方格子沿立方体边长方向移动 1/2 长度套构而成。

(a)■NaCl 晶体结构(b)■金刚石晶格结构图 2 典型的复式晶格结构

金刚石晶格结构 如图 2(b)所示，它是由价键取向不同的两种碳原子的两个面心立方布喇菲格子沿立方体体对角线移动 1/4 长度套构而成。若碳原子换成硅原子或锗原子，就形成半导体硅或半导体锗的晶格结构。闪锌矿结构 若把化合物中两种原子如砷化镓（GaAs）中 Ga 和 As 原

子分别替代金刚石结构中价键取向不同的碳原子，那么这种晶格结构就称为闪锌矿结构。砷化镓就是具有闪锌矿结构的晶体。

了解晶体的微观结构对于固体物理学、化学、分子生物学、矿物学和材料科学等都有重要的意义。

晶格振动（crystal lattice vibration） 晶体中的原子在其平衡位置附近的振动。由于晶体中原子间的相互作用使这种振动互相耦合，所以晶格振动是一种集体运动。固体中许多与温度有关的性质，如固体的比热和热传导、金属的电阻、离子晶体的光学性质、铁磁—顺磁转变以及超导现象等，都与晶格振动有关。

实际的晶格振动很复杂。在固体理论中常采用简谐振动近似，即假设原子间的作用力是弹性力。这时，在由同种原子组成的简单晶格中，若某个原子以频率ω振动，则晶格中的其他原子亦以相同的频率和振幅振动， 且相互间具有特定的位相关系，也即在晶格中呈现出一种波的运动。这种

波称为“格波”或“点阵波”，格波的波矢量 q 的方向代表格波的传播方

向，其值（即波数）与格波的波长λ有关：|q| = 2π 。晶格振动频率与波

λ

量之间的函数关系ω（q）称为“晶格振动谱”或“格波的色散关系”数矢。可以证明，在 N 个全同原子所组成的三维晶体中存在 3N 种独立的格波振动模式，实际的晶格振动可近似地用这 3N 个基本格波的叠加描述。对于每一原胞中有几个原子的复式晶格来说，独立的振动模式中除原胞之间的相对振动外，还包括原胞中原子间的相对振动。前者称为“声学波”；后者频率较高，可达到光频范围，称为“光学波”。根据量子理论，格波的能量是量子化的，它的能量量子称为“声子”，声子概念的引进可使晶格振动的表述简化。

简谐近似的格波理论可解释低温下晶体的比热与温度关系的实验结果，但对于晶体的热膨胀、热传导等性质必须考虑原子间相互作用的非简谐力成份。在非简谐效应影响下，各格波不再是独立的，它们之间存在着相互作用。当晶体中存在杂质或缺陷时，它们会使格波发生散射，并在杂质或缺陷附近形成局域振动，其振幅随着与杂质或缺陷的距离增加而按指数规律衰减。在晶体的表面或界面，会出现晶格振动沿表（界）面的传播， 这种表（界）面波的振幅也将随着与表面或界面的垂直距离的增加而按指数规律下降。

晶面和密勒指数（crystal plane and Miller ind- ex） 通过布喇菲格子的格点作一系列平行而等距的平面；所有格点都可包含在这平面系内。这种平面系可以有无限种。

如果在任一晶面系中取晶面 ABC，它与基矢 a1、a2、a3 的截距分别

为ma

、la 、na ，取整数h 、h 、h 使h ∶h ∶h = 1 ∶ 1 1

1 2 3 1 2 3 1 2 3

l m ∶ n ，

于是就以这 3 个整数加圆括号，即（h1h2h3）来表征该晶面位置，并称此

整数为密勒指数。

经常用到的晶面有（100），（110）和（111），分别见图中(a)、(b)、(c)中打斜线的面。其中如（100）晶面的密勒指数是这样确定的：这个晶面与基矢 a1 轴的截距为 a1，并由于与 a2、a3 轴平行，截距为∝，

因此 1 ∶ 1 ∶ 1 = 1∶0∶0，故密勒指数为（100）。把与（100）晶

a1 ∞ ∞



面等效的（010）、（001）、（1 00）、（01 0）、（00 1）晶

面共 6 个归为一类等效晶面，用花括号{100}表示；同样把与（110）晶面

等效的（011）、 （101）、（1 10）、（1 10）、（0 1 1）、（01 1）、

（1 01）、（10 1）、（0 1 1）、（1 0 1）、（1 10）共12个晶面归为另

一类用｛110} 表示的等效晶面，与（111）晶面等效的（1 1 1）、

（1 11）、（ 1 1 1）、（1 11）、（1 1 1）、（11 1）、（1 1 1）

共 8 个晶面归为由｛111｝表示的等效晶面。

■几种典型晶面

与晶面垂直的法线方向称为“晶向”。从一个原子沿晶向到最近邻原子的位移矢量若为 l1a1+l2a2+l3a3 则可用 l2，l2，l3 一组数来表示晶向， 称数组[l1l2l3]为晶向指数。

已经证明在立方晶格中，晶面的密勒指数与该晶面法向的晶向指数完

全相同。因此与立方体边长[100]晶向，立方体面对角线[110]晶向，立方体体对角线[111]晶向相垂直的晶面分别为（100）晶面、（110）晶面和（111）晶面。

晶体（crystal） 由结构基元（原子、离子、分子等）在空间按规则的周期性排列而成的固体。晶体又分单晶体和多晶体。在科学和技术领域中，晶体常常是专指单晶体，而将单晶体和多晶体统称为晶态固体或结晶固体。在自然界中存在的大多数固体物质都是晶态固体。例如，岩石、泥土、金属甚至棉花和肌肉纤维等等，都具有晶态结构。

一些单晶体，特别是天然矿物单晶体（如石英、方解石等）是一些表面光滑的凸多面体，其外形最显著的特征是表面（晶面）的配置是有规则的：同一品种晶体的两个对应晶面间的夹角是恒定的。最初，人们把具有规则几何外形的固体称为晶体。这一定义显然是不严格的，事实上不少单晶由于生长条件的限制，其规则的晶面并未充分暴露；而多晶体的外形看上去更是不规则的。规则的几何外形仅仅是晶体内部结构规律的外在反映，区别晶体与非晶体的根本判据是其内在结构是否具有周期性。

单晶体中的结构基元在三维空间作不间断的周期重复排列，其物理和化学性质是各向异性的。多晶体则是由许多大小不一、取向不同的单晶体颗粒（晶粒）组成的。多晶体物质的性质不仅取决于所包含晶粒的性质， 而且还与晶粒的大小及相互取向等密切有关。如果各小晶粒的取向无规则，那么该多晶体便是各向同性的。晶态固体的熔解过程就是其长程序结构的解体过程，无论是单晶体还是多晶体，都有确定的熔点。

晶体的对称性（crystal symmetry） 晶体的外形和其内部结构的一个极其重要的几何特性。晶体中原子有规则的周期性排列一方面使晶体的结构和性质随方向变化；另一方面使晶体在某些等效方向上具有完全相同的结构和性质，即晶体具有对称性。晶体的几何外形和物理性质的宏观对称性是其内部结构对称性的反映。

一个对称几何图形的等效方向可通过各种几何对称操作来识别。例如

对立方体，以其对面中心的联线为转轴，每转动角度 2π 后可与其自身

4

重合一次，这表明与这轴垂直的四个依次相垂直的方向是等效的。我们称该图形具有 4 重轴对称性。这种绕某一固定轴的转动能使图形回复到原来位置的操作称为轴对称操作。对称操作所依赖的几何要素（点、线和面等） 称为对称元素，这里的对称元素是旋转轴，并称为 4 重旋转轴。一种几何图形往往可能有多种对称性操作。显然对称性操作愈多，图形的对称性就愈高。

晶体的对称性包括晶体外形的宏观对称性和晶体结构的微观对称性。晶体的宏观对称性除轴对称性外还有旋转—反演对称性。旋转—反演对称性是指图形绕一转轴转动角度 2π 并再经轴上一点作中心反演后能与自

n

身重合的性质，其对称元素即该操作所依赖的转轴，称为 n 重旋转—反演轴，记作 n。晶体的宏观对称操作受其内部原子排列周期性的限制。例如， 一个正 5 边形不可能相互紧贴并实现周期性重复排列，因此晶体没有 5 重

对称性。可以证明，晶体也不可能具有 7 重和 7 重以上的对称性。晶体的旋转轴只有 1、2、3、4 和 6 重 5 种轴对称性。同样旋转—反演对称性也只

有

1、2、3、4和6重5种。晶体的宏观对称性可用上述10种对称元素的

组合来描述，它们可能有 32 种不同的组合。也就是说，晶体宏观对称性只

有 32 种类型，可用 32 种点群来概括。晶体中原子的排列具有三维周期性结构。由于晶体的线度要比晶胞大得多，因此可将其看作为一个无限周期图像。一个无穷大的周期性图形作一定平移操作后仍能复原，因此具有平移对称性。这是晶体结构的微观对称性。考虑了所有各种情况后，晶体结构的对称操作共有 230 种不同的类型，因此所有的晶体结构按对称性可分

为 230 种不同的类型，可用 230 个空间群来描述。

晶体的结合（crystal binding） 构成晶体的原子或分子之间的相互作用。晶体中的原子之所以能够结合成具有一定几何结构的稳定晶体， 是由于原子间存在着结合力。设想把分散的原子或分子结合成晶体。当

■

斥力引力

斥力势引力势

图 1 原子间的相互作用(a)相互作用力与原子

间距的关系；(b)相互作用势能与原子间距的关系

分散的原子相互接近到数纳米的距离时，原子间带正电的原子核和带负电的电子之间的库仑净作用将使原子相互吸引，且引力的值随原子间距离的减小而增加。其后，随着原子间距的进一步减小，由于价电子云相互重叠和两核电荷间的相互作用而出现斥力，斥力随距离缩短而迅速增加。原子间的相互作用包括引力和斥力两部分，它们与原子间距的关系如图1(a)所示。其中 r0 为晶体中原子的平衡距离，这时引力和斥力相抵消。相应地，两个原子间的相互作用势能亦随原子间距的改变而变化，如图 1(b) 所示。在 r0 处，相互作用势能最小。这时体系的总能量最低，相应的晶体结构最稳定。分散的原子在结合成晶体时释放出的能量 W 称为晶体的结合能或内聚能。

晶体中原子间的结合力与原子的电子结构有关，不同类型的原子间具有不同形式和大小的结合力。按结合力的性质和特点，晶体的结合有 5 种基本类型：离子结合，共价结合，金属结合，范德瓦尔斯结合和氢键结合。

离子结合 当容易失去电子的金属原子与容易接受电子的非金属原子相互靠近时，金属原子的价电子转移给非金属原子，形成具有较稳定电子结构的正、负离子，且正、负离子通过它们之间的静电库仑作用结合在一起。由这种类型结合而成的晶体称为离子晶体，它以离子为结合单元， 正、负离子相间排列。典型的这类晶体结构有 NaCl 结构和 CsCl 结构。离子晶体的结合能较大，一般是每个离子几个电子伏。它们的熔点较高，硬度较大，膨胀系数较小。一般是良好的绝缘体。

共价结合 电子束缚能力相近的两同种原子相互靠近时，各自贡献一个自旋相反的电子，形成两个原子所共有的电子对，这对电子主要局域在两个原子之间，它们通过静电作用把两个带正电的原子核吸引在一起，这种电子结构称为共价键。以共价结合而成的晶体称为共价晶体，也称为原子晶体或同极晶体。共价结合有两个特点：一是饱和性，即一个原子只能

形成一定数目的共价键；二是方向性，即各共价键之间有确定的取向关系。Ⅳ族元素 C（金刚石）、Si、Ge 的晶体是典型的共价晶体，这些晶体中每个原子与处在四面体顶角方向的四个相邻原子之间各形成一个共价键，形成金刚石结构。共价晶体有较大的结合能，其熔点高，坚硬但性脆，导电性能差，一般是绝缘体或半导体。

金属结合 对价电子束缚较弱的原子结合成晶体时，原来分属于各个原子的价电子将脱离原子的束缚，而在整个晶体内自由运动，为所有原子所共有。共有化电子形成的负电荷云和浸没在电子云中的带正电的原子实之间的库仑吸引作用促使原子聚合在一起。这样的结合称为金属结合。第Ⅰ族、第Ⅱ族及过渡元素的晶体都是金属晶体。金属晶体中原子排列紧密， 结构多为面心立方或六角密排结构。它的结合能略低于离子晶体和共价晶体。金属晶体的主要特点是具有高的导电性和导热性，有金属光泽和较好的可延展性（范性）。

范德瓦尔斯结合具 有稳定电子结构的原子或分子，例如具有满壳层结构的惰性气体元素或价电子已形成共价键的饱和分子（如 CO2、NH3、CH4） 等结合成晶体时，原子或分子的电子结构基本保持不变。中性原子或分子之间的结合力称为范德瓦尔斯力。这种结合力很弱，它的主要来源是组成粒子间电偶极矩相互作用或瞬时偶极矩间互相感应作用产生的吸引力。由范德瓦尔斯结合形成的晶体称为分子晶体。分子晶体的结合能很小，它的主要特性是低熔点、低硬度、大的热膨胀系数和大的压缩率、低的电导率和热导率。

氢键 在一些含有氢的化合物中，氢分子可以同时和两个对价电子束缚较强但半径较小的原子（如 O、F、N 等）相结合。氢原子(H)只有一个电子，当它与其他原子(X)形成结合较强的共价键后，裸露的氢核可通过库仑作用再与另一对电子束缚较强的原子(Y)形成弱结合。这种由氢参加的特殊形式的结合称为氢键结合，表示为 X-H⋯Y。由氢键结合成的晶体，称为氢键晶体。冰（H2O）是典型的氢键晶体，其结构如图 2 所示。每个氢原子与两个氧原子结合成氢键，而每个氧原子通过氢键与四个氧原子相邻接。冰的这种四面体堆积的结构十分畅开，因此冰的密度小于水。在铁电晶体磷酸二氢钾（KDP）、固态氟化氢和硼酸等晶体中，也都有氢键存在。

实际晶体的结合，以这五种基本形式为基础。但许多晶体往往不是单一形式的结合，一种晶体可能兼有几种结合形式；或者处于两种基本结合形式之间的过渡状态，例如部分离子结合部分共价结合、部分金属结合部分共价结合的混合性质的状态。

■图 2 冰中氢键结构的四面体构型

●氧原子○氢原子

晶体二极管（crystal diode） 利用半导体的特性而制成的一种二端器件。这些器件主要的特征是具有非线性的电流—电压特性。晶体检波器早在第一次世界大战末期已经使用。1930 年已成批生产半导体整流器。1949 年，美国物理学家肖克莱建立了 PN 结理论，为半导体器件奠定了科学基础。此后随着半导体材料和工艺技术的发展，利用不同的半导体材料、掺杂分布和几何结构，研制出结构种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极管。硅和锗是二极管中最常用的半导体，化合物半导体，如硫化镉、硒化镉、磷化镓、砷磷化镓以及碳化硅等，常用于制造特种用途的晶体二极

管。晶体二极管以结构类型划分，有半导体结型二极管、金属—半导体接触二极管、体效应二极管三类。

半导体结型二极管 导电类型不同的（常见的有 N 型和 P 型）两种材料相互接触制成的 PN 结的器件。根据 PN 结的基本特性，可以制作多种功能的二极管。利用 PN 结的单向导电性，可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管。利用 PN 结的齐纳击穿特性，可制成稳压二极管，它可在电源电路中提供固定偏压或进行过压保护。利用雪崩击穿特性，可制成雪崩二极管，用作固体微波功率源。利用高掺杂 PN 结的隧道效应，可制作隧道二极管，它可用于低噪声放大或振荡，也可用作超高速开关，频率可达毫米波段。利用结电容随外加电压非线性变化特性，可制作变容二极管， 在微波电路中用于参量放大、电调谐及产生谐波等。利用 PN 结受光照射时产生的光生伏特效应，可制作光电二极管。

金属—半导体接触二极管 利用半导体与金属接触形成的势垒而制成的晶体二极管。包括点接触二极管和肖特基势垒二极管。适用于高频， 具有高频损耗小、噪声低、检波灵敏度高、性能稳定可靠等特点。在微波通信及雷达中用于混频、检波、调制、超高速开关、倍频及低噪声参量放大等。

体效应二极管 利用半导体某些体内性质受外界作用而发生变化的原理制成的器件。除欧姆接触之外，它不含有 PN 结及其他界面。可用于光电导型探测器、热敏电阻、霍尔元件和电子转移器件等。

晶体三极管（transistor） 由半导体材料制成的有源三端器件。晶体三极管几乎能完成电子管的所有功能，诸如放大、整流、振荡、开关等， 它也是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的基础和关键器件。晶体三极管是在 1948 年由美国人巴丁、布喇顿和肖克莱发明。次年肖克莱提出 PN 结和面结型晶体管理论，推动了晶体管的研制。1953 年制出硅结型场效应管。1960 年出现了硅的金属—氧化物—半导体场效应管

（MOSFET）。1960 年～1962 年制成硅平面型晶体管，为低噪声和大功率器件以及大规模集成电路的发展打下了基础。1966 年制成砷化镓的肖特基势垒栅场效应晶体管（MESFET），它是新一代计算机、超高速集成电路的关键器件。

面结型三极管 发射结和集电结均在导电类型相反的两种半导体区域之间形成。是一种电流控制器件，有 NPN 和 PNP 两种结构形式。以 NPN 晶体管为例（如图 1 所示），它由三个区域（即发射区、基区和集电区） 构成，这三个区域分别称为发射极、基极和集电极。含有两个 PN 结，分别称为发射结和集电结。在正常工作条件下，发射结被正向偏置，集电结被反向偏置。发射结正向偏置使发射极—基极势垒降低，造成电子向基极注入和空穴向发射极注入。注入的空穴构成发射极空穴电流，注入的电子在基区是少数载流子，其中一些电子在基区中与空穴复合，但大多数未复合的注入电子经扩散和漂移作用抵达集电结。抵达集电结的电子被集电极吸收成为集电极电流，因此，发射结注入的载流子能使反偏的集电结流过大电流，这就是晶体管作用的基础。但这种作用只有在两个结相距很近时才存在，因此其基区一般均做得很薄。

■图 1 面结型晶体三极管

结型场效应晶体管 有两个栅 PN 结，N 型沟道（或 P 沟道）夹在两

个栅 PN 结的空间电荷层之间，沟道两端加上欧姆接触（称源极和漏极）， 利用场效应原

■图 2 结型场效应管

理工作的晶体管。结构如图 2 所示。在漏极加正偏压，则有电子从源极流向漏极。在栅 PN 结加上负偏压时，空间电荷区宽度和沟道厚度随之变化，从而沟道电阻、沟道电流（或称漏电流）也发生变化，这就是结型场效应管的栅极电压控制作用的原理。结型场效应管可用作放大器，在低频下噪声很低，常用于海底通信、红外接收等低频低噪声电子设备中。

金属—氧化物—半导体场效应晶体管 又称绝缘栅场效应管，简称MOS 场效应管（或简写为 MOSFET 管）。是利用半导体的表面场效应现象制成的器件。按其工作状态可以分为增强型与耗尽型两类，每类又有 N 沟道和 P 沟道之分。现以 N 沟道增强型绝缘栅场效应管为例说明其原理。如图3 所示，在 P 型半导体上有两个重掺杂的 N+区，其上有两个欧姆接触电极， 分

■图 3 N 沟道增强型绝缘栅场效应管

别称为源极和漏极。源—漏之间覆盖一层很薄的绝缘膜（如二氧化硅或多晶硅等），膜上淀积金属形成栅极。栅极无外加电压时，源漏之间不导通。栅极上加一相当大的电压时（源接地），栅极下面的 P 型半导体表面上出现 N 型反型层，成为导电沟道。改变栅压可以改变沟道的宽度和电子密度，电流随之改变。这种在零栅压下不导通，在正栅压下才出现导电的 N 型沟道的管子称为 N 沟道增强型场效应管。反之，如果 P 型衬底表面不加栅压时已有 N 型沟道存在，外加栅压可使沟道电阻增大或变小，此种管称为 N 沟道耗尽型场效应管。同理，如果衬底是 N 型半导体，也可构成增强型和耗尽型两种。MOS 场效应管结构简单，具有很高的输入阻抗，在电路中适于直接耦合，广泛应用于集成电路和大规模集成电路。

晶体声学（crystal acoustics） 声学与晶体学之间的边缘学科， 主要研究声波在晶体中产生、传播、接收等各种效应与规律。由于晶体在宏观上呈现弹性各向异性，微观上则具有空间周期分布的有序结构，因此声波在晶体中产生、传播、接收的规律就比较复杂。它涉及：沿不同方向传播的声波有不同的速度和衰减系数；晶体原子或晶胞的振动会有特异的现象产生；晶体内部还往往存在位错等缺陷，它们对声波的吸收和衰减系数亦有影响。

晶体声学的研究内容，从总体上来说可分为两大部分：一是当机械扰动的波长远大于晶体原子尺度和间距时，晶体可视为弹性各向异性连续介质，其中弹性波的产生、传播、接收的规律，由各向异性连续介质力学与晶体本构方程描述。二是当机械扰动的波长可与晶体原子尺度和间距比拟时，晶体必须视为具有空间周期分布的有序结构，即所谓晶格结构。根据晶格动力学理论，在简谐近似下，原子与晶胞振动能量是量子化的，称为声子，声子的传播即为晶格波。晶格波的产生、传播、接收的规律，由以量子力学和量子场论为基础的晶格动力学方程描述。晶体声学研究具有重要意义：①通过对声波在晶体中传播的研究，可以确定晶体在各个方向上的弹性性质，也可以了解晶体中缺陷的情况。②通过对声子及其与晶体中各种微观结构的相互作用的研究，可以揭示晶体物理中的许多重要现象和规律。③有些晶体的压电性能或声光性能都较显著，也就为超声换能器和

声光器件、表面声波器件的制作提供了性能良好的材料。

晶体中的缺陷（defects in crystal） 晶体结构中包含的周期性晶格结构破缺或不完整区域。晶体是以原子周期性规则排列为其主要特征。为了获得理想晶体，人们希望尽量减少缺陷；但另一方面微量的杂质缺陷可以改变晶体的物理性质。因此研究和制造缺陷为我们制备性能优良的固体器件提供了依据。

晶体中的主要缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

点缺陷 晶体结构中一种局部的不规则性。如晶体中的外来杂质原子就是一种点缺陷，它们通常是在晶体生长过程中引入的。如果杂质代替了基质原子而占有某些格点，则称为“替代杂质”，如硼(B)、磷(P)等在硅晶体内就会形成这类杂质。另一种替代杂质铬（Cr），在白宝石三氧化二铝中掺入少量氧化铬粉末，使铬离子替代少量的铝离子形成替代缺陷，这时白宝石就变成了红宝石。如果杂质占据了基质原子间的间隙位置，则称为“填隙式杂质”，如金在硅晶体中就是电隙式杂质。另一种点缺陷是“空位”，即在规则排列的原子中移去一个原子而留下一个空格点。空位是由热激发产生的。因为原子围绕格点作振动，倘若温度足够高，就有可能使某些原子获得足够的能量而离开格点位置，留下了空位。空位周围的区域此时会发生畸变，如晶格松弛。

线缺陷 也称位错。晶格内部周期性的破坏发生在一条线上，错位的原子位于这条线的附近。线缺陷可分为“刃型位错”和“螺旋位错”。位错可以用适当方法对晶体腐蚀后在显微镜下观察到。位错与晶体的生长过程直接有关，它能改变晶体的力学、电学、光学等性质。

了面缺陷，这种面缺陷称为“层错”。面缺陷还可发生在多晶体内，多晶体由大量的单晶小块（或颗粒）组成，在每一颗粒的边界，晶体取向突然改变，这个边界就是面缺陷，又称为“晶粒间界”。

缺陷的存在对晶体的许多性质有很大影响。例如，半导体的导电类型和电导率完全是由主要杂质的性质和数量决定的；离子晶体的颜色来源于缺陷（色心）；晶体的范性形变是位错运动的结果等等。因此研究缺陷的结构、形态、性质、生长、运动以及它们与晶体性质的关系等，都具有重要的理论和实际意义。

经典电动力学（classical electrodynamics） 电磁现象的经典的动力学理论。简称电动力学。它研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式为出发点，运用数学演绎方法，结合有关物质结构的知识，建立完整的电磁场理论。由此可从宏观或微观的角度来阐明各种电磁现象的本质和规律。

电动力学的内容通常包括：麦克斯韦方程组和包含电磁场后物理过程的能量、动量和角动量守恒定律；静电学和静磁学问题；电磁波的辐射和传播；带电粒子在电磁场中的运动；电磁场和媒质的相互作用等。另外， 狭义相对论的建立与电动力学的研究密切有关。因此，其内容中通常还包括狭义相对论基础、相对论力学以及电动力学的相对论协变形式等。

经典力学（classical mechanics） 亦称牛顿力学，是研究宏观低

速（速度远小于光速）物体的运动过程的力学，是以牛顿运动定律为基础的力学体系。经典力学区别于量子力学的主要特征是，量子力学研究普朗克常数起作用的运动过程，而经典力学则把这个常数忽略不计，因此，由普朗克常数带来的影响，例如波粒二象性和不确定原理，在经典力学中不复存在。经典力学和相对论力学也不同，相对论力学是研究物体运动的速度接近光速的运动过程的力学。有时，经典力学泛指包括牛顿力学和相对论力学在内的而区别于量子力学的力学总称。

作为经典力学的基本假定，也是经典力学所依据的时空观被假定为： 时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关。20 世纪初，对某些电磁学和光学现象应如何作理论解释使人们对这个经典时空观发生怀疑。1905 年，爱因斯坦通过分析许多新的实验事实与旧的理论体系之间的矛盾，一方面提出了关于时间和空间观念的革命性见解，另一方面把力学中的相对性原理推广到适用于一切物理现象，在此基础上建立了狭义相对论，并把牛顿的经典力学改造成也适用于高速运动的相对论力学，同时也使牛顿力学成为相对论力学在低速下的极限情形。因此，以经典时空观念和牛顿运动定律为基础的经典力学，至今仍然是物理学、天文学和许多工程学的基础，而且也是机械、建筑结构、飞机、航天器和船舰等的合理设计的出发点。

经典力学的普遍原理被表达成数学形式，利用数学逻辑推理，可以导出许多具体条件下的具体结论，把这些结论与已有的实验相比较，可以验证理论的正确性并在此基础上预言尚未发现的现象。经典力学的这种研究方法以及经典力学所阐明的物理内容，在整个物理学的发展中具有极为重要的作用。

经典物理学（classical physics） 通常指 19 世纪末以前已建立起来的研究各种物理现象的学科，如经典力学、热学和分子物理学、经典电磁学、光学等。其后，爱因斯坦关于相对论的研究（1905）发现，牛顿力学仅仅适用于低速（<<c）情况，在接近光速时需要应用相对论力学。热学和热力学现象中存在同样情况。相对论力学通常也包括在经典力学中。至于电磁学和光学，它们所研究的对象涉及到以光速运动的电磁场，所以这些学科的基本规律满足爱因斯坦的相对论要求。

经典物理学通常与量子物理学相对应。量子物理学能反映实物粒子的波动性和波场的粒子性，或者说它能正确反映出已为大量精确实验所证实的客观世界的波粒二象性。经典物理学则忽略了实物粒子的波动性和场的粒子性。经典物理学和量子物理学的区别可用普朗克常数 h 来标志，在量子理论的公式中通常会出现 h，且当 h 趋于零时便转化为相应的经典物理学公式。经典物理学是量子物理学的一种近似理论，在比原子线度大许多的宏观现象中，这是一个非常好的近似。

经典物理学是整个物理学的基础，是 19 世纪末 20 世纪初之前几千年来人类对自然界各种物理现象研究工作的总结。虽然这个理论的基本框架已经完善，但是它的某些分支以及它的许多应用方面都还在继续发展。

经典物理学在近代中国的传播（Propagation ofclassical physics in modern China） 17 世纪以来，正当经典物理学在欧洲各国获得重大进展的同时，东方的中国却饱受着帝国主义和封建主义的奴役，科学技术明显落后，经典物理学的研究几乎是空白，这就为西学之一的经典物理学

的传播提供了场所。明万历中叶以后，一批耶稣会传教士来华，他们之中有的人以天文学、数学和物理学的述介，作为打开局面的一种手段，于是近代兴起的经典物理学知识便开始传入我国。

早期传播的概况 最早输入西方经典力学的是意大利的艾儒略。天启三年（1623 年），他编著了《职方外积成》一书。早年就喜欢钻研古器与机械制作的王征读了该书，看到里面所载的奇人奇器很多，引起了极大的兴趣。其后瑞士人邓玉函，德国人汤若望也把有关西方奇器的书籍供王征阅看。结果由邓玉函口授，王征笔译并绘图，写成了《远西奇器图说》一书，并于 1627 年刊出。全书分为重解、器解、力解三卷，其内容是论述力学知识、简单机械原理和各种实用机械的构造，属静力学范畴。这本书可以说是我国出版的第一部论述力学和机械原理的专门书籍，也是当时西方物理学、力学与机械学方面知识的汇编。

天启六年（1626 年），德国人汤若望译著了《远镜说》，并于 1632 年出版，它的问世标志着西方光学输入中国的开始。所谓“远镜”就是望远镜。该书只有 15 页，仅 5000 字左右，内容十分简略。全书首讲远镜用法，次讲原理，末讲制法；对于光在水中折射，光经过远镜的折射，凹镜散光，凸镜聚光，以及凹凸镜组合以放大物像的光学现象都作了解释。但书中的光路图是错误的。

在此期间，由传教士带进中国的图书达 7000 余部，可考的中文译著约

有 370 余种，科技方面占 120 余种。其中以天文学为主，数学次之，物理学又次之。在明代后期出版的《天学初阶》的“西学凡”中，物理学被称为弗西加”，所包括的内容主要是上述的力学和光学两个分支。

鸦片战争以前，在我国传播的早期经典物理学知识，无论从内容上， 还是对我国学术界的影响方面，都是比较肤浅的。这主要原因在于传教士信奉的教义和近代科学的对立，他们的述介和译著在不违背教义的前提下，不能不有所选择，因而传入我国的经典物理学知识是相当零碎的。另一个原因也在于中国封建统治阶级愚昧、专制和推行了森严的闭关锁国政策，使得即使是一鳞半爪的经典物理学知识，在我国也难以得到较广泛的传播。

继续传播的内容 鸦片战争以后，帝国主义的大炮迅速打开了中国闭关自守的大门。我国也由一个封建社会逐步沦为半殖民地半封建社会。第二次鸦片战争以后，清政府为了镇压太平天国革命和巩固封建统治，以练兵和制器为主要内容，开始引进西方资本主义国家的科学技术，掀起了洋务运动。他们创办近代工业，与此同时建立了北京京师同文馆，上海、广州广方言馆，江南制造局翻译馆等教学、翻译机构。招聘了一批具有科学素养的知识分子和外国传教士，从事译著西方科技书籍的工作。

力学方面。随着西方各种科技书籍的翻译，我国出现了《重学》、《重学浅说》、《重学图说》、《重学器说》等著作。其中以 1858 年出版的《重学》为我国第一部较完整的经典力学著作。此书原本为英国人胡威立所著的《初等力学》，由艾约瑟口述，李善兰笔译。《重学》一书共为四个部分：卷一至卷七为静力学；卷八至卷十七为运动力学；卷十八至卷二十为流体动力学；最后一部分是附录，介绍了数学方法。运动力学部分阐述了有关动力学的基本原理，即牛顿三大运动定律，该书表述如下：“动量第一例：凡动，无他力加之，则方向必直，迟速必平；无他力加之，则无变

方向及变迟速之根源故也。”“动量第二例：有力加于动物上，动物心生新方向及新速。新方向即力方向，新速与力之大小率比例相同。”“动量第三例：凡抵力正如动力，动力与抵力比例恒同，此抵力，对力相等之理也。”

