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元电荷:基本电荷又称“基本电量”或“元电荷”。在各种带电微粒中,电子电荷量的大小是最小的,人们把最小电荷叫做元电荷,也是物理学的基本常数之一,常用符号e表示。基本电荷e=×10^-19库仑,(通常取e=×10^-19C)。是一个电子或一个质子所带的电荷量。任何带电体所带电荷都是e的整数倍或者等于e。(夸克除外,它是已知唯一的基本电荷非整数的粒子)1897年汤姆生发现了电子的存在后,人们进行了多次尝试,以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷(荷质比),证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。
自由落体运动:通常在空气中,随着自由落体运动速度的增加,空气对落体的阻力也逐渐增加。当物体受到的重力等于它所受到的阻力时,落体将匀速降落,此时它所达到的最高速度称为终端速度。例如伞兵从飞机上跳下时,若不张伞其终端速度约为50米/秒,张伞时的终端速度约为6米/秒。对自由落体最先研究的是古希腊的科学家亚里士多德,他提出:物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的,物体越重,下落得越快;反之,则下落得越慢。亚里士多德的理论影响了其后两千多年的人。直到物理学家伽利略在提出了相反的意见。伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中利用两块不同质量石子的落下来反驳了亚氏的结论,他在书中设想:自由落体运动的速度是匀速变化的,他通过设计了一个实验来提出了自由落体定律:物体下落的速度与时间成正比,它下落的距离与时间的平方成正比,物体下落的加速度与物体的重量无关,也与物体的质量无关。(伽利略:他发现了“摆锤的等时性”,并在工匠的配合下,制成了有史以来第一台摆锤时钟。后来他又制成了世界上第一台天平仪,还为此写了一篇题为《固体内的重心》的论文,当时他年仅21岁。为了捍卫科学,他制造了第一架天文望远镜。由于视野的延伸,他看到了月亮上的山谷、太阳上的黑子,甚至还发现了木星的四颗卫星——即著名的伽利略卫星。伽利略做了上百次,证明小球沿斜面滚下的运动的确是加速直线运动。后来,伽利略将上述结果做了合理的外推:当斜面的倾角增大到90度,这是小球的运动不就是自由落体运动了么?)他考虑了两种可能:一种是速度的变化对时间来说是均匀的,即经过相等的时间,速度的变化相等;另一种是速度的变化对位移来说是均匀的,即经过相等的位移,速度的变化相等。伽利略假设第一种方式最简单,并把这种运动叫做匀变速运动。在伽利略的时代,技术不够发达,通过直接测定瞬时速度来验证一个物体是否做匀变速运动,是不可能的,但是,伽利略应用数学推理(结合平均速度)得出结论:做初速度为零的匀变速运动的物体通过的位移与所用时间的平方成正比,即s=at^2;这样,只要测出做变速运动的物体通过不同位移所用的时间,就可以验证这个物体是否在做匀变速运动。
自由落体下落的时间太短,当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难,伽利略采用了间接验证的方法,他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下,做了上百次的实验,实验结果表明,光滑斜面的倾角保持不变,从不同位置让小球滚下,小球通过的位移跟所用时间的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动,换用不同质量的小球重复上述实验,位移跟所用时间的平方的比值仍不变,这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的。不断增加大斜面的倾角,重复上述实验,得出的值随斜面倾角的增加而增大,这说明小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。伽利略将上述结果做了合理的外推,把结论外推到斜面倾角增大到90°的情况,这时小球将自由下落,成为自由落体伽利略认为,这时小球仍然会保持匀变速运动的性质。
伽利略对自由落体的研究,就是抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法,这种方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用,至今仍不失为重要的科学方法之一。
正比、反比与正相关、负相关
A是B的数值乘以一个正常数,那么A与B成正比。
A与B的倒数成正比(就是倒数乘以一个正常数),那么A与B成反比。
“负相关”和“正相关”是指两个具有相关关系的两个变量,当自变量增长,因变量也跟着增长成为正相关,当自变量增长,因变量反而减少成为负相关.
