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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 6

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 7

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 10

1.4 19世纪物理学的成就和危机 11

一、电磁现象的研究 11

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 12

四、经典物理学的“危机”，两朵乌云和三大发现 12

1.5 20世纪物理学的发展及其特点 13

一、向微观世界和宇宙空间进军 13

二、向新事物和“复杂性”进军 14

三、物理学与高（新）技术 15

1.6 物理学的社会教育和思想文化功能 17

一、科学的双重功能 17

二、物理学是“求真”的 18

三、物理学是“至善”的 19

四、物理学研究方法的特色 20

五、物理学是“美”的 20

参考资料 22

第二章 航天与力学 24

一、牛顿生平 25

2.1 万有引力定律的发现 25

二、月亮为什么不掉下来 26

三、万有引力定律的建立 28

四、海王星的发现 30

2.2 宇宙速度与动量及机械能守恒 31

一、火箭推进原理与动量守恒定律 32

二、机械能守恒定律 35

三、三个宇宙速度 37

四、多级火箭 40

2.3 人造地球卫星及其应用 42

一、人造地球卫星是怎样发射的 44

二、人造地球卫星等航天器的返回 47

三、人造地球卫星的应用 49

2.4 航天器的运动和角动量守恒 54

一、椭圆轨道与角动量守恒定律 54

二、失重现象及其解释 58

附录2.A 火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式 60

附录2.B 力学规律的总结 63

一、机械运动的两种量度——动量和动能 64

二、保守力场与势能 66

三、冲击摆 67

习题 68

参考资料 68

第三章 无处不在的波 70

3.1 振动 70

一、一个弹簧振子的振动 70

二、振动的描述 72

三、电（偶极）振子模型 73

3.2 声波 74

一、声波——纵波 74

二、波的描述 75

三、声压、声强级和噪声 76

3.3 电磁波概述 78

一、电磁波发现的历史 78

二、电磁波谱 83

三、无线电波的产生 84

四、电磁波——横波 87

3.4 光的反射、折射和全反射 88

一、惠更斯原理 88

二、镜面反射 88

三、两种媒质界面上光的折射和反射 88

四、全反射 91

3.5 光的干涉、衍射和偏振 93

一、光的干涉 93

二、光的衍射和分辨本领 96

三、全息照相 98

四、有趣的偏振光 100

3.6 无线电波、广播和电视 102

一、无线电波的传播 102

二、无线电广播 107

三、传真和电视 109

四、频带宽度、载波频率和频道数目的关系 110

一、微波通信 111

3.7 微波、雷达及其应用 111

二、雷达、多普勒效应 112

三、微波能的利用 114

附录3.A 相速度和群速度 115

习题 120

参考资料 120

第四章 奇妙的有色和无色世界——光与物质的相互作用 121

4.1 光的量子性 121

一、光电效应 121

二、康普顿效应 125

三、电子对效应 127

四、三种效应的相对重要性 128

五、光的“波粒二重性”和测不准关系 129

4.2 量子能级间的跃迁和辐射谱 131

一、原子的定态和量子能级 131

二、能级间跃迁的玻尔公式 132

三、原子、分子和固体的光谱概述 133

4.3 颜色从哪里来 137

一、光的三原色 137

二、色视觉 138

三、光与原子相互作用的振子模型 139

四、天空为什么是蓝色的 142

五、云为何是白色的 144

六、物质的颜色和光的吸收 145

4.4 红外线与紫外线 147

一、红外线的产生和吸收 147

二、红外线的探测及其应用 150

三、紫外线的性质、应用及其防护 152

附录4.A 黑体辐射 155

附录4.B 振子模型 158

习题 160

参考资料 161

第五章 微观世界及其探索 163

5.1 揭开研究微观世界序幕的三大发现 164

一、X射线的发现 165

二、放射性的发现 166

三、电子的发现 170

5.2 原子结构 173

一、卢瑟福散射和原子核的发现 173

二、玻尔模型 176

三、电子的波粒二重性 184

四、粒子运动的测不准关系 186

一、X射线的产生和X射线谱 188

5.3 X射线与原子结构 188

二、X射线的应用 192

5.4 原子核的结构 193

一、中子的发现 193

二、一种新的相互作用力——核力 197

三、核能来源 199

四、α，β和γ放射性衰变 202

五、核子结构 205

六、神秘的反物质 207

一、电子显微镜 209

5.5 探索微观世界奥秘的近代技术 209

二、质子激发X射线荧光分析(PIXE) 213

三、中子活化分析 216

四、高能电子散射法 217

五、高能粒子加速器 218

附录5.A 薛定谔方程和波函数的统计解释 219

习题 222

参考资料 223

第六章 光彩夺目的新光源 224

一、激光产生原理 225

6.1 激光产生原理与激光器结构 225

二、激光简史和我国的激光技术 228

三、激光器的结构 229

四、激光器的种类 232

6.2 激光的特性及应用 235

一、激光的主要特性 235

二、激光应用简介 236

6.3 同步辐射光源的发现和特性 241

一、同步辐射的发现 241

二、中国科学家的贡献 243

三、同步辐射的特性 244

6.4 同步辐射装置和应用简介 247

一、同步辐射光源的组成部分 247

二、同步辐射装置的发展 250

三、同步辐射应用简介 251

习题 260

参考资料 261

第七章 物理学与新材料 262

7.1 物质结构的基础知识 263

一、元素是构成材料的最小单位 263

二、分子结构 263

三、晶体的结合类型和结构 266