其后有英国人伟烈亚力口译、李善兰删述的《谈天》一书，1859 年出版。该书虽主要为介绍近代天文学，但有明确叙述万有引力定律的内容。书中的序言，李善兰曾扼要介绍了牛顿所创立万有引力定律的缘由。在该书卷四、八、九、十三中，则多处论述了万有引力定律及其具体应用。《谈天》原作是赫歇尔撰写的《天文学纲要》，此书在西方曾风行一时，流传甚广。

电学方面。19 世纪 80 年代，江南制造局刊印了《电学》、《电学纲目》等著作。其中由傅兰雅翻译的《电学》一书于 1880 年出版，共分 10 卷。计有：卷首总论源流；卷一论摩电气；卷二论吸铁气；卷三论生物电气；卷四论化电气；卷五论电气吸铁；卷六论吸铁杂理；卷七论吸铁电气； 卷八论热电气；卷九论电气极；卷十论电气时辰钟及诸杂法。总观卷首及全书的内容，作者介绍了电学的研究对象、概念及有关规律，初步阐述了电学发展各个阶段的主要线索，并列举了吉伯、富兰克林、伽伐尼、伏打、奥斯特、法拉第等人对电学的贡献。这些内容对于当时中国的经典物理学的研究来说，都有可取之处。但是该书卷首内容中，对于电学定量研究， 最有代表意义的法国电学家库仑所发现和总结的两个点电荷间的相互作用规律，却只字未提。在全书内容中，对于电磁学最光辉的篇章，即在该书传入我国前 20 年由英国物理学家麦克斯韦提出的著名方程组，作者和译者也均未提及。

热学方面。主要有《汽机发轫》、《汽机必以》、《汽机新制》、《热学图说》、《热学须知》等著作。其中由伟烈亚力、徐寿译的《汽机发轫》于 1871 年出版。该书共有九卷，但原作者只是介绍了一些最简单的热现象，如热胀冷缩、热传导、热循环、热发散、热容量、热源等。显然，这仅是相当于计温学和量热学的一些知识。当时热学的发展也是相当快的。首先是对于热的本性的认识，西方已普遍承认热的唯动说而否定了热质说，可是该书的阐述中仍有热质说的错误观点在流露。其次是当时热力学的规律——热力学第一定律、第二定律都已建立，可是该书均未提及。所以，该书所传播的内容是相当陈旧粗浅的。事隔 20 年以后，即 1890 年， 由傅兰雅翻译的《热学图说》一书所阐述的内容才稍有进步。

光学方面。在此期间有《光论》、《光学》、《光学图说》、《光学须知》、《光学揭要》等著作，其中田大理（今译丁铎尔）辑、金楷理口译、赵元益笔述的《光学》一书于 1876 年译出，共分二卷，502 节。卷上主要为几何光学；卷下为波动光学。卷下部分论及色差与色差的消除，紫外线与红外线，色散，光的发射与吸收，太阳光谱及夫琅和费线；还首次向我国介绍了光的衍射、干涉、偏振；以及详尽论述了这些光学现象产生的实验方法、原理及其应用。时至 1899 年，由赫斯口译、朱葆琛笔述的《光学揭要》一书，已超出光学范围，及时向我国介绍了现代物理学的新成就， 即 X 射线的发现。该书中附有一张用 X 射线拍摄的手的骨骼的照片，引起人们的注目。

20 世纪初的《物理学》。1901 年起，江南制造局又刊印了我国第一次

称为物理学的著作《物理学》。该书分上、中、下三编。由日本人饭盛挺造编纂，滕田丰八翻译，王季烈重编。卷一是总论，作者在谈及物理学的研究方法时指出：“凡研究物体之形状变化，即物理学之现象，当分次序为三级：第一，体察其现象；第二，寻检其定律；第三，核明其原因。” 往后各卷，作者较详细地阐述了力学、波动、热学、光学以及电磁学等各个物理学分支学科的内容，体现了较高的科学性。

对我国影响的概述 19 世纪中叶以后，通过译著传播的经典物理学知识，就其体系和内容来说，较之明末清初时期无疑是前进了一步，它对我国的影响也就迥然不同，经典物理学开始在中国植根，并产生了一系列的连锁反应：①尽管不少经典物理学的译著带有科普性质，但却广泛地改变了我国知识界对西方科学技术的态度；②对我国的康有为、谭嗣同、章炳麟等思想家也发生影响，特别是在他们的哲学理论中获得了种种反映；

③促进人们对封建主义旧学、“中学”的批判，冲击了当时的科举制度， 出现了科学教育和科学团体的萌芽；④还引起人们对科学方法的重视。然而，当时虽然把西方物理学知识与成就介绍过来，但不仅大部分内容是肤浅和陈旧的，而且基本上没有深入的定量研究方面的内容，这样对实际应用就无法产生很大效果，即使对理论的发展也促进甚微。因此，我们不能过高地估计这一时期经典物理学在我国传播所产生的影响。可是，对于当时经典物理学传播到我国所形成的一些积极意义又是不能低估的。

静电场（electrostatic field） 见电常。

静电场的环路定理（circuital theoremof electrostatic field） 关于静电场的一条重要规律。静电场中场强沿任意闭合环路的线积分等于零。或单位正电荷绕闭合环路一周，静电场力所作的功为零。用公式表示为

∮LE·dl=0， 其中，L 为任一闭合曲线。也可表述为

∫L1E·dl=∫L2E·dl，

L1 和 L2 分别为空间 P、Q 两点间的任意两条路径。以上两种表述是等价的。可以证明，静电场的环路定理是库仑定律和场的叠加原理的必然结果。

任何做功与路径无关的力场是保守场或势场。静电场的环路定律说明静电场是势场，可以引入电势能、电势差、电势等概念。

静电沉淀（electrostatic precipitation） 应用静电感应原理沉淀工业废气中的微粒（包括煤炭、炭尘和烟雾）的方法。1824 年霍耳菲德尔首先指出电可使烟粒沉淀。1905 年科特莱尔研制出第一台高效静电沉淀器。其工作原理是：使夹带废物粒子的煤烟和其他气体从一根接地的导管

（即无源电极）内通过，在导管中间有一些吊有重物的金属线，它们与 3 万伏高压线连接，成为有源电极。通电后，该电极在气体中放电，并在其周围产生气体离子，这种气体离子又使它们附着废物粒子带电，于是这些混合物就会聚集在导管壁上。定期地敲击导管，残留物就会落入漏斗。静电沉淀最早应用于冶炼、硫酸与水泥厂，以后又用于大型热电厂。使用高效的静电沉淀器，按重量计算，沉淀效率可以超过 99%，这表明采用此法使空气保持洁净是卓有成效的。

静电复印（electrostatic reprography） 利用静电感应复制图像的一种方法。静电复印机产生于 30 年代，由卡尔森发明。它主要由涂硒圆筒、光学系统、纸页传送机构、显影机构、定影圆筒等部件组成。其工作原理是：涂有半导体材料（如硒）的旋转圆筒先在暗箱中充电，然后由光学系统把复印原件的图像聚集在圆筒上。当光照射圆筒时，半导体材料就放出电子，把复印原件上白色基底上的所有电荷清除掉，只有印刷品中出现图和字的那些黑色区域才有电荷，这些图像可吸引在显影机构中称作色剂的黑色粉末。把预先充电的复印纸送进去，使之与圆筒接触，它就吸收圆筒上的色剂，再经过定影圆筒的加热，使色剂融化粘在纸上，便得经过复制的印刷品。

静电感应（electrostatic induction） 导体在外界静电场作用下其内部自由电子重新分布，从而在导体表面出现电荷的现象。如果将原来不带电的导体放入另一带电体的电场中，该导体内的自由电子因受外电场的作用将逆着外电场方向移动，结果导体在靠近带电体的一端处会出现与带电体异号的电荷，远离带电体的一端处会出现与带电体同号的电荷，这些电荷称为感应电荷。这种感应电荷会在其周围产生附加电场，这种附加电场在导体内部的方向与外电场方向相反。最后，当导体内部的外电场和这种附加电场互相抵消时，导体中的自由电子不再继续移动，导体两端的正负感应电荷不再继续增加，于是便达到“静电平衡”状态，这时导体内部的总电场强度为零。

导体在静电平衡时内部的电场强度为零，电荷只能分布在导体外表面。根据这一特性，可利用金属壳或金属网制作静电屏，用以隔离物体间的静电影响。例如将电器、仪表或电缆等设备放置在接地的金属壳或金属网里，就能使它们不受外界电场的干扰，也不对外界产生静电影响。此外， 利用静电感应原理还可制造“感应起电机”。

静电计（electrometer） 用静电法测量静电场中电势差的仪器。根据静电作用使仪器中的可动部分发生偏转的原理制成的。静电计有多种型式，如验电器，象限静电计（如图 1 所示）等。现代测量静电电量或电

■图 1 象限静电计■图 2 静电计

势的静电计常由有极高输入阻抗的放大器及灵敏电压表组成。在中学教学中常用的静电计如图 2 所示。C 是与地面相连的金属外壳，金属球 A 通过绝缘塞 B 与中心杆 M 连结，Z 为可动指针，待测物体与之并联，由于金属外壳（电势零点）与指针间的电势差不同，指针受静电力作用而发生偏转，其偏转度与电势差成正比。通常将偏转度经过校准转换成电势差刻在面板上，于是从指针的偏转便可直接读出电势差。静电计是一种常用的演示仪器，例如在研究电容器的电容与哪些因素有关的实验中就要用到它。

静电屏蔽（electrostatic shielding） 利用金属空腔隔离静电场相互影响的措施。如果把带有空腔的导体放入电场中，由于静电感应的效应，导体空腔内部场强必为零，故导体空腔“保护”了它所包围的区域， 隔绝了外电场的作用，使外电场不能透入空腔内部。

在静电屏蔽现象中，无论导体壳是否有电荷，壳外电荷如何分布均不影响壳内的场。但这并不意味着壳外电荷不在壳内空间产生电场。实际情况是，壳外电荷与导体壳表面的感应电荷在壳内空间都会产生电场，但它

们的合电场为零。

若导体壳接地，则有双向屏蔽作用，这时壳内电荷不影响壳外区域的电场；壳外电荷分布并不影响壳内区域的电场。若导体壳不接地，虽然这时壳外的电荷不影响壳内的电场，但是壳内的电荷将影响壳外的电场，不过这种影响与壳内电荷的分布位置无关。例如对于孤立导体球壳，其壳内点电荷 q 在球心处或者在偏离球心处所产生的电场在壳外的分布相同。

静电屏蔽在实际中应用广泛，例如，仪器外壳接地，收音机中周外壳接地，变压器中间隔离层接地等，均是为了静电屏蔽。实际上静电屏蔽的外壳不一定要严格封闭，甚至用金属网作外罩就能起到静电屏蔽作用。如无线电实验室和无线电生产厂中的测试室，就是用金属铜网围成的小房间，它可以完全屏蔽外界电场和电磁场的影响。

静电平衡（electrostatic equilibrium） 静电场中导体系的电荷分布与电场分布都不随时间而变化的状态。导体系的静电平衡条件是所有导体内的电场强度处处为零。

导体处于静电平衡时有如下几个性质：①导体是等势体，导体表面是等位面；②导体内部不存在电荷，电荷只能分布在表面，包括导体壳的内表面（例如在导体壳内空间有电荷存在时）；③导体表面外侧电场的场强方向与导体表面垂直，其值与导体表面该处面电荷密度σ成正比：

E = σ 。

ε 0

若导体内部除了存在静电作用外，还存在其它作用（常称为非静电力），则达到静电平衡时，导体内部的场强并不为零，此时静电场对自由电子的作用力与其它来源作用力达到平衡。如非均匀的金属或两种不同金属接触在一起，达到静电平衡时、导体内部或其局部存在电场（参见温差电效应、接触电现象）。

• (a)示意图■(b)实物图感应起电机

静电起电机（electrophorus） 借用人力或其它动力使电荷分离以获得静电的装置。早在 17 世纪，盖利克便想到用摇柄使一个硫磺球（后改

为玻璃球）迅速旋转，用人手（或皮革）与之摩擦达到起电目的。到 19 世纪，这种“摩擦起电机”被维姆胡斯的感应起电机所取代。其构造和实物如图所示。它由一对可以用相同转速朝相反方向旋转的平行玻璃圆盘构成，每块玻璃盘的外围均匀分贴着数十张互相绝缘的锡箔，互相垂直的金属杆 n1n2 及 n3n4 位于圆盘的两侧，分别由两片固定在金属杆两端的金属刷与圆盘上锡箔保持接触。a1 和 a2 是两对用导线联在一起的呈齿状指向圆盘的集电极。由于大气中经常存在微量电荷，工作时可假定外圆某锡箔片上带有微量的正电荷，当该锡箔片转到对应于 n3 的位置时，在 n3 处相对的内圆的箔片上将感应出负电荷，并通过金属杆使 n4 处的箔片上出现正电荷。由于圆盘的转动和一系列类似的感应作用，在外圆上对应于 n4 的箔片上又会出现正电荷。两圆盘反向旋转，每当一部分电荷转到集电极 a1 或 a2 处时，正负电荷将被集中到正负两个电极上。通常将这两个电极与莱顿瓶相连，以贮存电荷。当一对直径约 60 厘米的玻璃圆盘以 100 转/分的速度旋

转时，大约可产生 5×104 伏的电压。这种感应起电机可以在空气中产生 10

多厘米长的电弧，同时发生强烈的噼啪声，常用于演示实验。

静电印刷（electrostatic printing） 利用静电感应原理进行印刷的总称。它主要包括：①用于凹凸印，即在凹凸面上的印刷。其工作原理是：在承印材料表面进行静电感应处理（充电），使之带有电荷；通过对原图照相曝光，形成静电潜像，再利用正负电荷相吸的特性，将带有相反电荷的色彩吸附上去，经固着后成为印刷品。②用于胶印，亦称静电制板。其工作原理是：在纸或金属版基上涂上硒或氧化锌等光电材料，充电后经照相曝光，形成静电潜像，将带有相反电荷的粉墨吸附到版面，然后经处理使图纹部分亲油，非图纹部分亲水，成为印版，便可用于胶印。

静力学（statics） 经典力学的一部分。研究作用于物体的力的合成规律及其平衡的条件，即包括力的合成和分解，平衡的条件和性质，平衡时力系的分布及其特征等。在这里，所说的物体包括质点、刚体、流体和可变形体。质点静力学内容比较简单，不是静力学讨论的重点。流体和可变形体静力学相当复杂，已经成为力学中的特别分支。刚体静力学的复杂程度介于上述两种静力学之间，是静力学中通常讨论的一个课题。在静力学中，所谓保持平衡，是指位置相对于某一惯性系保持静止。质点保持平衡的条件是，作用于此质点的合力等于零。刚体保持平衡的条件是，作用于此刚体上各点外力的矢量和等于零，和这些力对任何一点力矩的矢量和等于零。在一般情况下，流体和可变形体的平衡不仅只指力学平衡，还包括密度和温度的稳定分布，其平衡条件由一组比较复杂的方程限定。但是，在不计及热运动并对流体和可变形体的物理性质做某些简化的假设后，这些方程可大为简化，例如液体的水压公式和帕斯卡定律，弹簧的胡克定律等。静力学是许多工程技术问题的理论基础，例如在桁架、桥梁、水坝和机械的设计中，都离不开静力学。

静止（rest） 从特定的关系考虑运动时，运动所表现出来的特殊形式。具体来说，静止是指事物运动到一定阶段时物质的相对稳定状态。在物理学中，一物体对于另一物体不发生相对运动时，则称这两个物体处于相对静止状态。但是这种静止状态仅仅是从一定的参照系看来才是如此， 从别的参照系看来又是运动的。当物体的运动处于相对静止状态时，它只有数量的变化，没有性质的变化，如当原子核内质子数没有改变时，它仍然是某种化学元素的原子，而不是别种化学元素的原子。

居里点（Curie point） 铁磁质转变为顺磁质时的临界温度，亦称“居里温度”。由法国物理学家 P.居里发现而得名。现常泛指铁磁质、铁电体和超导体等发生相变时的临界温度。当温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质，铁电体由铁电相转变为顺电相，超导体由超导态转变为正常态，等等。铁磁质居里点的存在可简单解释如下：当温度达到临界温度时， 热运动将破坏铁磁质中电子自旋磁矩的自发有序排列，磁畴消失，从而失去铁磁性。不同铁磁质的居里点不同，铁的居里点是 769℃，镍为 358℃， 钴为 1140℃。

居里夫人（Marie Curie 1867～1934） 法国物理学家、化学家。生于华沙·又名玛丽·居里。父亲是中学理科教师。她 9 岁丧母，16 岁时以金质奖章毕业于华沙中学后，家庭已无力供她继续读书。她不得不去担任家庭教师。1891 年考进巴黎大学理学院，1894 年以优异的成绩毕业，留在巴黎准备博士论文时，认识了青年物理学家皮埃尔·居里。1896 年，也就是居里夫妇结婚后几个月，法国科学家贝克勒尔发现铀盐会自发放射出

一种射线，它可以透过黑纸使照相底片感光，还能使空气电离。这个重要的发现立刻引起了居里夫人的注意。她仔细检查了其它许多元素、化合物和矿石，发现钍元素也具有这种放射性，还发现沥青铀矿的放射性比纯铀还要强得多。她猜想在沥青铀矿里一定存在着某种未知的、放射性极强的元素。于是夫妇俩废寝忘食，昼夜不停，从成吨的沥青铀矿里寻找这种未知的微量元素。1898 年 7 月他们找到了一种放射性比纯铀强 400 倍的新元素，命名为钋，来记念她的祖国波兰。几个月后他们又发现了新元素镭， 镭的放射性比纯铀强 900 倍。居里夫妇与贝克勒尔共获了 1903 年诺贝尔物理学奖。

1906 年比埃尔·居里不幸去世，年仅 39 岁的居里夫人勇敢承担起家庭和工作两副重担。她继承了丈夫的讲座，继续了镭的研究。1907 年她提炼出纯氯化镭，1910 年她提炼出纯金属镭，并因此荣获 1911 年诺贝尔化学奖。

居里夫人为人谦虚，不计名利。她放弃申请镭的发明专利。在第一次世界大战期间，她亲自驾驶装备了 X 光的汽车在前线巡回，为伤员服务。爱因斯坦赞扬她说：“在所有著名人物中，居里夫人是唯一不为荣誉所颠倒的人。”1934 年她因长期受放射性辐射，病逝于法国阿尔卑斯山疗养院。著有《放射性》等。

举力（lift force） 见升力。

聚合物（polymer） 由许多称为单体的结构单元重复排列而成的链状分子所构成的物质。这种链状分子的长度可达几百纳米，故常称为大分子。一般都是有机物。

如聚乙烯就是一种有简单结构的普通聚合物。它由单体乙烯基（C2H3） 联合而成。

■乙烯基结构■聚乙烯结构

单体的个数称为聚合度。常见的聚合物有天然橡胶，塑料，合成尼龙， 涤纶纤维，材料粘合剂等。

聚合物对温度很敏感，高温时聚合物呈液态；温度降低，聚合物便进入过冷液体状态，其行为像具有高度粘性的液体，可塑且有韧性；温度再降低，就变为玻璃态，犹如无定形固体，性硬而脆。

聚合物的电导率小。加入杂质会使电导率明显增加。通过掺杂它还可成为 N 型或 P 型半导体。聚合物有高的介电常数，可用于制造电容器。另外它还有光的双折射特性。

倔强系数（coefficient of stiffness） 又称刚度系数或劲度系数。描写轻质均匀弹簧硬度的物理量。弹簧作为一个可以拉伸和压缩的弹性物体，在比例极限范围内，其伸长量或压缩量△l 与弹簧所受外力 F 成正比， 比例系数记为 k：

F=k·△L。

k 的物理意义是使弹簧伸缩单位长度所需的外力，称为此弹簧的倔强系数。一段这样的弹簧被截成长度相等的两段以后，每一段的倔强系数是被截前整个弹簧倔强系数的两倍，说明倔强系数非但与弹簧的材料有关， 而且与弹簧的结构有关。

绝对黑体（absolute black body） 能在任何温度下吸收所有电磁辐射的物体，简称黑体。黑体处于热平衡状态时，具有最大的吸收本领，

因而也就有最大辐射本领 黑体是理想化的物体，任何实际物质都不可能是真正的黑体。许多看起来是黑色的物体，仅仅对可见光有强烈的吸收。而可见光只是所有电磁辐射的一部分。

实验室里用耐火材料做一个空腔，再在空腔上开一个小孔。通过小孔照射到空腔里去的任何辐射，需经过内壁的多次反射，才有很小可能从小孔中重新射出。孔径越小，射出的光越微弱。这种带有小孔的空腔就可作为黑体。

黑体辐射用电炉把空腔加热到一定温度，就有辐射从小孔射出。用光栅光谱仪把出射的辐射按波长分开，用热电偶记录各波长的辐射强度，便可得到光谱能量随波长的分布曲线，如图所示。实验表明：随着空腔温度增加，黑体的发射本领迅速增大；每条曲线都有一极大值；温度增加时极大值向短波方向移动。由于实验中都采用带有小孔的空腔作为黑体，故黑体辐射亦称为空腔辐射。

斯忒藩—玻耳兹曼定律 从物体表面单位面积发出的、频率在ν附近单位频率间隔的辐射功率叫做发射本领，常用 E（ν，T）表示，它是频率和温度的函数。

对 E（ν，T）在所有频率范围内求积分，可得到温度为 T 的物体在单位时间内，从单位面积上向各方向发出的所有频率的辐射能量

∞

E = E(v，T)dv，

0

这个量称为辐射通量，单位为瓦/米 2。斯忒藩和玻耳兹曼先后从实验和理论上证明，黑体辐射的辐射通量与绝对温度四次方成正比，即

ET=σT4。

σ为普适常数，它的值是 5.67×10-8 瓦/米 2·开 4，称为斯忒藩—玻耳兹曼常数。

维恩位移定律 1893 年维恩研究了内壁为理想反射面的密闭容器内的辐射，得到函数 E（λ，T）曲线上极大值λm 与绝对温度 T 成反比的结论：

λmT=b，

式中 b=2.8978×10-3 米·开，是一个和温度无关的量，也是普适常数。这个称为维恩位移定律的规律表明：当温度升高时，最大发射本领向短波方向移动。

热辐射物体因自身温度而向外发射电磁能，温度越高，辐射越强。这称为热辐射，又称温度辐射。温度是物理系统达到热平衡状态的宏观标志， 故热辐射是热平衡系统的辐射。黑体辐射是热辐射，因此也就是平衡辐射。普通白炽灯是热辐射，灯丝温度在 2000K 左右，λ m 在红外波段，所以颜色发黄。要使白炽灯发白光，必须使灯丝温度达到 5000K～6000K，目前很难做到。日光灯通过气体放电而激发出荧光，这是一种非平衡的辐射过程， 它不遵循黑体辐射定律。因此日光灯虽然发射白光，但温度不必像白炽灯那样高。

利用黑体辐射规律来测量很高的温度，称为光测高温法。测量物体热辐射能谱中极大值所对应的波长λm ，从而求出温度，这种方法称为色温法，所测得的温度称为色温度，记为 Tc。在望远镜物镜像方焦面上安置特

制的灯丝，调节灯丝电流，使目镜中看到的灯丝从被测物的背景中消失， 此时灯丝的温度即为物体的温度，而灯丝的温度可事先标志在电流计上。这种方法称为亮温法，所测得的温度称为亮温度，记为 Tb。用光学系统把待测物成像于热电偶的感温端，直接读出物体的温度，这种方法称为辐射温度法，所测得的温度称为辐射温度，记为 Tr。如果待测物是绝对黑体， 应有 Tc=Tb=Tr。但实际中待测物并非绝对黑体，假定它的真正温度为 T， 则按上述诸方法测得的温度并不相同。如果对测量精度要求较高，要对测量结果作适当的修正。

瑞利—金斯定律 1900 年瑞利和金斯把能量均分定理应用到黑体辐射。他们假设空腔黑体辐射场由驻波构成，每一种驻波是电磁场的一种 波型。每一种振动平均能量为kT，从而求得E（λ，T） = 2πc kT，其

λ4

中 k 为玻尔兹曼常数。瑞利—金斯定律与黑体辐射实验结果相比，在长波区符合很好。但是随着波长减小，瑞利—金斯定律中的 E（λ， T）无限增大，因而辐射通量 E→∞。而实验曲线表明这时应趋向于零。经典理论的这种失败称为发散困难或紫外灾难。普朗克提出能量子假设，解决了黑体辐射理论的这个困难。

绝缘体（insulator） 电的非导体。它们的电阻率极高，约为 108～ 1030Ω·m，比金属的电阻率大 1014 倍以上。绝缘体的种类很多，有气体， 如空气、氮、二氧化碳、六氟化硫等；有液体，如各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等；有固体，如塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、云母、绝缘漆、绝缘纸等。固态绝缘体广泛应用于导线和电工设备的绝缘。它还作为电容器极板间的填充材料（电解质），以增加它的电容值。液态绝缘体主要应用于大功率断路器（俗称油开关）、变压器及某些电缆等电工设备中，这时不仅利用其绝缘作用，而且还利用液体对流所起的散热作用。

某些绝缘材料可作为隔热材料，如玻璃纤维、软木和石棉。某些气体也是很好的隔热材料。这些低导热性物质可减缓热量的流动速度，利用它们对热辐射的阻隔性，可用来阻断热量的流通路径。

绝缘体的导电性和导热性都不是恒定的。绝缘体在某些外界条件（如加热、加高压等）影响下，绝缘性能会被破坏而“击穿”，该受破坏的区域就转化为导体。因此绝缘体的击穿场强是一个重要指标。如空气的击穿场强约为 3×106 伏/米。

■

均匀分布（uniform distribution） 测量值服从的一种分布规律。分布密度函数的形式为

 1

，当a≤x≤b时

y(x) = b − a ，

0，当x < a，x < b时

均匀分布的数学期望：

M( x) = ∫ xy(x)dx

= ∫b x dx = a + b 。

a

均匀分布的均方根差

a b − a 2

σ = = b − a 。

2

在区间[a，b]内服从均匀分布的随机变量 x，在给定区间[a，β]内取值的概率为

P(a≤x≤β) = β − α 。

b − a

上式表示任一小区间的取值概率与该区间的长度成正比，而与具体“位置”无关。

如果均匀分布的给定区间为[-e，e]，则概率密度函数为：

 1

y(δ) = 2e

δ ≤e

0

δ > e，

实验数据在[-σ，σ]内出现的概率

P( δ < σ) = ∫ dδ = σ = e · 1 = 1 =&58% 。

−σ 2e e e

一般情况下，误差落在±ω（置信限）内的概率为：

P( z ≤ω) = 2∫ω  σ dz = w / 3。

0 2e

当ω = 3时，P( z ≤ 3) = 1说明：服从均匀分布的随机误差，其极

限误差为

3σ。

注意：测量列中的数据，首先检验属于哪种分布，然后利用分布函数求出 P（|δ|≤σ）、P（|z|≤ω）以及极限误差等有关量。

K

卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot 1796～1832） 法国物理学家、工程师。生于巴黎。其父 L·卡诺是著名数学家、将军和政治活动家。1807 年退出政界后，在家专门对卡诺及其弟弟进行数学、物理、语言和音乐等方面的教育。1812 年，卡诺考入巴黎工艺学校，师从泊松、盖—吕萨克、安培和阿拉哥等著名物理学家。1814～1819 年和 1826～1828 年，作为工程师在军队中服役。

卡诺是热力学的创始人之一。1824 年，提出一个理想热机模型（后称卡诺可逆热机），该热机设想由汽缸、活塞以及两个维持在不同温度的热源组成，以理想气体为工质。此热机的循环分四个阶段：第一阶段工质和高温热源相接触，工质受热等温膨胀；第二阶段工质与热源脱离，绝热地继续膨胀，温度随之降低；第三阶段工质和低温热源相接触，并等温地压缩，向低温热源放出热量；第四阶段工质和低温热源脱开，继续绝热地被压缩，工质温度升高，直至回升到第一阶段开始时的情况，这时工质和热机都回复到各自的初始状态，完成了一个循环。在这个循环过程中，热机对外作了功。这种循环后来被称为卡诺循环，从而奠定了热机理论的基础。卡诺热机的效率仅由高温热源与低温热源的温度差决定，而与工质的性质无关；在工作于两个给定温度之间的所有热机中，以上述理想热机所产生的效率为最大，这个结论称为卡诺定理。从永动机的不可能性出发，最先证明，只有在热从较热物体转移到较冷物体的情况下，才能得到有用的功， 提出了热力学第二定律的最早基本思想。1830 年，意识到热质说的错误， 并且否定了热质说。认识到热不过是改变了形式的运动，明确提出了在自然界中动力在量上不生不灭的思想。著有《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》（1824）。 1834 年，由于克拉珀龙赋予卡诺的思想以易懂的数学形式，使卡诺的这一著作获得盛名。

卡诺循环（Carnot cycle） 由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。它是卡诺提出的一种理想热机的循环过程。这种热机的工作物质只同两个热源(高温热源和低温热源）交换热量，既没有其他散热也不存在摩擦。卡诺循环中的能量的转换情况如图 1 所示。工作物质从高温热源吸收热量 Q1，一部分用于高温热源

工作物质低温热源图 1

对外做功 A，一部分热量 Q2 放给低温热源。图 2 是理想气体可逆卡诺循环的 P—V 图。图中 A→B 是等温膨胀过程，工作物质从温度为 T1 的高温热源吸收热量 Q1。B→C 是绝热膨胀过程，在膨胀中工作物质的温度从 T1 降低到 T2。C→D 是等温压缩过程，工作物质向低温热源放出热量 Q2。D→A 是绝热压缩过程，在压缩中工作物质从温度 T2 升高到 T1，从而完成一个可逆循环。在循环过程中，工作物质内能不变，所作的功为 A=Q1-Q2，循环的效率

η = A

Q1

= 1 − Q 2 ，

Q1

而理想气体卡诺循环的效率则为

η = T1 − T2

T1

仅跟两个热源的温度有关。

= 1 − T2 ，

T1

卡文迪什（Henry Cavendish 1731～1810） 英国物理学家、化学家。生于法国尼斯。1749～1753 年在剑桥大学圣彼得学院学习，未及毕业。1753 年到巴黎留学，主要研究物理学和数学。不久回伦敦，在他父亲的实验室中从事科学研究工作。1760 年被选为英国皇家学会会员，他还是法国科学院的外国院士。

在物理学方面，1771 年，得出电相互作用力与电荷之间距离的平方成反比的结论。引入电容概念，发现介质对电容器电容的影响，确定了某些物质的介电常数。在对导体的实验中，发现导体两端的电势与通过它的电流成正比。后来，欧姆在 1827 年确切地阐明了这个定律。更不平凡的是， 当时无法测量电流的强弱，他就把自己的身体当作测量仪器，用手抓住电极的一端并注意是他的手指还是从手指一直到腕关节或从手指一直到肘全感到电振，从而估计电流的强弱，可惜这些成果当时没有完全发表。 1798

年，通过著名的扭秤实验，测量了两个不大的球体（直径分别为 2 英寸与

12 英寸）的引力，然后由测算得到的引力推算出地球的质量和密度。他所

获得的地球密度为水密度的 5.481 倍，仅比现在的数值（5.517g/cm3）略小一点。由这一实验可推算出引力常数 G，因此使万有引力定律不再是一种概述性的陈述，而是一条定量的适用于地面上一切物体的精确定律。这个实验所用的方法，构思精巧，至今仍可应用，并成为精微测定技术的先河。在化学方面， 1766 年，制备出纯氢，确定了它的性质，测定出水的组成，并且表明能用人工方法制备水。

卡文迪什是一个过惯孤独生活的科学家，晚年在知识界是孤立的，没有形成一个学派。然而，他在英国科学界的地位是牛顿以后最高的，有人认为他所具有的数学才能和实验才能可与牛顿媲美。卡文迪什把自己毕业精力献给了科学事业，一生过着俭朴的生活，逝世后留下一大笔财产。他的后代为了纪念他，捐赠基金，在剑桥大学建立了举世闻名的卡文迪什实验室（1871），该实验室在接连若干任杰出的科学家的领导下，对现代物理学的发展作出了重大贡献。

