大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)

內(nèi)容概要

《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)(普通高等教育十二五規(guī)劃教材)》是根據(jù)高等農(nóng)林院?；A(chǔ)物理課的教學(xué)基本要求，結(jié)合編者多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)研究成果編寫(xiě)的。全書(shū)共10章，分別為：物質(zhì)與物體運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)和波，生物流體力學(xué)基礎(chǔ)，氣體動(dòng)理論，電場(chǎng)及其生物效應(yīng)，磁場(chǎng)與生物磁現(xiàn)象，電磁場(chǎng)及其與生物體的相互作用，波動(dòng)光學(xué)，波粒二象性，原子的量子理論。在每章末選編了現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的新成果和物理學(xué)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、開(kāi)拓創(chuàng)新的科學(xué)素質(zhì)。
《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)(普通高等教育十二五規(guī)劃教材)》可作為農(nóng)林類、生物類、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等本科專業(yè)50～90學(xué)時(shí)的大學(xué)物理課教材，也可供其他有關(guān)專業(yè)參考。

書(shū)籍目錄

前言
第1章 物質(zhì)與物體運(yùn)動(dòng)
 1.1 物質(zhì)與物質(zhì)形態(tài)
 1.1.1 物質(zhì)存在的基本形式
 1.1.2 物質(zhì)形態(tài)
 1.2 質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的基本概念和基本定律
 1.2.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述
 1.2.2 動(dòng)量守恒定律
 1.2.3 角動(dòng)量守恒定律
 1.2.4 機(jī)械能守恒定律
 本章小結(jié)
 思考題
 習(xí)題
 【物理科技】I等離子體技術(shù)
 　Ⅱ納米科學(xué)技術(shù)
第2章 振動(dòng)和波
 2.1 簡(jiǎn)諧振動(dòng)
 2.1.1 描述簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特征量
 2.1.2 簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度和加速度
 2.1.3 旋轉(zhuǎn)矢量與振動(dòng)的相位
 2.1.4 簡(jiǎn)諧振動(dòng)的能量
 2.1.5 阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振
 2.2 簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成
 2.2.1 同方向同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成
 2.2.2 互相垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成
 2.3 波的描述
 2.3.1 機(jī)械波的傳播
　……
第3章 生物流體力學(xué)基礎(chǔ)
第4章 氣體動(dòng)理論
第5章 電場(chǎng)及其生物效應(yīng)
第6章 磁場(chǎng)與生物磁現(xiàn)象
第7章 電磁場(chǎng)及其與生物體的相互作用
第8章 波動(dòng)光學(xué)
第9章 波粒二象性
第10章 原子的量子理論
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：第1章 物質(zhì)與物體運(yùn)動(dòng)在自然科學(xué)中，宇宙萬(wàn)物的存在形式分為兩類：物質(zhì)和能量。物質(zhì)是萬(wàn)物的存在形式，能量是物質(zhì)相互作用與轉(zhuǎn)化的量度，物質(zhì)與能量是相互依存的。物理學(xué)就是研究自然界物質(zhì)存在的基本形式、物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)之間相互作用與轉(zhuǎn)化、各種物質(zhì)形態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等基本規(guī)律的學(xué)科。在自然界中，沒(méi)有不運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，也沒(méi)有脫離物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的固有屬性。運(yùn)動(dòng)的形式是多種多樣的，物理學(xué)研究的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式是自然界最基本和最普遍的，它的基本研究方法和內(nèi)容滲透在社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)所涉及的一切領(lǐng)域，應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)方面。本章簡(jiǎn)要討論物質(zhì)形態(tài)及質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的基本概念和基本定律。本章基本要求：1.理解物質(zhì)與場(chǎng)的概念。2.了解物質(zhì)形態(tài)。3.理解動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律；了解角動(dòng)量守恒定律。1.1 物質(zhì)與物質(zhì)形態(tài)1.1.1 物質(zhì)存在的基本形式物質(zhì)存在的基本形式是實(shí)物和場(chǎng)。實(shí)物不僅是指由大量原子、分子所組成的宏觀實(shí)體，也包括原子、分子、離子和靜止質(zhì)量不為零的基本粒子（如電子、質(zhì)子、中子、夸克等）。