四、晶体特性 268

五、非晶凝聚态物质 269

7.2 半导体 271

一、什么是半导体 272

二、本征半导体和杂质半导体 274

三、半导体硅材料 275

四、半导体材料的应用简介 276

7.3 超导材料 281

一、超导体的基本特性 281

三、常规超导与高温超导 284

二、库柏对和BCS理论 284

四、超导应用简介 286

7.4 新型材料 287

一、先进陶瓷 287

二、新型金属 288

三、纳米材料 289

四、举世瞩目的？ 292

7.5 原子的直接观察与操纵 294

一、扫描隧道显微镜 295

二、原子力显微镜 299

三、纳米加工和原子操纵 301

参考资料 303

第八章 信息技术 305

8.1 信息和信息技术 305

一、信息的重要作用 305

二、信息技术发展的三个时期 306

8.2 信息的获取 307

一、传感器技术 307

二、遥感技术及其分类 309

三、不同波段的三类遥感及其应用 310

8.3 信息的传输 313

三、卫星通信 314

一、移动通信手段的发展 314

二、电子邮件 314

四、光纤通信 315

五、数字通信技术 316

8.4 信息的处理和应用 317

一、信息的处理 317

二、信息技术的广泛应用 321

参考资料 322

第九章 物理学是能源科学的基础 323

二、能源科学与物理学 324

9.1 能源概况 324

一、能源及其分类 324

三、能源与环境 325

四、能源危机 327

9.2 能源利用和开发 327

一、热能及其到机械能的转换 328

二、电能 331

三、机械能 332

四、太阳能 334

五、干净的氢能 336

一、裂变发现及裂变能的释放 337

9.3 裂变反应堆——核电站 337

二、链式反应的可能性及可控性 340

三、可控链式反应的实现 341

四、核电站简介 344

五、核电的优势及发展概况 347

六、新一代核电站的研究开发 348

9.4 可控热核聚变反应 349

一、如何实现自持的聚变反应 350

二、太阳中的热核聚变反应——引力约束 352

三、磁约束装置 353

四、惯性约束核聚变——激光核聚变 355

习题 356

参考资料 357

第十章 医学中的物理学 358

10.1 生物电磁效应在诊断和治疗中的作用 359

一、生物电的发现 359

二、人体生物电的由来 359

三、心肌细胞的电兴奋和人工心脏起搏 360

四、生物磁现象 361

一、超声波的产生和接收 362

10.2 超声在医学上的应用 362

五、磁场与人体健康 362

二、超声波的特性 363

三、超声诊断 364

四、利用超声多普勒技术测量血流速度 365

五、超声治疗 367

10.3 放射性药物在诊断和治疗中的应用 367

一、放射性的基本规律 368

二、短寿命核素的保存 372

三、放射性药物用于诊断 373

10.4 激光在医学上的应用 374

四、放射性药物用于治疗 374

一、激光的生物效应 375

二、激光刀用于切割（气化）或烧灼治疗 376

三、激光纤维内窥镜 377

四、低功率激光的医学应用 377

10.5 神奇的粒子手术刀 378

一、γ刀 378

二、医用电子直线加速器 380

10.6 CT技术和磁共振成像技术 381

一、从X射线摄影到XCT和ECT 381

二、磁共振成像 384

习题 389

参考资料 390

第十一章 物理学与生命科学 391

11.1 什么是生命 392

一、生物学家看生命 392

二、物理学家看生命 393

11.2 细胞内的物理和化学过程 397

一、细胞是生命的基本单位 397

二、细胞的大小 397

四、细胞质是储能仓库 400

三、细胞膜是物质输运和信息传递的通道 400

五、细胞核是基因库 401

六、蛋白质 404

七、STM和AFM技术在生命科学中的应用 404

11.3 生命源于信息 405

一、什么是信息和遗传密码 405

二、基因文库 407

三、先有鸡还是先有蛋 408

四、DNA芯片 408

附录11.A 熵与信息 409

参考资料 415

第十二章 相对论和宇宙 416

12.1 陌生的高速世界 417

一、爱因斯坦的“追光实验” 417

二、时间（同时性）的相对性 418

三、高速旅行可以长寿吗 421

四、高速运动的物体会缩短吗 422

五、光速能够超越吗 424

12.2 相对论动力学，质能关系 425

一、质量随速度而变化 425

二、改变世界的方程——质能关系式 426

一、光线在太阳旁的偏折和空时弯曲 429

12.3 广义相对论简介 429

二、双星的引力辐射 430

12.4 宇宙学大意 431

一、可观测宇宙的概貌 431

二、宇宙在膨胀——哈勃红移 434

三、早期宇宙的遗迹——3开微波背景辐射 435

四、宇宙年龄的估计 438

五、大爆炸宇宙学（宇宙学的标准模型） 439

12.5 恒星的诞生、演化及其归宿 442

一、星际物质和恒星的诞生 442

二、恒星的演化及其归宿 444

三、从“天关客星”到脉冲星的发现 445

四、黑洞存在吗 447

12.6 太阳系和地球的起源与演化 449

一、太阳系概貌 449

二、太阳系的起源和演化 450

三、地球的起源和演化 450

四、做人是幸运的 452

附录12.A 狭义相对论微观本质的一种解释 453

习题 456

参考资料 458

第十三章 从20世纪物理学看世界 459

13.1 对称性和守恒律 459

一、空间-时间的平移对称性和动量-能量守恒 459

二、宇称，宇称不守恒的发现 460

13.2 物理学的方法论 462

一、模型方法为什么灵 462

二、向“极限”挑战，向“边缘”开拓，从“交叉”处找突破口 463

三、“统一性”是物理学的执着追求 464

五、从相对真理到绝对真理 465

四、物质结构观的演变 465

六、数学在物理学中的地位 466

七、物理学研究中个人与集体的关系 466

13.3 物理学的认识论 467

一、认识论的相对性原理 467

二、变革性原理 468

三、转化性原理 471

四、既是演员，又是观众 473

参考资料 474

物理常数和天文常数表 475

习题答案 478