卡文迪什扭秤实验 （ torsion steelyard expe-riment of Cavendish） 英国物理学家卡文迪什于 1798 年设计并首先用来测定万有引力恒量和检验万有引力定律的实验。该实验采用他自己设计的高灵敏度扭秤完成。扭秤的主要部分是，用一根长约 40 英寸的金属丝吊起一根长约

1. 英尺的轻质横杆，横杆两端各固定一个直径为 2 英寸的小铅球。金属丝、横杆和两个小铅球构成一悬吊装置。先使悬吊装置处于平衡状态，然后在两个小铅球附近对称地安放两个直径为 12 英寸的大铅球。大铅球对小铅球作用的万有引力使悬吊装置的金属丝扭转。当万有引力对吊丝的力矩与金属吊丝因扭转而产生的扭转力矩平衡时，横杆和小球绕着吊丝转过了一个角度。为了测量这个扭转的角度，在横杆中央固定一小平面镜，在一定方向上用光源照射小镜，使反射光斑落在一水平刻度尺上，横杆带动小镜转过一定角度后，光斑在刻度尺上移动过一段距离。根据光源、小镜和刻度尺的相对位置及光斑在刻度上移动的距离，可算出金属丝下端相对于上端

扭转的这个角度。再根据预先求出的金属丝扭转力矩和扭转角度之间的关系，即可算出扭转力矩，进而求出小球与大球之间的万有引力。卡文迪什利用这个实验测得的结果推出了万有引力常数，并由此推算出地球的平均密度是水的密度的 5.48 倍，与现代测量结果相差不大。卡文迪什扭秤实验之所以出名，是因为它开创了测量弱力的新时代，实验的基本原理至今仍在应用，所不同的只是技术上的改进而已。

■扭秤实验装置原理图

卡文迪什实验室（Cavendish laboratory） 世界上最有声望的物理学研究和教育中心之一，筹建于 1871 年。麦克斯韦既是该实验室的创建人，也是第一任主任。实验室开放后，他便花费很多时间督促大学生们从事研究，与此同时主持了标准电阻的测定、库仑定律的验证，以及整理卡文迪什留下的大量资料的工作。麦克斯韦虽然过早离开了人世，但他创建的该实验室经过瑞利、汤姆孙、卢瑟福、布拉格、莫脱、皮帕德、考克、爱德华等的主持成了驰名世界的第一流的科学研究中心。该实验室的优良传统是：①力求在新的领域里作出新的发现；②实验所用的关键性实验装置都是由实验人员自己设计和制造；③以实验为根据的理论探索同样受到重视；④研究风格强调独创性；⑤十分注重人才的培养。在这个实验室中已造就了 20 余名诺贝尔奖金获得者，它对 100 多年来的物理学的发展作出了重大贡献。

开尔文（William Thomson 1824～1907） 英国物理学家。生于贝尔法斯特。10 岁时考入格拉斯哥大学预科。15 岁时写了第一篇论文《地球的图形》，获大学的金质奖章。1845 年毕业于剑桥大学彼得豪斯学院。1846 年起任格拉斯哥大学自然哲学教授，长达 53 年之久。1851 年当选为英国皇家学会会员，1877 年被选为法国科学院院士。1890 年起连任英国皇家学会会长。1892 年被封为开尔文男爵，故后来常称他为开尔文。

开尔文是热力学的奠基人之一。1848 年，基于完善卡诺的热机理论， 引入绝对温度的概念和绝对热力学温标，这是热力学发展中的一个重要突破。1851 年，提出热力学第二定律的另一种表述方法：“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。”根据热力学第二定律的这种表述，证明了第二类永动机是不可能的。1852 年，与焦耳合作进行了多孔塞实验（焦—汤实验），成为当时获得低温的主要方法之一。

开尔文在电磁学研究中也成果卓著。1845 年，对库仑定律进行详尽的论证。1846 年，成功地完成了表示电力、磁力和电流的“力的活动影像法”。1851 年，推算了莱顿瓶振荡放电的频率。在研究温差电现象中，发现电流在温度不均匀的导体上通过时导体吸收热量的效应，被称为汤姆孙效应。1853 年，得出电路中固有振荡的周期与电路的电容、电感之间关系的公式，被称为汤姆孙公式。1858 年，由他负责的装设大西洋海底电缆取得成功。1861 年，在他的建议下，英国科学协会设立了一个电学标准委员会， 为近代电学单位标准奠定了基础。1875 年，预言了城市路灯将采用电力照明。1879 年，提出了远距离输电的可能性。1881 年，对电动机进行改进， 提高了电动机的实用价值。1887 年，发明了镜式电流计的双臂电桥，有力地促进了电工测量仪器的发展。著有《数学和物理学论文集》（共 6 卷， 1882～1911）。

开放型试题（open work） 一种典型的自由应答式试题，在解答中

考生可以根据有关的物理学知识较自由地阐述和论证自己的观点，组织材料和设计方法。开放型试题的评分有很大的主观性因素，从而影响测试的信度，但作为一种评价考生灵活应用物理知识和探究创造能力的测试方式，仍是其他形式问题所难以取代的。例如：分别给出力、电、光、声、原子系统中“共振”的例子，并分别说明影响共振频率和影响宽度的因素。

开普勒（Johannes Kepler， 1571～1630） 文艺复兴时期的德国天文学家和占星家。生于威尔。幼年体弱多病，少年时在符腾堡的德语学校和拉丁语学校学习过。1587 年进蒂宾根大学学习神学。1588 年获学士学位，1591 年获硕士学位。1594 年中断学业去奥地利格拉茨神学校担任数学和天文教师。1600 年到布拉格担任天文学家第谷的助手。翌年第谷去世， 他继承了宫廷数学家职位。晚年贫病交加，1630 年 11 月病逝。

开普勒在大学读书的时候就接触到哥白尼的日心说，成为哥白尼的忠实信徒。后来又从柏拉图的哲学和毕达哥拉斯的数学中得到启示，试图用几何图像来描述行星轨道。1596 年他出版了《宇宙的神秘》一书。书中阐述了他的宇宙和谐思想。书中丰富的想象力和计算才能受到了当时大天文学家第谷的赏识。第谷聘请开普勒当他的助手。1601 年第谷逝世，开普勒继承了第谷遗留下来的职位和一套有史以来最精确的行星位置的数据资料。开普勒在这个基础上开始了他的研究。他承担的第一项重要任务就是确定火星的轨道细节。他沿用了偏心轮、均轮等各种组合，花了一年半时间，经过 70 余次试探之后，找到了一个较好的方案。按照这个方案来预测

火星的位置，与第谷的观察记录在黄经度上还相差 8 弧分。由于他对第谷的记录数据深信不疑，终于放弃了圆形轨道的模型，把火星的运动轨道看成是椭圆。开普勒后来说：“凭这 8 分差异，便引起了天文学的全部革命。”

1609 年他出版了 《新天文学》一书，发表了他的前两个定律：椭圆轨道

定律和面积定律。又经过十年含辛茹苦的探索，在 1619 年出版的《宇宙和谐论》一书中，发表了他的第三定律：周期定律。开普勒三大定律以简明的结论替代了原来庞大、复杂的系统，使行星轨道和位置的计算大为简化。他还在第谷工作的基础上，利用自己的三大定律，完成了《鲁道夫表》

（1627）的编纂。

开普勒对光的照度、视觉机理、光的折射和小孔成像等均有研究，还改进了望远镜。著有《哥白尼系统天文摘要》、《宇宙的神秘》、《新天文学》、《宇宙和谐论》等书。 《开普勒全集》（1～18 卷）于 1937 年～ 1969 年间在慕尼黑出版。

开普勒定律（Kepler laws） 行星运动所遵循的定律。由开普勒在分析第谷·布拉赫多年观测资料的基础上发现。开普勒定律由三条定律组合而成：①第一定律（轨道定律）——行星的轨道是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。②第二定律（面积定律）——行星和太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。③第三定律（周期定律）——行星公转周期的平方与它们轨道半长轴的立方成正比。这三条定律为牛顿发现万有引力定律打下了基础。实际上，开普勒第三定律只是一条近似定律，利用后来发现的万有引力定律作的理论计算表明，只有在认为太阳质量与行星质量相比为无限大时，第三定律才是正确的。由于行星质量与太阳质量相比本来就十分微小，例如太阳系中最大的行星——木星的质量

仅是太阳质量的

1

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，所以第三定律仍然是一条精确程度很高的定律。

康普顿（Arthur Holly Compton 1892～1962） 美国物理学家。生于伍斯特。1913 年毕业于伍斯特学院。 1916 年获普林斯顿大学博士学位。1920 年任华盛顿大学教授。1923 年任芝加哥大学教授，1940 年任该校物理系主任和理学院院长。1945 年任华盛顿大学校长。

主要贡献是发现了康普顿效应，获 1927 年诺贝尔物理学奖。1917 年～ 1919 年，用实验确定了 X 射线强度与散射角的关系。根据晶体的反射 X 射线的强度，提出可用来研究电子和原子的排列状态。1920 年，发现 X 射线被晶体散射后，散射波中除原波长的波外，还出现波长增长的现象，这现象以后被称为康普顿效应。但当时用经典理论来解释得不到合理的结论， 即使用他自己提出的有限大小的电子散射去解释也困难重重。接着，用单色 X 射线和布拉格晶体光谱仪作实验，同样发现有康普顿效应。1922 年， 采用量子论，即以具有能量为 hv、动量为 hv/c 的光子和自由电子的简单碰撞来解释该效应时，获得了与实验结果相符的合理结论。此后，同合格诺夫合作，发现了 X 射线的全反射和全偏振现象，使测定原子的电子数目更为精确。同多恩合作，首次用刻线光栅获得了 X 射线谱，为测量 X 射线波长提供了一种直接的方法。1930 年后，在领导宇宙射线强度地域变化的世界范围的研究中，发现了逆康普顿效应和宇宙线的纬度效应。著有《X 射线和电子》（1926）、《X 射线的理论和实验》（1935）、《科学的人类意义》（1940）。

康普顿效应（Compton effect） 1923 年康普顿在 X 光被石墨散射的实验中发现的现象。这个实验表明：散射光中除了有原波长λ0 的成份外，还有大于λ0 的波长为λ的散射光；波长差Δλ=λ-λ0 随散射角θ增加而增大，与散射物质无关；λ 0 散射光强随θ增加而减小，随散射物质原子序数增加而增加；波长为λ的散射光则相反。康普顿因发现此效应而获得 1927 年诺贝尔物理学奖。

康普顿把 X 光散射看作是光子和自由电子间的弹性碰撞，利用能量和

动量守恒定律可得到散射光波长改变量为Δλ =

h m0 c

（1 - cosθ），与实

验值一致，其中 m0

为电子静止质量。 h

m0 c

称为康普顿波长，是一个具有长

度量纲的常数。碰撞后的光子称为康普顿散射光子，碰撞后的电子称为康普顿反冲电子。

《考工记》中的物理知识（physics knowledge in Kaogongji） 《考工记》亦称《周礼·冬官考工记》，作者不详，中国先秦时期的手工艺专著，战国时期已经流传。该书卷首叙述“百工之事”的由来和特点，列举攻木、攻金、攻皮、设色，刮磨和抟植等 6 类的 30 个工种，几乎包括了当时官方管理的手工业主要部分，全书所阐述的科学道理含有较丰富的物理知识。力学方面。《考工记》“轮人”、“舆人”、“■人”条中，详细记述了为使车行轻快，车轮要“微至（圆）”、轮径不能过小等有利于减小摩擦力的要求；列举直辕牛车上坡费力且车不稳，上下坡时均不利于牛驾车等缺点，表明对当时车在斜面上的受力情形已有所认识；指出曲辕马

车的种种优点，以至“马力既竭，■犹能一取焉”，这是对惯性认识的最早记载。“矢人”条中，专门叙述箭的各部分需要按一定比例制作，才能使它在空中飞行时保持稳定；记载了箭杆、箭羽的轻重影响箭在空中飞行的情况：“前弱则俯，后弱则翔；中弱则纡，中强则扬；羽丰则迟，羽杀则■”；表明对飞行体的形状大小、重量分布会怎样影响运动状态已有正确的认识。

声学方面。《考工记》“凫氏”条中，周密介绍了编钟的形制，记载了“钟大而短，则其声疾而短闻；钟小而长，则其声舒而远闻”这两种不同的声学效果，说明了钟壁厚薄、钟口形状、钟柄长短等对发声的影响。“■人”条介绍了几种鼓的形制，记载了鼓形“大而短”及“小而长”的不同声学效果。“磬氏”条介绍了编磬的形制，指出若音调太高，则磨■ 其旁；若音调过低，则磨■其端，可见古人在制造乐器时，已初步具有保证音调准确的一些知识。

热学方面。《考工记》涉及了一些热工技术知识，如关于“六齐”的记载，反映出中国古代利用热工技术，掌握不同的温度，根据各种金属的不同的特性，冶炼出性质和用途各异的合金。又如“■氏”条中载：“凡铸金之状，金（铜）与锡，黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之；然后可铸也。”表明在中国古代，人们已经用颜色来判断被加热金属的温度。

科里奥利加速度（Coriolis acceleration） 质点相对于动参考系

（动系）运动，且动参考系又在视为固定的参考系（定系）中旋转时，质点的相对运动和动系的旋转运动互相影响所引起的加速度。为法国科学家科里奥利首先发现。当质点相对于动系的速度为 vr，而动系相对于定系旋转的角速度为ω时，科里奥利加速度是

ve=2（ω×vr）。

地面上相对于地球运动的物体，只要其相对速度的方向不和地轴平行，此物体就具有科里奥利加速度。因此，对于大气和河流的运动往往都要考虑此加速度，而在一般工程问题中，由于地球自转角度很小，故可以不考虑此加速度。

科学方法（process of science） 在科学研究中经常反复运用的、在获取科学知识的过程中不断重复和再现的某些认知心理活动和技能。掌握和运用科学方法是现代理科教育的一个重要目标。联合国教科文组织编纂的理科教师手册列出了以下 13 项基本的科学方法。①观察：运用仪器、感官有目的、有计划地感知客观现象和事物。在科学研究中除了进行一般的观察外，还必须进行比较观察和动态观察。②分类：发现事物间的某方面的共同点、相似点和因果关系，对事物按某种原则分类。③数量关系： 从量的角度认识事物和事物间的某种联系，也就是用数学手段分析认识事物。④测量：运用工具对事物某方面特征进行定量比较，或不用工具根据经验和比较而作出粗略的估测。估测有时往往比精确的测量更有意义，在科学教育中要教给学生估测的技巧。⑤空间/时间关系：了解事物的空间关系和时间关系，涉及对诸如物体形状、空间距离、运动速度等的了解和运用。⑥交流：用科学语言进行口头和书面的表述、交流的技巧。在现代教育中，这是一项重要但又常常被忽略的基本科学技能。教师的一项重要任务是在教学中为学生创造充分的机会，用口头、文字、图形、图线、草图、

代数式等来表述自己的思想。⑦预测：根据直觉对所观察的现象和研究的问题直接给出推测性的结论。科学教育中要特别注意保护和诱导学生作出某些大胆的预测性结论。⑧推断：对观察结果作出合理的主观逻辑推断和试探性的说明。⑨作出操作性定义：根据某科学量的测量方式或产生的效果，对该科学量表示的科学概念作出定义。例如用加在一导体两端的电压和通过它的电流强度的比值来定义该导体的电阻。⑩形成假设：对所研究的问题作出某种可以进一步检验的猜测。(11)数据收集和解释：根据所研究的问题收集必要的数据，对所收集的数据作出处理，并由此概括、归纳某些结论。(12)识别和控制变量：认识影响或决定事物某种特性的若干变化因素，通过控制变量来逐一研究每个变化因素所起的作用。(13)进行实验验证：通过实验手段来检验所提出的假设是否正确。现代科学实验方法对科学的发展起了关键性的巨大推动作用。伽利略则是创始这一科学方法的鼻祖。

科学记数法（science record number） 是一种记数的方法，主要用于测量、实验数据处理等场合。这种格式表示清楚，处理简单，运算速度高。科学记数法的数表示形式为：

*.**×10*（单位）。

注意：小数点前取一位除了零以外的数；小数点后取几位，由实验的精确度决定；幂值的大小与所取的单位有关，通常都用国际单位制表示。例如物体的长度为 3.650×10-2（米），其中单位取国际单位制中的长

度单位。如果取厘米，则可写成：3.650（厘米）。习惯上×100=×1，所以省略不写。小数点最后位的零不可忽略，因为测量时，该位值是有意义的，有参考价值。

科学态度（scientific attitudes） 学习科学知识和进行科学工作时表现出的良好心理特征和素质。培养科学态度是现代理科教育的目标之一。我国物理教学大纲中也明确指出要重视科学态度的教育。科学态度有以下一些主要特征：①相信科学，反对迷信，探求真知。②客观求实、尊重事实。③尊重并按科学的思想、方法和观念办事。例如重视实验、数量化、精确性和概率性。④对科学信息的敏感，探求新的事物和观点，想做新的试验。⑤具有科学的批判精神。⑥能独立思考和独立作出判断。⑦敢于接受挑战。⑧不固执己见，善于听取和了解不同的观点、方法。⑨良好的协作精神。⑩严肃认真，一丝不苟。这些特征是一个科学工作者应该具有的。科学态度不是短期内能培养、训练起来的。在中学物理教学中，应有意识地逐步开始培养。现代理科教育改革重视实验教学，探索法教学以学生为中心的讨论式、独立学习式教学等，其目的固然是为了帮助学生更好地掌握知识，另一方面则是为了更好地培养学生的科学态度。

可控闸流管（controlled thyristor） 以硅单晶为基本材料、具有三个 PN 结的四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体可控整流器，简称可控硅。其结构如图 1 所示。三个电极分别称为阳极 A、阴极 K 和控制极 G。器件的阳极和阴极间的电流—电压特性如图 2 所示。加反向偏压（阳极接负）时，可控闸流管特性与 PN 结二极管的反向特性相似。当加正向偏压时， 在一定电压范围内，管处于阻抗很高的关闭状态（正向阻断）。当正向电压大于转折电压 V1 时，器件迅速转变到低电压（VB）大电流的通导状态。

■图 1 可控闸流管结构示意图。图 2 电流电压特性

当器件处于关闭状态时，如果使控制极有适当大小的电流，则器件可迅速被触发而转变到通导状态，此后控制极失去作用。当器件的电流减小到低于维持电流（图 2 中点 2 处的电流），或使阴极—阳极电压减小到零或负值，器件又恢复到关闭状态。

可控闸流管的工作电流从几安至几百安，工作电压从几十伏到几千伏。塑封管的工作电流较小，螺旋型可控闸流管电流小于 100 安；平板型

可控闸流管一般在 200 安以上。可控闸流管多用于整流相位控制、低频开关、逆变、变频、斩波、调速以及脉冲调制等。

可逆过程（reversible process） 一种理想化的热力学过程。一个系统，由状态 A 出发，经过某一过程到达另一状态 B。如果存在另一过程， 它不仅能使系统从状态 B 恢复到状态 A，而且可以完全消除原来过程所产生的对外界的所有影响，则称系统从 A 到 B 的过程为可逆过程。反之，如果用任何方法都不可能使系统和外界都恢复原状，则称这个过程为不可逆过程。

热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述的等效性，揭示出自然界中一切与热现象有关的宏观不可逆过程都是互相关连的，由某一过程的不可逆性可以推断出另一过程的不可逆性。

在准静态过程中，热力学系统所处的每一个状态都可以看作是平衡态。如果该过程由外界对系统作功引起，系统的压强必然与外界压强相差一个无限小量；如果该过程由外界传递热量引起，系统的温度必然与外界温度相差一个无限小量，当过程中不存在其他耗散影响（如摩擦阻力）时， 这种准静态过程就是可逆过程。

实际过程可以接近于可逆过程，但不能达到可逆过程在计算不可逆过程的熵差时，由于初态和终态给定后，熵差与经历的过程无关，因而可以假设一个或几个接连的可逆过程来代替原来的不可逆过程进行计算。

刻漏（clepsydra） 中国古代的漏水计时器，又称漏壶。《周礼·夏宫》中载：“挈壶氏：掌挈壶以令军井，⋯ 凡军事，县（悬）壶以序聚柝。⋯皆以水火导之，分以日夜。”这里的“挈壶”就是上部有一个提梁的漏壶， 作计时用。“序聚柝”是说根据漏壶的标示按时敲木梆报时的意思。“水火”操作是控制水温的措施。为了较精确地计量时间，古人还用一根箭放在壶里，箭杆上标有刻度，下端装在一个浮体上，水退到哪里，就知道现时是几刻了。由水面下降显示时刻的漏壶属沉漏一类。沉漏的水压随水面而降低，流速很难均匀，以致箭的分度不易准确。以后便发明了浮漏：从一个漏壶流出的水，流入一个直柱形容器里，箭在其中便逐渐上浮。只要流柱均匀，箭杆就可均匀上升，计时易于精确。为了得到均匀水流，若在贮水壶之上再加一把漏壶，就能使贮水壶流出去的水可以随时得到补充， 并能较自然地保持水面稳定。据记载，二级漏壶的出现不晚于东汉初年。以后发展为三级漏壶直至六级漏壶，这样就会使最下面漏壶的出水更为稳定。宋代沈括在前人多级漏壶的基础上制成了无壶浮漏，具有较高的计时精度，每昼夜的误差可小于 20 秒，这是非常了不起的成就。

克尔效应（Kerreffect） 英国人克尔于 1875 年发现的一种电光效应。某些各向同性的透明物质在电场作用下变成各向异性，从而产生双折射的效应。又称平方电光效应或二次电光效应。因为媒质变成各向异性后， 两个主折射率之差与电场强度平方成正比，即 ne-n0=KE2。K 称克尔常数。

通常的实验装置是在一对透振方向互相垂直的偏振片之间，放入一个克尔盒。克尔盒是一个有通光玻璃窗的小盒，盒内充满硝基苯液体，并装有一对电极。电极电场与两偏振片透光方向各成 45°。用平行光照射起偏器，在未加外电压时，因两偏振片正交，没有光从检偏器射出。当加上强电压（～104 伏/厘米）时，就有光射出。这说明盒内液体在强电场下已变成双折射物质，使透过起偏器的光分解成 e 光和 o 光。对一定的克尔盒来说，o 光和 e 光之间的相位差与电压平方成正比。使克尔盒相当于半波片时所需要的电压，称为半波电压。

克尔效应的优点是相位差与电场取向无关。硝基苯克尔效应的弛豫时间只有 10-9 秒数量级，所以可用作电光调制器和高速光闸，在激光通讯、光束测距、高速摄影等方面有重要应用。

克拉珀龙（Benoit Pierre Emile Clapeyron 1799～1864） 法国物理学家。生于巴黎。1818 年毕业于巴黎工艺学校。1820 年～1830 年，在俄国彼得堡交通道路工程师学院工作。回法国之后，1844 年起任巴黎桥梁道路学校教授、校长。

主要贡献在热学方面。1834 年他重新发现了瓦特的压强—容积图，指出 p-V 图的曲线所围的面积为一个循环变化所作的功提供了估计。并用图解法发表了卡诺的单循环过程，确立由蒸汽机所作的功和这一循环中所供应的热量之比，定出一台蒸汽机的效率。正是由于克拉珀龙的工作，使得卡诺所作的贡献逐渐为人们所理解。他还提出了比一定质量的理想气体的

状态方程应用范围更为广泛的状态方程： pV = M RT。

μ

克拉珀龙方程（Clapeyron equation） 在相平衡时，单元双相系统的平衡压强随温度变化关系遵循的方程，又称克拉珀龙—克劳修斯方程。在没有化学反应的情况下，单元双相系统的两相平衡条件为温度相等

（热平衡条件）、压强相等（力学平衡条件）和化学势相等（相平衡条件）。由此可以得出，两相平衡时所处的压强 p 和温度 T 之间存在一定的函数关系：p=ps（T）。在（p-T）图上这个关系式就表示为相平衡曲线，该相平衡曲线的斜率满足的方程是

dp =

dT

L ，

T(v2 − v1 )

这就是克拉珀龙方程。式中 L 是单位质量的物质从Ⅰ相转移到Ⅱ相过程中吸收的潜热，v1 和 v2 分别是单位质量的物质在Ⅰ相和Ⅱ相的体积（即比体积）。图 1 示意地绘出了大多数物质的 p-T 相平衡曲线，其中 OA 为气固平衡曲线，又称“升华线”。AB 为固液平衡曲线，又称“熔化线”。

AC为气液平衡曲线，又称“气化线”。从“升华线”上可以看出 dp

dT

＞0，当物质从固相（Ⅰ相）转变为气相（Ⅱ相）时，需要吸收潜热（L＞0）， 因此由克拉珀龙方程可得到 v2＞v1，即气相比体积大于固相比体积，类似地可得到气相比体积大于液相比体积、液相比体积大于固相比体积。然而有少数物质在熔化过程中液相比体积小于固相比体积，吸收的

潜热仍大于零，因此熔化线的斜率 dp ＜0，水就是其中之一。从日常

dT

生活中知道，冰能漂浮在水面上，寒冷季节自来水管容易爆裂，这就是由于水结冰时体积膨胀而造成的，图 2 就是水的 p-T 相图。

■图 1 一般物质的 p-T 相图

■图 2 水的 p-T 相图

克劳修斯（ Rudolf Julius Emanuel Clausius1822～1888） 德国物理学家。生于普鲁士的克斯林。1840 年入柏林大学，1847 年在哈雷大学得主修数学和物理学的哲学博士学位。1855 年任苏黎世工业大学教授。1867 年任维尔茨堡大学教授。1869 年后任玻恩大学教授。1865 年被选为法国科学院院士，1868 年被选为英国皇家学会会长。

克劳修斯是分子运动论和热力学的奠基人之一。19 世纪初，分子运动论开始得到发展，时至 1857 年～1858 年，克劳修斯为此作出重要贡献， 主要包括：①沟通了原子论和热学之间的联系，用微观的原子—分子模型来解释宏观的热现象；②推导了著名的压强公式，这一推导比他之前的任何推导都更为合理与严谨；③首次明确地提出了物理学中的统计概念，由这新概念发展了以后的统计物理学；④指出气体分子的平均动能只是全部内能的一部分，为气体比热的经典理论奠定了基础；⑤通过引入分子在单位时间内所发生的碰撞数和分子的平均自由程两个概念，解决了由分子运动论计算出的分子速度和气体扩散现象所显示的速度两者之间的矛盾，从而开辟了研究气体的输运现象的道路。

热力学第一、第二定律的确立，标志着热力学基本理论的完成，克劳修斯对此都有重大贡献。1850 年，提出在“一切只由热产生功的情况，必有和所产生的功成正比的热量被消耗掉；反之，消耗同样数量的功也就会产生同样数量的热”的热力学第一定律的同时，还应增加下述原理：“不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”作为热力学第二定律。1854 年，发现在热机循环过程中，如果把 Q1/Q2=T1/T2 的比值改换为Q1/T1=Q2/T2 的比值，却是一个常数，从而引入了后来定名为熵的状态参量。1865 年，正式把该状态参量叫作熵，表述了著名的熵增加原理：“当物体系统，经绝热过程由一态到达另一态时，它的熵不减少，在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加”，成为热力学第二定律的又一表达形式。著有《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》（1850），《力学的热理论的第二定律的另一种形式》（1854），《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》（1865）。

课程结构（structure of curriculum） 物理课程的目的、任务、基本要求、基本内容、教学原则等要素构成的基本框架。是物理学科结构转化为学生认知结构的阶梯。根据“课程论”的基本理论，中学物理课程结构应决定于社会结构、学生心理结构和物理学科结构三者的交叉和结合

（图 1），这三方面的因素也确定了：①社会要求与社会条件：包括生产力（科学技术）水平，经济、社会制度对基础教育的要求，表现为教育

■图 1

社会结构物理学科结构学生心理结构方针、制度、政策和培养目标。这就大致决定了课程设置的目的与任务，形成教学计划和教学大纲的基础。②物理学的学科知识体系：这是决定物理课程和教材内容的主要依据， 应体现物理知识结构的基本方面和考虑物理学知识体系的相对完整性。③ 学生原有的认知水平和心理发展特点：中学阶段是青少年身心发育和认知

发展的重要时期，课程和教材内容特别是教学方法要充分考虑不同年龄学生的认知水平和心理特点，促使学生能力和个性的健康发展。

中学物理课程结构的集中反映是中学物理教学大纲（课程标准）。它应同时考虑适应社会进步的需要、学科知识体系的需要和学生发展的需要这三个方面。

中学物理课程内容按年级递升安排的结构模式大体有直线式和螺旋式两种。直线式结构是随年级的递升，物理学同一范畴和课题（如力学、运动和力）的教学内容前后不重复，直线上升。螺旋式结构则是随年级的递升，将同一范畴和课题的教学内容按难易程度并根据学生认知水平的发展，从现象到本质，从定性到定量，逐级深化或有序化。

根据不同物理知识内容的教学要求不同，中学物理课程体系还常采用核心课程的结构模式，即把中学物理课程分为核心课程、延展课程（又称外围课程）和选修课程三部分（图 2）。核心课程由每个学生必修的最基本的重点物理知识构成，延展课程是在核心物理知识的基础上，适当延拓和加深的物理知识。延展课程

■图 2

还常按不同课题采用单元课程的形式给出，学生必须从延展课程中选取若干内容或单元作为核心课程的补充。选修课程的教学内容，往往根据当地社会经济发展的需要、教学对象的不同志向和兴趣，开设以加深或以拓宽为主的物理选修课或专题系列课供学生选择。与中学物理课程体系的这种核心结构模式相对应，中学物理教学大纲还必须规定核心教学内容和延展教学内容。某些国家、地区和学校还常常把物理知识作为综合理科课程内容的一部分。

课时教学计划（syllabusforclassroomteach-ing） 每一课时或每一课题教学过程的设计方案，即教案。课时教学计划是教师备课的总结，教学的依据。课时教学计划要能反映教学的主要内容和方法，能反映师生教与学的动态过程。编写教案前首先必须备好课，备课包括以下工作：①精读这一课题教材，亲自动手做有关的实验和习题，明确所教内容在整个物理教学中的地位、作用，知识内容深度、广度的要求，进而明确本课题的重点和教学的目的要求。②分析研究学生学习该课题内容的障碍和容易出现的错误，从而确定数学的难点。③处理教材、确定教法。处理教材就是在分析教材的基础上，根据学生的特点，从教学最优化角度考虑，重新组合编排知识信息，把教材的文字系统转换成适合于学生接受的语言动作和教学活动系统。选择教法就是为了突出重点、克服难点、达到预定的教学目的所需要采用的各种手段措施，包括教师教的方法和学生学的方法。写出教案。教案一般应包括以下几个方面：①教学课题：章节标题或

核心内容，注明授课时间。②教学目标：包括基础知识、能力培养和思想教育等方面的要求。③教具：包括演示实验和随堂实验器材。④教学过程： 包括教学的内容（知识、公式）、教学程序的安排、时间分配、习题作业、技能训练等。⑤课后分析：课后记录可以包括教案的执行情况、教学目的是否达到、教法的选择和应用效果如何、学生的反映、疑难问题和典型错误、存在的问题、合理的建议、资料索引等。一个编写得好的教案应是简明扼要，突出重点的。

课堂教学评价（evaluation of classroom teach-ing） 对课堂（包

括实验室）中的物理教学活动过程进行观察和评价。物理课堂教学评价是对物理教师教学能力评价的重要依据和基本手段。

教学目标是课堂教学评价的基本标准。然而由于课堂教学是涉及面很广的一种心智活动，它包括知识、技能、发展、课的结构和形式、师生的心理素质和特点、教具（学具）、教材、课堂条件等诸多因素，所以对课堂教学的评价不可能靠简单划一的标准来评判，而涉及诸多的因素指标。对于从整体上来评价一堂课，目前国内较普遍采用的标准是由原苏联教育科学院院士巴班斯基提出的“教学过程最优化”的标准：

