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  • 物理学惯性质量和引力质量_物理专业论文

    发展一种新的理论,仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的,还需寻找建立新理论的突破口。爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。 伽利略在他的《关于力学和运动两门新科学的对话》中写道:我曾经做过试验,可以向你保证,从200肘尺高处放下的一颗一两百磅甚至更重的炮弹,不会比一同放下的仅重半磅的枪弹到达地面要领先一秒钟。这段叙述表明所有物体的重力加速度相同。亚里士多德曾根据他的运动风,重物下落是物体回归天然位置的自然运动,物体越重,趋向天然位置的倾向就越大,自然得出物体越重,下落得越快。伽利略反对亚里士多德的运动知识化 ,他以实验事实作了不力的反驳。然而他并同有认识到这条定律的深刻含义。 所有物体的重力加速度均相同,反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。根据牛顿定律,作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度,这里的质量是物体的惯性质量;另一方面,物体下落时,作用在物体上的力是地球对它的吸引力,它与物体的引力质量成正比。既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体,则引力 质量与惯性质量成正比;选取相同的单位,两者相等。 我们知道,惯性质量是物体惯性的量度,反映物体对加速度的阻抗,而引力质量是物体引力属性的量度,反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性,描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题,并第一次想到用实验来明确检验两者的等同性。他在他的《原理》一书中记叙了他所做的实验。他做了两只等大的圆木盒,用11英尺长的细绳悬挂起来构成摆,一只装满了木料,另一只装入得量的金或银、铅、玻璃、沙、食 盐、水以及小麦等等,比较它们的摆动周期。根据牛顿定律容易得出周期T。可以看出仅当惯性质量m惯与引力质量m引之比与材料无关,两摆的周期才会相等。牛顿实验中没有观察到两摆周期的差异,由此他推算出m引/m惯=1+0(10-3),即两者相符合的精度在10-3以内。以后又有不少物理学家做实验,把精度提高了许多,如1830年贝塞耳得0(10-5),1889年厄缶得0(10-8),1964年迪克得0(10-11),1971年布拉金斯基得0(10-12)。 看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。那么,这是一种巧合吗,还是有更深刻的原因?它意味着什么?这是又一个值得思考的问题。人们研究发现,在牛顿力学中无法加以说明,于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。 爱因斯坦对于惯性质量和引力质量严格相等的印象很深,他在给英国格拉斯哥大不所作的报告《广义相对论的来源》中说:在引力场中,一切物体都具有同一加速度。这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等的定律,它当时就使我认识到它的全部得要性。我为它的存在感到极为惊奇,并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。他一直深信:一个有希望受到应有的信任的理论,必须建立在有普遍意义的事实上。而这一惯性质量同引力质量相等的定律的确是一个奇特的具有普遍意义的事实 。他不断地思考这一问题,终于有一天找到了问题的答案。他于1922年在日本京都大学所作的报告《我是如何发现相对论》中说道:这个难题的突破点突然在某一天找到了。那天,我坐在伯尔尼专利局办公室里,脑子里突然闪现一个念头:如果一个人正在自由下落,他决不会感到他有重量。我吃了一惊。这个简单的想象给我的印象太深刻了。它把我引向新的引力理论。我继续想下去:下落的人正在作加速运动,可是在这个加速参考系中,他有什么感觉?他如何判断面前所发生的事情?爱因斯坦在这里所说的突然闪现的念头就是那著名的爱因斯坦升降机的理想实验。设想观察者在一个密封的升降机里做力学实验,一种情形是升降机静止在地面上(地球看成是惯性系),它是一个惯性生活费,其中存在地球的引力场,由于m惯 = m引 ,任何物体的重力加速度均相等为g;另一种情形是升降机远离一切物体,即处于没有引力场的地方,它相对于某个惯性系以加速度g上升,它是一个非惯性系。在这两种情况下,观察者测得物体下落的加速度是g,他观察到的力学现象都相同,他无法断定他所在的参考系究竟是有引力场的惯性系还是并无引力的非惯性系。这表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动,或者说非惯性生活费与引力场等效,爱因斯坦把它称为等效原理。根据等效原理,引力场可以用非惯性来消除,例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力,在这个自由落体系中,惯性定律很好地成立,一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态,这一参考系实在是很好的惯性系,其中物理规律具有狭义相对论的形式。另外,非惯性系与引力场等效,非惯性系与惯性系就没有原则性的区别,它们都可以同样好地用来描述物体的运动,没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的,没有哪一个比另一个更优越,爱因斯坦把它称为广义相对性原理。爱因斯坦的广义相对论就是在等效原理和广义相对性原理这两条原理的基础上发展起来的。在广义相对论中,惯性系不再是理论上和实践上不可捉 摸的,它就是自由落体系;前述狭义相对论的两点不足通过等效原理和广义相对性原理联系在一起一揽子加以解决,广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系,所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的,而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论中。 由此可见,原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实,而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石,并由此发展了广义相对,这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

