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第一章 导论 1

1.1 世界为什么变化这么快 1

1.2 从自然哲学到物理学 3

一、中国古代的世界图景和哲学观 3

二、古代西方哲学观和物理知识 4

三、古代阿拉伯的物理知识 5

四、欧洲中世纪的科学为何发展缓慢 5

1.3 经典物理学产生的条件和建立过程 6

一、文艺复兴 6

二、天文学的突破 6

三、伽利略和近代力学的诞生 7

四、笛卡儿、惠更斯和牛顿 8

1.4 19世纪物理学的成就和危机 9

一、电磁现象的研究 9

二、从法拉第到麦克斯韦 9

三、热力学与统计物理的建立和发展 10

四、经典物理学的“危机”，两朵乌云和三大发现 10

1.5 20世纪物理学的发展及其特点 11

一、向微观世界和宇宙空间进军 11

二、向新事物和“复杂性”进军 12

三、物理学与高新技术 12

1.6 物理学的社会教育和思想文化功能 14

一、科学的双重功能 14

二、物理学是“求真”的 15

三、物理学是“至善”的 15

四、物理学是“美”的 16

参考资料 18

第二章 航天与力学 19

2.1 万有引力定律的发现 20

一、牛顿生平 20

二、月亮为什么不掉下来 21

三、万有引力定律的建立 23

四、海王星的发现 24

2.2 宇宙速度与动量及机械能守恒 25

一、火箭推进原理与动量守恒定律 26

二、机械能守恒定律 28

三、三个宇宙速度 30

四、多级火箭 32

2.3 卫星运动与角动量守恒 34

一、人造地球卫星是怎样发射的 36

二、椭圆轨道与角动量守恒定律 37

三、失重现象及其解释 40

2.4 航天技术的发展 42

一、通信卫星 42

二、气象卫星 43

三、地球资源卫星和海洋卫星 44

四、科学探测卫星 45

五、导航卫星 46

六、深空探测 47

七、载人航天 49

附录2.A 火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式 51

附录2.B 人造地球卫星等航天器的返回 53

习题 55

参考资料 55

第三章 无处不在的波 57

3.1 振动 57

一、一个弹簧振子的振动 57

二、振动的描述 58

三、电（偶极）振子模型 59

3.2 声波 60

一、声波 60

二、波的描述、超声和次声 61

三、声压、声强级和噪声 62

四、超声的特性及应用 63

五、次声的特性及应用 66

3.3 电磁波概述 66

一、电磁波发现的历史 66

二、电磁波谱及其产生 71

三、电磁波——横波 74

3.4 光的反射、折射和全反射 74

一、惠更斯原理 74

二、镜面反射 75

三、两种媒质界面上光的折射和反射 76

四、全反射 78

3.5 光的干涉、衍射和偏振 79

一、光的干涉 79

二、光的衍射和分辨本领 82

三、全息照相 84

四、有趣的偏振光 86

3.6 无线电波和微波 88

一、无线电波的传播 88

二、无线电广播、电视和传真 91

三、频带宽度、载波频率和频道数目的关系 92

四、微波通信和微波能利用 93

3.7 多普勒效应及其应用 94

一、雷达、多普勒效应 94

二、超声多普勒技术的医学应用 96

3.8 光的波粒二重性 97

一、黑体辐射和“量子”概念的提出 97

二、光电效应和“光量子”的提出 100

三、光的波粒二重性 103

四、康普顿效应和正负电子对的产生 104

附录3.A 红外线与紫外线 106

习题 109

参考资料 110

第四章 微观世界及其探索 111

4.1 揭开研究微观世界序幕的三大发现 112

一、X射线的发现 112

二、放射性的发现 114

三、电子的发现 117

4.2 原子结构 119

一、卢瑟福散射和原子核的发现 120

二、玻尔模型 122

三、电子的波粒二重性 129

四、粒子运动的测不准关系 132

4.3 X射线与原子结构 133

一、X射线的产生和X射线谱 133

二、X射线的应用 136

4.4 原子核的结构 137

一、中子的发现 137

二、一种新的相互作用力——核力 141

三、核能来源 142

四、α，β和γ放射性衰变 145

五、核子结构 148

六、神秘的反物质 149

4.5 探索微观世界奥秘的近代技术 151

一、电子显微镜 151

二、质子激发X射线荧光分析（PIXE） 154

三、中子活化分析 156

四、扫描隧道显微镜（STM） 157

五、原子力显微镜（AFM） 162

六、超分辨率荧光显微技术简述 164

附录4.A 分子能级和光谱、固体的光谱 166

习题 168

参考资料 168

第五章 光彩夺目的新光源 170

5.1 激光产生原理与激光器结构 171

一、激光产生原理 171

二、激光简史和我国的激光技术 173

三、激光器的结构 174

四、激光器的种类 176

5.2 激光的特性及应用 178

一、激光的主要特性 178

二、激光应用简介 179

5.3 神奇的同步辐射光 184

一、同步辐射的发现 184

二、同步辐射的特性 185

三、同步辐射装置 188

四、同步辐射应用简介 191

习题 197

参考资料 197

第六章 物理学与材料科学和信息技术 198

6.1 物质结构的基础知识 198