1. 让每个学生按照所提出的任务，于该时期内在教养、教育和发展三个方面获得最高可能的水平。这就是效果标准、质量标准。

2. 学生和教师遵守学校卫生学和相应指标所规定的课堂教学和家庭作业的时间定额。这就是时间标准、效率标准。

在运用上述标准时需要注意： (1)“最优化”并不是“最理想化”或“绝对好”，而是指在一定的条

件下，诸多技能、方法、方案中相对而言的“最优”。

(2)要求教师能针对程度不同的各类学生的情况因材施教，使各类学生都能在原有基础上获得最佳收效。但并不排斥根据反馈信息需要补课的学生，比其他学生多花费一定的时间来补课。

要求整堂课的质量、效果达到最优，则课的各个环节、各个方面的质量和效果都应是最优的。为此，也可以从课的结构、方式、方法等因素来评价课堂教学。

为了便于对课堂教学的各方面进行全面评价，可以把评测的项目、标准、权重等汇编成表，以使被评测的教师和所有评测人员掌握评测的目的、要求和标准。下面是一种评价项目、标准列表的示例。

评价中的注意事项：

1. 评价的项目、子项目及各项目的权重，应根据评价的目的、要求而制定，除一些基本的项目和标准外，大多数项目和标准可由评价人员根据评价目的来确定。

2. 物理课堂教学观摩课的评价一般过程是教师印发讲课教案（包括教学目标、班级情况、组织教学的目的、意图、有关说明等），专家、同行听课（即观摩

■物理课堂教学质量评价表

物理课堂教学质量评价表

评价主项目\序号\评价子项目\评测标准\权重\评判\
评价主项目\序号\评价子项目\评测标准\权重\评判

\\\\优\良\一般\较差\

\\\\优\良\一般\较差

教学目标\1-1\落实教学大纲中认知、技能、情意各方面的要求\全面、符合实际\\\\\\教学原则和方法\3-1\启发思维、揭示物理学科的方法、思维特点\点拔恰当、诱导得法\\\\\\1-2 教学目标的实施\措施合理有效

\\\\\\\3-2\教学过程的条理性\循序渐进、逻辑性\\\\\

\1-3\教学目标转化为学习目的程度\良好\\\\\\\3-3\对学生的表扬、批评、引导\针对性、教育意义\\\\\

教学内容\2-1 教学内容的整体安排\合理性\\\\\\\3-4\课的结构设计\合理性\\\\\

\2-2\教材深广度处理\适宜性、可接受性\\\\\\\3-5\板书、板画设计、安排\整洁、形象有特色\\\\\

\2-3\展示的内容、信息\科学性、兴趣性\\\\\\\3-6\实验、教学仪器的操作、示范\熟练、可见度好、有效\\\\\

\2-4\实验的选择和运用\切题、生动\\\\\\\3-7\检查作业、知识的方式\迅捷、有效\\\\\

\2-5\习题（例题、问题）的选择、讲解\典型性、思维性\\\\\\3-8\
课堂反馈方式及对反馈信息的处理\有效、灵活\\\\\

\2-6\物理知识的讲解\科学性、逻辑性、联系实际\\\\\\\\\\\\\\

\2-7\学生技能和能力的培养\重视、措施有力\\\\\\\\\\\\\\

\2-8 知识教学中的德育美育\针对性、协调性\\\\\\\\\\\\\\

\评价主\序\评价子项目\评测标准\权\评判\评价主\序\评价子项目\
评测标准\权\评判\\项目\号\\\重\优\良\一\较\项目\号\\\重\优\良\一

\较\

\\\般\差\\般\差\

\教\4-1\教学态度\认真、自信\\教\5-1\目标完成情\达标率\

\学\4-2\服装、仪表、\亲切\\学\5-2\况\百分率\

\的\4-3\举止\朴实、大方、\\效\5-3\学生对知识\学生自觉、\

\组\4-4\语言\有美感\\果\5-4\的掌握程度\活跃程度积\

\织\4-5\声音、神态\文明、简练、\5-5\学生学习意\吸、自信\

\和\4-6\师生情感交\有幽默感\\识、体现学生\有否拖堂、\

\教\4-7\流\清晰、饱满\\为主体的思\浪费\

\学\\对待学生的\自然、融洽\\想、发挥学生\热烈有序\

\态\\提问和回答\认真倾所、\\能动作用\\

\度\\处理课堂突\处理有方\\时间利用率\\

\\\发事件\灵活、妥贴\\课堂气氛、\\

\秩序

活动），进行评议、评价。

目前国内外也有用摄像机作为评价活动中的“辅助仪器”，将教学的全过程摄录下来，使课堂教学中瞬息即逝的现象重现。

物理课堂教学的评价是教学评价的重要方面，是物理教学法研究活动的有效方式之一。

空化作用（cavitation） 由于液体中形成空穴而局部产生高压、高温、放电、发光或激震波等的作用。空化作用可由超声波获得。这是因为超声波频率高、能量大，在液体中传播时，可以产生大量的小空腔。这些空腔存在时间极短，当它们骤然收缩时，在液体中会产生高达数千大气压的巨大压强，从而产生大量的热能，形成局部的强压力和高温度，足以引起液体的化学变化。同时，在小空腔形成过程中，其外壁往往带有电荷， 而迅速收缩时，电荷来不及消失，就会发生急剧的放电现象。在极短时间内，大量的小空腔同时放电，就使液体（如水）的某些区域发出荧光。工业上利用超声波引起的空化作用以促进化学反应、粉碎液体内的悬浮物

体、制造乳剂、清洗精密机件、杀灭病菌、去除织物表面的污垢等。船用螺旋桨和涡轮翼片等表面由高速流体产生的空化作用会使固体表面受到腐蚀和损伤，应设法避免。

空间（space） 物质存在的广延性和伸张性，被用以描述事物的位形。空间的物理性质主要通过它与物体运动的各种联系而表现出来。在经典力学中，牛顿的《原理》认为：“绝对空间，就基本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变。”另一方面，物体的运动性质和规律却与采用怎样的空间来量度它有着密切的关系。相对于绝对空间的静止或运动，才是绝对的静止或运动。只有以绝对空间作为度量运动的参照系，或者以其他作绝对匀速运动的物体作为参照物，惯性定律才成立。

在狭义相对论中，爱因斯坦否定了绝对空间的存在，指出不同惯性系的空间之间遵从洛伦兹变换，以及长度变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短。在广义相对论中，爱因斯坦进一步指出一个惯性参照系只能适用一个非常局部的范围，不可能适用于大的范围，或全宇宙。用几何的语言来说，各个不同的局部惯性参照系之间的关系，可以通过空间曲率来规定。空间弯曲的程度取决于物质分布状况，空间曲率体现了引力场的强度。空间的量度一般是以米（m）或其分数（cm、μm）或倍数（如 km）为单位。

空间光学（space optics） 光学与空间学之间的边缘学科。主要研究在高层大气中和大气外层空间中来自天体的可见光、红外线、紫外线和软 X 射线，探测它们的存在，测定它们的位置，探索它们的结构、运动和演化规律。空间光学的历史可追溯到 19 世纪中叶，如 1858 年在巴黎上空， 利用气球拍摄了第一张空中照片。事隔 90 年，1946 年利用 V—2 火箭发射摄谱仪探测来自空间的紫外线，标志空间光学开始形成。1957 年原苏联发射了第一颗人造卫星，人们开始利用卫星对空间和地球进行观测与研究。自此，空间光学进入蓬勃发展时期。1973 年美国发射了载人天空实验室， 上面装有一组观测太阳的光学设备，从而把空间光学发展推向一个新阶段。1983 年由荷兰、美国和英国联合研制的红外天文卫星发射成功，可接收来自遥远天体红外区的辐射，且灵敏度比至今所使用的同类仪器高 100 倍。空间光学目前使用的测量仪器主要有：①在红外波段使用的空间光学系统主要是红外望远镜。②在紫外波段使用的空间观测设备主要有太阳远紫外掠射望远镜，远紫外太阳单色光照相仪，远紫外分光计。③在 X 射线波段上使用的仪器主要有各种 X 射线望远镜，太阳 X 射线分光计，太阳 X 射线单色光照相仪以及各种类型的 X 射线探测器。

空间探测器（space detector） 一种脱离地球引力、飞往月球或其他行星、或在星际间运行的航天器，又称“深空探测器”。它是用运载火箭加速到接近第二宇宙速度（11.2×103 米/秒，探测月球）或第二宇宙速度以上（探测行星及行星际）沿设定的轨道飞向目标星体。一般采用三种形式进行探测：①从目标星近旁飞过作远距离观察；②成为目标星的人造卫星作反复观察；③在目标星表面着陆考察，甚至还可取样返回。

空间探测的目的主要是：了解太阳系的起源、演变和现状；进一步认识地球环境的形成和演变；探索生命的起源和演变。

自 1969 年 7 月 20 日美国实现载人登月计划后，世界各国已发射了数百个空间探测器，对金星、水星、火星、木星和土星等各大行星进行研究， 有不少新的发现，如，不管白天还是黑夜，金星表面的气温经常处于 450

℃左右，金星是个高温世界；火星上既没有生命，更没有“火星人”；木星像土星和天王星一样，它的周围也有一个光环，由黑色碎石组成，宽几千公里，厚约 30 公里，离木星表面约 58000 公里；木星的一颗卫星上，有活火山正在爆发。

由于空间探测器的飞行距离远，其控制、导航、通讯和电源等均更为复杂，技术要求比人造卫星高。

空吸作用（suction） 见射流技术。

空穴（hole） 按照能带理论，半导体的能带结构包括电子占满的价带和全空着的导带，其中间被禁带所隔开。由于热运动，价带电子有可能被激发到导带，从而使价带内留下了一个空位。这样，在外电场作用下已激发到导带的电子可以运动而产生电流；同时，价带中的电子因为有了空位也就可以运动，从而对导电作出贡献。随着价带中电子运动状态的不断变化，空位也相应地不断移动。为了描述方便，人们常常把这种空位粒子化，并称它为空穴。空穴是一个带正电荷 q 并具有正的有效质量的“粒子”。这样，价带中的电子在外场作用下的运动就可用空穴的运动等效。

库仑（Charles Augustin de Coulomb 1736～1806） 法国物理学家。生于昂古莱姆。在中学时期就爱好数学和物理，后来在梅济耶尔进工程学校学习。离校后入皇家军事工程师队，任工程师，先后在西印狄兹、埃克斯岛、瑟堡等地服役多年。1772 年回国，从此开始科学研究工作，1781 年被选为法国科学院院士。

主要贡献在电磁学方面。1773 年，应法国科学院的悬赏，进行航海指南针的改良工作。他从解决磁针在支架上受到摩擦力问题着手，提出用丝线悬挂磁针的方法。这一改进使他获得 1777 年法国科学院的奖金，并发现丝线在扭转时的扭力和磁针转过的角度成正比关系，从而能计算磁力的大小，这就使他提出了一种可以精确测量微小力的扭秤。1784 年～1785 年间，用扭秤非常精确地测量了静电力和静磁力，得出两个点电荷之间的吸引或排斥力的大小同它们的距离二次方成反比，同每一个点电荷的电荷量成正比的定律，被称为库仑定律。该定律是电学中第一个被发现的定量规律，它在电磁学的发展史中占有极为重要的地位。在对磁学的研究中，根据等效磁荷的观点，也同样通过扭秤实验，得到两个点磁荷之间的相互作用规律，即磁的库仑定律。还证明了导体上的电荷全部集中在表面上。在力学方面， 1773 年，提出了使各种物体经受应力和应变直到它们的折断点，依次可以计算物体上应力和应变的分布情况，这种方法成为结构工程的理论基础。1779 年，做了一系列测定摩擦力的实验，依次可以计算各种摩擦力的大小，并得到后来以他的名字命名的摩擦定律。他也是测量人在不同工作条件下做的功（人类工程学）的第一个尝试者。由于这些卓越成就，他被认为是 18 世纪欧洲伟大工程师之一。

库仑定律（Coulomb law） 表示两静止点电荷间相互作用力的定律。库仑定律是静电学的基础，也是电磁学的基本定律之一。库仑定律的内容是：两静止点电荷间的作用力（即库仑力）F 的大小正比于两点电荷 q1 和q2 的乘积，反比于它们的距离 r 的平方，作用力的方向沿着电荷 q1 和 q2 的连线方向，同号电荷为斥力，异号电荷为引力。可以用公式表示为：

F = K q1q2 ，式中K为比例系数，在SI单位制中，q、r、F的单位分别

r 2

为库仑、米、牛顿，实验测得K =

1

4πε 0

= 8.98755179×10⁹ 米 / 法，其

中ε0 称为真空介电常数，其值为ε0=8.85418782×10-12 法/米。在 CGS 静电系单位制中，K=1，没有量纲，所以库仑定律这时可表示为：F=

q1q2 。静电相互作用服从牛顿第三定律，q 作用于q 的力为F ，与q 作

r 2 2 1 1 1

用于 q2 的力 F2，大小相等，方向相反，且作用在一条直线上。

库仑定律是法国物理学家库仑于 1785 年通过扭秤实验的结果分析所得。近代许多精确的实验已经证明，静电力的平方反比关系其偏差不大于

（2.7±3.1）×10-16，而且随着实验精度的提高，这种偏差越来越小。从适用范围来说，大量实验结果表明，库仑定律在 1 厘米～10-9 厘米的范围内精确成立，在更小的线度上（10-9 厘米～10-16 厘米），用量子理论处理， 也与实验相符。

对于一个电荷系统，每对点电荷间的作用力都服从库仑定律，而任一点电荷所受到的力等于所有其它点电荷单独作用于该点电荷的库仑力的矢量和，这一结论称为叠加原理，叠加原理与库仑定律相结合构成了整个静电学的基础。

■库仑扭秤图

库仑扭秤（Coulomb torsion balance） 测量点电荷间相互作用力的仪器。库仑最早用它来研究分析总结出库仑定律，故名。其结构如图所示。扭秤的主要部分是一根金属丝，其下端悬挂着一根玻璃秤杆，杆的一端有一金属小球 A，另一端有一平衡体 B，在离A 球旁某一距离放置一个与它同样的金属球 C。实验时，先使 A、C 两小球带有同种电荷，这时秤杆因小球 A 受到库仑力作用而偏转，扭秤悬丝被扭转而产生反抗力矩，并试图使小球 A 回到原位。当库仑力在小球 A 上产生的力矩与悬丝的扭转力矩相等时，扭秤便处于平衡状态。若已知悬丝的扭转力矩与扭角的定量关系， 并测出秤杆的长度，就可以求出带电小球 A 和 C 在这一距离上的相互作用力。

库仑扭秤实验在电学发展史上具有重要意义，它是人们对电现象的研究从定性阶段进入定量阶段的转折点。

夸克（quark） 参见强子结构。

夸克模型（quark model） 参见强子结构。

夸克囚禁（quark confinement） 对于迄今尚未从实验上发现自由夸克的一种解释。1964 年夸克模型建立以来，粒子物理学的理论和实验的成功使人们普遍相信，强子（如质子、中子、π介子等）是由更基本的组分——夸克构成的，夸克是比强子更深一个层次上的粒子。但是迄今的所有实验尚未发现带有分数电荷的自由夸克。对此，物理学家常常采用如下两种解释。一种解释认为，夸克的质量很大，目前加速器实验的能量还不足以将它们从强子中分离出来。另一种目前或许更为普遍的解释是，夸克由于通过胶子传递的强相互作用的特点而被囚禁在强子内部，不可能以自由状态存在。

夸克带有色或色荷，夸克间的强相互作用是通过传递胶子产生的。但胶子也带有色荷，所以强作用也就是色荷之间的相互作用。这种强相互作

用理论称为“量子色动力学”。根据这一理论，自然界中可以自由存在的粒子应是“无色的”或“白色的”。因此强子是白色的，即构成强子的所有组分夸克的色荷总和应等于 0。例如构成π+介子的正反夸克（u 夸克和 d夸克）应带有相反的色，如果 u 夸克带有红色，d 夸克应带有反红色。与电场的力线相类似，夸克的色场也可用假想的力线描述，两个带有相反色荷的夸克之间有力线相连。但是这种胶子场力线不像两种相反电荷之间的电力线那样分散在整个空间，而是集中在两个色荷的连线上而形成一根弦，这是因为胶子本身带有色荷，它们之间存在相互吸引作用的缘故。胶子场力线带有正比于其长度的能量，当两个夸克间的距离增加时，这种弦所带有的能量也随之无限增加。在此过程中，这种胶子弦或许有可能断裂而产生一对相反色荷的夸克对。因此，无论怎样都无法使这种带有正反色荷的夸克对分开到大的距离而形成自由夸克。这就是色禁闭的通俗图像。昆特实验（Kundt experiment） 用来测定声音在空气或其他气体中

传播速度的一种实验方法。由德国物理学家昆特于 1866 年设计，故名。该实验用一根长 1.5 米、直径 3～4 厘米的玻璃管，管内撒以很轻的粉末，管两端各塞一个软木塞，在一个塞中穿一根细的黄铜棒。固定棒的中心，并用涂有松脂的柔软皮革对棒作纵向摩擦，使铜棒发生纵向振动，则棒发出很强的声音。此时，玻璃管内气体形成驻波，在波腹处粉末明显地聚集在一起（见附图）。测出杆的纵向振动频率 v 和两相邻波腹的平均距离 d， 根据公式 v=2vd，即可算出空气中的声速 v。玻璃管内充以其他气体，就可测定声音在该气体中的传播速度。

■昆特实验

L

拉格朗日（Joseph Louis Lagrange 1736～1813） 意大利数学家、物理学家、天文学家。生于都灵。青年时期曾在都灵炮兵学校学习，未毕业 19 岁时便在该校当了几何学教师。由于数学和物理学上的一系列成就，

1759 年他 23 岁时就被选为柏林科学院院士。1766 年到柏林科学院工作，

1776 年接替欧拉任柏林科学院院长的职务。1787 年离柏林到巴黎，先后任巴黎师范学校和巴黎工艺学校教授。

拉格朗日是 18 世纪后期出现的几位最负盛名的科学家之一，他在数学、物理学和天文学等方面都有卓越的贡献。在物理学上的主要贡献是在力学方面，最为突出的是在其名著《分析力学》（共 20 卷）中，通过总结历史上力学的各种基本原理，发展达朗贝尔、欧拉等人的研究成果，引入势、等势面、广义坐标等概念，进一步把数学分析应用于质点和刚体力学中，建立了拉格朗日方程，创立了分析力学的基础，为把力学理论推广应用到物理学其他领域开辟了道路。他还和拉普拉斯共同研究了牛顿的太阳系学说，解决了三体在万有引力作用下的复杂运动问题。他对振动问题的研究，奠定了现代振动理论的基础。提出了描述流体运动的拉格朗日方法， 即把研究的流体看作是连续介质，研究某一流体质点在各个不同时刻的位置、速度、加速度。该方法和通常力学里所采用的方法相同，但对于流体运动的研究具有十分简捷而方便的特点。

拉普拉斯决定论（Laplace determinism） 机械还原论的一种观点， 由法国数学家、力学家拉普拉斯提出。他认为对于任何一个封闭的质点系， 只要知道它在某一时刻的所有质点的坐标和动量，根据牛顿力学就能够精确地知道质点系所有质点的过去和今后的任何时刻的坐标和动量。这种观点虽有其合理的内核，但把牛顿力学的适用范围作了不恰当的推广，最终导致错误的结论。这种观点实际上主张自然界的一切运动形式，无论是机械运动还是热、光、电磁、化学运动，以至生命、社会运动，最终都可用物质的最小单元——原子的机械运动来表述，掌握了原子系统的力学状态，就能说明这个系统的一切性质，因而错误地把高级运动形式归结为低级运动形式，用低级运动形式的规律去决定高级运动形式的规律。此外， 这种观点在处理分子、量子、微观粒子运动时也遇到了极大的困难。

喇叭（loudspeaker） 扬声器的俗称。

莱顿瓶（Leyden jar） 以玻璃瓶为电介质的一种存储静电的器件。1746 年由荷兰莱顿城的莱顿大学物理学家穆申布鲁克发明，故名。莱顿瓶的最早形式是一只盛有一部分水的玻璃瓶，瓶口用软木塞封住，用导线或钉子穿过木塞并插入水中。为了充电，把导线的外端与产生静电的摩擦器件相接触。断开时，可用手触导线而受到震动来表明电的存在。

■莱顿瓶

莱顿瓶通常是一只里面和外面都贴上金属箔的玻璃瓶，如图所示。把外面贴的箔片与大地连接，另有一金属棒从瓶塞插入，上端附一金属球， 下端附一金属链，使之与内层金属箔接触，用以使它带电或放电。这种装置的电容量很小，但所能承受的电压却很高：为当时的静电实验所不可缺少的装置，是目前广泛应用于电气和电子装置中的电容器的原型。现在， 它常应用于课堂演示。

朗之万（PaulLangevin1872～1946） 法国物理学家。生于巴黎。1897 年以第一名成绩毕业于巴黎高等师范学院，后到英国剑桥大学，在卡文迪什实验室跟随汤姆孙作研究工作。回国后与居里共事多年。1902 年在巴黎大学获博士学位。1909 年任法兰西学院物理学教授。1903 年兼任巴黎理化学校教授，1925 年起直至晚年任该校校长。1918 年当选为英国皇家学会会员，1934 年当选为法兰西科学院院士。他还是中国物理学会第一名名誉会员。

主要贡献是对磁学和超声的研究。1905 年，提出关于磁性的理论，证明抗磁性的普遍性和它与塞曼效应的联系，并从理论上论证了抗磁性与温度无关。根据磁矩在磁场中的取向作用，对顺磁性也作了理论分析，提出了朗之万理论和朗之万函数，奠定了顺磁理论的基础。1911 年，从索末菲关于力学作用量子化的思想出发，提出这种量子化导致磁矩的量子——磁子，并计算了磁子的值。第一次世界大战期间，应用超声波原理，研制成水下信号发射和超声回声探测器，以发现潜水艇，这一方法很快在军事和其他科学研究中得到广泛应用。

朗之万还从事电动力学、电子论和量子论方面的研究，积极参加发展狭义相对论的工作。1903 年，他研究了电离气体的性质，提出在高压和低压下放电的复合理论。1904 年，在研究运动电荷的电磁场辐射时，独立于爱因斯坦而得到了质量与能量的关系式。1905 年，在看到爱因斯坦的文章后，对相对论立即表示了热烈的兴趣，并和爱因斯坦结下真挚的友情。1913 年，他最先得出质量亏损概念，并对核能的释放进行了一定的推测。当德布罗意提出物质波的理论时，他率先表示支持并及时转告了爱因斯坦，这对薛定谔波动力学的创立起了促进作用。

雷达（radar） 利用无线电波对目标进行探测和定位的无线电设备。“雷达”一词是英文 Radar（RadioDetection And Ranging）的音译。用无线电波传输中的反射或再辐射的能量探测飞机或其它物体的设想，早在第二次世界大战前几十年在英、美、法、荷、意、日、俄等国已经出现。1935 年英国人威尔金斯首先成功地用 49 米 BBC 发射机探测到飞行中的轰炸机。一部最简单的脉冲雷达由发射机、接收机和天线等组成。发射机产生的雷达脉冲信号，经过收发开关由天线定向辐射到空间，天线转换开关

（收发开关）使单个天线可兼作发射和接收之用。从目标或其它反射物反射的回波被天线收集，并由接收机检测，然后送到指示器显示，如图所示。通过回波能量的检测，可发现目标的存在；通过回波信号同发射信号的比较，可获得有关目标的信息（诸如目标的距离、方位和高度、速度大小和形状等）。

第二次世界大战以来，雷达技术发展十分迅速，目前世界上主要国家使用和研制的不同型号的雷达约有 1500 种。雷达的探测范围不断扩大，远至几十万公里，

■雷达工作原理方框图

近至几十米；其工作波段越来越宽，低至几个 MHz，高达 3×109MHz， 进入可见光频率范围，60 年代出现激光雷达就是一例。

雷达的军事应用主要有：搜索和引导，跟踪测量和火控，敌我识别，

战斗机下视、下射和测绘，分辨导弹弹头的真假以及飞机的机型和架数。雷达的民用和科研应用主要有：机场和海港的管理，气象预报，天文研究，

导航，监视和控制汽车的速度，地图测绘和探矿等。随着雷达应用范围的扩展，战术要求的提高，以及计算机技术的发展，雷达技术在探测距离、目标空量、测量精度，抗干扰性能，数据处理能力、机动性和可靠性等方面正在不断地发展。

雷电（lightning and thunder） 闪电与响雷。它是大气中瞬间的、光亮的放电现象以及由此产生的声波。

闪电通常是由积雨云（或称雷雨云）产生的。这类云容易在大气状态不稳定的条件下由冷、热空气上、下对流运动时形成。在这种云内有许多因素导致电荷的产生与分离，最后形成的电荷分布为：云的上部带正电， 中部和底部带负电。当云内的起电作用达到相邻两电荷中心（云与云或云与地）之间的电场强度为击穿值时，就产生了称为闪电的大型火花。当空气内存在水滴时，击穿的场强值约为 10，000 伏/厘米。

对于雷电现象，中国早在秦、汉时期就有记载，但首先揭示闪电性质的是美国科学家富兰克林。他于 1752 年 7 月进行了著名的风筝探测雷电的实验，观察到通过风筝引线由积雨云产生的火花，从而证实自然闪电和摩擦产生的电的本质的一致性。

闪电按产生的部位来分类有云内放电、云际放电和云地放电。前两种称为云闪，第三种称为地闪。人眼所看到的地闪似乎是一次由云中曲折行进到地面的瞬间闪光，实际上它是由多次相继放电所组成，这些放电彼此间隔约为百分之几秒，并且通过同一通道。闪电过程中的每一次放电称为闪击，一次闪电所含的闪击数可多达三四十次。闪击含有先导和回击两个过程。其中先导是为闪电放电建立电离通道的准备过程，它又分为梯级先导和直窜先导两种，梯级先导是像阶梯一样逐级伸向地面的暗淡光柱，它的平均速率为 106 米/秒数量级，当先导离地面 5 米～50 米时，地面上某点将产生沿此通道向上行进的回击过程，回击的发光度要比先导强得多，平均在约 6 微秒左右的时间内，回击的电流达极大值，通常超过 30 000 安，

有时高达 200000 安。人们见到的闪光即为回击，经百分之几秒后，有第二次回击，自第二次回击开始的先导都为直窜先导，因为此时已无梯级，先导由云到地直窜而下，其平均速率比梯级先导约高一个数量级，整个闪电约持续 0.2 秒，由云中向地面输送的电荷量约为数十库仑。用流光理论可以较好地解释闪电过程。

闪电所产生的电场有静电场、感应场和辐射场。在放电近处，静电场作用大；离放电很远处，辐射场作用大。闪电时的强电流会产生磁场，在接近闪电区的铁或含铁石甚至会成为永久带磁。

闪电的形状有多种，一般有线状、带状、火箭状、片状、球状等，最常见的是线状闪电，其特征是细亮的发光光柱。

闪电也是一个辐射源。通过对从紫外到红外波段的闪电发射光谱的研究发现：在 0.36 微米～0.62 微米波长范围内有电离氦的分立发射谱线， 0.6563 微米处是由原子氢引起的强光谱线 Ha 线，中性氧、氮的明亮光谱线及少数中性氩的微弱光谱线位于红外区，电离氧和氮的分立发射谱线、氰

（CN）和分子氮的发射带位于紫外区。被加热的空气作为热辐射源形成微弱的连续光谱背景。

闪电光谱的定量分析表明，闪电通道处的空气温度在几微秒的时间内最高可达 25 000℃～30 000℃，气压可达 10 个大气压，电子密度为 1017～

1018 每立方厘米，几乎达到完全电离。其间，闪道中的空气因突然受热而迅速膨胀并产生冲击波，经传播一定的距离后冲击波退化为声波，即为雷声。由于放电路径的斜向与弯曲，产生闪电的部位与观察者的距离是不等的，所以距离观察者最近部分的声音比来自其它部分的声音先被听到，又加上几个放电常常接连发生，声波的叠加造成了隆隆响声的连续声波。测定闪电与响雷之间的时间差可以估算闪电与观察者之间的距离，用现代化的设备观察雷，可发现雷的频率分布范围从低于 10 赫到 150 赫。

虽然大部分闪电是由自然引起的，但偶然也能被很高的建筑物、电视天线或烟囱所触发，穿入雷暴中的飞机和火箭也能触发闪电，这时闪电从金属飞行器的某一部分进入，然后从另一部分出来。

闪电的突然高温、高压及强电流使得它具有很大的危害性，因为燃烧、电击都直接具有杀伤力。据统计，在世界范围内，每年有数以千计的人畜被闪电击伤、击毙。大部分的森林、草地及人工建筑物的起火也归咎于闪电。由于闪电而产生的强电流还能破坏电气设备。然而闪电在大自然的形成及维持生态平衡等方面却起了重要作用，它形成了大气中的含氮化合物，这些物质既对植物生长有利，又为地球上的生命起源作出了贡献。闪电起火可以维持森林地区和草地间的平稳，闪电也能促使雨的形成。

雷诺数（Reynolds numble） 表征粘滞流体特征的一个重要的无量纲参数。由英国物理学家雷诺于 1882 年发现，故名。常用符号 Re 或 R 表

示，其公式为R = ρvL 。其中ρ为流体密度，v为流体速度，L为物体的

e η

特征长度（例如流管的直径、渠道的深度、机翼的厚度等），η为流体的粘滞系数。它表示流体的惯性力与粘滞力之比。当粘滞流体相对于几何形状相似的物体流动时，只要其比值（ρvL/η）相同，它们的流线具有相同的分布，因而流动情形相似。由于这一性质，可用各种模型代替实物来研究飞机、轮船在空气或水中的运动性能，只要使模型试验与真实物体的运动具有相同的雷诺数，其结果与实际的飞机或轮船相符。

雷诺数又是流体层流稳定性的一个判据。当雷诺数增大到某一临界值时，流体的流动就从层流变为湍流。例如管流中，雷诺数小于 2000 的流动

为层流；雷诺数大于 4000 时为湍流。

类比（analogy） 用已知的现象和过程（包括物理学以外的现象和过程）同未知的物理现象和过程相比较，找出它们的某些共同点、相似点或共同属性，然后以此为根据推测未知的物理现象和过程也可能具有已知的现象和过程的其它属性或规律的间接推理方式。它是将一种特殊对象的知识推到另一特殊对象的思维方法，是从个别的结论推出个别的结论。它的主观因素是人们总是习惯于用已知的图景去设想未知的图景。类比是以比较作前导的，得出的结论仅仅是一种推测。如果对象的相同点较多，又是本质的东西，或然性就小一些。

在物理学研究中，常见的类比形式有以下几种。①在物理现象之间进行类比。例如开普勒弄清光的强度与光源的距离的平方成反比之后，就与太阳和行星之间的作用力作类比，推测该力也是与距离平方成反比。惠更斯用光、声类比说明光传播的物理机制是波。在现代物理研究中，物理现象之间的类比也是屡见不鲜的。例如汤川秀树研究高能粒子相互转化的机制时，将原子核内中子和质子的作用同原子内原子核和电子的作用相类

比。②物理现象同其他事物的类比。无论经典物理还是现代物理都存在这种类比。原子结构的研究就用其他事物作类比，如汤姆孙把原子结构比作果子面包；卢瑟福在实验基础上，通过类比提出了原子结构的太阳系模型。通过这种类比，往往可以更形象更直观地揭示研究对象的特性和规律，使之更容易为人们理解。③数学形式的类比。例如爱因斯坦提出光量子论之后，德布罗意提出物质波的预言直接依赖于数学形式的类比。数学形式的类比是在物理现象进行抽象的基础上，更深刻地概括了物理现象的特性和规律。物理学的规律一般都可以用数学关系式表示出来，数学形式相同的物理现象往往遵循一种更深刻、更本质的规律。在具体的研究过程中，由两对象有若干属性相似且两者的数学形式相同，可推知它们其它属性相似；反之，两对象的主要属性相同，它们的数学形式相同。

