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第一章 导论1

1.1世界为什么变化这么快2

1.2从自然哲学到物理学4

一、中国古代的世界图景和哲学观4

二、古代西方哲学观和物理知识5

三、古代阿拉伯的物理知识6

四、欧洲中世纪的科学为何发展缓慢6

1.3经典物理学产生的条件和建立过程7

一、文艺复兴7

二、天文学的突破8

三、伽利略和近代力学的诞生9

四、笛卡儿、惠更斯和牛顿9

1.419世纪物理学的成就和危机10

一、电磁现象的研究10

二、从法拉第到麦克斯韦11

三、热力学与统计物理的建立和发展11

四、经典物理学的“危机”，两朵乌云和三大发现12

1.520世纪物理学的发展及其特点12

一、向微观世界和宇宙空间进军12

二、向新事物和“复杂性”进军13

三、物理学与高新技术14

1.6物理学的社会教育和思想文化功能16

一、科学的双重功能16

二、物理学是“求真”的17

三、物理学是“至善”的17

四、物理学是“美”的18

参考资料20

第二章航天与力学22

一、牛顿生平23

2.1万有引力定律的发现23

二、月亮为什么不掉下来24

三、万有引力定律的建立26

四、海王星的发现27

2.2宇宙速度与动量及机械能守恒29

一、火箭推进原理与动量守恒定律29

二、机械能守恒定律32

三、三个宇宙速度34

四、多级火箭37

2.3卫星运动与角动量守恒39

一、人造地球卫星是怎样发射的41

二、椭圆轨道与角动量守恒定律43

三、失重现象及其解释46

2.4人造地球卫星的应用48

一、通信卫星48

二、气象卫星49

三、地球资源卫星51

四、科学探测卫星52

五、太空实验53

附录2.A火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式54

附录2.B人造地球卫星等航天器的返回57

习题59

参考资料59

第三章无处不在的波61

3.1振动61

一、一个弹簧振子的振动61

二、振动的描述63

三、电（偶极）振子模型64

一、声波——纵波65

二、波的描述65

3.2声波65

三、声压、声强级和噪声67

3.3电磁波概述68

一、电磁波发现的历史68

二、电磁波谱73

三、无线电波的产生74

四、电磁波——横波77

3.4光的反射、折射和全反射77

一、惠更斯原理77

二、镜面反射77

三、两种媒质界面上光的折射和反射78

四、全反射81

3.5光的干涉、衍射和偏振82

一、光的干涉82

二、光的衍射和分辨本领86

三、全息照相88

四、有趣的偏振光90

3.6无线电波、广播和电视92

一、无线电波的传播92

二、无线电广播96

三、传真和电视98

四、频带宽度、载波频率和频道数目的关系99

3.7微波、雷达及其应用100

一、微波通信100

二、雷达、多普勒效应100

三、微波能的利用102

习题104

参考资料104

第四章奇妙的有色和无色世界——光与物质的相互作用105

4.1光的量子性105

一、光电效应105

二、康普顿效应109

三、电子对效应111

四、三种效应的相对重要性112

五、光的“波粒二重性”113

4.2量子能级间的跃迁和辐射谱114

一、原子的定态和量子能级114

二、能级间跃迁的玻尔公式115

三、原子、分子和固体的光谱概述116

4.3颜色从哪里来119

一、光的三原色119

二、色视觉120

三、光与原子相互作用的振子模型122

四、天空为什么是蓝色的124

五、云为何是白色的126

六、物质的颜色和光的吸收127

4.4红外线与紫外线128

一、红外线的产生和吸收128

二、红外线的探测及其应用131

三、紫外线的性质、应用及其防护133

附录4.A黑体辐射136

参考资料139

习题139

第五章微观世界及其探索141

5.1揭开研究微观世界序幕的三大发现142

一、X射线的发现142

二、放射性的发现144

三、电子的发现147

5.2原子结构150

一、卢瑟福散射和原子核的发现150

二、玻尔模型153

三、电子的波粒二重性160

四、粒子运动的测不准关系163

5.3X射线与原子结构164

一、X射线的产生和X射线谱164

二、X射线的应用168

5.4原子核的结构169

一、中子的发现169

二、一种新的相互作用力——核力173

三、核能来源174

四、α，β和γ放射性衰变178

五、核子结构181

六、神秘的反物质183

5.5探索微观世界奥秘的近代技术184

一、电子显微镜185

二、质子激发X射线荧光分析（PIXE）189

三、中子活化分析191

四、高能电子散射和粒子对撞机192

五、扫描隧道显微镜（STM）194

六、原子力显微镜198

习题200

参考资料201

第六章光彩夺目的新光源203

6.1激光产生原理与激光器结构204

一、激光产生原理204

二、激光简史和我国的激光技术207

三、激光器的结构208

四、激光器的种类211

6.2激光的特性及应用213

一、激光的主要特性213

二、激光应用简介214

一、同步辐射的发现219

6.3同步辐射光源的发现和特性219

二、中国科学家的贡献221

三、同步辐射的特性222

6.4同步辐射装置和应用简介225

一、同步辐射光源的组成部分225

二、同步辐射装置的发展227

三、同步辐射应用简介228

习题236

参考资料237

第七章物理学与材料科学238

7.1物质结构的基础知识238

二、分子的键型和构形239

一、元素是构成材料的最小单位239

三、晶体的结合类型和结构242

四、晶体特性244

