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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ECT280

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