类比方法的过程和基础都决定了它的结论的或然性，因此在任何情况下通过类比得出的结论，都必须由实践检验，证明其正确性。在物理教学中，常用类比推理阐述知识，在类比时，既要注意相类比的事物间的相似处，也要注意事物间的差异，因为差异可以限制类比的结论。

类星体（quasar） 又称类星源。形状如恒星而光谱有巨大红移的一类天体。它们亮度极高，相距又极遥远。其大小不足 1 光年，而亮度比直

径约 10 万光年的巨星系还大 1000 倍。巨大的发光本领使它在 100 亿光年之外仍能被观测到。1960 年，美国天文学家桑德奇发现了第一个类星体3C48，1963 年，美籍荷兰天文学家施米特又证认出类星体 3C273 的光谱是正常光谱红移后的结果，红移值为 0.158。天文学家估计天空中的类星体有成千上万个。类星体的共同特征是：在照相底片上具有类似恒星的像； 它们的光学像是恒星状的点，角直径小于 1 弧秒；具有很大的红移量。已测到的类星体中红移量最大的为 3.53，紫外线经过红移变成绿光；最小的红移量为 0.15。类星体虽是在射电源中发现的，但只有部分是射电源，另一部分类星体并不辐射无线电波，有些类星体（如 3C273 等）还能发射 X 射线。从光谱看，类星体有明亮的发射谱线，有些还有吸收谱线。类星体由体积很小、质量很大的核和位于核外的广延气晕组成。中心体辐射出能量，激发气晕中的气体，谱线产生于气晕的不同部位的辐射。导致中心体发出频谱很宽的辐射机制是同步加速辐射。

关于类星体的巨大红移有几种理论解释。一种认为是宇宙学红移，即认为红移产生于类星体的退行，反映了宇宙的膨胀；另一种认为是大质量天体的巨大引力场造成的引力红移；还有的认为是多普勒红移，至今尚无定论。若红移是宇宙学的红移，则类星体每秒释放的能量高达 1039～1040 焦耳，按类星体发光期为 106～107 年计，一个类星体释出的总能量高达1049～1055 焦耳。至今尚无令人满意的理论模型能说明这么巨大能量的来源，类星体的惊人能量目前仍是个谜。

棱镜（prism） 有两个以上平面表面的透明媒质多面体。它可以是玻璃或晶体，也可以是在一定形状的容器中放入某种透明液体。按用途分类，有改变光线行进方向的偏向棱镜、将多种波长的复合光分离为光谱的色散棱镜、产生偏振光的起偏棱镜等。按形状分类，有三棱镜和多角棱镜等。按使用性质分，有反射棱镜和折射棱镜等。反射面和折射面统称为工作面，相邻两工作面的交线为棱，垂直于棱的截面为棱镜主截面。反射光线或折射光线与原入射光线方向的夹角，称为偏向角。光线在等腰三棱镜

主截面内折射时，偏向角随入射角而改变。当入射角取某值时，偏向角为最小，称为最小偏向角。棱镜的最小偏向角与棱镜的顶角和折射率有关， 实验上常利用最小偏向角的测量来求出棱镜材料的折射率。材料的折射率与光的波长有关。通常棱镜具有正常色散，即折射率随波长的减小而增大， 故白光通过三棱镜后形成的光谱中，紫光偏折最大，红光偏折最小。利用棱镜的这种分光作用可制成研究光谱的重要仪器，即棱镜光谱仪。顶角很小的三棱镜称为光楔。当入射光垂直或近似垂直射入光楔时，偏向角δ与顶角α和折射率 n 的关系为：δ=α（n-1）。光楔也称为光劈或薄棱镜， 由于α很小，故δ也很小。在光学仪器中，光楔常作为一种补偿装置，使光线通过它以后稍微改变其方向。

楞次（Heinrich Friedrich Emile Lenz 1804～1865） 俄国物理学家。生于爱沙尼亚的多尔帕特。中学学习成绩优异，16 岁进入多尔帕特大学。19 岁时被推荐作为地球物理观测员参加由俄国主办的第二次全球性科学航行（1823～1826）。1836 年～1865 年任圣彼得堡大学教授。他是彼得堡科学院院士。

主要贡献在电磁学方面。1831 年，法拉第发现电磁感应现象后，楞次对电磁感应现象进行了深入的研究。 1833 年他发现感生电动势阻止产生

这一感应的磁铁或线圈的运动，此结论于 1839 年发表，后称为楞次定律， 该定律表明电磁现象也同样遵守能量守恒和转化定律。1842 年他与焦耳分别发现了电流通过导体时的热效应规律，即电流在一定时间内通过导体时所放出的热量，与导体电阻成正比，与通过导体的电流的平方成正比，被称为焦耳—楞次定律。 1844 年他导出包含电动势和电阻的归一并联电路中电流分布的定律。此外在电化学、地球物理学等领域的研究中，他也取得了一系列重要成果。著有《物理学手册》（1864）。

楞次定律（Lenz law） 确定感应电流（或感应电动势）方向的定律。由俄国物理学家楞次于 1833 年提出。该定律指出，闭合回路中感应电流的方向，总是使它在回路面积上产生的磁通量能够补偿或反抗引起感应电流的原磁通量的变化。若从某侧穿过回路面积的原磁通量增大，则感应电流所产生的磁场对于该侧的磁通量必为负值；反之，若从某侧穿过回路面积的原磁通量减小，则感应电流所产生的磁场对于该侧的磁通量必为正值。因此，也常把楞次定律简单地叙述为：感应电流总是采取反抗回路中原来磁通量变化的方向。

在产生感应电流的各种情形中，若设想感应电流采取违反楞次定律的方向，则将出现第一类永动机的情形。这是违反能量守恒定律的。所以， 楞次定律实际上也是能量守恒定律在电磁感应现象中的一种表现形式。

冷反射镜（cold mirror） 只反射可见光而让红外热辐射透过的多层膜系镜片。电影放映机中常用它来防止胶片过热燃烧。相应地有仅反射红外辐射的反射镜，称为反热滤光镜或反热镜。

离子光谱（ionic spectrum） 离子的发射光谱。“类氢光谱”，即类氢离子的光谱，是最简单的离子光谱。类氢离子是指原子核外只有一个电子的离子，但原子核带有 Z＞1 的正电荷。例如氦（He）、 锂（Li）、铍（Be）等中性原子的核外分别有 2、3、4 个电子，所以一次电离的氦离子（He+），二次电离的锂离子（Li2+ ），三次电离的铍离子（Be3+）都是类氢离子。类氢离子的光谱特性与氢光谱类似。一次电离氦离子光谱在可

见光区的一组线系称为“毕克林系”，是天文学家毕克林于 1879 年观察船舻座ζ星的光谱中首次发现的。此外，当重原子受到带电粒子或强度（如激光）照射时，其核外电子可能被大量剥离而形成“高离化态原子”。高离化态原子光谱的特征主要决定于电离后余留在核外的电子的行为。在极高温度的天体上，在核聚变或者在强激光与物质相互作用等过程中，都会产生高离化态原子。因此对离子光谱的研究是很有意义的。

离子注入（ionic implanted） 是近年来发展起来的制造浅结器件的一个重要掺杂技术。一束被加速到一定能量的杂质离子在超高真空中投射到半导体基片上，这些能量高达几 keV 到几 MeV 的离子将会穿透基片表面而深入到体内，并最终停止在基片的某一深度上以达到掺杂的目的。这种穿透深度称为射程，其值可以控制在几纳米到一微米左右。

离子注入制作 PN 结具有低温、浅结、可控等优点。但在离子注入过程中，高能离子与半导体晶体原子的碰撞会引起晶格完整性的破坏，造成晶格损伤，使器件性能变坏。为此必须采用热退火或激光退火（即用加热或激光辐照方法，使晶体局部熔融后再结晶，以恢复晶格的完整性）来消除离子注入引起的损伤。

离子注入技术目前已被广泛应用于微波集成电路和大规模集成电路的制造生产中。

里德伯（Johannes Robert Rydberg 1854～1919） 瑞典物理学家。生于哈尔姆斯塔德。1879 年毕业于隆德大学获数学博士学位，并留校任教。1897 年起任教授。1919 年当选为瑞典科学院院士。

主要贡献在光谱学和原子物理学方面。当时人们已经发现，原子光谱的谱线分布通常是组成一定的线系，如何找出其规律性，是摆在物理学家面前极为迫切的任务。1890 年，里德伯最早采用波数代替波长，通过引入一个普适常数（被称为里德伯常数），确定了原子光谱的不同线系的关系， 给出了描述任意谱线的公式，从而深刻揭示了原子光谱的谱线分布的规律性。他还认为各种元素的光谱项都与氢光谱项具有相似的形式，发现了碱金属有三个不同的线系，分别称为主线系、第一辅线系和第二辅线系。主线系的第一条线一般最能表征该元素的光谱。里德伯的上述发现，导致里兹于 1908 年提出了任一条谱线的波数都可以表示为表征该元素的许多光谱项和两项之差的原则，被称为里德伯—里兹组合原则。里德伯的成就为原子物理学的发展奠定了重要基础。

理论物理学（theoretical physics） 通常指高等学校中为物理学专业高年级学生开设的理论力学、热力学和统计物理学、电动力学以及量子力学等课程的总称。从各类学科的普遍规律出发，较系统而深入地介绍各类学科的基本内容及其应用。这类课程常采用演绎法，并使用较多数学。

理想共轴球面系统（perfect coaxial sphericalsystem） 由多个反射或折射球面组成且能使任何单心光束保持单心性的共轴光学系统。由物点的全体组成的空间称为物方或物空间，像点的全体则组成像方或像空间。物和像都有虚实之分，因此不能简单地认为光学系统的前面（在图上是左面）为物方，后面（在图上是右面）为像方。在某一问题中，与入射光束相联系的为物方，与出射光束相联系的为像方。对于理想光学系统， 物方和像方的点一一对应，称为共轭点。根据光路可逆原理，若把物点移到它的像点位置上，则新的像点必位于原来的物点上。同理，理想光学系

统要求物空间内每一条直线，在像空间内有一条直线像作为共轭线与它对应；物空间内任一平面，在像空间内有一平面像作为共轭面与它对应。理想共轴系统的特点还有：光轴上任何一点的共轭点必然在光轴上；垂直于光轴的平面的共轭面必然与光轴垂直；与光轴垂直的同一平面内横向放大率相同；在垂直于光轴的不同平面内，只要有两个平面内的横向放大率相等，则横向放大率处处相等。

基点和基面理想共轴球面系统物像之间共轭关系由三组点和面决定： 即焦点和焦面；主点和主面；节点和节面。无穷远物平面的共轭面称为像方焦面，它与光轴的交点称为像方焦点（F″）。与无穷远像平面共轭的面称为物方焦面，它与光轴的交点称物方焦点（F）。横向放大率为+1 的一对共轭面称为主面；属于物空间的主面称为物方主面，属于像空间的称为像方主面。它们与光轴的交点，分别称为物方主点（H）和像方主点 （H

′）。光轴上角放大率为+1 的一对共轭点称为节点；属于物空间的节点称为物方节点（K），属于像空间的称为像方节点（K′）。过节点垂直于光轴的平面分别称为物方节面和像方节面。对于任何复杂的理想共轴光学系统，只要知道这些基点和基面的位置，在求像的位置等时可不必考虑系统的具体结构。

单一光学元件也有基点和基面，如球面反射和球面折射元件，此时球面的顶点即为主点，球面的曲率中心即为节点。在物、像方折射率相等时， 薄透镜的光心既是主点，又是节点。至于焦点，各种情况都有公式可以确定其位置。如果知道两个单一光学元件的基点基面，根据特定的公式可以求出其组合光学系统的基点基面。这样，原则上任何复杂的理想光学系统的基点基面都可以求出。

作图法给定光学系统的焦点 F 和 F″，主点 H 和 H′，节点 K 和 K′； 过这些基点且垂直光轴的平面为各相应的基面。如果物点 P 位于光轴上， 可利用物方焦面作图求出像点 P′，见图 1。过物点 P 作任意线 PM，交物方焦面于 B。入射线 PM 的共轭线必从像方主面 M′点出发，而 M′ H′= MH。作辅助线 BK，它的共轭线必过 K′且与 BK 平行。过 M′作平行于 N′ K′的线，交光轴于 P′点，即为像点。

■图 1 利用物方焦平面作图

■图 2 利用像方焦面作图

也可利用像方焦面作图求像点 P′，见图 2。作任意光线 PM，它的共轭线出自 M′点，且 M′H′=MH。过物方节点 K 作平行于 PM 的线 NK。过像方节点 K′作平行于 NK 的线 N′K′，交像方焦面于 B′。连 M′B′交主轴于 P′，即为像点。

■图 3 主轴外 P 点作图

如果物点 Q 位于主轴外，可利用基本作图法求像点 Q′，见图 3。从物点Q 作平行于主轴的线QM。它的共轭线 M′F′必通过像方焦点F″，且MH=M

′H′。过物点 Q 作光线经过物方节点 K，QK 的共轭线 K′Q′必经过像方节点 K′，且与 QK 平行。H′Q′与 M′F′的延长线的交点即为像点 Q′。也可以另选第三条线，即过物点 Q 和物方焦点 F 的光线交物方主平面于 B 点。它的共轭线 B′Q′必平行于主轴，且 B′H′=BH。B′Q′与 M′F′和K′Q′必交于同一点 Q′。当然，实际上仅需作任意两条相交即可。

理想化方法（idealized method） 舍弃次要非本质因素，突出主要

因素，对现实进行高度抽象和概括的处理方法。各种形式的物理运动处于广泛的联系之中，物理研究对象受很多因素的影响，在一定条件下可以将其他因素撇开，抓住它的主要因素。理想化方法来源于人们对物理运动的实践，是以物理真理的相对性和人们对物理运动认识的阶段性为基础的。它的具体应用，决定于研究对象的实际情况，受特定的研究范围和条件的制约。例如，物体处在永恒的运动中，但在一定的条件下又可以把它看作“静止的”；又如在一般研究人造卫星绕地球运转的情况时，就不必考虑二体运动问题。在具体研究中，考虑什么因素，舍去什么因素，是随研究对象的实际情况、研究范围的改变而改变的。例如大炮发射炮弹，如果只研究炮弹运动的轨迹，可以把炮弹当作质点来处理；如果要使炮弹获得最有利于前进的转动性质，就应把它看作一个刚体来处理；如果要研究炮弹如何击穿钢板，钢板和炮弹的弹性和塑性都必须加以考虑。

物理学研究中，理想化方法被广泛应用。它的作用主要反映在以下几方面。第一，理想化模型：在物理学研究中，有些研究对象的范围和条件很接近理想状态，将研究对象理想化，建立理想化模型，从而使整个现象和过程更加纯粹、简单，由此总结出的特性和规律与客观实际较为接近， 而误差在具体应用中可以忽略。质点、刚体、理想气体、理想流体、点电荷等是理想化模型的典型例子。第二，理想化过程：对一些比较复杂的物理过程，存在许多因素和联系。若都加以考虑就会难以甚至无法对问题进行全面综合的研究。为了深入考察研究对象的内部过程，就要让研究对象主要的、基本的过程充分暴露出来，建立理想化物理过程。这样做对于深刻地认识所研究的对象往往是十分重要的，因为它更接近纯粹的原型。例如卡诺为了解决蒸汽机最高效率问题，设想了服从理想的卡诺循环的蒸汽机，它与真实蒸汽机有明显差异，在现实中根本不存在。但通过对理想化蒸汽机的研究，卡诺深刻地概括抽象出真实热机的本质特性，简单而明确地阐明了热机效率的极值问题。此外，匀速直线运动、自由落体运动、简谐振动等都是理想化物理过程的典型例子。第三，理想实验：在物理学研究中，运用理想化方法在头脑中进行的假想性实验。实质上是使用理想化方法进行的逻辑推理过程，例如惯性定律就是伽利略通过理想实验的方法揭示的。

日常的具体的事物虽然直观，但是各种现象和过程往往掩盖着事物的本质。用理想化方法进行研究所揭示的特性和规律，只能以抽象的形式出现，虽然它离具体的事物远了，但离真理近了。例如惯性定律就是从具体的事实通过理想化方法抽象出来的，它离开的只是具体的事实，但深刻揭示了事物的本质属性。量子力学的奠基人普朗克说：“物理世界观之愈益远离感性世界无非就是与现实世界愈益接近。”

理想流体（ideal fluid） 参见流体。

理想气体（ideal gas） 对实际气体性质加以简化而得出的一种假想的气体模型。

在许多气体的早期实验中，人们发现实际气体并不严格遵循玻意耳定律等实验定律。气体的压强越低，实验结果与上述定律的偏离程度越小。由此可以合理地推论出，在气体压强趋于零的极限情况下，玻意耳定律才完全正确地反映了气体的状态变化。这种严格遵循玻意耳定律的气体就称为理想气体。

除了以上的实验定律外，在热学发展史上还有一些互相独立的实验定律，它们也只有在压强趋于零的情形下才是正确的。其中一个就是有名的焦耳实验定律。焦耳在 1845 年对气体的自由膨胀过程进行了研究，并从其温度随体积的变化关系中得出了如下结论（焦耳定律）：气体的内能仅仅是温度的函数，而与体积无关。但是后来又进一步发现，这个论断并不严格正确。1852 年焦耳和汤姆孙进一步作了节流膨胀实验，证实了实际气体的内能只是在压强趋于零的极限情况下才严格遵循焦耳定律。另一个实验定律是 1811 年提出的阿伏伽德罗定律，该定律可表述为“在相同温度和压强下，相等体积的各种气体所包含的质量与它们各自的分子量成正比”， 或者表述为“在相同温度和压强下，相同体积的气体内所包含的摩尔数相等”。后来发现这个定律对于实际气体也只是近似成立，或者说它只是实际气体在压强趋于零时所满足的一个定律。

由于这些实验定律是互相独立的，因此可以说理想气体是严格遵循玻意耳定律、焦耳定律和阿伏伽德罗定律的气体。实际气体，特别是那些不易液化的气体（如氢气、氧气和氮气等），在通常压强和温度下可以近似作为理想气体来处理。

从微观上看，理想气体是完全忽略分子本身体积大小、完全不计分子之间相互作用力的气体。与质点、刚体等力学模型一样，理想气体是热学中的一种有用的气体模型。

理想实验（idealized experiment） 是一种假想实验或思想上的实验。它不同于具体实验，不是一种实践活动，只是人们在思想中塑造的一种理想过程，是逻辑推理的一种方法和形式。

理想实验是物理学研究中常用的方法。伽利略就是通过理想实验的方法，揭示了惯性定律的物理本质。在现代物理学中，也常运用理想实验。例如海森堡就提出过观察粒子轨迹的理想实验，并由此证明不能同时确定微观粒子的位置和速度。在物理学研究中，很多场合都需要作逻辑推理上的证明和反驳。使用理想化实验可以进行具体而形象的推理，从而使逻辑证明和逻辑反驳更有说服力。伽利略运用了理想化实验在逻辑上驳斥了亚里士多德关于重的物体较轻的物体更快坠落的观点以及爱因斯坦和玻尔通过理想实验对不确定关系的争论都是生动的例子。

在物理学发展史上，一些重大理论的产生，或者新旧理论交替时，理论思维往往以理想实验的方式起着重要的作用。爱因斯坦狭义相对论的基础和出发点——同时性的相对性，就是通过理想实验形象地加以说明的。围绕着相对论，爱因斯坦还提出过很多巧妙的理想实验。

理想实验一般很难立刻实施。随着实验手段和工具的提高，某些理想实验可以转化为具体的实验。例如量子概率波的单电子衍射实验，又如爱因斯坦狭义相对论中关于时间膨胀的结论，都已被真实实验所证实。也有一些理想实验无法实施，或者在遥远的将来也无法实施，例如关于惯性的理想实验。有时理想实验也可能导致错误的结论，例如伽利略从理想实验中得出了惯性运动必须是圆周运动的错误结论。

李政道（1926～） 美籍华裔物理学家。生于上海。1942 年至 1945 年曾在国立浙江大学和西南联合大学物理系学习。尚未毕业获得中国政府的奖学金，于 1946 年赴美留学。在费米指导下于 1950 年获芝加哥大学哲学博士学位。1951 年至 1953 年受聘入普林斯顿大学高级研究院进行科学

研究。1956 年任哥伦比亚大学教授。1960 年重返普林斯顿高级研究院任教授。1963 年任哥伦比亚大学物理学讲座教授、费米物理学讲座教授、全校讲座教授。同时担任美国国家科学院院士，暨南大学、中国科学技术大学、复旦大学、清华大学等校名誉教授。

主要贡献是提出弱相互作用中宇称不守恒，获 1957 年诺贝尔物理学奖。早在西南联大时，与杨振宁合作共同提出了对宇称守恒定律的疑问。在美国普林斯顿大学高级研究院，二人相遇，又继续合作从事这一课题的研究。1956 年，提出了在弱相互作用中宇称不守恒的假说，并进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称是否守恒的实验途径。这一假说于 1957 年被吴健雄的实验所证实。同年获诺贝尔物理学奖。李政道是到那时为止历史上第二个最年轻的诺贝尔奖获得者。

李政道对理论物理学作出了一系列贡献，取得突出的研究成果，主要包括基本粒子、核物理、统计力学、流体力学、天体物理等领域。1949 年与罗森布拉斯和杨振宁合作提出普适费米弱作用和中间玻色子的存在。1951 年提出水力学中二维空间没有湍流。1952 年合作研究了固体物理中极化子的构造，并提出了统计物理中关于相变的两个杨振宁—李政道定理和李政道—杨振宁单圆定理。1954 年提出了可精确求解的著名的量子场论模型（李政道模型）。1957 年合作提出了 CP 不守恒和时间不反演的可能性。同年与杨振宁合作提出了二分量中微子理论。60 年代合作研究了带电矢量介子电磁相互作用的不可重正化性。合作提出了李—瑙恩伯定理，即研究解决了无静止质量的粒子所参与的过程中，红外发散可以全部抵消问题。提出了场代数理论。70 年代初期研究了 CP 自发破缺问题。又发现和研究了非拓扑性孤立子，并建立了强子结构的孤立子袋模型理论。70 年代后期至 80 年代研究了格点规范，并建立了离散力学的基础。李政道在促进中美

科学技术交流方面做了大量出色的工作。发表研究论文与报告 200 多篇， 并有《场论与粒子物理学》（上、下册，1980 年、1982 年）等专著多部。

立体声（stereophony） 使人感觉到声源分布在空间的声音。人的双耳不仅能判断音调的高低和响度的大小，还能辨别声源的方向和距离， 因而听音有空间感觉。适当组合和安排传声器、放大系统和扬声器，就能产生立体声效果。宽银幕、全景电影和环幕电影，由于银幕宽度增大，如果单方向发音，跟画面的真实情景就不协调。为了使宽银幕电影的伴音听起来有立体感，要设法让传入耳朵的声音有明显的时间和响度差别。为此， 录音时常在发出声音的人或物的前面几个不同的位置上放置几个话筒，这样录下的声音在时间和响度上就有差别；在电影院放映时，也在相应位置放同样数目的喇叭，分别把这些录音放出来，这样听到的声音就有立体感了。

常用的有双声道立体声、四声道立体声等。与单声道相比，立体声有如下优点：①使各声源具有方位感和分布感；②提高了声音的清晰度；③ 增强了节目的临场感、层次感。

粒子数反转（population inversion） 高能态粒子数大于低能态粒子数的非热平衡状态。在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：

N 2 = N1 exp[−( E g2 g1

₂ − E1 ) / kT]，

式中 k 为玻耳兹曼常数，N2、g2 和 N1、g1 分别为高能态 E2 和低能态 E1 的粒子数和统计权重。由于 E2＞

E ，T＞0，故 N1 ＞ N 2 ，即高能态上的粒子数总是少于低能态上的粒

1

1 2

子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势，原子系统单位时间内从辐射场所吸收的光子数总是多于受激发射产生的光子数。如果采用适当的激

励，破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即△ = N 2

g2

- N 1 ＞0，就说实现了粒子数反转，△称为反转粒子数。

g1

粒子数反转是相对于热平衡分布而言的。当体系处于粒子数反转状态时，受激辐射光子数多于被吸收的光子数，因此对光子数具有放大作用。一个激光器要实现激光运转，粒子数反转是必要条件之一。

从△＞0 可知，体系处于粒子数反转状态时，体系的温度 T＜0，因而说体系处于负温度状态。这是形式上的一种说法。实际上，在热平衡状态下，T 不能取负值。但是体系处于粒子数反转状态时，它并不处于热平衡状态。

二能级系统 如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级 E1 的原子尽可能多地抽运到上能级 E2。设能级 E1 和 E2 上单位体积内的原子数分别为 N1 和 N2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为 A21、W12 和 W21。如果能级统计权重相等，则受激吸收系数 B12 和受激辐射系数 B21 相等，因而 W12=W21=W。E2 能级上粒子数 N2 的变化率为

dN2 = W（N - N ） - A N 。

dt 1 2 21 2

当达到稳定时， dN2 = 0，故有

dt

N 2 =

N1

W 。

A 21 + W

可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于 W，所以 N2＜N1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。

■图 1 三能级系统

三能级系统 图 1 所示为三能级系统。如果激励过程使原子从基态 E1 以很大概率 W 抽运到 E3 能级，处于 E3 的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2 或 E1。假定从 E3 回到 E2 的概率 A32 大大超过从 E3 回到 E1 的概率 A31，也超过从 E2 回到 E1 的概率 A21，则利用泵浦抽运使 W＞W23 或 W＞W12 时，E2 和 E1 之间就可能形成粒子数反转。

先写出 E3 和 E2 上的粒子数变化率方程：

dN₃

= WN

• A N

• W N

• A N ，

dt 1 31 3 23 2 32 3

dN2

= W N

• A N

• W N

• A N ，

dt 12 1 21 2 23 2 32 3

当达到稳定状态时，可推得

N 2

N1

= W 。

A 21

可见当 W 足够大，且 W＞A21 时，便有 N2＞N1，从而使三能级系统中的两个能级 E2 和 E1 实现粒子数反转。红宝石激光器就是以红宝石为工作物质的三能级系统。它的 E3 能级寿命很短，约为 5×10-8 秒；而 E2 能级寿命很长，约为 3×10-3 秒，于是在 E2 和 E1 之间可能形成粒子数反转。寿命较长的能级 E2 称为亚稳态。由于 E1 为基态能级，总是集聚着大量粒子，要实现N2＞N1 需要的激励动力相当强，这是三能级系统的缺点。

■图 2 四能级系统

四能级系统 图 2 所示是四能级系统。在外界激励下，基态 E1 的粒子大量地跃迁到 E4，然后迅速转移到 E3。E3 能级为亚稳态，寿命较长。E2 能级寿命较短，因而到达 E2 上的粒子会很快回到基态 E1。所以在 E3 和 E2 之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态 E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而 E3 和 E2 间的粒子数反转比三能级系统容易实现。氦氖激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器以及 YAG 激光器都是四能级系统激光器。

粒子探测（detection of particle） 通过实验仪器和装置对粒子进行辨认，并测定其各种性质，如质量、电荷、寿命，以及能量、动量等。

利用带电粒子与物质原子的电离或激发作用可直接显示或探测出带电粒子的径迹，并由此可测定其性质。中性粒子不能使物质原子电离或激发， 因此对它的检测只能通过间接方式，例如通过其衰变的带电粒子来进行测量。记录或探测带电粒子径迹的装置设备种类很多，如早期的云室、电离室，以及目前常用的气泡室、流光室、多丝正比室、漂移室等。

粒子质量的测量：确认一个粒子最主要的是要测量其质量，不同粒子有不同的静质量。一般是通过测定粒子的动量、动能和速度等量中的两个量，然后通过计算来确定该粒子的质量。当粒子速度很高，接近光速时需要用相对论公式进行计算。

粒子动量、动能和速度的测量：通过对带电粒子在外加磁场中运动轨迹曲率半径的测量可确定粒子的动量。带电粒子在物质中行进时由于库仑散射而消耗能量，粒子行进单位距离时其能量损失与该粒子的动能有确定的关系，根据这个关系可测定粒子的动能。粒子的速度可通过飞行距离与时间之比直接测定，也可利用“切伦科夫效应”测量。当粒子飞行速度超过媒质中的光速时，会沿运动方向的很小锥角内出射强烈的辐射。发射角θ、媒质折射率 n 及粒子速率 v 之间存在如下关系：cosθ=c/nv，其中 c 为真空中的光速。

粒子电荷的测量：粒子电荷的正负号可简单地通过观察该粒子的径迹在外磁场中的偏转方向确定。如果还要确定电荷的绝对值，则需采用特殊方法，例如在云室或气泡室中测量其电离度。电离度与粒子电荷数 Z 的平方成正比。

粒子寿命的测量：粒子的衰变过程是一种概率过程，粒子的寿命是指它的统计平均寿命。对于其寿命τ为 10-10 秒量级的粒子来说，可在探测器

中同时看到其产生点和衰变点，因此可由它的径迹飞行时间来确定其寿命。对于长寿命粒子，如μ子（τ～10-6 秒），需通过宇宙线实验测量其寿命。对于短寿命粒子（τ～10-22～10-24 秒），在探测器中所观察到的它的生产点和衰变点是重合的，因此不能根据飞行距离来确定其寿命。这时可利用不确定关系（τ-22E～-24）通过其能谱宽度△E 来确定它的寿命。

粒子物理学（particle physics） 又称高能物理学或基本粒子物理学。物理学的一个分支，是当代物理学发展的一个前沿学科。在这一领域的研究中，不断产生出新的思想、新的方法和新的实验技术。所谓“粒子”， 是泛指比原子核更深层次的物质单元，包括电子、质子、中子、光子、π 介子等。粒子物理学研究这些粒子的基本性质，在很高能量下它们之间的相互作用和转化，以及这些粒子更深层次的结构（见强子结构）等。高能加速器是目前粒子物理学实验研究的一种基本设备。现在世界上已建成多处大型高能加速器实验中心，作为各国粒子物理学家的实验基地。这些中心所得到的实验结果常常很快公布，为世界各国科学家所分享。粒子物理学的理论基础是量子场论。

利萨如图形（Lissajou figures） 由互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的轨迹图形，因由法国物理学家利萨如发现而得名。在互相垂直的方向上，两个频率不同的简谐振动的合运动一般比较复杂，其运动轨迹一般是不闭合的。当两振动的频率成简单的整数比时，其合运动的轨迹才是一条闭合曲线。曲线的形状决定于两分振动的振幅比、频率比和相位差。在已知一个分振动的频率时，根据利萨如图形的花样可以推测另一分振动的频率及它们之间的相位差。

■利萨如图形。

图中左边的数学表示纵向振动频率和横向振动频率之比

力（force） 物体间的一种相互作用，其效果可使物体的运动状态或形态发生变化。它是物理学中使用最广泛的基本概念之一，在经典力学中占有极重要的位置。

力概念的形成人们对力的认识最初是与人在推、提、拉物时的肌肉活动联系在一起的。在这些活动中肌肉感到紧张，就认为肌肉对其他物体有作用。“力”这个字的起源，可追溯到殷商时代的甲骨文中，甲骨文的“力” 字写作■，表示像耒那样的尖状起土农具。将一根削成尖状的木棒插入土中把泥土翻起，这种劳动需要人的体力。在中国的《墨经》中对力作出了具有物理意义的定义：“力，形之所以奋也”，即力是使物体奋起运动的原因。在西方，力的概念最早产生在古希腊的哲学争论之中。在古希腊的宇宙论学派（代表人物为泰勒斯）中，认为自然是有生命的，像人体一样， 是自己运动的活的组织，因此在这种哲学思想指导下，并不存在运动的起源命题，也没有“力”的概念。而反对者提出了运动源泉是“力”来证明运动是存在的，这样就无形中承认了“力是因，运动是果”的原始的因果论观点。