實(shí)物是實(shí)實(shí)在在占據(jù)于自然界的一定空間，并以一定的方式存在于時(shí)段的。場(chǎng)是物質(zhì)存在的另一種形式，雖然它看不見(jiàn)摸不著，但具有力和能量等物理特性，是傳遞物體間相互作用的介質(zhì)。每一種實(shí)物都會(huì)在自己周圍激發(fā)與之相應(yīng)的場(chǎng)，如靜止電荷激發(fā)靜電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷除激發(fā)電場(chǎng)外還激發(fā)磁場(chǎng)，一定質(zhì)量的實(shí)物激發(fā)引力場(chǎng)。實(shí)物粒子之間的相互作用是由場(chǎng)來(lái)傳遞的，例如傳遞引力的介質(zhì)為引力場(chǎng)，傳遞電磁相互作用的介質(zhì)為電磁場(chǎng)等等。場(chǎng)對(duì)處于其中的物質(zhì)產(chǎn)生力的作用，并具有做功的特性。不同的場(chǎng)在空間可同時(shí)存在，具有疊加性。場(chǎng)沒(méi)有確定的空間界限，連續(xù)不斷地彌漫在一定的空間中。1.1.2 物質(zhì)形態(tài)物態(tài)是指實(shí)物在一定條件下所處的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，它表現(xiàn)為大量實(shí)物粒子作為一個(gè)大的整體而存在的集聚狀態(tài)。固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)是我們熟悉的物態(tài)。20世紀(jì)中期，科學(xué)家確認(rèn)物質(zhì)第四態(tài)，即“等離子體態(tài)”。1995年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng)造出物質(zhì)的第五態(tài)，即“玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)”。隨著科學(xué)的發(fā)展，在某些特定條件下發(fā)現(xiàn)了一些超態(tài)（如超高壓下的超固態(tài)、中子態(tài)和超低溫下的超導(dǎo)態(tài)、超流態(tài)等）。1.固體固體中分子的熱運(yùn)動(dòng)占次要地位，組成物質(zhì)的粒子（分子、原子或離子）在各自的平衡位置做微弱的熱運(yùn)動(dòng)，所以固體具有一定的形狀和體積。人們常將固體分為晶體（如食鹽、云母、金剛石等）和非晶體（玻璃、瀝青、塑料等）兩大類。從外觀上看，晶體具有規(guī)則的幾何形狀，在晶體內(nèi)的粒子是按一定規(guī)則周期性重復(fù)排列的。而非晶體內(nèi)的粒子排列卻是完全不規(guī)則的。實(shí)際上，在晶體與非晶體之間還存在一種準(zhǔn)晶體。1984年底，美國(guó)科學(xué)家薛切特曼（D.Shechtman）等宣布，他們?cè)诩崩淠痰腁l-Mn合金中發(fā)現(xiàn)了具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱但并無(wú)平移周期性的合金相，在晶體學(xué)及相關(guān)的學(xué)術(shù)界引起了很大的震動(dòng)。不久，這種無(wú)平移周期性但有位置序的晶體就被稱為準(zhǔn)晶體。準(zhǔn)晶體最明顯的特征是存在長(zhǎng)程有序性而無(wú)周期性。準(zhǔn)晶體已被開(kāi)發(fā)為有用的材料。例如，人們發(fā)現(xiàn)由鋁、銅、鐵、鉻組成的準(zhǔn)晶體具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低表面能以及低傳熱性，被開(kāi)發(fā)為炒菜鍋的鍍層。2.液體和氣體液體和氣體都具有流動(dòng)性，故統(tǒng)稱為流體。流體是一種連續(xù)介質(zhì)，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)表現(xiàn)出特定的規(guī)律和性質(zhì)。液體中分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子間引力相互作用勢(shì)能相當(dāng)，分子有較大的活動(dòng)余地，分子間作用力能夠建立起暫時(shí)穩(wěn)定的局部結(jié)構(gòu)。盡管液體內(nèi)的分子力較固體有所減弱，但還是大到足以使液體有一個(gè)自由表面而且有一定體積。液體具有流動(dòng)性，形狀隨容器形狀而改變。氣體中分子熱運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于分子間的相互作用，分子處于完全無(wú)序狀態(tài)，所以沒(méi)有固定的形狀和體積。在沒(méi)有電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等外界作用時(shí)，氣體分子向空間任意方向運(yùn)動(dòng)概率相等，自動(dòng)形成空間穩(wěn)定均勻的平衡狀態(tài)。3.等離子體等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣態(tài)外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。相關(guān)內(nèi)容將在本章物理科技中進(jìn)行詳細(xì)介紹。4.玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)玻色愛(ài)因斯坦凝聚是20世紀(jì)20年代玻色和阿爾伯特?愛(ài)因斯坦在玻色的關(guān)于光子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究基礎(chǔ)上預(yù)言的一種新物態(tài)。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)），即處于不同狀態(tài)的原子“凝聚”到了同一種狀態(tài)。在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級(jí)（能級(jí)是指原子的能量像臺(tái)階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級(jí)原子。打個(gè)比方，練兵場(chǎng)上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，于是他們迅速集合起來(lái)，像一個(gè)士兵一樣整齊地向前走去。