若两个具有线性相关关系的变量,其回归方程为y=bx+a,当b>0时正相关;当b<0时,负相关。
场
场论,物理学中把某个物理量在空间的一个区域内的分布称为场,如温度场、密度场、引力场、电场、磁场等。如果形成场的物理量只随空间位置变化,不随时间变化,这样的场称为定常场;如果不仅随空间位置变化,而且还随时间变化,这样的场称为不定常场。在实际中,一般的场都是不定常的场,但为了研究方便,可以把在一段时间内物理量变化很小的场近似地看作定常场。
19世纪上半叶,电磁学得到迅速发展,,由韦伯、,不需要中介,也不需要任何传递时间(后有人修改为延迟作用),这种观点称作超距作用观点;被称作“正确理解电磁现象的带路人”的法拉第独树一帜,他提出电和磁的作用不可能没有中介地从一个物体传到另一个物体,而是通过处于中间的介质传送的;他为我们描绘了这样一幅电磁作用图景:在带电体、磁体、电流周围的空间中,充满着一种介质,可以传递电、磁作用,这就是电场、磁场,而电磁场最直观的描述就是力线。麦克斯韦提出了第一篇电磁学论文《论法拉第力线》,他的《论物理力线》,从而建立起能够说明电磁作用的力学模型,该文中提出了“位移电流”和“电磁波”《电磁场的动力学理论》列出了含有20个变量的20个方程,包含了全部已知的电磁学内容,将电学和磁学完美的统一在了一起,从而诞生了重要的电磁学,也给后来的大统一场理论开创了先河。可以毫不夸张地说,它是物理学发展史上的一座里程碑!
分子电流假说
安培观察到通电螺旋管的磁场和条形磁铁的磁场很相似,提出了分子电流假说。安培认为在原子、分子等物质微粒的内部,存在着一种环形电流——分子电流,使每个微粒成为微小的磁体,,它们产生的磁场互相抵消,对外不显磁性。当外界磁场作用后,分子电流的取向大致相同,分子间相邻的电流作用抵消,而表面部分未抵消,它们的效果显示出宏观磁性。当磁体受到高温或猛烈撞击时会失去磁性,是因为激烈的热运动或震动使分子电流的取向又变的的杂乱无章了。若包括介质因磁化而产生的磁场在内时,用磁感应强度B表示,其单位为特斯拉T,是一个基本物理量;单独由电流或者运动电荷所引起的磁场(不包括介质磁化而产生的磁场时)则用磁场强度H表示,其单位为A/m,是一个辅助物理量。在工程中,B也被称作磁通密度(单位Wb/m2)。在各向同性的磁介质中,B与H的比值即介质的绝对磁导率μ,单位为亨/米(H/m)。
磁体
能够长期保持其磁性的磁体称永久磁体。如天然的磁石(磁铁矿)和人造磁体(铝镍钴合金)等。磁体中除永久磁体外,也有需通电才有磁性的电磁体。永磁体也叫硬磁体,不易失磁,也不易被磁化。但若永久磁体加热超过居里温度,或位于反向高磁场强度的环境下中,其磁性也会减少或消失。有些磁体具有脆性,在高温下可能会破裂。而作为导磁体和电磁铁的材料大都是软磁体。永磁体极性不会变化,而软磁体极性是随所加磁场极性而变的。他们都能吸引铁质物体,我们把这种性质叫磁性。
布朗运动
布朗运动是将看起来连成一片的液体,在高倍显微镜下看其实是由许许多多分子组成的。液体分子不停地做无规则的运动,不断地随机撞击悬浮微粒。当悬浮的微粒足够小的时候,由于受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一瞬间,微粒在另一个方向受到的撞击作用超强的时候,致使微粒又向其它方向运动,这样,被分子撞击的悬浮微粒做无规则运动的现象叫做布朗运动。布朗运动是大量液体分子集体行为的结果。值得注意的是,布朗运动指的是花粉迸出的微粒的随机运动,而不是分子的随机运动。但是通过布朗运动的现象可以间接证明分子的无规则运动。
布朗运动的几大特征:无规则、永不停歇、颗粒越小布朗运动越明显、温度越高布朗运动越明显、肉眼看不见,做布朗运动的固体颗粒很小,肉眼是看不见的,直径约1~10纳米必须在显微镜才能看到。
分子热运动
物体都由分子、原子组成,而一切物物质的分子都在不停地运动,且是无规则的运动,这种无规则的运动就是分子的热运动。分子的运动与温度和分子质量有关,但如果想真正了解它,只能在电子显微镜下看到。分子的运动还与分子的间隔有关,比如说,在常温下,气体与气体之间的运动会很快,要观察其运动现象,最多只需1天;而液体需要1个月左右;而固体需几年。并且我们会发现在分子的间隙上看:气体大于液体大于固体(分子间隙),因此,分子的运动与分子的间隔有关。在一个烧杯中装半杯热水,另一个同样的烧杯中装等量的凉水。用滴管分别在两个杯底注入一滴墨水,发现装热水的烧杯的颜色变化地快。说明分子的热运动与温度有关。分子热运动可以在气体、液体和固体间进行。举一个简单的例子,你用一条金片和一条铅片贴合在一起,在常温下放置5年,再切开,你会发现他们互相渗入有1mm深,如果持续加100°C的热,他们会贴合得更快。需要注意的是:温度是分子平均动能的标志,是大量分子的统计规律;当温度升高时,分子的平均动能增大,并不是每个分子的动能都增大
热力学第二定律(熵与焓)
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响,或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”,表明了在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。简单的来说,自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性
热力学第一定律是能量守恒定律。热力学第三定律通常表述为绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零,或者绝对零度(T=0开氏温标)不可达到。
