科技进步与现代文明丛书--物理发展与科技进步

物理学作为自然科学的重要分支，不仅对人类的思维发展和人类对自然界认识的深化起了重要的推动作用，而且对技术进步和人类文明也产生了重大的影响。许多工程技术和生产部门都广泛地应用着物理学中的有关知识。物理学中的每一个重大发现几乎都会导致生产技术上的许多重大突破，人们常说的几次工业革命无不与物理学密切相关。19世纪，由于力学和热学理论的发展，使人类开创了以蒸汽机为标志的第一次工业革命；由于电磁感应现象的发现和与之相应的电磁理论的建立，人们制造出了发电机、电动机、电话、电报等电器设备，从而使人类跨进了电气化时代（第二次工业革命）；由于电磁理论的建立、电磁波的发现和半导体材料的研制成功，诞生了电子技术这门应用学科，从而使广播、电视、雷达、通讯、计算机等事业异军突起。20世纪，以相对论、量子力学、凝聚态物理、基本粒子物理学为主要内容的近代物理学的发展，使人们以前无法了解的许多问题都有了答案，也给半导体、原子能、激光、量子器件的发现奠定了基础。人类进入了以航天技术、微电子技术、光电子技术、生物技术、计算机及信息技术等高新技术为主要内容的新时代。物理学是当代工程技术的重大支柱，是许多工程技术如机械制造、土木建筑、采矿、水利、勘探、电工、无线电、材料、计算机、航空和火箭等技术的理论基础。
本书试图以“从自然到物理、从物理到技术、从技术到生活”为脉络，介绍物理学的发展思想以及它在技术中的应用。在技术应用的介绍中，只介绍在历史发展中曾起重要作用或在现代仍广泛使用的技术，把侧重点放在现代高新技术介绍上，即厚今薄古。在应用技术的具体介绍上，则把侧重点放在物理原理和它在生活生产中的应用上，而不是放在其结构和制造工艺上，并力求做到通俗易懂。由于篇幅所限，不可能包括物理学及其应用的方方面面，我们只希望起到读者遨游物理发展与技术应用中的领航作用。
本书由戴剑锋教授、李维学副教授和王青副教授共同完成。执笔分工如下：第一章至第四章（李维学）；第五章（王青）；第六章和第七章（李维学、戴剑锋）；第八章至第十章（王青）；第十一章和第十二章（王青、戴剑锋）；第十三章（戴剑锋、王青、李维学）。全书由戴剑锋教授负责统稿和定稿。
在编写的过程中我们与本系的部分教师和研究生们一起讨论，通过讨论我们得到了许多编写灵感和想法，我们对他们表示衷心的感谢。另外，杨瑞成教授对本书的编写工作提出了许多宝贵意见，并为该书的出版做了许多工作，我们也衷心感谢他。
由于本书信息量大、涉及面广，不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

本书以通俗的语言阐述了物理学发展与科技进步的关系，介绍了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子论、半导体物理、凝聚态物理等知识及其在技术中的应用，特别强调物理知识在现代高新技术中的应用。寓物理知识于航天、动力、电力、广播通信、半导体、红外线、紫外线、光谱、显微镜、望远镜、传感器、原子能、超声、激光、计算机、新材料、量子器件等技术应用之中。
本书主要阅读对象是大专院校各类学生和工程技术人员，可作为中学生开展素质教育的读物，还可作为一般读者了解物理知识及其与现代科学技术的关系的参考读物。

第一章 力学与航天技术1
 第一节 牛顿力学建立与新行星的发现1
 一、《自然哲学的数学原理》的基本框架1
 二、万有引力定律2
 三、海王星和冥王星的发现3
 第二节 力学守恒定律在航天技术中的应用3
 一、动量守恒定律与火箭推进原理4
 二、卫星运动中的角动量守恒6
 三、机械能守恒与宇宙速度6
 第三节 航天器及其应用8
 一、人造卫星的发射和返回9
 二、同步卫星的发射高度和运行速度10
 三、人造地球卫星的应用10
 四、载人航天12
 五、航天科技产业13

第二章 热学发展与工业革命14
 第一节 热现象的认识过程14
 一、气体实验定律14
 二、热质说与热动说的较量14
 三、第一类永动机幻想的破灭15
 四、第二类永动机幻想的破灭17
 五、热现象中微观理论与宏观理论的统一17
 第二节 蒸汽机与第一次工业革命18
 一、蒸汽机的发展与第一次工业革命18
 二、蒸汽机的工作原理19
 三、循环过程与热机效率19
 四、卡诺热机20
 第三节 内燃机掀起了动力革命的浪潮21
 一、内燃机的发展与第二次工业革命21
 二、往复活塞式内燃机的工作原理22
 三、燃气轮机24
 第四节 制冷机与低温技术25
 一、制冷机25
 二、低温技术26
 三、激光冷却中性原子27