  • 物理学前沿问题探索分析_物理论文

    摘要:从简单的自然规律出发,推导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的结构形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。合理的解释了时间的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子结构、原子核放射性规律、重核元素结构等。其中有许多的新观点和新思维,对拓宽视野,推进物理学的发展很有好处。 关键词:万有引力 万有斥力 宇宙 低温超导 原子结构 同位素 放射性 太阳系的起源 1.万有引力和万有斥力 弹簧振子作往复振动,压缩时, 弹簧产生一个向外伸展的弹力;拉长时, 产生一个向内拉伸的弹力;平衡位置时,弹簧不产生弹力。如同弹簧振子, 对于宇宙, 也具有类似的特性。现代天文学发现, 当今宇宙正好处在拉伸的状态, 正在向着要收缩的趋势发展. 既使宇宙今天仍在膨胀, 总有一天, 整个宇宙将会膨胀到终极点后再向内收缩. 这就是为什么现在存在万有引力的原因。 根据对称性原理, 宇宙在特定的条件下会产生万有斥力, 当宇宙收缩且通过其平衡位置(即万有引力和万有斥力的临界点)时, 宇宙中的所有物体就开始相互排斥. 但由于宇宙的巨大惯性, 仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥力继续收缩, 直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止. 这时宇宙成了原始宇宙蛋,这时宇宙的体积最小。 在这宇宙的整个宏观运动过程中, 宇宙的运动动能和势能(引力势和斥力势)相互转换. 当宇宙收缩到极点时, 宇宙的引力势能释放殆尽, 这时宇宙的万有斥力势能积蓄到最大值, 物质间的万有排斥力达到顶峰, 宇宙瞬时静止. 紧接着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能, 当达到平衡位置时, 其斥力势能释放完毕, 引力势能开始诞生并发挥作用. 在引力势和斥力势的临界点(即平衡位置)的一瞬间, 宇宙中的物质不受斥力和引力的作用, 这时宇宙的膨胀速度达到最大值, 通过平衡位置后, 宇宙引力势能的逐渐积累, 导致宇宙的膨胀速度缓慢降低. 由于宇宙巨大的惯性作用, 将继续膨胀, 宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能, 当宇宙动能完全转变为引力势能时, 宇宙将停止膨胀, 这时宇宙膨胀体积达到最大, 其引力势能的积累也达到最大, 宇宙将有一个瞬间的静止. 紧接着, 宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 又将其积累的引力势能转变为宇宙动能. 如此往复, 以至无穷. 在宇宙膨胀(或收缩)的不同时期, 万有引力(或斥力)的大小是不相同的, 且呈周期性变化. 宇宙的膨胀(或收缩)的周期对人类来说大得惊人. 人类历史与宇宙运动周期相比, 仅相当于其中的一个极小极小极小的点. 所以人类无法用实验或观察的方法进行验证。 2.宇宙膨胀(或收缩)过程中的时间和时间矢 对于一个假想的处于宇宙外的观察者看来, 在宇宙运动过程中, 时间的流失也是不均匀的, 在引力或斥力较大的空间, 时间过得较快,反之亦然。对处于宇宙中的假想观察者, 其自然生理周期也将随引力或斥力的大小而发生变化, 当其生理周期发生了变化时, 用来测量时间的时钟的运行速度也将发生同样的变化, 所以, 对观察者来说,他并不能发现其生理周期发生了变化. 对宇宙外的观察者来说, 这种变化是十分明显的。 无论宇宙是处于膨胀阶段还是处于收缩阶段,在其阶段内生存的所有物体都不会出现破镜重圆的时间倒流现象,宇宙中的时间矢永远是不可逆的,对于生存在其间的生物,始终是由诞生-发育-衰老-死亡进行的,永远不可能逆过来进行,这就是宇宙的时间矢和宇宙中的万物一样,永远不可逆。 宇宙运动的周期是多少? 宇宙膨胀后的最大体积和收缩后的最小体是多少? 宇宙的平衡位置在哪里? 在平衡位置时宇宙运动的最大速度是多少? 宇宙的总的引力势能和斥力势能是多少? 等等一切宇宙学方面的问题有待探讨 如果人们能计算出现今宇宙的总的势能和宇宙的膨胀速度,就可以计算出宇宙的总的机械能。宇宙中的物质从宇宙中心到宇宙边缘. 处于宇宙中不同位置的物质具有不同的动能和势能, 另外, 人类现在所能探测到的宇宙空间仅是宇宙总的空间的很小的一部分, 所以,人类在现代科学技术水平下, 还很难进行这样的计算。既使计算出了宇宙的机械能, 宇宙还具有宇宙内能和场能。 3.原子核的放射性与宇宙的周期性运动 原子核的放射性也可以由宇宙的周期性运动得到圆满的解释. 现今宇宙中, 到处都存在原子核的放射性, 从原子核的内部不断发射出各种粒子和能量. 宇宙在其膨胀的最初时期, 宇宙中的所有物质都聚集在一个相当小的球形体积内, 成为一个巨大的唯一的原始原子核, 也是宇宙中最大的原子核. 由于能量的高度集中, 在聚集在核内的强大的万有斥力作用下, 巨大的原子核难以保持稳定. 在极其短的时间内, 发生了宇宙大爆炸, 这时原子核一分为二, 二分为四, ……, 就这样一直分裂下去, 在刚开始裂变的极短的时间内,核子的链式裂变极其迅速,随着原子核的不断裂变而变小,宇宙的体积也不断增大,极其强大的斥力势能不断得到释放,裂变的剧烈程度也随之慢慢的降低,逐渐演变成形各种不同的原子核。在发生核裂变一个较短的时期内, 所有受斥力能作用而破裂的原子核,其核内蕴含的斥力能远大于核子的结合能,都能自发分裂成小的原子核。 由于核的变小,宇宙的体积不断增大,斥力势能的进一步降低,在这个较短的时间过去后,有少部分破裂后体积较小的原子核,其斥力势能与其核子的结合能大小相比拟或更小时,核停止了自发分裂,暂时处于相对稳定时期,但是,大部分原子核内的斥力势仍十分巨大,原子核的结合能抵挡不了斥力能的作用而自发裂变。再过一段较长的时间,随着原子核的体积的进一步变小,斥力能的进一步释放,越来越多原子核的斥力能小于核的结合能而进入核的稳定时期,暂时不再分裂. 因而就失去了放射性。但有这些核仍具有多次分裂的潜在能力, 有潜在的放射性。 随着时间的推移, 放射性逐渐减弱, 能继续分裂的核越来越少, 当宇宙膨胀到最大时, 仍有极少数核具有放射性. 这就是为什么现在宇宙中仍有数量可观的核具有放射性的原因。 原子核的放射性是相对的, 核在不同的时期具有不同的放射性, 随着宇宙的不断膨胀, 宇宙中物质密度的减小, 温度的降低, 以往某一时期失去了放射性的原子核, 这时又会进入一个新的不稳定时期, 核子又重新活跃起来产生新的放射性. 这是因为, 在不同的时期, 核子的温度和核周围物质的密度下降, 核子外部抗放射性的背景压力(简称:抗放射背压)的降低, 使得核子又能克服抗放射背压重新具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙的密度和宇宙背景辐射压力的降低, 在某阶段没有放射性的核子, 过一段时间后, 核子内部的结合力抵抗不住外界背景压力的降低而产生放射性. 