从分子运动论的观点看,作功是大量分子的有规则运动,而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小,而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统,其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行,从此可见热是不可能自发地变成功的。热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系,也不能把它推广到无限的宇宙。如果将热力学第一、第二定律运用于宇宙,这一典型的孤立系统,将得到这样的结论:,。那么将得到,宇宙的熵终将达到极大值,即宇宙将最终达到热平衡,称热寂。
焓:热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参量,常用符号H表示。对一定质量的物质,焓定义为H=U+pV,式中U为物质的内能,p为压力,V为体积。焓的物理意义可以理解为恒压和只做体积功的特殊条件下,Q=ΔH,即反应的热量变化。因为只有在此条件下,焓才表现出它的特性。例如恒压下对物质加热,则物质吸热后温度升高,
ΔH>0,所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。又如对于恒压下的放热化学反应,ΔH<0,所以生成物的焓小于反应物的焓。
电磁波
变化的电场会引起磁场,变化的磁场也会引起电场。电磁波,是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,电磁场是物质的特殊形式,它具有一般物质的主要属性,如质量、能量、动量等。电磁波伴随的电场方向,磁场方向,传播方向三者互相垂直,因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点,便以光的形式向外辐射,此阶段波体为光子,太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态,电磁波不依靠介质传播,在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率,主要分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线(无味红壳子)。人眼可接收到的电磁波,称为可见光(波长380~780nm)。电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。且温度越高,放出的电磁波波长就越短。
电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来,而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程,一种波动方程,这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等,麦克斯韦推论光波也是电磁波。
电磁波平率低时,需要借助介质才能传播;频率高时,无需介质也能进行长途传播,这就是辐射,比如光波;
电磁波可以发生会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。
电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。
热效应:人体是一个导体,像所有导体一样,人体受到无线电流和微波辐射后,会产生电流,从而引起人体发热。太阳所发出的红外线和可见光是自然界中最强的电磁辐射,也是我们所处的环境中最强的电磁辐射源,红外线和可见光可以在人体的表层引起发热。
非热效应:人体的器官和组织都存在微弱的电磁场,它们是稳定和有序的,一旦受到外界某些频率电磁波的干扰,处于平衡状态的微弱电磁场可能遭到破坏,从而对人体的机能产生影响。
积累效应:太阳除了向外辐射红外线和可见光外,还会辐射大量的能量较高的紫外线,这些紫外线对人体也是有益的,但过强的紫外线会灼伤皮肤,还有可能诱发皮肤癌。
X射线、伽马射线属于高能电磁辐射,能够直接破坏人体内分子的分子结构,包括蛋白质、DNA等的结构,从而引起人体发生病变,并且会引起各种癌症。
无线电波用于通信等
微波用于微波炉、卫星通信等
红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等
可见光是所有生物用来观察事物的基础
紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等
X射线用于CT照相
伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等.。
辐射本身是个中性词,自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式被称为辐射。拥有足够高能量的辐射,可以把原子电离。一般而言,电离是指电子被电离辐射从电子壳层中击出,使原子带正电。由于细胞由原子组成,电离作用可以引致癌症。热辐射,是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的热传方式。它不依赖任何外界条件而进行。它是热的三种主要传导方式之一。