第三章 电磁学与电气化28
 第一节 电磁理论建立与电磁波的发现28
 一、电流的磁效应28
 二、法拉第电磁感应定律28
 三、电磁理论的统一29
 四、电磁波的预言与实验发现31
 第二节 磁电式仪表和电动机31
 一、磁场对电流的作用力31
 二、磁电式仪表32
 三、电动机33
 第三节 发电机与远距离输电35
 一、发电机的发明35
 二、单向交流发电机的工作原理36
 三、变压器37
 四、发电站和远距离输电37
 第四节 加速器与质谱仪38
 一、洛仑兹力38
 二、加速器39
 三、质谱仪41
 第五节 磁悬浮列车41
 一、磁悬浮列车的优点41
 二、悬浮与推进原理42
 三、磁悬浮技术的发展与未来43

第四章 无线电与微电子工业革命45
 第一节 充满周围空间的波--无线电波45
 一、无线电波的波段范围及用途45
 二、无线电波的辐射与天线46
 三、无线电波的传播47
 第二节 从电子管到半导体48
 一、从电子管到半导体48
 二、半导体的物理基础49
 三、PN结的导电机理51
 四、晶体三极管52
 第三节 无线电缩短人们的距离53
 一、电话53
 二、无线电广播53
 三、传真55
 四、电视55
 第四节 微波及其应用55
 一、微波通信56
 二、雷达56
 三、微波加热58
 第五节 集成电路与微电子工业革命59
 一、MOS晶体管59
 二、大规模集成电路与微电子工业革命60
 第六节 半导体器件的未来--半导体量子器件60
 一、量子阱和超晶格器件61
 二、量子线和量子点器件62

第五章 光学与光学技术63
 第一节 几何光学63
 一、几何光学定律63
 二、传统光学器件及其应用64
 第二节 波动光学65
 一、光的干涉及其应用65
 二、衍射光谱与光学仪器的分辨本领67
 三、偏振光技术68
 第三节 量子光学71
 一、光电效应现象及光的量子性71
 二、光的波粒二象性72
 三、光电转换器件73
 第四节 光波与颜色74
 一、颜色的起源74
 二、光的三原色74
 三、混色法75
 第五节 红外线和紫外线76
 一、红外线76
 二、紫外线78
 第六节 X射线的衍射与应用79
 一、 X射线79
 二、 X射线衍射79
 三、X射线的应用80

第六章 相对论与宇宙82
 第一节 狭义相对论的创立82
 一、第一朵乌云82
 二、伽利略变换和洛仑兹变换83
 三、狭义相对论的创立84
 第二节 奇妙的相对论效应85
 一、洛仑兹收缩85
 二、运动时钟变慢86
 三、质速关系86
 四、质能关系88
 第三节 广义相对论的可观测效应89
 一、孪生子佯谬89
 二、时空弯曲90
 三、广义相对论的可观测效应91
 第四节 宇宙膨胀和黑洞93
 一、退行红移和宇宙膨胀93
 二、黑洞94
 第五节 宇宙概论95
 一、宇宙大爆炸理论--宇宙起源和命运95
 二、3K微波背景辐射--大爆炸理论的有力实验证据96

第七章 量子论与微观世界98
 第一节 热辐射与量子论98
 一、热辐射测温98
 二、量子论的诞生99
 第二节 原子光谱与玻尔理论100
 一、卢瑟福的原子模型100
 二、原子光谱的实验规律101
 三、玻尔理论101
 第三节 量子能级跃迁与光谱技术103
 一、能级跃迁与光谱技术103
 二、荧光光谱分析103
 三、分子光谱105
 第四节 物质波的衍射现象106
 一、物质波106
 二、物质波的衍射现象106
 三、海森伯的测不准关系107
 第五节 隧道效应和量子计算机108
 一、量子力学处理微观问题的方法108
 二、隧道效应及其应用110
 三、量子计算机112