经过一次或多次放射后, 核子又进入一个新的相对稳定期,须再经一段时间的相对稳定期, 待外界放射背景压力再一次下降后,又重新活跃起来产生新的放射性。随着宇宙的不断膨胀,抗放射背压的不断降低,核的裂变也将不断的进行下去。 在同一时刻和宇宙中的不同位置, 对于具有相同结构的核,其放射性能也会大不一样. 在宇宙中的某一区域具有放射性的核子, 在宇宙中的另一区域不一定也具有放射性. 但具有放射性的潜力, 待抵抗放射性的背景压力下降到一定程度后, 才能表现出其放射性. 也就是说, 物质是否具有放射性, 要由它所处的宇宙中的位置的抗放射背景压力的高低来定. 在宇宙的整个膨胀过程中, 宇宙中的核子相对地越变越小, 直到宇宙膨胀到最大且开始收缩时, 一些核子仍具有放射性,只有等到宇宙收缩到一定程度, 待抗放射背景压力上升到核子不能放射出粒子为止。 由对称性原理,既然核子在一定时期具有放射性, 在其相对应的另一时期核子必定具有结合性。 当宇宙膨胀到极限,宇宙的引力势也积蓄到极限,这时,在引力势的作用下宇宙开始收缩, 核外的抗放射性背压开始增加,随着抗放射背压的增加, 部分较小的核开始具有结合性,慢慢地,随着宇宙的进一步收缩, 核子的不断收缩,宇宙中的核子数会逐渐减少, 核子的单个体积增大, 最后形成一个巨大的原子核. 这时宇宙的所有动能全都转换为宇宙势能, 宇宙的斥力势能达到最大, 一个新的宇宙大爆炸的条件又已具备, 并又进入新的一轮宇宙膨。. 值得一提的是, 在宇宙的同一区域内,在同一个放射背景压力的情况下,核子放射性和结合性是矛盾的统一体。部分较大的核具有放射性, 即此时的背压低于该核放射性终止的背压, 不足以阻止该核停止放射. 而部分较小的核, 由于其背压高得足以使其发生核的结合, 所以在当今世界上核的裂变和聚变反应同时存在. 一般核的裂变都是大的核子, 核的聚变都是小的核子,对于中等质量的核, 由于外界的抗放射背景压力正好能阻止核的裂变和聚变, 暂时没有核的裂变和聚变. 所以, 通过测量原子核的裂变和聚变能力, 以及核子体积的大小, 就可以计算出我们所在宇宙空间的抗放射性背景压力的高低。 4.合成超大原子核的可能性 我们现在正生活在一个膨胀的宇宙中, 总的趋势是, 核的裂变占优势, 聚变处于次要地位. 要想合成大于元素周期表中的核子, 在现今实验室就能做到, 但是其寿命很短. 如果能制造出一个高的抗放射背景压力的容器或环境, 我们就可以将实验室制造出来的重核储存起来. 但合成大的核子必须消耗相当多的能量,这个能力大于或等于在合成该核的环境下其自然裂变所释放出的能量,因为这个过程正好是核裂变的逆过程, 核裂变后放出多少能量, 则核结合时必须付给它相对应的能量. 对于核的放射性, 正是一个由高的抗裂变背景压力环境过度到低的抗裂变背景压力环境的演变. 因为, 在原子核这个环境中, 核的密度比核外物质的密度要高出许多倍。这是一个在一定温度的情况下, 物质由高密度(即高抗核裂变背景压力环境)向低密度(低抗裂变背景压力环境)的节流裂变过程. 上面谈到的抗高放射背景压力的容器或环境, 如果能制造出来, 将会产生极其巨大的作用. 我们可以将当今不能很好保存的具有放射性的核子以及人类新合成的重的具有放射性的核放入其中, 这样这些具有放射性的核就不会再进行放射演变. 就相当于储存了核能. 由于没有核放射性, 也就没有核污染,也没有大量高纯放射性核子储放在一起会产生核爆炸的危险。宇航员可以带上装有放射性核的容器作为宇宙航行的动力。同时,也是研究宇宙起源和演变最好的科学手段. 如果这样的容器能抗很大的放射性背景压力, 人们就有可能制造出质量很大的单个的原子核, 或许这样的原子核重量能达到100kg以上. 这种大的原子核通过某种特殊装置, 将其节流后释放出来, 将会放射出大量的核裂变能量. 其裂变方式将会是一分为二, 二分为四, ……, 直到正常核的大小为止. 其释放出来的能量比起当今的仅一分为二的核裂变来说, 不知要大多少倍. 但是, 这种容器被破坏, 也将会发生巨大的核裂变反应. 同理,如果能制造出高的抗核裂变背景压力的容器, 一定也能制造出高的抗聚变背景压力的容器. 这样的容器能使具有聚变能力的核失去聚变能力, 使没有放射性的物质产生放射性. 那么, 我们将中等质量且无放射性的核通过节流装置让其进入, 则它就会发生裂变反应,放射出核能,但是, 如果这样的容器被破坏, 将会发生核聚变反应。 上面所说的两种容器, 对具有较高抗裂变背景压力的容器, 我们可以将小质量的元素(如氕、氘等)通过节流装置注入其中, 这时小质量的元素就会源源不断地发生核聚变反应释放出结合能, 这种设施叫低温核聚变装置. 这样的容器可以储存大质量的核, 储存放射性元素, 也可以作为核聚变装置. 同样, 对具有较高抗结合背景压力的容器, 可以储存具有核聚变性的轻核元素, 也可以作为中等质量且无放射性的核的核裂变装置, 或者作为较大质量同时又具有放射性元素发生核裂变(包括深层次裂变)放射出核能的装置. 5.制造储存放射性元素容器的设想. 自然界中的抗放射性背景压力的高低是与宇宙运动(膨胀或收缩)的不同时期、不同区域密切相关的. 宇宙爆炸的初期, 抗裂变背景压力极高, 只有极大的核才具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙中的物质的平均密度与温度也进一步降低, 斥力逐渐减小, 抗裂变背景压力也会随之减小. 当达到宇宙平衡位置时. 斥力降到零, 引力开始由零慢慢增加. 此时抗裂变背景压力达到中值; 由于宇宙巨大的惯性力作用, 宇宙将克服引力的收缩而继续膨胀, 但在引力的作用下, 其膨胀速度将逐渐减弱, 宇宙中物质的密度和温度将继续下降, 这时, 抗裂变背景压力仍在进一步下降; 当宇宙膨胀达到极点时, 物质的密度和温度降到最低, 体积达到最大. 抗裂变背景压力降到最低值. 但并不意味着此时裂变就会终止, 部分大核将继续分裂, 仍具有放射性. 但比以往要弱得多. 此时宇宙的引力势能达到最大, 但静止是相对的, 紧接着宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 一旦收缩开始, 宇宙中物质的密度和温度就会上升, 抗裂变背景压力开始增加, 具有放射性的元素和物质越来越少, 具有结合能的物质越来越多. 到达一定时期, 物质的结合性占主要, 放射性处于劣势, 核的质量将会越来越大, 数量越来越少. 从上面的分析得出, 要想提高抗裂变背景压力, 可从提高物质的密度和温度两方面着手. 也就是提高物质的内能; 要想降低抗裂变背景压力, 必须降低物质的密度和温度. 事实上我们在实验室就是从这两个方面进行的. 例如要想物质发生核聚变, 通过提高小核元素的密度和温度, 来提高抗裂变背景压力, 从而达到聚合的目的;在合成大核时, 就用两核对撞提高结合时的温度和两核接近的可能性. 但碰撞后温度慢慢降下来, 抗裂变背景压力也降下来了, 这时, 刚刚合成的新的大核又将重新分裂为数个小核. 