折射率
折射率,光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比率。速度之比等于介质折射率的反比。
同一媒质对不同波长的光,具有不同的折射率;在对可见光为透明的媒质内,折射率常随波长的减小而增大,即红光的折射率最小,紫光的折射率最大。
真空的折射率等于1,两种介质的折射率之比称为相对折射率。例如,第一介质的折射率为,第二介质的折射率为,则称为第二介质对第一介质的相对折射率。某介质的折射率也是该介质对真空的相对折射率。于是折射定律可写成如下形式:
两种介质进行比较时,折射率较大的称光密介质,折射率较小的称光疏介质。
空气折射率可以约等于1。
对于不同的波长,介质的折射率n(λ)也不同,这叫做光色散。折射率与波长或者频率的关系称为光的色散关系。
折射率是物质的一种物理性质。它是食品生产中常用的工艺控制指标,蔗糖溶液的折射率随浓度增大而升高。通过测定折射率可以确定糖液的浓度及饮料、糖水罐头等食品的糖度。各种油脂具有其一定的脂肪酸构成,每种脂肪酸均有其特定的折射率。因此测定折射率可以鉴别油脂的组成和品质。测定折射率可以初步判断某些食品是否正常。如牛乳掺水,其乳清折射率降低,故测定牛乳乳清的折射率即可了解乳糖的含量,判断牛乳是否掺水。
干涉
干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新波形的现象。
例如采用分束器将一束单色光束分成两束后,再让它们在空间中的某个区域内重叠,将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的:其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化,最亮的地方超过了原先两束光的光强之和,而最暗的地方光强有可能为零,这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。
杨氏双缝实验是最早被提出的光的干涉演示实验(托马斯·杨),这一实验的重要意义在于它是对光的波动说的有力支持,由于实验观测到的干涉条纹是牛顿所代表的光的微粒说无法解释的现象,双缝实验使大多数的物理学家从此逐渐接受了光的波动理论。
从一个点光源出射的单色波传播到一面有两条狭缝的屏上,两条狭缝到点光源的距离相等,并且两条狭缝间的距离很小。由于点光源到这两条狭缝的距离相等,从它们出射的相干光发生干涉,可以在远距离的屏上得到干涉条纹。
两个振幅、波长、周期都相同的正弦波相向行进,会干涉而形成驻波。
几列波相遇时,每一列波都能保持各自的状态继续沿原来的传播方向向前传播,彼此之间互不影响,好象没有遇到其他波一样。叫做波的独立传播特性。
衍射
光在传播路径中,遇到不透明或透明的障碍物或者小孔(窄缝),绕过障碍物,产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。注意,光的直线传播只是一种近似的规律,当光的波长比孔或障碍物小得多时,光可看成沿直线传播;在孔或障碍物可以跟波长相比,甚至比波长还要小时,衍射就十分明显。由于可见光波长范围为4
×10∧-×10∧-7m之间,所以日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。1818年,法国科学院提出了征文竞赛题目:一是利用精确的实验确定光线的衍射效应;二是根据实验,用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下,菲涅耳向科学院提交了应征论文。
他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的有:波动理论的热心支持者阿拉果;微粒论的支持者拉普拉斯、泊松和比奥;。菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。
在委员会的会议上泊松指出,根据菲涅耳的理论,应当能看到一种非常奇怪的现象:如果在光束的传播路径上,放置一块不透明的圆板,由于光在圆板边缘的衍射,在离圆板一定距离的地方,圆板阴影的中央应当出现一个亮斑,在当时来说,这简直是不可思议的,所以泊松宣称,他已驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉果接受了这个挑战,立即用实验检验了这个理论预言,非常精彩地证实了这个理论的结论,影子中心的确出现了一个亮斑。
这一成功,为光的波动说增添了不少光辉。泊松是光的波动说的反对者,泊松根据菲涅耳的计算结果,得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点,这是令人难以相信的,过去也从没看到过,因此泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。但是恰巧,菲涅耳和阿拉果在试验中看到了这个亮斑,这样,泊松的计算反而支持了光的波动说。过了不久,菲涅耳又用复杂的的理论计算表明,当这个圆片的半径很小时,这个亮点才比较明显。经过实验验证,果真如此。菲涅耳荣获了这一届的科学奖,而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论,成为“物理光学的缔造者”。
沸水中气泡上升时是吸热还是放热问题
气体温度、质量不变——气体内能不变——气体体积膨胀——气体对外界做功——气体内能会减少——温度会降低——会从外界吸热。