一、元素是构成材料的最小单位 199

二、分子的键型和构形 199

三、晶体的结合类型和结构 201

四、晶体特性 203

五、非晶凝聚态物质 204

6.2 半导体 205

一、什么是半导体 206

二、本征半导体和杂质半导体 208

三、半导体硅材料 209

四、半导体材料的应用简介 209

6.3 超导材料 213

一、超导体的基本特性 213

二、常规超导与高温超导 215

三、超导应用简介 216

6.4 纳米材料与C60结构 217

一、纳米材料 217

二、纳米加工与原子操纵 221

三、举世瞩目的C60和碳纳米材料 222

6.5 先进陶瓷与新型金属 224

一、先进陶瓷 224

二、新型金属 226

6.6 信息的获取 226

一、传感器技术 227

二、遥感技术及其分类 229

三、不同波段的三类遥感及其应用 231

6.7 信息的传输和处理 232

一、移动通信手段的发展 233

二、电子邮件 233

三、卫星通信 233

四、光纤通信 234

五、数字通信技术 235

六、多媒体技术 236

七、信息技术的广泛应用 236

参考资料 237

第七章 物理学是能源科学的基础 239

7.1 能源概况 239

一、能源及其分类 239

二、物理学与能源科学 240

三、能源与环境 240

四、能源危机 242

7.2 能源利用和开发 243

一、热能及其到机械能的转换 243

二、电能 246

三、机械能 246

四、太阳能 248

五、干净的氢能 250

7.3 裂变反应堆——核电站 251

一、裂变发现及裂变能的释放 251

二、链式反应的可能性及可控性 253

三、可控链式反应的实现 254

四、核电站简介 256

五、核电的优势及发展概况 258

六、新一代核电站的研究开发 259

7.4 可控热核聚变反应 261

一、如何实现自持的聚变反应 262

二、太阳中的热核聚变反应——引力约束 263

三、磁约束装置 264

四、惯性约束核聚变——激光核聚变 265

附录7.A 空气质量监测和空气污染指数 266

习题 267

参考资料 268

第八章 物理学与现代医学新技术和生命科学 269

8.1 放射性药物在诊断和治疗中的应用 270

一、放射性的基本规律 270

二、短寿命核素的生产和保存 274

三、放射性药物用于诊断 274

四、放射性药物用于治疗 275

8.2 激光在医学上的应用 276

一、激光的生物效应 276

二、激光刀用于切割（气化）或烧灼治疗 277

三、激光纤维内窥镜 277

四、低功率激光的医学应用 278

8.3 神奇的粒子手术刀 278

一、γ刀 278

二、医用电子直线加速器 280

8.4 CT技术和磁共振成像技术 280

一、从X射线摄影到XCT和ECT 280

二、磁共振成像 283

8.5 物理学在生命科学发展中的作用 288

一、对生命现象认识的发展 288

二、从细胞水平看生命 291

三、从分子水平看生命（DNA简介） 292

四、信使RNA分子和遗传密码 296

五、STM和AFM技术在生命科学中的应用 297

附录8.A 生物体是一个开放的具有自组织性的耗散结构 299

附录8.B 基因工程简介 302

习题 304

参考资料 304

第九章 相对论和宇宙 306

9.1 陌生的高速世界 307

一、爱因斯坦的“追光实验” 307

二、时间（同时性）的相对性 308

三、高速旅行可以长寿吗 310

四、高速运动的物体会缩短吗 311

五、光速能够超越吗 313

9.2 相对论动力学，质能关系式 314

一、相对论质量随速度而变化 314

二、改变世界的方程——质能关系式 315

9.3 广义相对论简介 317

一、光线在太阳旁的偏折和空时弯曲 318

二、双星的引力辐射 318

9.4 宇宙学大意 319

一、可观测的宇宙概貌和暗物质 320

二、宇宙在膨胀——哈勃红移 322

三、早期宇宙的遗迹——3开微波背景辐射 324

四、宇宙年龄的估计 326

五、大爆炸宇宙学（宇宙学的标准模型） 326

9.5 恒星的诞生、演化及其归宿 329

一、星际物质和恒星的诞生 329

二、恒星的演化及其归宿 330

三、从“天关客星”到脉冲星的发现 331

四、黑洞 333

9.6 太阳系和地球的起源与演化 334

一、太阳系概貌 334

二、太阳系的起源和演化 335

三、地球的起源和演化 335

四、做人是幸运的 336

习题 337

参考资料 338

第十章 从20世纪物理学看世界 339

10.1 物理学的方法论 339

一、模型方法为什么灵 339

二、科学假说的重要作用 340

三、类比方法在科学发现和理论构建中的重要性 341

四、“统一性”是物理学的执著追求 342

五、向“边缘”开拓，向“极限”挑战，从“交叉”处找突破口 343

六、物理学研究中个人与集体的关系 344

10.2 物理学的认识论 344

一、认识论的相对性原理 344

二、认识始于变革 345

三、从相对真理到绝对真理 347

四、对科学家失误的认识 347

五、科学技术是一把“双刃剑” 348

六、既是演员，又是观众 348

参考资料 349

结束语——21世纪人类面临的气候危机 350

物理常数和天文常数表 359

习题答案 361