但降低抗裂变背景压力的实验还没有人做过, 如果尽量降低物质的密度和温度, 一定会使某些暂时不具有放射性的中等质量以上的核产生放射性。 6.低温超导现象和原子的特性 从以上的分析不难得出,很有可能低温超导现象的幕后幽灵就是物质在低温时产生了某种特殊的放射性物质后, 这些新的物质的电学性质发生了根本性的改变而使其导电性能发生了质的变化,因为在低温条件下, 物质的抗裂变背景压力下降了, 核子中的中子会克服外界的较低的背景压力衰变成质子和低能电子, 并发出一定的热能. 衰变出来的电子在低温约束时成为物质的自由电子. 由于原子核外自由电子数的增加, 原子半径也随之增大, 从而增加了物质的导电能力. 当物质温度恢复正常时, 抗裂变背景压力也就增加了, 这时低温条件下产生的自由电子在高的抗裂变背景压力的作用下回到原子核内与质子结合变成中子. 吸收一定热量. 原子的核外电子数和核半径也缩回到原来的值, 这时物质的导电性能又降低而回复到原初态。中子衰变成质子和电子以及质子和中子结合成中子的过程中, 伴随有能量的发射和吸收. 温度升高, 电子吸收能量后动能增加, 从而提供了电子回到核内与质子结合所需的能量. 从低温核子放射出电子可知, 由于温度极低, 放射出来的电子的能量也极小, 所以能够滞留在放射出电子的物质附近而成为自由电子. 该电子具有遇冷就出、遇热就进的两重特性, 人们很难摸清其运作的详细细节. 因为在超低温条件下所做的一切实验都显得不方面. 如果我们能找到一种物质, 能在较高的温度下发射出具有以上两重特性的电子, 超导的广泛应用就可以在不久的将来变成现实了, 这种物质必定是β放射性的.其放射出来的β粒子能量很小, 能够约束在物质的原子尺寸范围内, 在高温时又能回到原子核内. 根据以上分析我们还能得出,元素周期表中的原子序数是常温下的情况, 当物质温度发生变化时, 原子序数也将发生相应变化。物质密度不变时,温度升高, 核外电子进入原子核内的可能性就越大, 因为温度越高, 抗裂变背景压力就上升了, 核子的结合性增强了. 当温度进一步增加, 原子核外电子数就越少, 核中的质子与电子结合生成中子的数目就会增加. 原子序数随之降低, 当温度升高到一定程度时, 所有原子核外的电子都进到原子核内与质子结合成中子, 这时核子就变成了一个裸核. 随着温度的升高, 核外电子数减少, 物质的导电性能下降, 当变为裸核时, 原子核显中性, 这时完全不导电. 所以物质的导电性能随温度的升高而降低. 但是, 在整个升温过程中, 原子核外部分电子也获得能量后离开原子核成为自由电子. 当温度升高到原子核成为全裸时, 抗裂变背景压力也就会很高了, 核子与核子之间的结合就更加容易了, 由于裸核不显电性, 核子外围又没有厚厚的电子云覆盖屏蔽, 既使核子之间的对心碰撞速度很低, 也容易结合成大核, 当所需要的使原子核变为全裸核的高温条件在实验室达不到, 核外仍有少部分电子存在的情况下, 可以通过带电核子加速的办法, 使核子之间发生高速对心非弹性碰撞, 克服电子云的屏蔽使核子相互结合. 此时核子所需速度必须比裸核时高出许多. 氢核的热核聚变, 就是通过原子核裂变产生极高的抗裂变背景压力, 来达到其聚变所需的极高温条件的. 在极高温条件下, 氢原子变成全裸核(核外电子进入核内或成为自由电子). 两个小核结合生成氦原子核, 同时放射出巨大的能量. 待能量释放完后, 氦原子核周围的温度开始下降, 当降到一定温度时, 氦原子核中的两个中子放射出电子, 这两个电子就成为氦原子核的核外电子. 同样, 我们也可以得出以下结论. 要想使原子核稳定, 在不同的温度和密度条件下, 核内的质子数和中子数的比例也应发生变化. 温度越高, 核能的中子/质子比必须很高, 才能保持核子的相对稳定. 中子/质子比的改变是通过吸收核外电子使其与质子结合成中子而完成的. 这时原子核外电子数目也会相应减少. 温度越低, 原子核内质子就会裂变成质子和电子,使核内中子、质子比降低来达到保持核子的相对稳定,这时核的质子数增加了,核外的电子数也就增加了。因此可以说,原子的核质子数、中子数、电子数是温度、核密度的函数。只有三者有机的配比结合才能保持整个原子的相对稳定性。温度升高,质子数减少,原子序数降低,中子数增加,核外电子数随质子数的变化而变化。 低温超导现象。不同的物质其低温超导的临界温度不同。这跟原子核中子数和质子数有关。有些原子核中的中子放射出电子后,原子的电离降低明显,这样的原子的超导临界温度就较高;有些原子核的中子放射出电子后,原子的电离能降低不多,这时超导临界温度就会较低,它有可能要等到原子核中的中子放射出第二个电子后才使得原子的电离能降低明显,自由电子的自由能力才加强。因此,要出现超导现象,必须使核外自由电子数目多且自由能力很强。也就是在小的电场作用下,就有极为活跃的自由电子和足够的自由电子数目。 7.电子和电磁力的产生 宇宙大爆炸开始前的一瞬间,整个宇宙为一个大的原子, 核外没有电子,核内也没有质子,全由中子组成,宇宙的温度极其极其高。随着原子核的不断裂变演化,原子核越来越小,在其初期温度仍极其高,原子核仍处于剧烈的裂变过程中,核外仍然没有电子存在,整个原子核呈电中性;当温度降到一定程度时,原子核的纯中子的分裂减少,于是中子就开始分裂成质子和电子,诞生了电子和质子,同时也出现了电磁相互作用。电子在质子电场作用下绕核子运动,这时核外的电子数还是相当少,仅一、两个或四、五个;随着宇宙的进一步膨胀,温度密度进一步降低,核内中子分裂为质子和核外电子的数目增加,直到现在这种状况。现在,仍有许多核在裂变,核内的中子、质子比仍在进一步降低。从以上讨论得出,在电子诞生之前,质子和电子不存在,整个宇宙中没有电磁相互作用,直到核裂变到足以产生电子时,才出现电磁相互作用,电磁相互作用是核裂变到一定时期的产物。在电磁相互作用出现之前,只存在核力和斥力(或引力)相互作用,弱相互作用是电磁相互作用的前提和基础。有弱相互作用,核子就存在放射性。放射性是核裂变的一种特殊形式,是较为温和的核裂变,是产生电子束及带电粒子的根源。因此,超导现象又可以说是弱相互作用和电磁相互作用通力合作的典范。 8.恒星内部的大核裂变和外表的氢核聚变 现今宇宙中的恒星,均是宇宙大爆炸时遗留下来的大的正在裂变的碎片,是未能充分裂变的较大的原子核的集合体,其中正在发生作核的裂变和聚变,既有大质量的核子也有小质量的核子,大的原子核可能有几万公斤,甚至更大,小的核子就是氢核了。大质量的核聚集在恒星的中心区域,人类无法探测到大核的存在,因为大核裂变时产生的大量极小的碎片(如氢、氦等)浮在恒星的外部,包裹在大核的表面,在重力和浮力作用下,从恒星中心到表面,形成了由重到轻的核子梯级分布。对大质量的核子的裂变是一种链式裂变,其蕴含的能量比仅一分为二时大得多。 同样,在地球的中心位置,也存在较大的核子,比人类已发现的核子要大得多,仍在裂解释放出巨大的能量。形成地球内部的高温、地球表面的火山爆发。地球表面放射性元素的唯一来源就是地球核心大原子核的裂变产生的较大的原子核。距地表越深,温度越高,抗放射背背景压力就越高,核子的放射性受到抑制,所以核子的质量就越大,小质量的核子数就越少。 9. 原子核的结构与原子核周期表