五、非晶凝聚态物质245

7.2半导体247

一、什么是半导体247

二、本征半导体和杂质半导体250

三、半导体硅材料251

四、半导体材料的应用简介252

一、超导体的基本特性256

7.3超导材料256

二、常规超导与高温超导259

三、超导应用简介260

7.4新型磁功能材料261

一、电子自旋261

二、什么是巨磁电阻效应262

三、产生巨磁电阻的基本原理263

四、巨磁电阻效应的应用264

7.5纳米材料与C60结构265

一、纳米材料265

二、纳米加工与原子操纵267

三、举世瞩目的C60270

7.6先进陶瓷与新型金属271

一、先进陶瓷271

二、新型金属273

参考资料273

第八章信息技术275

8.1信息和信息技术275

一、信息的重要作用275

8.2信息的获取276

二、信息技术发展的三个时期276

一、传感器技术277

二、遥感技术及其分类279

三、不同波段的三类遥感及其应用281

8.3信息的传输283

一、移动通信手段的发展284

二、电子邮件284

三、卫星通信284

四、光纤通信285

五、数字通信技术286

一、信息的处理287

8.4信息的处理和应用287

二、信息技术的广泛应用290

参考资料291

第九章物理学是能源科学的基础292

9.1能源概况292

一、能源及其分类292

二、物理学与能源科学293

三、能源与环境294

四、能源危机296

9.2能源利用和开发296

一、热能及其到机械能的转换297

二、电能300

三、机械能300

四、太阳能302

五、干争的氢能304

9.3裂变反应堆——核电站305

一、裂变发现及裂变能的释放305

二、链式反应的可能性及可控性308

三、可控链式反应的实现308

四、核电站简介311

五、核电的优势及发展概况314

六、新一代核电站的研究开发315

9.4可控热核聚变反应316

一、如何实现自持的聚变反应317

二、太阳中的热核聚变反应——引力约束318

三、磁约束装置320

四、惯性约束核聚变——激光核聚变321

附录9.A空气质量监测与空气污染指数322

习题323

参考资料324

第十章医学中的物理学325

10.1生物电磁效应在诊断和治疗中的作用326

一、生物电的发现326

二、人体生物电的由来326

三、心肌细胞的电兴奋和人工心脏起搏327

四、生物磁现象328

五、磁场与人体健康328

10.2超声在医学上的应用329

一、超声波的产生和接收329

二、超声波的特性330

三、超声诊断331

四、利用超声多普勒技术测量血流速度332

五、超声治疗333

10.3放射性药物在诊断和治疗中的应用333

一、放射性的基本规律334

二、短寿命核素的生产和保存338

三、放射性药物用于诊断339

四、放射性药物用于治疗339

10.4激光在医学上的应用340

一、激光的生物效应340

二、激光刀用于切割（气化）或烧灼治疗341

四、低功率激光的医学应用342

三、激光纤维内窥镜342

10.5神奇的粒子手术刀343

一、γ刀343

二、医用电子直线加速器345

10.6CT技术和磁共振成像技术345

一、从X射线摄影到XCT和ECT345

二、磁共振成像348

习题353

参考资料354

第十一章生命科学与物理学355

一、对生命现象认识的发展356

11.1什么是生命356

二、从细胞水平看生命359

三、从分子水平看生命（DNA简介）361

四、蛋白质364

五、STM和AFM技术在生命科学中的应用364

11.2生命源于遗传信息366

一、信使RNA分子和遗传密码367

二、DNA芯片368

三、基因工程及其应用，克隆技术369

附录11.A生物体是一个开放的具有自组织性的耗散结构370

附录11.B细胞的大小373

参考资料374

第十二章相对论和宇宙376

12.1陌生的高速世界377

一、爱因斯坦的“追光实验”377

二、时间（同时性）的相对性378

三、高速旅行可以长寿吗380

四、高速运动的物体会缩短吗381

五、光速能够超越吗383

一、质量随速度而变化384

12.2相对论动力学，质能关系384

二、改变世界的方程——质能关系式385

12.3广义相对论简介388

一、光线在太阳旁的偏折和空时弯曲388

二、双星的引力辐射389

12.4宇宙学大意390

一、可观测宇宙的概貌390

二、宇宙在膨胀——哈勃红移393

三、早期宇宙的遗迹——3开微波背景辐射395

四、宇宙年龄的估计396

五、大爆炸宇宙学（宇宙学的标准模型）397

12.5恒星的诞生、演化及其归宿400

一、星际物质和恒星的诞生400

二、恒星的演化及其归宿402

三、从“天关客星”到脉冲星的发现403

四、黑洞404

12.6太阳系和地球的起源与演化406

一、太阳系概貌406

二、太阳系的起源和演化407

三、地球的起源和演化407

四、做人是幸运的409

参考资料410

习题410

第十三章从20世纪物理学看世界412

13.1物理学的方法论412

一、模型方法为什么灵412

二、科学假说的重要作用413

三、类比方法在科学发现和理论构建中的重要性415

四、“统一性”是物理学的执着追求416

五、向“边缘”开拓，向“极限”挑战，从“交叉”处找突破口417

一、认识论的相对性原理418

六、物理学研究中个人与集体的关系418

13.2物理学的认识论418

二、认识始于变革419

三、从相对真理到绝对真理421

四、对科学家失误的认识422

五、科学技术是一把“双刃剑”423

六、既是演员，又是观众423

参考资料423

物理常数和天文常数表425

习题答案428