第八章 核物理与核技术114
 第一节 揭开原子核内部的奥秘114
 一、核物理的发展114
 二、原子核的基本性质115
 第二节 核衰变与放射性117
 一、放射性的发现117
 二、核衰变117
 三、人工核反应118
 第三节 重核裂变与原子弹118
 一、奇妙的核裂变链式反应118
 二、链式反应的控制--核反应堆119
 三、原子弹120
 四、贫铀与贫铀弹121
 第四节 热核聚变与氢弹121
 一、太阳里的热核反应和太阳寿命121
 二、受控热核聚变122
 三、氢弹和中子弹124
 第五节 色彩纷呈的核技术125
 一、核技术的医学诊断和治疗125
 二、核技术的工业应用127
 三、核技术的农业应用127
第九章 物理效应与人类感知能力的提高128
 第一节 眼睛与眼镜128
 一、人眼的光学功能及其分辨极限128
 二、眼睛的缺陷和矫正128
 第二节 显微镜129
 一、光学显微镜129
 二、电子显微镜131
 三、原子力显微镜135
 四、中子显微镜135
 第三节 望远镜135
 一、光学望远镜136
 二、射电望远镜138
 第四节 五花八门的传感器139
 一、传感器和传感器技术140
 二、电阻式传感器140
 三、电容式、电感式、压电式传感器141
 四、光纤传感器143
 五、光电传感器144
 六、声表面波智能型网络压力传感器144
 七、遥感技术145

第十章 激光技术与应用146
 第一节 形形色色的激光器146
 一、激光的物理基础--受激辐射146
 二、激光的特点148
 三、激光器的三大要素148
 四、激光器的种类150
 第二节 激光测距定位及加工技术152
 一、激光测距仪152
 二、激光雷达152
 三、激光制导153
 四、激光加工技术154
 第三节 光纤通信技术155
 一、光纤155
 二、光纤通信156
 三、光纤通信的独特优点157
 四、光孤子通信157
 第四节 奇妙的全息照相技术158
 一、全息照相基本原理158
 二、全息照相的特点159
 三、激光全息的妙用159
 第五节 从磁盘到光盘160
 一、磁记录概述160
 二、光存储技术161
 第六节 自由电子激光和飞秒激光162
 一、自由电子激光162
 二、飞秒激光164

第十一章 神奇的超声技术165
 第一节 超 声 现 象165
 一、自然界中的超声现象165
 二、超声波的特征166
 第二节 超声波的发射与接收167
 一、声波与振动167
 二、超声的获得167
 第三节 超声的医学应用169
 一、超声诊断的物理基础169
 二、超声诊断的原理169
 三、超声诊断170
 四、超声治疗171
 第四节 超声对产品的质量检测172
 一、超声波探伤172
 二、超声测量厚度172
 三、超声对应力的测试173
 四、超声波流量计173
 第五节 不断扩大的超声世界174
 一、声空化技术174
 二、移动电话机里的超声176
 三、超声马达178
 第六节 其他声学技术179
 一、声呐技术179
 二、声纹识别技术180
 三、声悬浮技术180

第十二章 能源与能源技术181
 第一节 矿物资源的枯竭对新能源的呼唤181
 一、人类利用能源的脚步181
 二、能源及其分类182
 三、矿物能源的枯竭182
 四、能源与环境183
 第二节 新型能源的霸主--核能185
 一、原子能发电185
 二、核能发电的优势和安全性186
 三、核潜艇187
 四、原子能飞机和原子能火箭188
 五、核爆炸的和平利用188
 第三节 人类理想的能源--太阳能188
 一、太阳能资源的特点188
 二、太阳能的光热转换189
 三、太阳能的光电转换190
 四、太阳能的光化学转换191
 第四节 取之不尽的能源--风能191
 一、认识风能191
 二、风能利用的优势和困难192
 三、我国的风能资源192
 四、风力发电192
 第五节 大有作为的水力资源193
 一、我国水能资源特点193
 二、水力发电站194
 第六节 新能源展望196
 一、生物能196
 二、干净的氢能197
 三、我们脚下的地热能198
 四、综合利用海洋能199

第十三章 材料物理与新材料200
 第一节 蓬勃发展的纳米科技200
 一、纳米科技的意义200
 二、纳米材料的几种类型201
 三、纳米材料的制备202
 四、纳米材料的特性及其应用202
 五、纳米材料的分析与测试205
 第二节 超导技术206
 一、超导的发现206
 二、超导体的电磁性质206
 三、两类超导体208
 四、BCS超导理论209
 五、约瑟夫森效应210
 六、高温超导体210
 七、超导体的应用211
 第三节 液晶及其应用212
 一、液晶的发现212
 二、液晶相的结构和分类213
 三、液晶的物理性质及其应用216
 第四节 非晶态固体的物理特性与应用217
 一、非晶态固体的概念217
 二、玻璃化转变及非晶态固体的制备218
 三、非晶态固体的结构特点及其性质219
 四、非晶态固体的应用221

参考文献223