  • 物理学拟采取的对策_物理专业毕业论文

    生物技术这门高新技术在解决医药、农业、环境等各个方面问题确实是一条重要的途径,并会带来巨大的经济效益和社会效益,这一点是不容置疑的。但GMOs对环境及人体健康的安全性也是不能忽视的。UNDP《2001年人类发展报告》呼吁,人们应对基因改良生物的长期影响做进一步研究,并提倡对基因改良产品做标记,以便使顾客做出知情的选择。《报告》并指出,生物技术和食品安全问题往往是政策欠妥、法规不当和缺乏透明度的结果。 提出下列几点对策: 1)2001年5月23日国务院总理朱镕基签署第304号中华人民共和国国务院令,公布了《农业转基因生物安全管理条例》,规定了国务院农业行政主管部门负责全国农业转基因生物安全的监督管理工作,并建立农业转基因生物安全部际联席会议制度;还规定列入农业转基因生物目录的农业转基因生物,由生产、分装单位和个人负责标识、未标识的,不得销售。农业转基因生物标识应当载明产品中含有转基因成分的主要原料名称等等。《条例》的颁布,为转基因作物及其产品的安全使用打下了重要的基础。下一步有两个重要的工作可能应该重视的,一个是转基因作物的安全问题涉及的部门多,部门之间的合作与协调是一个重要而复杂的问题;第二个是宣传、教育、贯彻落实问题,转基因作物将涉及到广大农民,目前中国农民对什么是转基因作物、转基因作物可能带来的潜在风险,为什么要采取标识制度等等方面的教育十分重视。 2)切实加强生物安全的科学研究工作。发达国家,尤其是欧洲一些国家,在生物安全方面较早就开展了研究,而中国在这方面还处于刚起步或尚未开始的阶段。对农田及自然生态系统中一系列的生态风险的研究如何起步,如何切入,得到的结果往往既有正面效应、又有负面影响。对此又如何作分析等等一系列问题有待研究。在对人体健康影响问题,可能与生态效应一样,得到结论有一个时间问题。可能在短期内得不到结论。这些问题都是在考虑生物安全科研时可供思考的问题。 3)提高粮食产量,解决饥饿问题有一个创新的问题。前面已经肯定,转基因技术是解决粮食短缺的一条重要途径,但应该说不是惟一的途径。中国育种家袁隆平培育出来的超级稻最高亩产可达1139 kg,他的杂交水稻提高的产量可解决5 000万人的吃饭问题。因此研究新的提高粮食产量及品质的途径,走创新之路是非常重要的。 4)切实加强正确的全民宣传活动。尤其要注意媒体的报道。2000年12月,北京一个发行量很大的媒体作了如下的报道,题目为本报记者驱车百余里,寻找转基因草。记者在北京近郊见到6.67 hm2由某农业科技有限公司从美国引进的转基因草,在宣传这草的一系列优点外,最后一句话是转基因,让小草也疯狂。这里最少有两个问题:一是任何转基因植物种植这么大面积,必须经过政府有关部门的批准,可报道上并未提到一点;二是我们虽然不知道这种转基因草是什么种,它在北京近郊是否有亲缘关系很近的近缘种?一旦这种小草真的疯狂起来,上面我们提到的加拿大转基因油菜问题很快在北京近郊就会发生,有可能通过种子传播到大量的农田里成为杂草,如有近缘种,还可能通过杂交,让本来不是杂草的近缘种也到处疯狂起来。 5)不能让中国的大地成为发达国家的实验场所。现在在一些发达国家,虽然进行大量的生物技术,包括GMOs的研究,但不允许作商品化的种植。如挪威等欧洲一些国家,GMOs作商品化种植要经过国王或国会的批准。目前国际上实验室已经成功的转基因作物是大量的,但真正被各国政府批准能作商品化种植的还极少。已有迹象表明一些发达国家通过各种途径把实验室的成果拿到中国来作大田试验,甚至大面积的种植,而我们多数人还缺乏这方面的知识。上述转基因草可能是一个很好的双方都愿意接受的例子。但如果大面积种植后真出现严重的生态负效应,后果将不可收拾。

  • 物理学拟采取的对策

    物理学拟采取的对策       生物技术这门高新技术在解决医药、农业、环境等各个方面问题确实是一条重要的途径,并会带来巨大的经济效益和社会效益,这一点是不容置疑的。但GMOs对环境及人体健康的安全性也是不能忽视的。UNDP《2001年人类发展报告》呼吁,人们应对基因改良生物的长期影响做进一步研究,并提倡对基因改良产品做标记,以便使顾客做出知情的选择。《报告》并指出,生物技术和食品安全问题往往是政策欠妥、法规不当和缺乏透明度的结果。 提出下列几点对策: 1)2001年5月23日国务院总理朱镕基签署第304号中华人民共和国国务院令,公布了《农业转基因生物安全管理条例》,规定了国务院农业行政主管部门负责全国农业转基因生物安全的监督管理工作,并建立农业转基因生物安全部际联席会议制度;还规定列入农业转基因生物目录的农业转基因生物,由生产、分装单位和个人负责标识、未标识的,不得销售。农业转基因生物标识应当载明产品中含有转基因成分的主要原料名称等等。《条例》的颁布,为转基因作物及其产品的安全使用打下了重要的基础。下一步有两个重要的工作可能应该重视的,一个是转基因作物的安全问题涉及的部门多,部门之间的合作与协调是一个重要而复杂的问题;第二个是宣传、教育、贯彻落实问题,转基因作物将涉及到广大农民,目前中国农民对什么是转基因作物、转基因作物可能带来的潜在风险,为什么要采取标识制度等等方面的教育十分重视。 2)切实加强生物安全的科学研究工作。发达国家,尤其是欧洲一些国家,在生物安全方面较早就开展了研究,而中国在这方面还处于刚起步或尚未开始的阶段。对农田及自然生态系统中一系列的生态风险的研究如何起步,如何切入,得到的结果往往既有正面效应、又有负面影响。对此又如何作分析等等一系列问题有待研究。在对人体健康影响问题,可能与生态效应一样,得到结论有一个时间问题。可能在短期内得不到结论。这些问题都是在考虑生物安全科研时可供思考的问题。 3)提高粮食产量,解决饥饿问题有一个创新的问题。前面已经肯定,转基因技术是解决粮食短缺的一条重要途径,但应该说不是惟一的途径。中国育种家袁隆平培育出来的"超级稻"最高亩产可达1139 kg,他的杂交水稻提高的产量可解决5 000万人的吃饭问题。因此研究新的提高粮食产量及品质的途径,走创新之路是非常重要的。 4)切实加强正确的全民宣传活动。尤其要注意媒体的报道。2000年12月,北京一个发行量很大的媒体作了如下的报道,题目为"本报记者驱车百余里,寻找转基因草"。记者在北京近郊见到6.67 hm2由某农业科技有限公司从美国引进的转基因草,在宣传这草的一系列优点外,最后一句话是"转基因,让小草也"疯狂"。这里最少有两个问题:一是任何转基因植物种植这么大面积,必须经过政府有关部门的批准,可报道上并未提到一点;二是我们虽然不知道这种转基因草是什么种,它在北京近郊是否有亲缘关系很近的近缘种?一旦这种小草真的疯狂起来,上面我们提到的加拿大转基因油菜问题很快在北京近郊就会发生,有可能通过种子传播到大量的农田里成为杂草,如有近缘种,还可能通过杂交,让本来不是杂草的近缘种也到处疯狂起来。 5)不能让中国的大地成为发达国家的实验场所。现在在一些发达国家,虽然进行大量的生物技术,包括GMOs的研究,但不允许作商品化的种植。如挪威等欧洲一些国家,GMOs作商品化种植要经过国王或国会的批准。目前国际上实验室已经成功的转基因作物是大量的,但真正被各国政府批准能作商品化种植的还极少。已有迹象表明一些发达国家通过各种途径把实验室的成果拿到中国来作大田试验,甚至大面积的种植,而我们多数人还缺乏这方面的知识。上述"转基因草"可能是一个很好的双方都愿意接受的例子。但如果大面积种植后真出现严重的生态负效应,后果将不可收拾。