关于物体运动的原因，亚里士多德从解释日常现象出发，认为力能决定物体运动的速度。例如要使马车有较大的速度，马就要施以较大的拉力。亚里士多德还认为，自然界万物各有其天然的处所，其自然倾向是回归本位，运动就是在物体回归其本位而发生的。如石头下坠而重回本生的土地， 火向高飞而接天火，这是物归其位，相应的运动称为天然或本性的运动。

物体下落时，若它越重，下落倾向越大，落得越快；若它较轻，下落倾向小些，落得就较慢，这就是亚里士多德从天性论导出的有名的落体理论。在整个中世纪，由于思想上深受亚里士多德的束缚，在力的概念上并没有什么进展。

对力的科学概念首先作出重要贡献的是伽利略。他指出了物体运动有匀速与变速之分，并把力与物体速度的变化联系起来，破除了亚里士多德把力与速度联系在一起的长期的思想束缚，开辟了牛顿把力与加速度联系在一起的道路。开普勒与伽利略一样，对牛顿建立力的科学概念起着重要的作用。开普勒根据第谷长期的星象观测资料和对这些观测的反复研究， 提出行星轨道运动是因行星受到了吸力而造成的，这种吸力是通过空间从吸引中心（太阳）到达行星的，其大小与距离的二次方成反比，但对吸力的性质以及如何通过空间作用，并不清楚。

牛顿继承与发展了伽利略、开普勒等人的观点，提出了三条运动定律， 力的科学概念才最后被确定下来。牛顿于 1664 年提出了力的定义是动量的时间变化率（动量等于质量和速度之积）。牛顿第一定律即惯性定律是力的定性定义，它规定力在什么条件下存在和在什么条件下它的作用不存在的定性条件。牛顿第二定律给出了力的定量定义，即力等于动量的时间变化率，当质量不变时，力等于质量与加速度之积。牛顿第三定律指出了力的依存性，对于每一个力而言，必有一大小相等方向相反的反作用力存在， 这两个力分别作用在不同物体上。在牛顿时代，人们对力的认识还仅限于万有引力和相互接触物体之间的各种常见力（如摩擦力、弹性力、粘滞力、张力、正压力等），并且认为力的作用带有超距性质。直到 19 世纪麦克斯

韦总结了前人对电磁现象的研究，提出了场的概念，以及爱因斯坦于 1905 年提出了狭义相对论，指出一切物理作用传播都是需要时间的，其最大速度为光速，此时人们才认识超距作用的力的概念有着根本的局限性。

力的性质和种类力是矢量，力的作用效果不但与它的大小、方向有关， 还与力的作用点有关，力的大小、方向和作用点这三者是力的三个要素。其中任何一个因素改变，力的作用效果就会跟着改变。

按力的性质来分，当前人们所认识的自然界中各种力可归结为四种基本相互作用：①引力相互作用——由于物体具有质量，因而物体之间有万有引力相互作用；②电磁相互作用——存在于静止电荷之间的电力和运动电荷之间的磁力相互作用，总称电磁相互作用。通常所说两物体间存在着摩擦力，实际上是两物体分界面两侧分子（原子）之间电磁相互作用的宏观表现，弹性力、张力和正压力等也是如此；③强相互作用——存在于核子（中子与质子）、介子和超子等基本粒子之间的一种相互作用，其特点是力程短（约 10-15 米）、强度大（比库仑力大 102 倍），核力就是核子之间的强相互作用；④弱相互作用——存在于基本粒子间的另一种相互作用。其特点是力程更短，强度更弱（约为强相互作用的 10-13 倍），β衰变放出电子（或正电子）和中微子就是弱相互作用的结果。上述四种基本相互作用中，前两种主要存在于宏观物体之间，后两种则存在于基本粒子间的近距作用中。

力的单位制 在采用国际单位制以前，常用的单位制有绝对单位制和引力单位制。①绝对单位制：规定质量为基本量，再由牛顿第二定律 F=ma 来确定力的单位，因此力是导出量，它的量纲是 MLT-2，其中 M 是质量，L

为长度，T 为时间。常用的绝对制中又有两种，一种称为米·千克·秒制

（MKS 制），另一种称为厘米·克·秒制（CGS 制）。在 MKS 制中，力的单位是牛顿，1 牛顿力的定义是：在 1 牛顿力作用下，使质量为 1 千克的物体获得 1 米/秒 2 的加速度。在 CGS 制中，力的单位是达因，1 达因力的定义是：在 1 达因力的作用下，使质量为 1 克的物体获得 1 厘米/秒 2 的加速度。可见，1 牛顿=105 达因。②引力单位制：把力作为基本量，质量则为导出量。质量单位由牛顿第二定律通过力和加速度单位导出，用标准物体所受地球引力作为标准力，引力加速度为 g，任何物体的重量均用标准物体的重量来量度。由于地球表面各处的引力加速度不尽相同，因此规定地球表面某一特定地点（纬度 45°的海平面）作为测量标准物体的标准重量之处。工程单位制就是引力单位制的一种，力的单位是千克力，1 千克力相当于在地球纬度 45°的海平面上千克原器的重力，即 1 千克力=9.80665 牛顿。选定了力的单位就可导出质量的工程制单位：一物体在 1 千克力的

力作用下，获得 1 米/秒 2 的加速度，该物体的单位即为 1 质量工

程单位，即：1质量工程单位 = 1千克力

1米 / 秒²

。不难得到，1质量工程单位 =

9.81 千克。③国际单位制：国际单位制中的力学单位，采用 MKS 制的力学单位。

力的独立作用原理（principle ofphysical indePendence of force） 几个力同时作用在一个质点上，则此质点的加速度等于这些力分别作用于此质点所得各加速度的矢量和。这原理首先由牛顿提出，表明了某一力系中任一力的作用，与其他力是否作用无关，力系的总作用是每个力分别作用的叠加。根据力的独立作用原理和牛顿第二定律可以推论，作用在同一质点上的多个力对此质点的作用，相当于由这些力的矢量和所表示的单独一个力的作用。或者说，作用在一个质点上的各力的合力，等于这些力的矢量和。例如，一个质点受到两力 F1 和 F2 作用，则其合力 F 的力矢量是以力矢量 F1 和 F2 为边的平行四边形的对角线，F、F1 和 F2 方向如图所示。写成矢量等式就是

■力的平行四边形法则

F=F1+F2。

表示这种关系的定律，称为力的平行四边形法则。

力的多边形法则（Polygonlaw） 多个力矢量相加的法则。把力矢量F1，F2，⋯，Fn 依次首尾相接，则从 F1 的起点向 Fn 的终点引出的矢量 F 就是 F1，F2，⋯，Fn 的矢量和。由于 F1，F2，⋯，Fn 与它们的矢量和 F 构成一封闭的多边形，所以称为力的多边形法则。如 n=2，这个多边形变成了三角形，这时力的多边形法则称为力的三角形法则。

■力的多边形求和法则力的三角形求和法则

力的分解（resolutionofaforce） 将一个力化成

■力的分解图

与之等效的两个或两个以上的分力。根据力的平行四边形相加法则或力的多边形法则，以及根据作用在刚体上的力可沿其作用线移动而不改变对刚体作用效果的性质，可以按需要把一个力分解成由许多分力构成的力系。把一个力分解成许多分力，在一般情况下有无数组解，只有当给出足

够的附加条件时，才能得到唯一解。例如，在力矢量所在的平面中，可以把此力 F 唯一地分解成沿两指定方向的两个分力 F1 和 F2（图 a）；给定已知力 F 及两分力中的任一分力 F1，可以唯一地求出另一分力 F2（图 b）； 可以把已知力 F 沿直角坐标轴的三个互相正交的方向唯一地分解成三个分力 F1、F2 和 F3（图 c）。

力的合成（composition of forces） 将作用在物体上的力进行简化，用一个力等效地代替两个或两个

以上作用在同一刚体或同一质点上的力。这个力称为原力系的合力； 原力系中的任一力称为这个合力的一个分力。空间任意力系不一定有合力，例如力偶就不能用一个力等效替代。共点力系、汇交力系和同向的平行力系一般都可以合成为一个合力。

共点力系是几个力的作用线通过一公共点所构成的力系。作用在同一质点上的力系是共点力系，作用在刚体同一点上的力系也是共点力系。根据力的平行四边形相加法则，将力系中的各力顺次相加，或者用求力矢量和的多边形法则，可求出作用在同一点的合力。

汇交力系即是共点力系。汇交力系合力的作用点在力系中各力作用线的交汇点上，合力的大小和方向是力系中各力的矢量和，可以按力的平行四边形相加法则或求力矢量和的多边形法则求出。根据力的可传性，合力沿着其作用线移至刚体上的任一位置，对刚体的作用效果不变，所以按上述方法求出的合力沿其作用线移至另一位置后，仍为该力系的合力。

平行力系是各力的作用线彼此平行的力系。两同向平行力或大小不等的两反向平行力合成的方法是：在两力 F1 和 F2 作用点 A1 和 A2 上沿 A1A2 连线添加大小相等和方向相反的力 f1 和 f2，F1 和 f1 的合力为 R1，F2 和 f2 的合力为 R2，R1 和 R2 构成一汇交力系，

■平行力的合成图

可按求汇交力系的方法求出其合力 R，R 即为原力系 F1 和 F2 的合力。如两力 F1 和 F2 同向，合力 R 的方向与 F1 或 F2 相同，其大小为两分力大小之和，即 R=F1+F2，合力作用线内分两分力作用线 A1A2 为两段 A1A 和 AA2，

使这两段长度之比和两分力大小成反比，即 A 1A = F2 ；如两力F 和F

AA 2 F1

反方向，设 F1＞F2，则合力方向和较大分力方向相同，其大小为两分力大小之差，即 R=F1-F2，合力作用线外分两分力作用线 A1A2 为两段 A1A 和 AA2，使这两段长度之比与两分力大小成反比，即

A 1A = F2 。

AA 2 F1

若同向平行力系中有不止两个力，可按求两平行力合力的方法顺次将力系中的各力合成为整个力系的合力；如平行力系中各力方向不完全相同，只要有合力存在，即可按相同方法求出整个力系的合力。

力的平行四边形法则（Parallelegramlaw） 两力矢量合成的法则。把两力 F1 和 F2 的作用点移至同一点 O，以矢量 F1 和 F2 作为平行四边形的两条边，从 O 点引出此平行四边形的对角线 OA，矢量 OA=F 就是两力 F1 和F2 的矢量和：F=F1+F2。如 F1 和 F2 是作用在 O 点的共点力系，则 F 就是这

力系的合力。该法则最早由斯台文提出。

■力的平行四边形法则

力的三角形法则（trianglelaw） 见力的多边形法则。

力矩（moment of a force） 表示力对物体作用时产生转动效应的物理量，是力对轴线的矩和力对点的矩的统称。力 F 对有向轴线 l 的矩 Ml

（F）是一个数量，定义为

Ml（F）=±Fl·d。

其中 Fl 是力 F 在垂直于轴线 l 的平面π。上的投影绝对值，d 是 F 在π。上分力 Fl 的作用线与轴 l 之间的距离，称为力臂。面对有向轴线 l 看， 若 Fl 的指向相对于 l 与π。的交点 O 是逆时针向的，双重符号中取正号； 如为顺时针向，取负号。力对轴的矩是用来度量刚体在此力作用下绕这轴的转动效应的。如刚体是一个绕 l 轴做定轴转动的物体，F 是作用在此刚体上某一

■力对轴的矩

点的力，则此刚体绕 l 轴转动的角加速度只与 M0（F）有关。力 F 对某一点 O 的矩是一个矢量 M。（F），定义为

M0（F）=r×F，

r 是从 O 点引到力 F 的作用点的位矢。r×F 是矢量 r 与矢量 F 的矢性积，其大小为 rFsinθ，θ是 r 与 F 之间所夹不大于π的角，r 和 F 分别是r 和 F 的大小。

F 的方向垂直于 r 和 F 所决定的平面，面对 M0 看，从矢量 r 的方向逆时针转过一个不大于π的角，可与 F 的方向重合。力对点 O 的矩是量度刚体在此力作用下绕 O 点转动效应的物理量。

力对轴的矩又是此力对轴上任一点的矩在此轴上的投影，此投影值与点在轴上的位置无关。力矩的量纲为 L2MT-2，在 SI 单位制中，它的单位为牛顿·米（N·m）。

力偶（couple） 大小相等、方向相反但不在同一直线上的两个力。图中两个力 F 和-F 组成了一个力偶。力偶中两力作用线之间的距离 d 称为力偶臂。力偶对刚体的作用效果是使刚体转动，但不能使刚体质心产生加速运动，所以力偶对刚体的作用效果与一个力对刚体作用的效果是绝不相同的，它不能与一个单独的力等效，也不能用任何一个力来平衡。

力偶对刚体的作用效果是用力偶矩来度量的，一个力偶（F，-F）的力偶矩 M 定义为这样一个矢量：

M=r×F，

式中 r 是从力-F 的作用点引到力F 的作用点的位矢。M 的大小等于Fd， d 为力偶臂，M 的方向垂直于力偶中两力作用线所在的平面，面对矢量 M 看，F 和-F 两力的排列构成逆时针关系。在图中，力偶矩的方向垂直纸面并指向外。

■力偶

力学（mechamics） 物理学的分支学科。研究宏观物体低速机械运动规律及其应用的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的。低速是相对于光速而言的。机械运动是指物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动等，而平衡或静止则是机械运动的一

种特殊情形。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。

发展简史 人类从古代开始，通过生活与生产等方面的实践活动和对天文、物理现象的观察，已经在力学方面积累了一定的知识。我国的墨翟

（约公元前 468～前 376 年）及其所代表的墨家学派在《墨经》一书中， 已有关于时空和物质的运动、力和重、平衡和重心、物体的沉浮等知识和斜面、杠杆、滑车等简单机械的记

载。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体的重心位置和物体在水中所受的浮力等作了系统的研究。古代力学知识，大多是属于现象描述或经验总结性质，即使有理论形式，也大部分是属于思辨性的。真正用实验及演绎方法研究力学现象及规律，则从伽利略开始。伽利略在实验研究和理论分析的基础上，阐明了自由落体的运动规律，提出了加速度概念，发现了惯性原理、力学的相对性原理，从而开创了近代力学研究的新纪元。17 世纪，牛顿继承和发展了前人的研究成果，提出了万有引力定律和牛顿运动三大定律，引入一系列物理概念和推理法则，发表了巨著《自然哲学的数学原理》，从而奠定了经典力学的基础。牛顿经典力学体系的建立标志着17 世纪力学发展达到一个高峰。此后力学的进展在于它所考虑的对象从单个自由质点过渡到受约束的质点和质点系。通过丹·伯努利、达朗伯、欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、哈密顿等人的工作，使力学向着解析的方法发展，力学的这个阶段称为分析力学。在这期间，欧拉把牛顿运动定律推广应用于刚体和理想流体。欧拉建立的理想流体的力学方程可以看作是连续介质力学的开端。在此之前，有关固体的弹性、流体的粘性、气体的可压缩性等物性方程已陆续建立。牛顿运动定律和物性方程两者的结合，使弹性固体力学和粘性流体力学的基本理论应运而生。另一方面，在分析力学基础上发展起来的哈密顿体系继续在物理学中发挥作用，形成了物理学中的经典力学理论体系。弹性力学和流体力学的基本方程建立后，由于一时难以求解，工程技术问题中的许多应用性问题还须依靠经验和半经验的方法解决，这使得材料力学、结构力学也有较快的发展。20 世纪初，在固体力学和流体力学中，实际应用和数学理论开始结合，促进了力学的蓬勃发展，不仅创立了许多新理论和新方法，而且也解决了工程技术中的大量关键问题。约在 20 世纪 60 年代后，力学更进入了它的现代时期，由于电子计算机的广泛应用，力学科学和技术科学的互相渗透，以及宏观和微观相结合的研究途径的开拓，使现代力学出现了崭新面貌。

学科内容 力学可以按力、运动和它们之间的相互关系分为静力学、运动学和动力学三部分。静力学主要讨论物体在外力作用下的平衡问题； 运动学讨论运动的描述方法而不涉及发生运动的原因；动力学讨论运动和物体之间相互作用的关系。力学也可以按研究对象的力学模型分为质点力学、刚体力学和连续介质力学。其中质点力学包括质点系力学，刚体力学包括多刚体力学，通常把它们合称为一般力学。连续介质力学又分成固体力学和流体力学两部分。在一般力学中，有理论力学、分析力学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、外弹道学和运动稳定性理论等。属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等。流体力学包括水力学、水动力学、空气动力学、渗流力学等。上述各分支学科之间的交叉又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。力学也可以按研

究方法分为理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力学实验等。应用数值计算手段的有计算力学，它以广泛使用电子计算机作为计算手段。力学和其他基础科学的结合则产生了诸如天体力学、岩石力学、爆炸力学、生物力学、地质力学、磁流体力学、等离子体力学等分支学科。

研究方法 力学研究的基本方法是，根据对自然现象的观测，结合对实验结果的分析，揭示出力学量之间的规律性（定性或定量）的关系。为了使这种关系能反映事物本质，实验的设计应该突出所要研究的现象，例如采用高温、高压、风洞、激波管等实验，以便从中获得可靠的信息。由于实际的研究对象都很复杂，但又要揭示出事物的本质，就必须抓住一些带有本质性的主要因素，摒弃一些影响很小的次要因素，建立理想化的力学模型作为研究对象。例如质点、刚体、理想流体、粘滞流体、连续介质等都是力学模型。在力学模型的基础上，运用已知的力学或物理学基本规律以及合适的数学工具进行演绎工作，导出新的结论。依据第一实践环节所得出的理论结论，判断建立的力学模型是否合理，有待于新的观测或进行新的实验来加以验证。如果力学模型的确反映了事物的本质，而物理根据或新的假设又是正确的，那么所得到的理论结论至少是相当好的近似理论。可以在这个基础上，进一步考虑原先被摒弃的次要因素，使得理论进一步精确化。人们还可以根据这种理论，进一步预言尚未观测到的自然现象，用于指导解决工程和技术中的关键问题。所以，在力学的研究中，一方面要着重于观察分析和数学推理，另一方面，又要建立相应的实验，给理论提供新的源泉和新的证据。这种实践——理论——实践的研究方法并非是力学所特有的研究方法，不过由于力学所研究对象的特点以及力学学科的性质，使得力学和数学、实验以及工程问题的联系十分紧密。所以在力学研究中既有细致的、独立的分工，又有综合的、全面的协作，这已成为现代力学研究中不可缺少的方法。

《力学史评》 （ Die MechanikinihrerEntwickl-ung Historisch- Kritisch Dargestellt） 奥地利物理学家、哲学家马赫著。1883 年出版。全书共分 5 章：“静力学原理的发展”、“动力学原理的发展”、“力学原理的推广运用和力学的演绎发展”、“力的形式发展”、“力学和其他知识领域的关系”。前四章，马赫详细地介绍了牛顿力学的基本观点，充分肯定了牛顿在力学上的巨大成就。他认为牛顿在力学发展中有两大贡献：第一，通过万有引力的发现大大扩展了力学的范畴；第二，完成了现今所公认的力学原理的建立工作。马赫还盛赞牛顿的《自然哲学的数学原理》表述的明晰性，特别是万有引力概念的确立，“它不仅使行星系统的千年之谜解决了，而且使其他过程也成为可以理解了。”因此“人们取得了物理概念的一种丰收和一种自由，这是牛顿以前所意想不到的”。至于作用与反作用定律的建立，马赫认为“这也许是牛顿在力学原理方面最重要的功绩”，并指出“这里所作的思考，应当有助于使我们感觉到牛顿论著对于力学的巨大意义”。

尽管马赫注意肯定牛顿在力学方面的巨大功绩，但在该书中仍不时流露出对牛顿力学的基本概念和基本原理的怀疑和批判。首先，马赫不喜欢牛顿的质量概念，认为所谓“物质的数量”这个观念根本不适合于说明和揭示质量的概念，主张质量的定义只能从物体的力学关系中推导出来。第

二，在马赫看来牛顿关于力的定义，在原则上是没有什么可非议的，然而他主张把力定义为质量与加速度的乘积，这样质量和力都变成可观察物体的可观测特性，从而“消除了所有形而上学的朦胧”。第三，马赫不赞成把惯性看作是物体固有的性质，而把惯性看作是物体与宇宙之间的力相联系所规定的本质。第四，马赫更是反对牛顿的绝对时间、绝对空间的观念， 他运用相对性思考的方法，认为任何人都不能说什么绝对时间、绝对空间和绝对运动的东西，它们只是思想的产物，在经验中不能显示出来，因此既无科学价值，也无实践价值。马赫认为时空概念也是相对的和可变的， 它们的量度依赖于确定的参照系，进而反复强调了一切运动、一切速度， 因而一切力都是相对的，并提出了物质的惯性依赖于宇宙中物质的分布及它们之间的相对运动的原理，后称为马赫原理。

最后一章，马赫主要是批判力学先验论，断言力学并不具有凌驾于其他学科之上的特权，指出机械自然观是毫无道理的。阐发了经验批判主义的科学方法论，强调科学具有经济功能，思维形式具有经济性质，主张科学家在他的研究工作中，应用尽可能少的思维上的消耗，尽可能简单的方法，尽可能短的时间，去获得尽可能多的科学知识。马赫还提出用感觉或感觉的复合的命题来表达一切科学命题，并用它来构成一个贯彻一致的逻辑体系，也就是宣称一切存在的东西都是感觉或感觉的复合，由此直接导致了主观唯心主义的经验批判主义哲学。

该书是马赫最重要的代表作之一，由于运用了科学批判和经验思辨的方法，进一步破除了力学先验论，提出了对质量、力、惯性、时间、空间、运动等物理概念的崭新理解，因而在科学家、哲学家中产生了极大的影响。该书在马赫在世时就先后出了七版，马赫逝世后又出了第八版和第九版。围绕该书的出版还引起当时科学家、哲学家对经典物理学的历史及其哲学基础的热烈讨论。所以，这部著作又成了研究科学史和方法论的重要文献。

连续性方程（equation of continuity） 流体力学的基本方程之一， 根据质量守恒定律，用以表明流体流动性的方程式。对于稳定流动可表述为：流体中的任一流管，通过其任一截面的质量流率（单位时间内流过某一截面的质量）恒定不变，即ρsv=恒量。其中ρ为流体密度，S 为流管横截面，V 为流速。对于不可压缩的流体，ρ为恒常量，上式可简化为 Sv= 恒量。例如“过堂风”的流速大就是因为夹道的横截面积小的缘故。

《两种新科学的对话》（Discourses on two NewSciences） 意大利物理学家、天文学家伽利略的代表作，成书于 1638 年，原著用意大利文写成，后被译成多种文字。该书采用对话的形式，参加对话的共有三个人。伽利略借用三人的对话，以新颖奇特、耐人寻味的笔调，驳斥了当时流行的古老天文学、古老物理学和哲学中一系列错误见解；相当系统地总结了他的一系列的科学新发现，特别是在力学科学和实验科学上的研究成就。该书书名全称是《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》， 这里所说的两种新科学是力学与局部运动，也就是现在所说的动力学与运动学。前者研究支配宏观物体机械运动的规律，后者是对物体运动状态的描绘。这是伽利略毕生从事研究物体运动的成果总结。书中对于动力学、弹性力学、材料力学、声学、弹道学与科学方法论等均有生动活泼的叙述。该书是伽利略在监禁中，利用夜晚的灯光甚至月光撰写的，花费了整整三年时间，由他的学生秘密偷运到法国，再由荷兰的一家书商出版。此时的

伽利略已经双目失明，永远不能亲眼看见凝聚着自己心血的新书了，然而整个欧洲却看到了它。这部极有价值的著作奠定了近代物理学的基础，并为近代实验科学开辟了广阔的道路，被有的学者誉为“近代物理学的第一部伟大著作”。

量纲（dimension） 见物理量。

量热器（calorimeter） 测量热量以及物质的比热、潜热等热学量的装置。

■水量热器

实验室中常用的水量热器是一种最简单的量热器，结构如图所示，它由两个互套的同轴圆筒组成。实验时，内筒盛一定质量的水，筒内插有搅拌器和温度计。内外圆简之间是空气或填以羽毛、玻璃纤维等绝热材料， 以减少热传导引起的损失。内筒一般用导热性能好的紫铜等金属制成，并镀铬，以减少辐射引起的热损失。外筒一般用绝热材料制成，并配有盖子， 以减少热对流引起的热损失。其他类型的量热器有冰量热器、蒸汽量热器、真空量热器和爆炸量热器等。目前最精确的量热器的精度可达 0.01%。

量糖计（saccharometer） 一种测量溶液浓度的偏振计，亦称旋光计。最简单的量糖计由起偏器、盛溶液的管子和检偏器组成。专门用于测量含糖量时，检偏器上的刻度可以直接读出含糖量。使用时开启钠光灯， 使发出的自然光经起偏器后成为平面偏振光。转动检偏器，使视场全暗。再把待测溶液装入盛液管，由于平面偏振光经过待测液后振动面旋转一个角度，检偏器的视场由全暗变成稍亮。再次转动检偏器，使视场回复到全暗。从检偏器上的刻度可读出待测液引起的平面偏振光振动面旋转的角度，从而求出溶液浓度。若盛液管长为 l；待测液旋光本领为α，浓度为 C； 旋转角度读数为△θ，则可用下式求浓度值：△θ=αCl。

量子场（quantum field） 物质存在的形式。各种实物粒子和场都可用量子场描述。在空间中充满着由场量子组成的各种量子场，它们相互渗透并且相互作用着。量子力学建立后，人们把描述电磁场和带电体间电磁相互作用的电动力学按照量子力学的一些基本要求进行改造，而形成量子场论，再用量子场论去研究微观电磁过程，即光子和电子间的相互作用和相互转化，很有成效。这一成功，使人们尝试用类似方法，即把场加以量子化的方法去研究其他微观粒子的场。量子场的激发态代表粒子的产生，场激发态的消失代表粒子的湮没。不同激发态代表了粒子的数目和状态的不同。场的相互作用可以引起场激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程。这样量子场论就在实物粒子与场之间建立了逻辑关系。量子场论本质上是无穷自由度的量子力学，它深刻地揭示了微观世界中丰富生动的辩证联系和相互转化关系，从而成为现代物理学各个分支的共同基础理论。

量子场论（quantum field theory） 考虑了量子性后的场的理论。按照量子场论的观点，每一种粒子都与一种量子场相对应。例如与光子相对应的量子场是光子场（即量子化电磁场），与电子相对应的量子场是电子场，此外还有μ子场，中微子场，π介子场等等。量子场是物质存在的基本形式。量子场的基态就是不存在粒子的状态，即“真空态”，一切物理测量都是相对于这个背景进行的。一个粒子、二个粒子、⋯的状态是量子场的激发态。因此量子场的激发和退激表示了粒子的产生和消灭。各种

量子场之间还存在相互作用。例如电子场和光子场之间的相互作用将产生正负电子对湮灭而转化为光子（e+e-→2γ），两光子湮灭转化为电子对（2 γ→e+e-），以及电子和光子散射，即康普顿散射（eγ→eγ）等物理过程。通过对这些物理过程的富有成效的讨论，使人们对微观粒子间的相互作用和相互转化规律有了深刻的认识。量子场论已成为微观物理现象的基本理论。物理学家藉助于量子场论的基本观念和基本方法已将物理学的研究范围从分子和原子领域推进到了原子核和基本粒子领域，以及更深层次的强子内部结构的领域。

量子光学（quanturnoptics） 研究光场的相干、统计性质及光与物质相互作用量子特征的新兴学科。本世纪 60 年代初期，激光诞生和对汉·白郎—特威斯实验的深入研究为量子光学奠定了基础。传统光学认为光场产生干涉是相干光的标准，以干涉条纹的可见度判断光场为完全相干、部分相干或非相干。这种相干性仅仅反映光场的相位关联，只与一阶相干度有关。而汉·白朗—特威斯实验测量了光场强度之间的关联，它开创了对光场高阶相干度的研究，进而引入相干态概念，并由相干态表象导出非经典

光场的量子实质。量子光学的新近发展表现在下列四个方面：光场压缩态、腔量子电动力学、超辐射和强光物理。

量子化（quantization） 从经典理论过渡到量子理论所采用的方法。例如在玻尔模型中，玻尔采用附加一种所谓“角动量量子化条件”的办法建立了他的氢原子理论。在量子力学中，微观状态的分立性和微观现象的概率性均来源于微观客体的波粒二象性。例如由于物质粒子的波动性，对它的坐标和动量便不能同时作完全精确的测量。对它们测量结果的平均偏差要受到不确定关系的限制。物理学家们发现，为了体现出这一特点，可将坐标和动量等物理量用某种算符表示。这种算符可以是“微分算符”，也可以是“矩阵”。于是可通过将经典物理学中的物理量用满足某种不对易性的算符表示的办法将它过渡到量子力学。类似地，可通过将经典场理论中的场函数或波函数（如电磁场的电场和磁场强度）用满足某种不对易性的算符表示的办法将经典场论过渡到量子场论，从而不仅体现出场的波动性，而且体现出场的粒子性。

量子化学（quantum chemistry） 利用量子力学的基本原理和处理方法来研究分子的微观结构所形成的一门学科。是介乎物理学、化学、生物学、数学四门学科之间的一门边缘学科。它的基础理论包括化学键理论、密度矩阵理论、传播子理论、多级微扰理论以及群论和图论在量子化学中的应用，其研究对象为稳定和不稳定的分子。

量子化学是随着量子力学的创立而诞生的一门新型学科，它从薛定谔方程式出发研究分子的结构，经历了 60 余年的发展历史，其发展大体上可

分为两个阶段。从 30 年代到 50 年代近 20 年间，量子化学的基础得到奠定，

着重于化学键的基础研究，偏重于较简单分子的理论探讨。从 50 年代到目

前的 40 余年间，量子化学发展较快，借助于计算机，对较大的分子作理论计算，从而使现代化学的面貌发生了根本的改变。量子化学的最重要贡献是建立和发展了三种化学键理论：①鲍林所发展的价键理论。他把海特勒处理氢分子的结果推广到比较复杂的分子，强调了分子中电子的定域性质，指出原子中未成对的反平行电子在化合中可以结合成电子对，并通过原子轨道的最大重叠形成一个共价键。原子轨道重叠愈多，所形成的共价

键就愈稳定。这一研究解决了共价键的饱和性和方向性问题。②休克尔提出的分子轨道理论。是指能量相近的原子轨道可以组合成分子轨道。能量低于、高于和等于原子轨道的分子轨道分别称为成键轨道、反键轨道和非键轨道。在不违背每一个分子轨道只能容纳两个自旋反平行的电子的原则下，分子中的电子将优先占据能量最低的分子轨道，并尽可能分别占据不同的轨道和自旋平行。在成键时，原子轨道重叠愈多，生成的化学键就愈稳定。该理论对于处理共轭分子起重要作用，因计算方法较简单，又得到光电子能谱实验的验证，并解决了氧的顺磁性等问题，在量子化学理论中占据主导地位。③配位场理论。它可用来讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂。后来配位场理论与分子轨道理论相结合，发展成为现代配位场理论，比较满意地解释了许多过渡元素络合物的结构与性能之间的关系。我国科学家对量子化学的发展作出了重要贡献。70 年代量子化学家唐

敖庆、江元生对简单分子轨道理论进行总结，提出和发展了分子轨道图形理论，使简单分子轨道理论大为简化，对结构类似的系列化合物提供了比较次序，并预言共轭分子稳定性和反应活性。随着量子化学的推广应用， 人们看到了一种前景，即应用量子化学的原理和方法，可根据对新物质性能的需求来设计新的分子结构，并找到合成它们的最佳途径，这就是“分子工程学”，或称为“分子设计”，从而使化学和有关科学技术产生新的飞跃。

量子霍尔效应（quantum Hall effect） 二维电子系统的霍尔电阻随磁场作阶跃式的变化。

如果在三维固体（如金属或半导体）中沿 X-轴方向通以电流 Ix，同时又在垂直于电流方向，例如 z-轴方向加一磁场 Bz，则在 y-轴方向上就

会产生电势差Vy 。这个现象是霍尔效应，ρ xy

= Vy 称为霍尔电阻，它

I

x

与外加磁场 B 成线性关系。1980 年，冯·克利青等人用 MOS 沟道区的二维电子系统为样品在极低温（1.5K）和强磁（18.9T）下进行测量，发现二维电子系统的霍尔电阻随外磁场的变化呈现出一系列