后來(lái)物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。然而，實(shí)現(xiàn)玻愛(ài)凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢？物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個(gè)很好的特性：不會(huì)因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會(huì)高度聚集形成常規(guī)的固體。實(shí)驗(yàn)對(duì)象找到了，下一步就是創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們可以制造出與絕對(duì)零度僅僅相差10-9K的低溫。并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對(duì)任意金屬物體實(shí)行無(wú)觸移動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，終于在玻色愛(ài)因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國(guó)科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測(cè)到了玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。5.超態(tài)在某些特定條件下，物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生突變，表現(xiàn)出完全不同于常溫常壓下的性質(zhì)，成為一種超常態(tài)。目前研究比較多的有超導(dǎo)態(tài)、超流態(tài)、超固態(tài)和中子態(tài)等。當(dāng)溫度下降到臨界溫度以下時(shí)，某些金屬或金屬化合物的電阻為零，產(chǎn)生完全抗磁性等特殊性質(zhì)，稱為超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)詳細(xì)內(nèi)容將在第5章物理科技中進(jìn)行詳細(xì)介紹。在超低溫下液體的黏滯系數(shù)為零，稱為超流態(tài)。1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得?列奧尼多維奇?卡皮察驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)氦的溫度降到2.17K的時(shí)候，它就由原來(lái)液體的一般流動(dòng)性突然變化為“超流動(dòng)性”：它可以無(wú)任何阻礙地通過(guò)連氣體都無(wú)法通過(guò)的極微小的孔或狹縫（線度約10-7m），還可以沿著杯壁“爬”出杯口外。這是在我們?nèi)粘Ｉ钪袥](méi)有碰到過(guò)的現(xiàn)象，只有在低溫世界才會(huì)發(fā)生。在超高壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”，電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，這就是超固態(tài)。一塊乒乓球大小的超固態(tài)物質(zhì)，其質(zhì)量至少在103t以上。已有充分的根據(jù)說(shuō)明，質(zhì)量較小的恒星發(fā)展到后期階段的白矮星就處于這種超固態(tài)。它的平均密度是水的幾萬(wàn)到一億倍。在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力，原來(lái)已經(jīng)壓得緊緊的原子核和電子，就不可能再緊了，這時(shí)候原子核解散，從里面釋放出質(zhì)子和中子。從原子核中放出的質(zhì)子，在極大的壓力下會(huì)和電子結(jié)合成為中子，這樣的狀態(tài)稱為中子態(tài)。這種形態(tài)大部分存在于一種稱為“中子星”的星體中，它是由大質(zhì)量恒星晚年發(fā)生收縮而造成的，所以，中子星是小得可憐的、沒(méi)有生機(jī)的星球。實(shí)際上把物態(tài)劃分為固態(tài)和液態(tài)不是很準(zhǔn)確、很科學(xué)的。例如非晶體沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，而是有一個(gè)從固態(tài)軟化為液態(tài)的溫度范圍（稱為軟化溫度）。當(dāng)非晶體處在它的軟化溫度范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)法說(shuō)出物質(zhì)是處于固態(tài)還是液態(tài)。此外，膠體也是介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種中間狀態(tài)。于是人們又把固態(tài)、液態(tài)和介于兩者之間的各種狀態(tài)，以及只有在低溫下才存在的特殊量子態(tài)（如：超流態(tài)、玻色愛(ài)因斯坦凝聚），還包括稠密氣體的物態(tài)統(tǒng)稱為物質(zhì)的凝聚態(tài)。物質(zhì)的氣態(tài)則專指稀薄氣體的物態(tài)。凝聚態(tài)和氣態(tài)的基本區(qū)別是：凝聚態(tài)物質(zhì)中的粒子（原子、離子、分子）間存在相互作用；氣態(tài)物質(zhì)分子間的相互作用非常小，近似地可以忽略不計(jì)。

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胡玉才編著的《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)(普通高等教育十二五規(guī)劃教材)》系統(tǒng)全面的介紹了大學(xué)物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，《普通高等教育"十二五"規(guī)劃教材:大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)》可作為農(nóng)林類、生物類、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等本科專業(yè)50～90學(xué)時(shí)的大學(xué)物理課教材，也可供其他有關(guān)專業(yè)參考。

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