  • 物理学科与农业学科结合的探索_物理论文

    在知识经济、信息化时代,实施科教兴农不仅要善于创造新知识,吸取人类的一切文明成果,而且要善于把新知识、新成果转化成新产品,转化为现实生产力,才能发挥知识和科技的价值[1]。农业院校在科研中,考虑不同学科的交叉融合,把基础学科与优势学科整合,通过学科边缘交叉是技术创新链中必不可少的环节。 本文结合魔芋科研项目中物理技术在控制病害发生、提高产量等方面的应用,就物理学科知识与农业学科结合在农业生产中的应用和优势展开论述。探索通过物理学科与农业学科的有益结合,思考对培养新世纪合格农业人才、推动农业走可持续发展的生产模式等问题。 一、学科交叉,优势互补 在科技迅速发展的今天,时代的发展和科技的进步推进了科学技术向纵深方向发展,学科之间相互交叉渗透是当代科学发展的一个主要趋势。 现代科技发展的学科高达分化基础上的高达综合的特点说明,科技的发展需要不同学科和技术的横向联合就能形成整体优势,边缘交叉容易出现新的生长点 [2]。尤其是物理学这一基础学科,与其他学科的结合更是越来越突出,如计算物理学、数学物理、物理化学、生物物理学等,这些交叉学科的出现,无疑促进了物理学及其他学科的发展和延伸。其中物理学与农业科学的交叉渗透,使物理农业脱颖而出,并且有效推动了生态农业、有机农业的健康、稳步发展。 二、物理学科与农科知识结合的必然与优势 1、物理学科与农科生物科学相结合的必然 (1)自然科学领域内必然存在同一的、共同的联系。20世纪以来,以数学为工具、物理学为理论基础的学科发展,已逐步把除生物学以外的其他学科同一起来[3]。而物理学研究的物理运动是自然界最普遍的一种现象,它渗透于自然界的任何生命系统,因此物理学也要研究生命、时间和空间的性质、联系等,它与生物学科也存在同一的、共同的联系,这一点也是被历史证明了的。1943年,物理学家薛定谔写下了《生命是什么》一书,从物理学的角度对生命现象进行了详细的阐述。现今生命科学中的许多重要概念如遗传密码,就是由薛定谔首次提出的;21世纪关于生命现象的描述性信息太多了,新的工作框架定量生物学的应运而生,使生物学、化学、物理学、数学这些基础学科联系起来;同时在农科教材中也不乏许多物理科学知识,如离心分离技术、宏观、微观方法气体分子热运动理论、红外测温、卫星遥感、生物与熵、正常细胞的电模型、衍射现象、生物体的旋光现象、核磁共振技术和物质的放射性,等等,涉及了物理学的力、热、电、光、磁,原子物理、相对论、量子力学等许多方面。可见,物理科学与农科知识间存在着密切的联系。 (2)物理科学的思想方法和实验方法已日益渗透和应用于各个自然科学领域,包括农科的生物科学。20世纪50年代以物理学的X射线衍射结构分析为基础的分子生物学的成就与发展技术被引进了生物学,从而确定了DNA的双螺旋结构,至今X射线衍射晶体分析法仍是分析生物大分子立体结构最精确的技术[3];物理学和生物学的交叉学科生物物理学在研究思路、应用的理论和方法方面就突出了物理学的特点。 从当代科学技术发展规律以及走在国际前沿开展科学研究的美国、英国的趋势来看,21世纪生命科学与物理科学之间的融会贯通已经势不可挡。美国国家科学基金会与国家卫生研究院联手资助大学建立了多个跨学科的Bio-X中心,英国生物技术与生物科学基金会在2003年也建立了以10年为期的重大研究计划预测生物学。这个蓬勃发展的交叉学科正在成为大量学术会议、高质量学术杂志以及基金资助机构的主角。可见,物理学科与农科生物科学间的交叉融合是必然的。 2、把物理知识用于农业的现代物理农业的优势 早在20世纪70年代,日本等国就已开始研究现代物理农业工程的单项技术;我国自20世纪90年代进入物理农业物理技术应用到农业领域,应用物理学技术、方法和基础理论研究农业生产过程和农业生物生命过程中的物理规律,以及物理因素对生物系统的作用机制,涉及物理学、材料学、动植物学及农学领域的多学科交叉综合的一门新生学科[4]。随着国际贸易农药残留标准越来越严格的动态趋势,消费者对农产品健康、安全的高要求,物理农业的精英们在中国应用物理农业技术方面进行了不懈的探索。 近5年来,在天津、大连等地已开展得如火如荼且已取得骄人的成绩,有力地说明把物理科技应用于农业领域,能推动传统农业的变革,是一种独特有效的生产方式。 在我国,应用于农业生产的现代物理农业技术有:磁化、电场处理种子技术、电子杀虫技术、空间电场防病促生技术,等等,而且取得了显著的成效。相对于化学农业来说是一种高效、无环境污染且成本低廉,易实现效益转化的农业技术 [5] ,可控制化肥和农药的使用量,并且能达到提高品质、抗病增产的目的,保证农产品达到质量、绿色、无污染的标准,具有显著的经济效益和社会效益。可见,把物理科学知识参与农业生产过程,利用物理因素和物理技术应用于农业,有着诱人的前景与潜力。 三、在农业科研中,进行物理技术与农业栽培措施有机结合的探索 前人把物理技术应用于科研已取得了一些成果,低温和紫外线辐射植株地上部分后能有效抑制病害发生,并对植株生长产生良好的影响,这在小麦、大豆、玉米、郁金香、百合、大蒜等作物上已得到证实。 魔芋是经济价值较高的作物,近年已成为山区农民脱贫致富的有效途径。然而,在魔芋生产中,魔芋软腐病已成为魔芋生产和魔芋产业发展的主要制约因素。鉴于魔芋软腐病的主要初侵染源是种芋及土壤,种芋带菌是引起植株发病的主要原因这一特性,以及温度、紫外线等物理因子影响魔芋生产的研究尚未见报道,因此,笔者于2008年至2010年间开展了低温、紫外线对魔芋种芋生长的影响研究,通过对魔芋种芋进行不同强度的低温冷藏和不同时长的紫外线辐射,研究不同处理对魔芋生长过程中软腐病的控制及产量表现的影响,把物理学科与农业学科知识结合应用于科研生产。通过此研究得出结论:用低温冷刺激、紫外线杀菌处理魔芋种芋能降低病害,提高产量,把物理因子低温、紫外线这样应用对魔芋的影响是正向的;试验中不施用化学农药,保证了生产的魔芋没有药物残留,绿色环保。 笔者在科研中把物理科学与农业科学结合的探索取得了一定成效,这种生产成本低、简便易行的生产方式对改善和提高魔芋品质、保护生态等方面具有现实意义。 四、物理学科与农业学科结合的展望与思考 1、加强物理学科与农业学科的融合,有利于学生的就业(创业)与升造 农业院校教学与科研中注意物理科学与农业科学的融合,有利于教师的农业科研拓展,更好地服务三农的同时能加强学生交叉学科知识素养,能拓宽农科学生的农业生产技术。毕业生面对需要大量知识和技术的市场就业更具有绝对的优势;对于毕业且有志于继续深造的学生,可选择由交叉学科而产生的新兴领域为方向,而现代新兴的物理农业中所涉及的有关食品安全、生态农业等诸多问题有待应用科学理念和现代技术加以解决,农业院校的学生由此领域为方向就是一个不错的选择,其中加强物理学科与农业学科融合的培养对他们的知识积累无疑是一个很大的推动。 中国理论生物物理学家欧阳钟灿院士呼吁:为培养具有全新知识结构的研究人员,首先应革新大学生命科学相关的教学,呼吁高校生物系反省传统的教学内容和方式,适当增加数学、物理学等其他学科的知识,与美国著名的倡议培养21世纪的科学家:本科生的生物学教育(Undergraduate biology education to prepare research scientists for the 21st century,简称Bio2010)相呼应[3]。现在中国的一些高等院校已开设了生物物理学等交叉学科专业,希望培养出来的跨学科学生能操同一种语言去建造生命科学的通天塔。 2、提高农业生产技术,走可持续发展的生产模式 在绿色革命转基因作物的粮食增产模式一一亮相的时候,物理知识应用于农业生产的物理增产技术也在低碳农业、节水农业的倡导环境中备受关注。把物理中的力、热、光、电、磁等知识与技术应用于农业生产的物理农业,区别于传统的化学农业,不用化肥、农药、生长调节剂的农业生产方式,减少环境污染,恢复耕地质量,阻止环境恶化与生态退化,是解决先污染后治理先发展后治理问题的重要途径之一。 近年物理农业已展示了它的神奇,相信物理农业在未来的发展中,不仅在粮食生产的健康安全、增产增收方面能取得辉煌的成绩,也能兼顾到农业生产和生态环境的相容,同时为农业、生态的可持续发展做出杰出的贡献,在农业与环境的协调发展中充分发挥物理科学知识的作用,充分展示交叉学科的魅力。