的台阶，台阶处的霍尔电阻为ρxy

= h ie²

，其中i为正整数，i = 1，2，

3⋯，h 是普朗克常数，e 是电子电荷。这个现象与三维体系的霍尔效应不同，故称为量子霍尔效应。

1984 年崔琪等用 GaAs/GaAlAs 异质结二维电子系统为样品，在更低的温度（0.09K）和更强的磁场（150T）的条件下进行测量，发现二维电子

系统霍尔电阻的平台不仅出现在i为正整数的地方，在i = 4 2 8

4 3 2 1

5 3 5

1. ， 7 ， 5 ， 3 ， 等分数处也出现

ρ xy =

h ie²

的台阶，这就是分数量子霍尔效应。

冯·克利青等人因发现量子霍尔效应而荣获 1985 年诺贝尔物理学奖。

量子阱（quantum well） 由两种不同的半导体薄膜做成超晶格时， 在生长方向上形成的对于载流子的势阱和势垒。在能隙宽度较小的薄膜材

料内，电子处于势阱之中。当超晶格的周期小到可与电子的德布罗意波长相比拟或更短时，每个势阱中的电子在垂直于结面方向运动的能量不再连续，电子的运动将明显呈现量子性，在势阱内出现分立的量子能级，故称这种势阱为量子阱。

量子力学（quantum mechanics） 物理学的一个分支。与经典力学相对应，是描述微观粒子的状态及其运动规律的理论，也是研究原子、分子、固体和凝聚态物质以及原子核和基本粒子的理论基础。该理论的主要框架由法国物理学家德布罗意，奥地利物理学家薛定谔，德国物理学家海森伯和玻恩，以及英国物理学家狄拉克等人于 1923 年～1927 年间建立。德布罗意的物质波假设 量子力学的基础是德布罗意于 1923 年提出

的关于物质粒子具有波粒二象性的假设：实物粒子（如电子、质子等）不仅具有粒子性，而且还具有波动性。有两个理由可解释德布罗意当时之所以提出该假设。首先，由于他受到普朗克和爱因斯坦关于光的波粒二象性假设的启发。另一个理由是，这个假设可以为玻尔模型中非常人为地引进的角动量量子化条件给出简单的回答。如果氢原子中绕核运动的电子具有波动性，那么为了在圆轨道上通过相长干涉而形成稳定的驻波，以下条件显然必须满足：圆轨道周长应等于电子波波长λ的整数倍，即 2πr=nλ。再利用普朗克关系λ=h/p，其中 h 为普朗克常数，p 为电子的动量值，于是便得到如下结果： L=rp=u η（ η=h/2π）。这就是玻尔模型中的角动量量子化条件。

波函数 由于微观粒子具有波粒二象性，对它的描述就不同于经典粒子。在经典力学中，用粒子的坐标和速度来描述它的运动状态。在量子力学中，则要用波函数ψ（X，t）来描述微观粒子的状态。波函数是坐标和时间的函数。应当注意的是，物质波不同于经典物理学中的波。经典波的能量与波的振幅有关，而物质波的能量则与它的频率有关（E=hv）。物质波是一种概率波，其模的平方与 x 点处体积元的乘积|ψ（x，t）|2dτ给出了 t 时刻粒子在该体积元中出现的概率。概率性是微观现象的一个特征，量子力学需要应用统计性解释。量子力学给出的微观粒子的运动规律性是一种统计规律性。

薛定谔方程 微观粒子运动状态的规律性可用波函数所满足的一个方程式表示：

∂ η² ₂

iη∂t ψ = ( − 2m ∇ + V)ψ。

该方程称为薛定谔方程，是薛定谔于 1926 年首先建立的。该方程在量子力学中的地位与牛顿第二定律在经典力学中的地位相当。

力学量算符 由于微观现象的统计规律性，量子力学中的物理量，如坐标、动量、能量和角动量等通常不具有确定的值，而只能取一系列的可能值，且按一定的概率取某种可能值。为了反映这一特点，量子力学中的力学量不能像经典力学中那样采用代数量表示，而需要用“算符”表示。算符是对波函数进行运算的符号。作为例子，当一维运动粒子状态的波函数表示为ψ（x，t）时，坐标算符就是 x ，而动量算符为

p = -iη ∂ ；

∂x

当波函数表示为ψ（p， t）时，坐标算符是x = iη ∂

∂p

符是 p。其他力学量则可表示为坐标和动量算符的函数。

，而动量算

利用力学量算符和状态波函数可计算在该状态中测量该力学量所得到的可能值，取某种可能值的概率，以及平均值。量子力学感兴趣的正是如何从理论上算出这些可能值（亦称“本征值”）、概率以及平均值，因为这些量是与实验上的可测量相联系的。例如原子中的能级就是当测量该原子的能量时所得到的一系列可能值。再如，原子谱线的强度，原子激发态寿命，电子或α粒子对原子的散射截面等实验上的可测量，则均与跃迁概率有关。量子力学正是通过力学量算符和波函数的引进，建立了微观现象的理论和实验之间的联系。

波动力学和矩阵力学 量子力学有两种表述方式，即波动力学表述方式和矩阵力学表述方式。用波函数描写微观现象的状态，用作用于波函数的微分算符表示力学量，这就是波动力学。上面所介绍的就是这种表述方式。在矩阵力学中，微观粒子的状态和力学量都用矩阵表示。所以，波动力学中的基本方程都是微分方程，而在矩阵力学中则都是矩阵代数方程。矩阵力学是海森伯和约旦等人于 1924 年～1925 年间建立的。1927 年， 狄拉克发现矩阵力学和波动力学这两种表述方式是等价的。

《量子力学演讲集》（Lectures on Quautum Mechanics） 狄拉克著。1964 年发表。是对他本人在 50 年代中发展起来的约束体系量子化方法所作的系统而简明的阐述。全书就量子力学的几个基本问题作了四次演讲：①哈密顿方法，②量子化问题，③曲面上的量子化，④平面上的量子化。

该书一开头就提出：“量子场论是相当困难的；而且迄今为止，人们也只能对相当简单的几种场和它们之间的简单相互作用建立起量子场论。很可能这些简单的场以及它们之间的简单相互作用并不足以描述自然界。⋯为了能够从处理更一般的场这一问题着手，我们必须考察经典理论。如果我们能够将经典理论纳入哈密顿形式，那么也就总能够用一定的标准规则得到量子理论的一级近似。我的演讲要涉及的主要是如何把一个普遍的经典理论纳入哈密顿形式的问题。”

事实上约束体系在经典力学中并非罕见，但进行量子化却十分困难， 直到 50 年代末，才由狄拉克等应用推广的哈密顿方法予以解决，本书的四讲基本上概括了狄拉克在这方面所作的工作，即从经典作用量原理出发， 并将作用量积分取成洛伦兹不变量，由这个作用量得出拉格朗日量，接着将拉格朗日量过渡到哈密顿量，最后再按照一定规则得到了量子理论。可以说这是量子力学在 20 年代创立以来的又一重大发展。

60 年代末，应用狄拉克这一方法解决了杨—密耳斯规范场的量子化这一著名难题，此后约束动力学问题就日益受到物理学界的普遍重视，并用它来研究各种复杂问题。全书思路清晰，叙述严谨，无论对物理思想或数学结构的论述，都反映出作者独特的观点和风格，是关于约束体系量子化问题的经典著作。

量子论（quantum theory） 亦称旧量子论。通常指本世纪最初 20 年由普朗克、爱因斯坦和玻尔等人所建立的研究微观现象的初步理论。这种理论揭示了经典物理学在微观领域的不适用性，并且从基本观念上为本

世纪 20 年代量子力学的建立和发展奠定了基础。

普朗克的能量子观念 1900 年为了解释黑体辐射的能量与波长的函数关系（即能谱）的实验结果，普朗克首先提出了“能量子”观念。他认为物质吸收或发射电磁辐射的能量是不连续的，只能取 0，hv，2hv，3hv，⋯ 等分立的值，其中 v 为辐射场的频率，h 称为普朗克常数，其值可通过凑合实验数据而得到。可见，hv 是在黑体辐射现象中出现的能量的最小单位，称为能量子。普朗克在这里首次引进了能量量子化观念，而这种观念是与经典物理学的观念相矛盾的。黑体器壁吸收或发射电磁波的过程实际上涉及到构成器壁物质的原子与电磁场的相互作用问题，这是一种微观现象。因此普朗克在这里也首次揭示了经典物理学在微观领域的不适用性。

爱因斯坦的光量子观念 爱因斯坦于 1905 年应用普朗克的能量子观念成功地解释了光电效应，并且进一步认为，电磁辐射或光的能量不仅仅在物质吸收或发射时显示出它的分立性，而且在其传播过程中亦是如此。爱因斯坦于是首先建立了“光量子”（即后来所谓的“光子”）观念，电磁波或光是由一份份光量子构成，或者说光量子是构成电磁场或光的基本粒子。每份光量子的能量为 E=hv，动量为ρ=h/λ，这里 v 和λ分别为光的频率和波长。

爱因斯坦的固体比热理 论按照经典物理学，固体的定容比热是常数（杜隆—珀替定律，1819 年）。但是后来的实验发现，在极低温度下固体比热将趋于零。1907 年，爱因斯坦应用量子论概念解释了这种固体比热在低温区随温度下降的现象。

玻尔的氢原子模型 1913 年，玻尔将量子化观念应用到原子结构领域，认为原子光谱的分立性暗示了原子内部电子运动稳定状态的分立性， 从而建立了玻尔模型，成功地解释了氢原子光谱的规律性。在玻尔的工作中，还引进了定态、能级、量子跃迁等概念，这些概念后来被证明对于微观粒子状态的描述是非常有用的。在玻尔建立氢原子理论之后不久，德国物理学家索末菲等人又将玻尔的圆轨道理论推广为椭圆轨道理论，提出了普遍的量子化规则。

量子论的基本观点是革命性的，但是在处理具体问题时又处处显示了经典物理学的影响，所采用的方法基本上还是经典物理学方法，只是对某些量（如氢原子中电子的轨道角动量）引进了附加的“量子化条件”。所以，量子论虽然在解释黑体辐射、光电效应以及氢原子光谱等方面取得了一定的成功，但是却存在根本性的困难。例如，它不适用于非周期性运动系统；不能解释光电效应的频率分布和角分布；不能解释光谱线的强度； 对于氢原子光谱中的精细结构，以及对于稍许复杂些的原子的光谱，也都无法给出解释。这些困难后来为 20 世纪 20 年代建立起来的量子力学所解决。不过由于量子论的直观性，现在仍常用来定性解释某些现象。

量子数（quantum number） 微观现象中用以表征某些只能取分立值的物理量的数。量子理论中表征微观粒子可能状态的有些物理量（如坐标、动量）可取连续值，但是一般更重要的物理量（如轨道角动量、自旋角动量、能量、同位旋、色等）只能取某些分立的值。例如，一维简谐振子可能状态的能量为

E = ηω(n + 1 )，

n 2

其中η=h/2π， h 为普朗克常数，ω为频率，n 就是与能量相应的量子数，它可取 0，1，2，⋯等非负整数值。再如有心力场中运动的粒子系统（如氢原子），其轨道角动量 L 以及它沿 z 轴方向的分量 Lz 都是守恒

物理量，它们的值分别为L = l(l + 1)η；Lz = mη，其中l = 0，1，2，

⋯，n-1，称为“轨道角动量量子数”；m=-l，-l+1，⋯，-1，0，1，⋯， l-1，l，称为“磁量子数”。对于电子的自旋状态来说，它的自旋角动

量为s = s(s + 1)η，其中s 1

称为“自旋角动量量子数”，其值恒等于 2 。

电子自旋沿空间任一z方向的分量为s = m η，其中m

= − 1 1

“自旋磁量子数”。

z s s

2 ， 2 ，称为

微观粒子的运动状态可用量子数表征。例如一维线性谐振子的可能状态可用波函数表示为ψn（x，t），或者简单地用符号表示为|n＞。对于氢原子来说，绕原子核运动的电子是在三维空间中运动的，有三个自由度。再考虑到电子的自旋自由度，这时就要用四个物理量，或者相应地用四个量子数来表征氢原子中电子的运动状态。这四个量子数在简单的情况下是n， l，ml，ms，其中 n 称为“主量子数”，它与氢原子能量可能

值 E = -I 1

（I = 13.6eV）相对应。因此氢原子中的电子状态可用波函

n n 2

数ψnLmlms（x，t），或者用符号|nlmlms〉表示。

量子态（quantum state） 微观粒子系统的状态。这种状态常常可表示为几个或一系列可能状态的叠加态。叠加系数的模的平方就是在该系统状态中出现某种可能状态的概率。这是微观现象概率性的表现。微观粒子系统所具有的可能状态是指某个力学量或某些力学量具有确定值的状态，它们常常是分立的。这也是微观现象的分立性或量子性的表现。概率性和量子性实质上均来自波粒二象性。

量子统计（quantum statistics） 研究服从量子力学规律的全同微观粒子集合的统计方法。

自然界中存在的微观粒子集合（或由微观粒子构成的系统）按照状态波函数的对称性质可分为两大类：一类系统的状态波函数对任何一对粒子位置坐标的互换是对称的，这些微观粒子称为玻色子。玻色子具有整数自旋量子数。任意数目的玻色粒子可以共同占据任何一个量子状态。在物质粒子中例如π介子就是玻色子，它的自旋量子数是零。光子在作为物质粒子处理时也是玻色子，它的自旋量子数是 1。玻色子遵循的统计方法称为玻色—爱因斯坦统计，它是由玻色和爱因斯坦在 1924 年先后提出的。另一类系统的状态波函数对任何一对粒子位置坐标的互换是反对称的，这些微观粒子称为费米子。费米子具有半整数的自旋量子数。费米子在占据量子态时必须服从泡利不相容原理，每个量子态至多只能被一个费米子占据。在物质粒子中例如电子、μ子、质子和中子都是

1

费米子，它们的自旋量子数都是 2 。费米子遵循的统计方法称为费米

—狄拉克统计，它是由费米和狄拉克在 1926 年先后提出的。

有些粒子集团中的粒子十分紧密地结合在一起，以至可以把整个集团

作为“粒子”看待。当每个“粒子”由偶数个费米子组成时（例如氦原子核就由两个质子、两个中子和数目不定的π介子构成），这些“粒子”集合遵循玻色—爱因斯坦统计；当每个“粒子”由奇数个费米子组成时，则“粒子”集合遵循费米—狄拉克统计。

考虑一个处于平衡状态的由大量近独立粒子构成的孤立系统，它具有确定的粒子数 N 和体积 V，其能量在 E～E+△E（△E<<E）之间。以∈i 和ω _i 分别表示单粒子的第 i 个能级和该能级的简并度，以 ai 表示处于这个能级上的粒子数，这时可实现的粒子数分布{ai}显然必须满足如下条

件：∑ai = N，∑∈i a i E（i = 1，2， ）。由于玻色子的全同性以及任

i i

意多玻色子可以共同占据任一量子态，因此全同玻色子系统可能出现的不同的微观状态数Ω为

Ω = ∏ (ωi + ai − 1)!

。

_i ai !(ω i − 1)!

对于全同费米子系统，至多只有一个费米子可以占据任一量子态。由此可得，全同费米子系统可能出现的不同微观状态数Ω为

Ω = ∏ ωi ! 。

_i a i !(ω i − 1)!

根据统计物理的等概率假设，对于处在平衡状态的孤立系统，每一个可能的微观状态出现的概率是相等的，因此，使Ω为极大的分布，出现的概率最大，称为最概然分布。

利用拉氏乘子法可以得到全同玻色子系统中粒子的最概然分布为

a i =

ωi

e ( εi−μ)/kT − 1 ，

全同费米子系统的最概然分布为

a i =

ωi

e ( εi−μ)/kT + 1 。

以上两式分别称为玻色分布和费米分布。式中μ是化学势。利用关系

式：∑ai = N可确定化学势μ对温度T和粒子数N的依赖关系。玻色统计

i

中的化学势总是负的（μ＜0），对于光子气体，由于光子数目不确定，在处于热平衡条件下，给定 T 和 V，光子气体自由能 F

 ∂F 

为极小，从而有 ∂N 

T，V

= 0，即光子气体的化学势μ =  ∂F  = 0。费

 ∂N 

米统计中的化学势μ可正可负。

μ

在玻色分布和费米分布的表示式中，如果e kT << 1，分母中±1这一

项可忽略，这两种分布都过渡为玻耳兹曼分布 ai=ωie(μ-εi)/kT，而且显然

有 a i

ω i

<< 1（对所有i），此时任一量子态上平均粒子数远小于1，这就

是玻色分布和费米分布过渡为玻耳兹曼分布的非简并性条件。一般气体的密度越低，所处的温度越高，越容易满足非简并性条件。反之，对于高密度或低温系统，必须采用玻色统计或费米统计。

对全同玻色子系统和全同费米子系统，可以定义巨配分函数：

Ξ = ∏[1 μ e^(μ−εi ) / kT ]^μωi （式中“ - ”号对应玻色系统，“ +

i

”号对应费

米系统），如果求得巨配分函数的对数，就可以求得系统的基本热力学函数，从而确定系统的平衡态性质。

量子物理学（quantum Physics） 研究微观现象的物理学，与经典物理学相对应。其研究领域包括原子和分子物理学、原子核和粒子物理学， 此外还可包括半导体物理学、固体和凝聚态（如超导、超流态等）物理学等。在这些领域的现象中，物质粒子和场的波粒二象性都很显著，因而常常导致许多重要的物理量只能具有分立的值，或者说是量子化的。因此常常将这些领域的物理学统称为量子物理学。研究微观粒子的状态及其运动基本规律的量子物理学称为量子力学，它是量子物理学的基础。在这基础上又发展了量子统计和量子场论等。在某些现象中如果粒子的波动性可以忽略，则相应的量子力学理论便可近似过渡到经典力学。所以从这个意义上说，量子物理学包含了经典物理学。量子物理学的基本观点和基本方法现在已被广泛应用到化学和生物学等领域，从而形成了“量子化学”和“量子生物学”等。

量子液体（quantumliquid） 在绝对零度时，仍然保持液体的性质， 如氦Ⅲ和氦Ⅳ。所有物体在绝对零度下都应该呈固态，但是由于氦原子之间的相互作用特别弱，所以一直到量子效应起重要作用的温度下仍然保持液态，其后也不会再凝结成固态。

量子液体分为玻色型和费米型两种。玻色型量子液体内的粒子具有整数自旋；而费米型量子液体内的粒子具有半整数自旋。玻色型量子液体具有一种奇妙的超流动性，如液态氦在极低温度下呈现的无阻畅通流动的性质，即它能流过毛细管或狭缝而不显示出任何粘滞性质。

量子跃迁（quantum transition） 微观状态发生跳跃式变化的过程。由于微观粒子的状态常常是分立的，所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁是状态分立性在状态发生变化时的必然结果。与此种情况不同，在经典物理中粒子的状态常是连续的，所以从一个状态过渡到另一状态是连续变化的。

量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。例如，原子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。反之，在光照下原子从低能态吸收一个光子而跃迁到高能态，则称为“吸收”过程。在这些过程中放出或吸收的光子的能量等于原子的初态和末态两个能级之差，这是能量守恒定律在微观现象中的体现。不受到光的照射，处于激发态的原子也可能自动跃迁到低能态，同时放出一个光子，此过程称为“自发辐射”。此外在原子核和基本粒子现象中也存在许多量子跃迁现象，如原子核和基本粒子的衰变过程、聚变过程和裂变过程等。

量子跃迁过程的重要特征是它的概率性。例如在自发跃迁过程中，若初态时有许多原子处于某一激发态，则跃迁过程的概率性表明人们无法预言其中某个原子自发跃迁到基态的确切时刻。或许有些原子跃迁发生得早些，而有些发生得迟些。所以每个原子停留在激发态的时间（称为激发态寿命）并不相同。但是对于大量某种原子来说，每一激发态寿命的平均值τ是一定的，可以通过实验测定，也可通过量子理论算出。τ称为“平均

寿命”，简称“寿命”。寿命的倒数 1/τ称为“跃迁速率”，它特征是跃迁过程的快慢程度。原子的自发跃迁速率约为 108 秒-1～109 秒-1，激发态寿命约为 10-8 秒～10-9 秒。高温下原子发光主要是原子内外层电子（价电子）自发跃迁的结果。放射性元素放出γ射线则是原子核自发跃迁的结果。

量子跃迁是微观状态由于相互作用而产生的变化过程，这种过程应当满足各种守恒定律。因此跃迁前后描述初态和末态的物理量或量子数应满足一定的关系，这种关系称为“选择定则”。

裂变反应堆（fission reactor） 简称反应堆或堆。一种实现可以控制的裂变链式反应的装置，是人类利用核能的一种重要的大型设备。裂变反应堆除了用于发电（核电站）外，它还可产生大量中子并被引出用于科学研究，可以制造放射性同位素和核燃料（如钚—239，铀—233）。

反应堆的组成 反应堆的中心部分由燃料元件、减速剂和载热剂等组成。反应堆中产生核链式反应的物质称为核燃料或裂变材料。只有能大量获得并易于吸收热中子，从而引起裂变反应的核素才能作为核燃料。这类核素有铀—235、铀—233 和钚—239 三种。只有铀—235 存在于天然铀中， 而铀—233 和钚—239 都由反应堆生产。在采用铀作为燃料的反应堆中总有铀—238 存在，它本身不易发生裂变，但它吸收中子后可变成钚—239，一部分在堆内作为燃料消耗，另一部分进行化学处理（称为后处理）后可以回收。将钍—232 加入燃料元件中则可以生产出铀—233。

当铀—235 裂变时，放出的中子能量平均值大约为 2MeV，但使铀—235 发生裂变效率高的是能量不到 leV 的所谓“热中子”。所以通常制成棒状的燃料元件将被插入减速剂（石墨、重水等）中，裂变时放出的中子与石墨或重水的原子碰撞后被减速成热中子，以便使裂变反应得以维持。裂变时放出的能量以热能的形式由载热剂（如普通水、重水、氦、二氧化碳或液态金属钠等）经管道流动而输送到反应堆外，以供利用。

反应堆的控制 通过向堆内增加或减少能强烈吸收中子的材料，以达到控制核链式反应强度的目的。硼、镉及其他化合物都可作为控制材料。通常将它们做成棒状，称为控制棒。通过控制棒插入堆芯的深浅程度来控制反应速率。控制棒又可分为安全棒、补偿棒和调节棒。安全棒的作用是， 当反应堆发生意外事故时，它可借助于重力或弹簧装置迅速进入堆芯，使反应堆停闭。补偿棒或调节棒则用来调整反应堆的功率，使之达到额定水平。

反应堆的种类 按照用途，可将反应堆大致分为三类，即生产堆、研究试验堆和动力堆（包括供热堆）。生产堆主要生产核武器使用的钚—239 和氚，也可生产其他放射性核素。研究试验堆常常主要用于提供中子源， 应用于核物理、中子物理、材料物理以及化学、生物学和医学等领域的科研工作。功率极低（通常在 100 瓦以下）的研究堆称为“零功率”堆。这种堆的主要物理性能不随堆的功率高低而发生显著变化，其结构简单，放射性很小，工作人员易于接近操作，改变条件也可进行各种实验研究。零功率堆常作为实际的生产堆或动力堆的模拟进行研究，取得数据。动力堆用来发电或提供军舰或潜艇的动力。目前大型核电站动力堆又有多种型式，如压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆以及增殖堆等。压水堆用普通水作减速剂和载热体，用浓缩氧化铀作燃料。堆芯装在压力壳中，堆内压力可达 150 个大气压，堆芯出口处温度可达 330℃。压水堆已有 30 多年

历史，是目前国际上最多的堆型。沸水堆与压水堆的构造大致相同，主要区别是，沸水堆容许水在堆芯内沸腾，产生蒸汽，并被直接引出推动汽轮机。重水堆则用重水作减速剂和载热体。重水堆的优点是可以采用天然铀作为燃料。但重水价格昂贵，重水循环回路密封要求高，所以重水堆发电成本较高。石墨气冷堆用天然铀或浓缩铀作为燃料，二氧化碳作为载热体。在增殖堆中，天然铀中主要是铀—238，还有一部分钚—239。如果一个钚

—239 在中子作用下发生了裂变反应，同时放出几个中子，其中一个引起其他钚—239 发生裂变，余下的中子被铀—238 俘获后蜕变成钚—239。于是这块天然铀中不但有钚—239 的链式反应，而且还有钚—239 的增殖。

反应堆的防护和安全 反应堆运行过程中产生大量中子，裂变产物也具有放射性，所以必须采取严格的防护措施。为此，反应堆通常设有三道屏障。第一道是燃料元件的芯片和包壳，它们能将绝大部分放射性屏蔽掉。第二道是反应堆的回路，包括堆芯和回路的密封系统，都要十分坚固， 一般情况下不会让放射性核素泄漏到外面去。第三道屏障是钢筋混凝土或钢制成的安全壳，它将整个反应堆和循环回路密封起来，万一前两道屏障失灵，它仍可提供安全保证。此外，为了避免发生事故，在反应堆各部分应安装各种监督信号系统和事故保障系统，还要采取一系列安全措施，严格操作规程及管理制度等。

磷光和荧光（phosphorescence and fluoresce- nce） 发光体受外界激发而发光的一种现象。在历史上曾将这种发光现象分为两类：激发作用一停止，发光随之消失的称为荧光；激发作用停止后，还有余辉的称为磷光。后来发现，所有发光现象都有余辉，于是又常把余辉短于 10-8 秒的叫做荧光。余辉长于 10-8 秒的叫做磷光。10-8 秒是只考虑电偶极辐射时孤立原子处于激发的时间，但若计及级次更高的辐射，原子处激发态的平均寿命可达 10-4 秒甚至更长些。随着测量技术的提高和对发光过程了解的深入，人们已认识到用孤立原子处于激发态的寿命时间作为磷光和荧光的分界是不确切的。在现代，除了习惯上有时还沿用这两个名词外，一般不再把发光划分为两类，发光体受外界激发而发光称为磷光。

灵敏电流计（galvanometer） 测量微小电流的高灵敏度仪表。广泛用作确定某一被测电路是否有电流或电压的指零仪器。又称为检流计。可测量短暂脉冲电量的电流计叫冲击电流计。采用磁电系结构，为消除可动部分轴和轴承间的摩擦，用悬丝（吊丝或张丝）悬挂动圈及光反射的读数装置。其结构示意如图。悬丝为用紫铜或黄金制成的金属带，厚约几十分之一毫米，宽度在 1 毫米左右。它既作线圈的引线。又产生小的反作用力矩。当线圈通电后磁力矩与悬灵敏电流计结构示意图丝的反力矩平衡时， 动圈停留在某一偏转位置。小镜的正前方有产生狭窄光束的小灯和刻度尺，动圈偏转，引起反射镜的转动，使标尺上的光带移动，指示电流的读数。

灵敏电流计的主要参数有：电流灵敏度（电流常数的倒数）、内阻、临界电阻、自由振荡周期和阻尼时间等。为能正确而迅速地读取被测量的数值，必须选择合适的灵敏度及阻尼状态。

流管（tube offlow） 用以描述流体在同一瞬间的流动而引入的管状曲区。稳定流动中由一旋流线围成的管状区域。由于是稳定流动，因此流管内外的流体不会相互混杂，即流管内的流体不会跑出管外，管外的也

不会进入管内。也就是说稳定流动时流线不会相交。将流体划分成许多流管后，只要知道某一流管中的流体的运动规律，根据伯努利方程就可知道整个流体的运动规律。

流迹（flow track） 见流线。

流率（flow rate） 又称流量。单位时间内流过管道某一横截面的流体量。有以下几种情形：①若以体积计，则称为体积流率，以 Qv 表示， 其数值等于横截面积 S 和流体在该面处流速 V 之积，即 Qv=Sv；②若以质量计，则称为质量流率，以 Qm 表示，其数值等于流体密度ρ、横截面积 S 和流速 v 之积，即 Qm=ρSv；③若以重量计，则称为重量流率，以 Qw 表示， 其数值等于质量流率 Qm 乘以重力加速度 g，即 Qw=Qmg=ρgSv。

流体（fluid） 液体和气体的总称。流体是由大量不断地做热运动的流体分子构成的，其基本特征是没有固定的形状和具有流动性。流体可分为理想流体和粘滞流体两类。实际流体都具有一定的粘滞性，因此都是粘滞流体。当其相对于固体（如管壁或流体中运动的物体）流动时，由于附着力的作用，贴近固体的一层流体粘附在固体表面上静止不动，其邻近一层则对此作相对滑动，以致相邻各层的流速递减，在与流动相垂直的方向上形成一速度梯度，而呈现出粘滞性。理想流体是忽略了流体的内摩擦力以及附着在同其接触的运动物体表面上的情况，是粘滞流体在某些情况下为便于分析和计算而引入的理想概念。近年来，人们普遍地采用更确切的名词“非粘滞流体”来代替理想流体。

流体力学（fluid mechanics） 经典力学的一门分支学科。主要研究液体、气体、等离子体在平衡尤其是运动时的宏观状态和规律。分为流体静力学和流体动力学两大类。

发展简史 对流体力学学科的形成作出贡献的首先是古希腊的阿基米德，他建立了包括物体浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。17 世纪，帕斯卡首先阐明了静止流体中压力的概念；牛顿研究了在流体中运动物体所受到的阻力与哪些因素有关的问题， 得出了牛顿粘滞定律。之后，伯努利建立了联系压力、高度和流速的方程。差不多同时，法国的皮托发明了测量流速的皮托管；瑞士的欧拉在忽略粘性的假定下建立了描写理想流体运动的基本方程。欧拉方程与伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科的标志，但以上研究中都只考虑无粘流体，不能阐明粘性流体的规律。

1. 世纪，随着生产技术中碰到越来越多的工程问题，尤其是带有粘性影响的问题需解决，因此开辟了另一条与流体力学研究方法不同的途径， 即部分运用流体力学、部分采用归纳实验结果的半经验公式，形成了水力学。1822 年法国纳维考虑了粘性影响的流体运动方程，1845 年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，后来被人们称为纳维-斯托克斯方程， 一直沿用至今。雷诺在 1876 年～1883 年间，通过实验阐明了直管道中层流到湍流的过渡条件。

2. 世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。在 20 至 30

年代，空气动力学的研究偏重于低速流动，而 40 年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物化流体动力学等分支学科。50 年代起电子计算

机的应用和不断完善，使原来用分析方法难以进行研究的课题，可以用数值计算方法来进行，出现了计算流体力学这一新的分支学科。

学科内容 在人们生活和生产活动中随时随处都会遇到流体，大气与水是最常见的两种流体。大气运动、海水运动（包括波浪、潮汐等），乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容，属于地球流体力学范围。

人们利用水做功，船舶一直是人们的交通运输工具，船舶在水中运动时所遇到的各种阻力、船舶的稳定性及船体和推进器在水中引起的空化现象，一直是船舶水动力学的研究课题，这些研究有关水的运动规律的分支学科称为水动力学。

20 世纪初飞机的问世以及随之其他飞行器的出现，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系，形成了空气动力学和气体动力学，成为流体力学中最活跃、最富有成果的领域。

石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学的分支之一渗流力学研究的主要对象。

研究人体和其他动植物中有关流体力学的问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流动运动，植物中营养液的输送等问题，形成了生物流变学。

因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。

研究方法可分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算等方面。

①现场观测：对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律并借以预测流动现象的演变。②实验室模拟：在实验室内，流动现象可以在短得多的时间内和小得多的空间中多次重复出现，可对多种参量进行隔离并系统地控制和改变实验参量，寻找其规律。③理论分析：根据流体运动的普遍规律（如质量守恒、动量守恒、能量守恒等），利用数学分析手段，研究流体的运动，解释已知现象，预测可能发生的结果。④数值计算：对理论分析建立的模型所得方程组进行数值方法求解。电子计算机的出现与发展，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性， 可以部分或完全代替某些实验，节省实验费用。