  • 物理学惯性质量和引力质量

    物理学惯性质量和引力质量       发展一种新的理论,仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的,还需寻找建立新理论的突破口。爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。 伽利略在他的《关于力学和运动两门新科学的对话》中写道:我曾经做过试验,可以向你保证,从200肘尺高处放下的一颗一两百磅甚至更重的炮弹,不会比一同放下的仅重半磅的枪弹到达地面要领先一秒钟。这段叙述表明所有物体的重力加速度相同。亚里士多德曾根据他的运动风,重物下落是物体回归天然位置的自然运动,物体越重,趋向天然位置的倾向就越大,自然得出物体越重,下落得越快。伽利略反对亚里士多德的运动知识化 ,他以实验事实作了不力的反驳。然而他并同有认识到这条定律的深刻含义。 所有物体的重力加速度均相同,反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。根据牛顿定律,作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度,这里的质量是物体的惯性质量;另一方面,物体下落时,作用在物体上的力是地球对它的吸引力,它与物体的引力质量成正比。既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体,则引力 质量与惯性质量成正比;选取相同的单位,两者相等。 我们知道,惯性质量是物体惯性的量度,反映物体对加速度的阻抗,而引力质量是物体引力属性的量度,反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性,描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题,并第一次想到用实验来明确检验两者的等同性。他在他的《原理》一书中记叙了他所做的实验。他做了两只等大的圆木盒,用11英尺长的细绳悬挂起来构成摆,一只装满了木料,另一只装入得量的金或银、铅、玻璃、沙、食 盐、水以及小麦等等,比较它们的摆动周期。根据牛顿定律容易得出周期T。可以看出仅当惯性质量m惯与引力质量m引之比与材料无关,两摆的周期才会相等。牛顿实验中没有观察到两摆周期的差异,由此他推算出m引/m惯=1+0(10-3),即两者相符合的精度在10-3以内。以后又有不少物理学家做实验,把精度提高了许多,如1830年贝塞耳得0(10-5),1889年厄缶得0(10-8),1964年迪克得0(10-11),1971年布拉金斯基得0(10-12)。 看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。那么,这是一种巧合吗,还是有更深刻的原因?它意味着什么?这是又一个值得思考的问题。人们研究发现,在牛顿力学中无法加以说明,于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。 爱因斯坦对于惯性质量和引力质量严格相等的印象很深,他在给英国格拉斯哥大不所作的报告《广义相对论的来源》中说:在引力场中,一切物体都具有同一加速度。这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等的定律,它当时就使我认识到它的全部得要性。我为它的存在感到极为惊奇,并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。他一直深信:一个有希望受到应有的信任的理论,必须建立在有普遍意义的事实上。而这一惯性质量同引力质量相等的定律的确是一个奇特的具有普遍意义的事实 。他不断地思考这一问题,终于有一天找到了问题的答案。他于1922年在日本京都大学所作的报告《我是如何发现相对论》中说道:这个难题的突破点突然在某一天找到了。那天,我坐在伯尔尼专利局办公室里,脑子里突然闪现一个念头:如果一个人正在自由下落,他决不会感到他有重量。我吃了一惊。这个简单的想象给我的印象太深刻了。它把我引向新的引力理论。我继续想下去:下落的人正在作加速运动,可是在这个加速参考系中,他有什么感觉?他如何判断面前所发生的事情?爱因斯坦在这里所说的突然闪现的念头就是那著名的爱因斯坦升降机的理想实验。设想观察者在一个密封的升降机里做力学实验,一种情形是升降机静止在地面上(地球看成是惯性系),它是一个惯性生活费,其中存在地球的引力场,由于m惯 = m引 ,任何物体的重力加速度均相等为g;另一种情形是升降机远离一切物体,即处于没有引力场的地方,它相对于某个惯性系以加速度g上升,它是一个非惯性系。在这两种情况下,观察者测得物体下落的加速度是g,他观察到的力学现象都相同,他无法断定他所在的参考系究竟是有引力场的惯性系还是并无引力的非惯性系。这表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动,或者说非惯性生活费与引力场等效,爱因斯坦把它称为等效原理。根据等效原理,引力场可以用非惯性来消除,例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力,在这个自由落体系中,惯性定律很好地成立,一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态,这一参考系实在是很好的惯性系,其中物理规律具有狭义相对论的形式。另外,非惯性系与引力场等效,非惯性系与惯性系就没有原则性的区别,它们都可以同样好地用来描述物体的运动,没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的,没有哪一个比另一个更优越,爱因斯坦把它称为广义相对性原理。爱因斯坦的广义相对论就是在等效原理和广义相对性原理这两条原理的基础上发展起来的。在广义相对论中,惯性系不再是理论上和实践上不可捉 摸的,它就是自由落体系;前述狭义相对论的两点不足通过等效原理和广义相对性原理联系在一起一揽子加以解决,广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系,所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的,而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论中。 由此可见,原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实,而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石,并由此发展了广义相对,这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