流线（stream line） 用以描述流体在同一瞬间的流动情形而引入的曲线。流线上任何一点的切线方向就是流体质点在该点时的速度方向。流迹也是流体质点在空间运动时所描述出来的曲线，但流迹与流线是

两个具有不同意义与内容的曲线。流线是同一时刻不同流体质点所组成的曲线；而流迹是同一流体质点在不同时刻形成的曲线。在一般的非稳定流动（也称非定常运动）情形，这两种曲线是不重合的，只有在稳定流动（流体在任一点处的流速不随时间而变化，也称定常运动）时，这两种曲线才重合，此时流线、流迹形状不随时间而变。

留声机（phonograph） 又称唱机。使唱片发放声音的机器。由旋转机构和唱头两部分组成。旋转部分由弹簧发条或马达驱动，使水平圆盘和放在它上面的唱片做匀速转动，圆盘的转速可由调速器调节。唱头一端装有金属膜片，膜片中心和唱针相连接，随着唱片的转动，由杠杆作用把振动放大，推动膜片作相应的振动，就可以得到与灌片时相同的声音。为了

使唱头上膜片振动有效地发声，可在膜片后接一喇叭。

第一台留声机是美国发明家爱迪生于 1877 年发明的。它的外形并不像现在的留声机，由一个金属圆筒（圆筒外面包着锡箔）、喇叭、薄膜和钢针等组成。录音时，对着喇叭发音，同时用手柄转动圆筒。声音传到喇叭底部，引起金属薄膜振动，同时与金属薄膜相连的钢针也相应振动。由于钢针与锡箔接触，于是针尖在锡箔上刻出深浅不同的痕迹。刻痕的深浅与声音的大小高低相对应，这样就把声音记录下来了。如果要使声音重新放出来，只要把喇叭上的钢针放在锡箔上，用手柄转动金属圆筒，此时钢针依次沿着刻槽振动，并使喇叭底部的金属薄膜也做相应的振动，这样就可听到原来录制下来的声音。留声机的这种机械发声机构，灵敏度低、失真大，随着电唱机的出现，留声机已被淘汰。

卢瑟福（Ernest Rutherford 1871～1937） 英国物理学家，核物理学的创始人。出生于新西兰纳尔附近的一个苏格兰移民家庭。早年就读于新西兰大学坎特伯雷学院，英文学士、文硕士和理硕士。1895 年获奖学金赴英国剑桥大学、卡文迪什实验室。在汤姆孙指导下研究电磁波的发射与接收。1898 年～1907 年，他在汤姆孙的推荐下赴加拿大任麦吉尔大学教授，并当选为英国皇家学会会员。1907 年回英国任曼彻斯特大学教授和物理实验室主任。1919 年起，任英国剑桥大学教授和卡文迪什实验室主任。1925 年～1930 任英国皇家学会会长。1931 年英国政府授予他“勋爵”的荣誉。

卢瑟福对物理学的主要贡献如下。

放射性 卢瑟福对于放射性的研究，开拓了原子物理和核物理的新领域。1896 年贝克勒尔发现了铀自动发射出一种穿透力很强的新的辐射，它能使空气电离。这种现象引起了他的重视，于是他将注意力转移到这个新的研究领域。1898 年他发现铀放射性辐射的成分有两种：一种穿透力弱的，他称之为α辐射，另一种穿透力较强的，他称之为β辐射。1902 年他成功地用磁场偏转了α辐射，确定α辐射是带正电荷的粒子流。后来又测定了α粒子的速率和荷质比。1907 年，他在助手盖革和马斯顿的协助下， 发现千分之一克镭，每秒钟会放射出 136000 个α粒子。1908 年他确定了α粒子的电荷数是氢离子电荷数的 2 倍。并用光谱法证实了它就是带电的氦核。卢瑟福对放射性另一个重要贡献是提出了放射性衰变理论。1899 年居里夫妇发现在放射源附近的物体会取得一种感应放射现象。卢瑟福在研究这种感应放射现象时发现：放射性物质钍和它的化合物会衰变成一种气体，接着再衰变成一种未知的“放射性淀质”，是“淀质”造成了感应放射现象。他邀请英国化学家索迪一起对三族放射性元素——镭、钍和锕进行研究，并提出放射性现象乃是一种放射性元素的原子自发地衰变为另一种放射性元素的原子的过程。这就是原子自然衰变理论。这个理论突破了从道尔顿时代以来所牢固建立的原子不变的概念，深化了人们对物质世界的认识。1904 年他编著《放射学》一书，总结了这方面的研究成果。他因研究放射性所取得的成果荣获 1908 年诺贝尔化学奖。

原子的核式模型 1906 年卢瑟福在麦克吉耳大学的时候，就注意到α粒子的散射问题。他发现用小孔校直了的α粒子束穿过空气时在照相底板上留下轮廓清晰的光斑，但是，在α粒子经过的路径上，放置一块厚度仅有 20 微米的云母片时，光斑就变得模糊了。引起模糊的原因是有一部分

α粒子偏转了大约 2°的角度。卢瑟福计算了引起α粒子偏转的电场强度约为 108 伏/厘米。他认为“这个结果肯定了物质的原子中应该聚集巨大的电力”。1908 年卢瑟福回到英国在曼彻斯特大学任教。他的助手盖革首创了α粒子的闪烁计数法，并开始对α粒子的散射现象进行定量研究。1909 年盖革和马斯顿在卢瑟福的建议下，用α粒子轰击金属（金、铝）箔。实验结果出乎意料，有一小部分α粒子改变了方向，而且每 8000 到 10000 个α粒子中就有一个被反射回来。卢瑟福后来回忆时说：“这是我一生中最不可想象的事情，就好像我们向卷烟纸（薄纸）射去一颗 5 英寸直径的炮弹，而它又被反弹回来一样，不可思议。”卢瑟福按照老师汤姆孙的“葡萄干蛋糕”式的原子模型和多次碰撞理论来计算α粒子发生大角度散射的概率，与实际发生的频率相差甚远。于是他认识到，原子必定是仅通过一次碰撞就把α粒子挡回去的强电场座。又经过半年的思索，他终于想到了原子有一个核。他估算了金原子的核半径不超过 3×10-12 厘米。1911 年他提出了原子的核式模型：原子中有一个体积很小的带正电荷的核，核具有原子的绝大部分质量。电子沿轨道绕核旋转，像行星环绕太阳一样。某种元素原子核的正电荷数等于元素周期表上的原子序数，与沿轨道旋转的电子数相同，对原子整体来说，原子呈中性。虽然这种完全建立在经典理论基础上的卢瑟福模型，在能量和稳定性方面尚不能自圆其说，几年后被包含了早期量子论概念的玻尔原子模型所取代，然而，正是由于他的工作， 一举把原子结构的研究引上了正确的轨道。他也因此被誉为原子物理学之父。

原子的人工嬗变 1919 年卢瑟福在实验时注意到这样的事实：在标准气压下，一般α粒子在空气中的射程是 2.6 厘米～11.5 厘米。只要荧光屏距α粒子源稍大于这个距离，荧光屏上就观察不到α粒子撞击屏时发出的闪光。但若把空气换成氮气后，荧光屏上又看到了闪光，而且当荧光屏距离放射源约 40 厘米时，仍可以看到粒子引起的闪光。卢瑟福认为这是一种由α粒子打入氮核内，使氮核发生反应后放出的“新粒子”。经测定它是质子。卢瑟福的实验是世界上第一次用人工方法使原子核发生了转变。从而奠定了现代核物理的基础。1920 年他预言了中子和氘核的存在。1933 年他与奥利芬合作，用实验证明在核反应中质量和能量相互关系定律的正确性。 1934 年实现了氘核的聚变反应（生成氘）。

在第二次世界大战期间，他担任学术资助委员会主席，帮助过上千名逃离德国的避难者。他热心培养青年，经他指导和提携的学生有许多人成为杰出的物理学家和诺贝尔奖的获得者。从而在他的周围形成了一个很大的物理学派。著有《放射性》（1904）、《放射性变化》、《放射性物质及其辐射》、《物质的电结构》，与 J.查克威克、C.D 埃利斯合著《放射性物质的辐射》等。《卢瑟福论文集》三卷，于 1962 年～1965 年出版。卢瑟福散射（Rutherford scattering） α粒子（即氦原子核）束

与原子的散射，是原子物理学发展过程中最重要的实验之一。该实验为原子的有核模型提供了坚实的基础。 1909 年，在卢瑟福指导下，盖革和马斯顿在用α粒子束轰击重金属（如铝、金）箔原子的实验中发现“入射的α粒子中每 8000 个粒子中有一个要被反弹回来”。这种大角度散射实验事实无法用正电荷均匀分布在整个球体内、电子则嵌在其中的“汤姆孙原子模型”作出解释。1911 年卢瑟福在这个实验的基础上经过理论分析，终于

认识到“只有假定正电球的直径小于原子作用球的直径，α粒子穿越单个原子时才会发生大角度散射。”卢瑟福于是建立了原子的有核模型，原子中的全部正电荷及绝大部分质量集中在原子中心很小的区域内（其线度约为原子线度的十万分之一），电子则在这个原子核的周围运动。当α粒子深入原子而接近原子核时，由于原子核正电荷的质量很大，对α粒子的很大斥力将迫使它发生大角度散射，甚至反弹回来。根据原子有核模型，卢瑟福还导出了每个原子使α粒子散射到θ至θ+dθ之间立体角 dΩ内的“微分散射截面”的公式，被称为卢瑟福公式：

1 ₂ Ze² ₂ dΩ

dσ = (

4πε 0

) ( )

2E

sin⁴ θ

2

其中ε0 为真空电容率，Z 为金属原子的原子序数，即原子核的电荷数，E 为α粒子的能量。卢瑟福公式与α粒子散射实验的结果一致。

卢瑟福散射使人们发现了原子核以及原子的有核结构，这表明散射实

验对于了解物质的微观结构及微观粒子间的相互作用特征是非常有效的。其后，物理学家又通过电子与原子的碰撞实验证实了玻尔的关于原子能级的假设（1914 年）；通过高能电子—核子散射实验发现了质子和中子内部的电磁结构（1956 年）；通过更高能量的电子—核子散射实验，进一步发现了质子和中子内部的夸克结构（60 年代末）。目前世界上建造的各类大型加速器正是用来实现各种粒子之间的散射过程，并由此对各种粒子的性质、它们的内部结构以及它们之间的相互作用和相互转化规律进行探索和研究。

路程（path） 见位移。

路端电压（terminal voltage） 电源两极间的电压。等于电场力在外电路中把单位正电荷从电源正极移到电源负极所做的功，它等于外电路上的电压降。当外电路的电流为 I，负载总电阻为 R 时，路端电压 U 为

U=IR。

如果电源内阻为 r，当电源放电时，路端电压等于电源的电动势ε减去电源内阻 r 上的电压降，即

Uε-Ir。（电源放电）

当电源充电时，它等于电源的电动势与电源内阻上的电压降之和，即U=ε+Ir。（电源充电）

当外电路断开（相当于负载电阻 R 为无穷大）时，它等于电源的电动势，即

U=ε。（开路）

陆学善（1905～1981） 中国物理学家，中国晶体物理学研究的奠基人。1933 年毕业于清华大学研究院。1934 年赴英国留学。1936 年获曼彻斯特大学物理学博士学位。同年回国后，先后被聘为北平研究院镭学研究所研究员、晶体学研究室主任，上海暨南大学教授、物理系主任，中国科学院应用物理研究所研究员、副所长、代所长、顾问。同时担任中国物理学会常务理事、秘书长。1955 年当选为中国科学院数学物理学化学部学部委员。毕生致力于晶体物理学和 X 射线晶体物理学的研究。早年首创了利用晶体点阵常数测定相图中固溶度线的方法，至今仍被国内外广泛使用。50 年代发表《铝、铜、镍三元合金系中τ相的晶体结构变迁》论文，被国

际公认该研究成果的精确性。60 年代发表《铜金二元系中超结构的形式与点阵间隔的变迁》等数篇论文，得到国内外同行的高度评价。晚年提出标定 X 射线粉末超相指数的新图解法。此外在多晶 X 射线衍射方法、粉末衍射照相机的设计、衍射图谱指标化、德拜特征温度、超结构相的理论与实验研究、相图及晶体结构分析，以及创建中国 X 射线晶体学研究队伍、筹建物理研究所的晶体学研究室和晶体学人才培养等方面，作出了重要贡献。

录音（sound recording） 又称录声。把声音通过不同的方法记录下来的过程。也是把声能变为其他形式加以贮存的一门技术。常用的录音方法有：①唱片录音。用机械的方法，将声音变为机械振动的强弱，并在塑料制成的薄膜（即唱片）上刻成深浅不同的槽纹。②磁性录音。用电磁的方法，将声音通过传音器（话筒）产生声频电流，通过电磁铁，使电流的强弱变为磁性的强弱变化，然后在磁性材料（磁带或钢丝）上记录下来。

③光学录音。将声音变为光的强弱变化，用照相的方法记录下来。例如， 现在的有声电影胶片旁边有一条透明程度不同的狭带，即是记录声音的声带。

滤波电路（filter circuit） 接在整流电路之后，以便滤掉输出电压中的交变分量，从而使输出电压尽量平稳的网路。这种电路通常由电感、电容和电阻构成。纯电阻负载整流电路的纹波因数 r 都很大，为使输出较为平稳，常采用在负载电阻 RL 两端并联一个足够大的电容器 C，或用一个与 RL 串联的扼流圈 L；有时也采用Γ型 LC 滤波器或π型 CRC 滤波器（如图所示）。电容器的滤波是利用电容器的充放电作用。当外界输入电压升高时，电容器 C 将部分能量存储起来；当输入电压降低时，电容将能量释放出来。这样就使负载 RL 上的输出电压不致随输入电压的变化而急剧变化， 因而起伏较小。

■滤波电路图

电感的滤波作用在于：当通过电感的电流增大时，电感上产生的反电动势阻止电流的增加；而当电流减小时，电感上感生的正向电动势以继续维持电流的流动。因此将电感串联于整流电路与负载之间，可减少负载电流及电压的变化。

Γ型 LC 滤波器由于综合了电容和电感的滤波作用，其滤波效果获得进一步提高。由于低频大电流时，电感体积较大，价格较高，因此常在高频小电流时采用。

π型 CRC 滤波器可理解为两级电容滤波，其滤波效果较好，由于电阻、电容价廉，因此在低压直流电源中普遍使用。

电容滤波整流电路的纹波因数与交流电源的频率ω和 RLC 的乘积有关。ωRLC 的值越大，纹波因数 r 就越小。通常可以使纹波因数 r 达到 10-2 的量级。

滤光玻璃（filterglass） 具有能够吸收某一波段光的有色或无色玻璃。利用它可以从传播的光中滤去不需要的部分，挑选出所需要的部分。按照能够透过的波段分类，有紫外光波段、可见光波段与红外光波段滤光玻璃等。还有一种能透过 X 射线的滤光玻璃。在各种滤光玻璃中，有些具有短波界限，即只能透过比这短波界限长的波段；有些具有长波界限；有

些既有短波界限又有长波界限，即只能透过两者之间的较窄波段的光。实际中这类具有上下波长界限的有限波段滤光玻璃应用较多，也可将前两类具有短波限和长波限的滤光玻璃组合使用。此外，还有一类是中性滤光玻璃，能对入射光中各种波长的光作同等程度的衰减。

各种滤光玻璃有不同的用途。如用于防止有害光辐射侵害眼睛的防护滤光玻璃，能令所需要波段的光通过的选择滤光玻璃，能使光谱能量分布按照需要改变的改正或补偿滤光玻璃（如照相机黄镜头玻璃），以及单色滤光玻璃等。实际中根据需要常常将两种或多种滤光玻璃组合使用。

滤光器（optical filter） 用以控制光的强弱或光的颜色的光学元件。通常用色玻璃或滤光玻璃制成，有时也用液体。此外，例如在光度计中用偏振器控制光强时，该偏振器也可称为滤光器。用以控制光的颜色的滤光器也称为滤色器。简单的滤光器常称为滤光镜或滤光片。

滤光器按工作原理可分为色散滤光器、干涉滤光片、偏振干涉滤光片和受抑全反射滤光镜等。按照其功能又可分为紫外滤光器、红外滤光器、氯滤光器、可变滤色镜、三色滤光镜和栅性中性滤光镜以及目镜滤光镜等。对各种波长的光起同等削弱作用的滤光器又称为中性滤光器或灰滤光器； 只削弱光谱一端的称截止滤光器；削去低频段光的称短波通滤光器或截长波滤光器；削去高频段光的称长波通滤光器或截短波滤光器；削去中间某一波段光的称带阻滤光器或阻挡滤光器，其中被阻挡的波段称阻挡波段； 只准某一波段通过的称带通滤光器或窄带滤光器。

《论动体的电动力学》（Zur Elektordynamik bewegterKorper） 爱因斯坦著， 1905 年 9 月发表。是狭义相对论的第一篇论文，也是物理科学中有划时代意义的历史文献。全文除引言外共分两大部分：一是“运动学部分”，包括“同时性的定义”、“关于长度和时间的相对性”、“从静系到另一个相对于它做均速移动的坐标系的坐标和时间的变换”、“关于运动刚体和运动时针所得方程的物理意义”、“速度的加法定理”；二是“电动力学部分”，包括“关于空虚空间麦克斯韦—赫兹方程的变换。关于磁场中由运动所产生的电动力的本性”、“多普勒原理和光行差的理论”、“光线能量的变换。作用在完全反射镜上的辐射压力理论”、“考虑到运流的麦克斯韦—赫兹方程的变换”、“（缓慢加速的）电子的动力学”。

这篇论文一开头就提出：“大家知道，麦克斯韦电动力学——像现在通常为人们所理解的那样——应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。”这里所说的不对称，就是统一性遭到破坏，爱因斯坦认为这是难以容忍的。因为麦克斯韦方程只适用于静止的坐标系，类似的各种例子，包括企图证实地球相对于“光媒质” 运动的失败，都要求在电动力学中相对性原理也成立，于是论文一下子便深入到问题的核心。在该篇论文中，爱因斯坦这样表述了相对性原理：“凡是对力学方程适用的一切坐标系，对同一形式的电动力学和光学定律也一样适用”。还引入另一条公设：“光在空虚空间里总是以一确定的速度 C 传播着，这速度同发射体的运动状态无关”（光速不变原理）。爱因斯坦指出，由这两个原理根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。

在接着的讨论中，爱因斯坦提出了同时性的定义。他发现两个在空间

上分隔开的事件的所谓同时，取决于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。因此，空间和时间不是各不相干的，而是存在着本质的联系，并且都同物质的运动有关。由此爱因斯坦得出同时性以及物体长度的概念并非绝对的，从不同的坐标系测量便有不同的值，还用简单的思想实验表明了这一点。进而从两种坐标系测量的同一光信号的传播速度同为 c 的条件出发，导出了洛伦兹变换。

爱因斯坦得到坐标和时间变换式后，专门讨论了麦克斯韦方程组。指出如果一个单位点状电荷在一个电磁场中运动，那么作用在它上面的力就等于在电荷所在处出现的一种电力，这种电力是我们把这电磁场变换到这单位电荷相对静止的一个坐标系上去时所得出的。这样在新理论中，电动力只起着一个辅助概念的作用；而由磁体同导体的相对运动而产生电流时所出现的不对称性就不存在了；至于电动力的“位置”问题（单极感应） 也不成为问题了。

在论文的其余部分，爱因斯坦求出了速度合成法则，表明相对性原理和光速不变原理可以并存；从相对论的角度说明了多普勒效应和光行差； 还论述了光的能量和压力的变换，得出了电子运动方程式。总之，这篇论文以完整的形式提出了等速运动下的相对性理论，引入了时间、空间的崭新概念，不仅引起了时空观的革命，也带来了整个物理学的革命，在 20 世纪人类生活中产生了极为深远的影响。

《论衡》中的物理知识（Physics knowledge inLunkeng） 《论衡》是王充的一部主要著作。王充是我国东汉著名的唯物主义思想家。他充分运用汉代自然科学知识，批驳了当时风行的种种唯心主义思想。在《论衡》的论证中，他细致地观察与记述了许多物理现象，并对它们作了思辨性的解释。

力学方面。《论衡》已触及到力、物体运动与周围环境的关系。指出“力重不能自称”，初步认识到内力和外力的区别。对圆球运动的观察， 载有“圆物投之于地，东西南北，无之不可；策杖叩动，才微辄停。”这段话已隐含有惯性运动概念的萌芽。

声学方面。《论衡》明确指出，声音的产生与死人无关，而是“生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。譬犹吹箫笙，⋯箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也。”解释了发音的道理：约束在口腔中的气，由于口和舌的活动而振动发声，吹箫笙成音，同样是约束在管中的气振动而成。还指出，声音和鱼在水中振荡一样，离开振荡处远的地方就达不到了，在一定程度上说明了声强和声源距离的关系。

热学方面。《论衡》认为“夫近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？ 气之所加，远近之差也。”说明热传递的承担者是气的作用，以及热传递和距离成相反的变化。还认为“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜， 温则为雨，寒则为雪。”记述了雨露霜雪与气温之间的关系。

光学方面。《论衡》写道：“阳燧取火于天，⋯消炼五石，铸以为器， 磨砺生光，仰以向日，则火来至。”有人认为，这可能是中国典籍中第一次对玻璃透镜取火的描述。又云：“今妄以刀剑之钩月，摩拭朗白，仰以向日，亦得火焉。夫钩月非阳燧也，所以耐取火者，摩拭之所致也。”实

际上，这就是金属凹面镜向日取火的雏形。

电学和磁学方面。《论衡》对顿牟（即玳瑁）经过摩擦能吸引轻小物体的现象作了记载。对我国最早的磁性指南器——“司南”也作了明确的记述。还对雷电的成因作出解释，特别是列举验尸、投石、肠胃病、电闪、雷击等五个例证来说明雷电的本质就是火，实属了不起的见解，为我国古代电学发展史写下光辉的一页。

伦琴（ Wilhelm Conrad R O&& ntgen 1845～1923） 德国物理

学家。生于伦内普。1865 年入苏黎世联邦工业大学，1869 年获苏黎世大学博士学位。1875 年任霍恩海堡农业专科学校教授。1879 年任吉森大学物理学教授。1888 年起先后任维尔茨堡大学、耶拿大学和乌得勒兹大学物理学教授。1894 年任维尔茨堡大学校长。1900 年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。

主要贡献是发现 X 射线，获 1901 年诺贝尔物理学奖。1895 年 11 月 8 日，他从事着当时最流行的在气体稀薄管子中放电现象的试验，当放电压加到足够高时，发现放在管子附近的涂有铂氰酸钡的纸屏上，有淡绿色的微光在闪烁。这个偶然发现与当时有关阴极射线的一般知识相矛盾。他抓住机遇不放，在实验室里度过了七个星期的紧张研究生活之后，断定发现了一种奇妙的、肉眼看不见的、有很大贯穿能力的特殊辐射，便称这种辐射为 X 射线。同年 12 月 28 日，在《维尔茨堡物理学医学学会会刊》上， 发表了关于这一发现的第一篇报告。1896 年和 1897 年，又发表了研究这种射线的新的论文。伦琴射线（即 X 射线）是一种波长很短（0.1 纳米左右）的射线，它是原子中最靠内部的电子跃迁时发射出来的一种所谓“穿透性射线”。在初次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片， 显示出手的骨骼结构。伦琴射线的发现，揭开了现代物理学革命的序幕， 是人类认识世界从宏观通向微观的第一步。

罗兰（Henry Augustus Rowland 1848～1901） 美国物理学家。生于洪斯代尔。1870 年毕业于伦塞勒工学院。1875 年任霍普金斯大学物理学教授，并在这里创办了美国当时最好的实验室。此后，在该校工作直到逝世。美国物理学会的创始人之一，并于 1899 年任学会的第一任会长。同年当选为英国皇家学会会员。

罗兰是美国的卓越的实验物理学家。早期主要从事磁导率的研究，1873年，通过实验表明磁导率是随着磁感应强度变化的，这个变化呈非线性， 从而证实了磁导率并不是个常数。这项研究得到麦克斯韦的高度评价。1876 年，证实了运动着的“静电荷”具有磁效应，即将一带电的金属板固定在可旋转的硬橡胶圆盘的边缘上，当圆盘绕轴转动时，靠近圆盘的磁针也动了起来，第一次揭示了运动电荷能够产生磁场。1880 年后，主要致力于热学和光学方面的研究。在比热测量中，发现水的比热在不同温度下有差异， 而在 30℃时为最小。在光学研究中，根据霍耳效应解释了磁致旋光现象， 在数学上推导出与麦克斯韦一致的旋光公式。制造出当时最好的光栅：在一块 25 平方英寸的金属板上刻出每英寸 43000 条线，极大地提高了光栅的灵敏度。接着又发明了有自焦聚作用的凹球面衍射光栅。他对太阳光谱的研究也取得了当时最好的成就，编制的太阳光谱波长表达到了当时最高的精确度。

螺线管（solenoid） 绕在圆柱面上的螺线形线圈（图 1）。通电时

管内磁场方向可按安培定则等确定。若线圈绕制均匀且排列紧密，则管内轴线上一点 P 处的磁感应强度大小为

B = 1 μnI（cosβ

2

₁ - cosβ 2 ），

式中 I 为通电电流强度，μ为充满管内的均匀介质的磁导率，n 是沿轴线方向单位长度上的匝数，β1、β2 的几何意义如图 2 所示。细长螺线管可近似地视为“无限长”螺线管（即β1=0，β2=π），这时管内磁场接近于均匀，且为

B=μnI。

■

按自感定义，可计算得细长螺线管的自感系数为

L=μn2V，

式中 V 是螺线管的体积。

在理论上，“无限长”螺线管被视为产生均匀磁场的理想装置。在技术应用中，螺线管常用于各种自感和互感装置中。许多电磁铁也是把螺线管套在铁芯上制成的。

螺旋测微器（micrometer caliper） 量度物体长度的常用计量仪器。其构造如图所示，由固定和可动两部分构成。可动部分实际是一根高精确的丝杆，丝杆的螺距为 0.5 毫米，丝杆的外旋套上共有 50 个等分刻度

线，因此旋动每一个等分刻度，丝杆移动 0.5 = 0.01毫米，所以螺旋测

50

微器（又称为千分尺）的准确度为 0.01 毫米。千分尺的最大量程通常为 5 厘米左右。使用前必须先检查零点；测量时听到“嗒、嗒⋯”的限位声， 停止再继续旋紧；读数时可锁紧丝杆防止变动；用毕后复原放置在保护盒内。

■螺旋测微器

逻辑电路（logic circuit） 信号取值为 0 和 1 或有限个值，且输入信号与输出信号之间存在确定逻辑关系的电路。信号值为 0 的通常含义

是：电路断开，或低电位，或无脉冲信号；信号值为 1 的通常含义是：电路导通，或高电位，或有脉冲信号。

逻辑电路通常可实现下述三种基本功能：①“与”功能；②“或”功能；③“非”功能，即倒相功能。“与”电路只有当各输入端都有逻辑“1” 信号时，输出信号才为逻辑“1”，否则为逻辑“0”。“或”电路中，当至少某一个输入端有逻辑“1”信号时输出信号才为“1”，否则为“0”。“非”电路，或称倒相电路，它的作用是把输入信号在输出端倒相。下表和下图给出了两个输入信号 a、b 与一个输出信号 P 之间的逻辑关系和逻辑图。

逻辑关系表

■逻辑符号图

由各种门电路和记忆元件（如触发器）等组成的电路通称为“数字电路”。研究逻辑电路主要是研究数字电路和其它具有开关特性的元件所构成的电路中各点信号之间的逻辑关系及所实现的功能。

逻辑电路的应用范围十分广泛，特别是在计算机、数字控制、通信、生产过程自动化和仪表方面应用更多。它与大规模、超大规模数字集成电路的研究和发展有密切的关系。

洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz 1853～1928） 荷兰物理学家、数学家。生于阿纳姆。中学时期学习成绩优异，对物理、历史很感兴趣， 并已熟练掌握多门外语。1870 年入莱顿大学，1875 年获博士学位。1877 年，年仅 23 岁便任莱顿大学理论物理学教授，曾长期在该校工作。

主要贡献是发展了物质的带电粒子理论，获 1902 年诺贝尔物理学奖。

1892 年起，开始发表有关电子论的文章，认为一切物质的分子都含有电子，电磁波（包括可见光）经过物质时，所呈现的各种宏观现象，是电磁波与物质内受到准弹性力的电子相互作用的结果，从而创立了电子论。这一理论被相对论和量子论扩充后，成为现代原子物理学的重要理论基础。1895 年，证明了运动的带电粒子，在磁场中，将受到力的作用，该力被称为洛伦兹力，其关系用数学式表达为

F=qv×B

由于洛伦兹力的方向总是与带电粒子速度的方向垂直，故永远不对带电粒子做功，只能改变其运动的方向，而不改变其速率和动能。1896 年， 塞曼发现放在磁场中的光源，其光谱线发生分裂的现象，洛伦兹即用他的电子论对这一现象进行定量解释，产生很大的反响。1892 年～1895 年，为了解释迈克耳孙-莫雷实验的结果，与爱尔兰物理学家斐兹杰惹各自进行理论研究，同时提出了长度收缩的假说，即认为相对以太运动的物体，其运动方向上的长度缩短了，被称为洛伦兹-斐兹杰惹

收缩，亦称为洛伦兹收缩，长度收缩因子为

1 − v² / c ² 。1899年，在以

太说的基础上，讨论了高速运动的参考系与静止参考系之间坐标和时间的变换问题。1904 年，得出了著名的变换公式，被称为洛伦兹变换。上述解释与变换，构成了从经典物理学到相对论理论的重要桥梁。

洛伦兹力（Lorentz force） 运动电荷在电磁场中所受到的作用力， 通常指磁场对运动电荷的作用力。由荷兰物理学家洛伦兹最早在他的电子论中作为基本假设而引入。此力可分为两部分：一部分是电场对运动电荷的作用力，等于电荷的电量 q 与电场强度 E 的乘积；另一部分是磁场的作用力，与电荷的电量 q、运动速度 v、磁感应强度 B 的大小以及 V 与 B 间夹

角θ的正弦成正比，方向由矢积 v×B 确定。写成数学表达式为

f=q（E+v×B）。

由于上述两部分作用力有着各自独立的意义，人们往往把磁场部分的作用力特称为洛伦兹力，即

其大小为

f=qv×B，

f=qvBsinθ，

方向可按矢量的右手定则或电动机左手定则确定。

洛伦兹力是可以探测的磁场的基本性质之一，在理论上常用它来定义磁感应强度。

洛伦兹力广泛地存在于各种电磁现象中。载流导体在磁场中所受到的安培力以及伴随出现的霍耳效应都是洛伦兹力作用的结果。洛伦兹力是一种非静电力，由它产生的动生电动势是各种交流发电机、直流发电机和磁流体发电等电力装置的设计基础。洛伦兹力通过安培力形式所表现的机械效应，是电动机和各种电磁仪表的理论依据。洛伦兹力引起的霍耳效应以及由此制作的各种霍耳元件，在半导体、微波、计算机和自动控制等方面应用极为广泛。洛伦兹力不能改变运动电荷速度的大小，但具有强烈的偏转效应，显像管、质谱仪、粒子加速器等众多的装置都是利用这种效应制成的。在非匀强磁场中，运动电荷所受洛伦兹力总有一个指向磁场较弱方向的分力，从而使带电粒子有向磁场较弱方向运动的趋势，称为磁塞或磁镜效应。由此可制成各种磁聚焦或磁约束装置。例如在受控热核反应中， 等离子体的温度高达 107K～108K，不可能将它约束在任何实物材料制作的容器中，这时便采用两端很强、中间较弱的强大磁场或极强的环形磁场， 将等离子体约束在一个小区域内。