  • 探析物理学史在物理教学中的作用_物理论文

    论文关键词:学史 物理教学 作用 论文摘 要:在物理教学中讲授物史能够激发学生学习的兴趣和求知欲;能够使学生掌握科 学方法;能够培养学生严谨治学的精神和对学生进行爱国主义育。 物理学史集中地体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程。了解和掌握物理学史,在教学中,恰当运用物理学史中各种生动有趣的史料,对激发学生学习兴趣,培养学生科学的探索方法,对学生进行爱国主义等方面起着积极的不可估量的作用。 一、学习物理学史,激发学生学习的兴趣和求知欲 爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师”。培养学生学习物理的兴趣,是搞好物理教学,提高教学质量的一个重要环节。我在教学中经常依据具体的教学内容引用一些精彩生动的物理学史料来激发学生的学习兴趣,增强求知欲。例如在讲“库仑定律”时,让学生了解在电磁学发展中不只库仑,还有卡尔文迪许、富兰克林及普里斯特利等科学家都为此项工作进行过不懈的努力,最终由法国的物理学家库仑利用库仑扭秤实验直接进行了证明。后人为了纪念他,把电量单位规定为“库仑”。 在物理教学中,通过生动有趣的物理学史来讲述物理理论,就能克服单纯的物理概念和物理理论的枯燥讲解,使教学显得生动活泼,使学生的学习兴趣得以培养和提高。 二、学习物理学家的探索过程,使学生掌握科学的探索方法 物理学是研究自然界中各种物理现象的规律和物质结构的一门科学。而观察是研究物理问题最基本,最重要的方法。要学好物理,必须要善于观察,勤于思考。大家都知道,亚里士多德的落体观念认为:“重物比轻物下落得快。”伽利略从由思想实验得出的一个佯谬入手,对亚里士多德的落体学说提出了反驳。他提出,如果亚里士多德的学说是正确的,即物体下落的速度与其重量成正比,重物的下落速度肯定比轻物为快,那么就可以设想一个简单的实验:把两个轻重不同的下落物体连接在一起,由于两个物体原来的各自的下落速度不同而相互影响,它们连在一起后将以中间大小的速度下落;但是两个物体连在一起时当然要比原来较重的物体下落得更快些,由此可以得出,我们可以从“较重物体比较轻物体运动的快的假设推出了较重物体运动较慢的结论来,”从而证明了亚里士多德的学说是错误的。 物理学是一门以实验为基础的科学,实验是真理的重要手段。1878年,德国著名的物理学家赫尔姆赫兹向他在柏林大学的学生提出了一个竞赛题目,即用实验方法验证麦克斯韦的理论。赫尔姆赫兹的学生之一赫兹从那时起就致力于这个课题的研究。1886年,他在做放电实验时发现近处的线圈也发出火花,他敏锐地意识到这可能是电磁波在起作用。为了更好地确认这一点,赫兹再度布置实验。他设计了一个振荡电路用来在两个金属球之间周期性地发出电火花,按照麦克斯韦理论,在电火花出现时应该有电磁波发出。然后,赫兹又设计了一个有缺口的金属环状线圈,用来检测电磁波。结果,当振荡电路发出火花时,金属缺口处果然也有较小的火花出现,这就证明了电磁波的确是存在的。赫兹还进一步在不同的距离观测检测线圈,由电火花的强度的变化大致算出了电磁波的波长。1888年,赫兹发表了《论动电效应的速度》,证明了电磁波具有与光完全类似的特性,还证明了麦克斯韦理论的正确,也为人类利用无线电波开辟了道路。[1] 三、运用物理学史培养学生严谨治学的精神和进行爱国主义教育 介绍科学家在探索物理规律中一丝不苟的治学精神,介绍他们如何以毕生精力锲而不舍地从事科学研究,可以培养学生严谨的治学精神。在 粒子散射实验中马斯登与盖革若没有观察到“入射的 粒子中每8000个粒子有一个要反射的结果,卢瑟福也就不可能提出正确的原子结构模型;居里夫人为发现新元素,进行了1000多个日日夜夜的艰苦实验,终于从数十吨的铀矿渣中分离出了0.1克镭;[2]密立根关于基本电荷的测量,总共经历约21年的时间,进行了无数次的测量才于1910年发表了他精确测定基本电荷的实验。 在有关物理知识的教学中,适当介绍中国古代的物理学成就,是进行爱国主义教育的有效手段。中国古代有着光辉灿烂的科技成就,不少方面长期处于世界的领先地位。战国时代墨家关于杠杆和浮力知识的成就,比西方阿基米德早约两个世纪。西汉时期写成的《春秋纬•考灵曜》中关于地动和运动的相对性的叙述,比伽利略早出16个世纪。公元前11世纪沈括又叙述了用纸游码演示的弦的共振现象,比欧洲早了6个世纪,沈括关于地磁偏角的发现比欧洲人早约400年。英国科学史家李约瑟在他所著《中国科学技术史》的序言说:“中国的这些发明和发现往往远远超过同时代的欧洲,特别是在15世纪之前更是如此。”“在人类了解自然和控制自然方面,中国人是有过贡献的,而且贡献是伟大的。”[3] 综上所述,物理学史的引入,可以使科学的内容和思想内容有机结合,把物理规律的学习上升为科学的世界观和方法论的学习,在物理教学中产生积极的效果。 参考文献 [1] 吴国盛《科学的历程》[M] 北京大学出版社 326页 [2] 李艳平、申先甲《物理学史教程》 [M]科学出版社 [3] 李约瑟,《中国科学技术史》[M]第一卷第一分册,科学出版社,1975年,3、18页

  • 初中学生物理学习兴趣浅见_初中物理论文

    学习兴趣对于初中学生的物理学习具有很大的作用。初中学生对于物理并不熟悉,但也正因如此,才具有了强烈的好奇心以及无限兴趣。教师要充分利用学生的兴趣所在,引导学生进行物理学习。 1. 把握学生兴趣特点 1.1直觉兴趣 形象思维是目前初中学生普遍的思维方式,他们在初学新知识,认识新事物时往往表现出强烈的好奇心以及新鲜感。在最初兴趣的引导下,他们会在学习上下点功夫,也自然会取得较好的成绩,这一方面使其兴趣更加浓厚,这种良性循环可以使学生热爱物理学习。教师要把握这个契机,例如在大气压强存在的实验中,让学上亲眼见证如何用纸片和乒乓球托住一杯水,使他们在简单的实验中获得成功的体验,提高学习物理的兴趣。 1.2操作兴趣 初中物理的教学往往将实验作为载体,这为学生展示自我提供了契机。学生也普遍愿意在课后时间动手完成课后小实验,对动手操作具有很强的好奇心以及强烈的兴趣。目前的初中学生大部分处于这个阶段。 1.3因果认识兴趣 随着物理学习的不断深入,部分学生对于物理现象逐渐产生了追根究底的兴趣,想要了解变化发生的具体原因。例如让学生观察金鱼如何在沸腾的水中自在游动,鸟雀如何平安的停留在高压裸线之上,通电导体在磁场力如何受力等,都能使学生产生追本溯源的兴趣。 2. 加深学生物理认识 2.1认识物理在日常生活中作用 目前,很多初中学生忽视物理学习甚至排斥物理的主要原因在于物理与语文、数学、英语相比没有实际用途,认为其可有可无,地位无足轻重。因此。在教学的过程中,教师应该让学生充分认识物理学习的作用,加深其对于物理的认识,促使学生产生持久的学习兴趣。不难发现,物理作为一门带头的基础学科,与现代生活具有十分紧密的联系,例如资源问题、能源问题、交通问题、环境问题、通讯问题、空间技术问题、自动化生产问题等都与物理学密切相关。在科技迅速发展的现代社会,教师要引导学生树立正确的认识,充分意识到普通公民也应该掌握日常生活中所用到的大量物理知识,学好物理获益匪浅。 2.2认识物理与科技发展的关系 在实际教学内容的讲授之前,教师应该向学生概括介绍所学内容与现代科学技术以及经济发展之间的关系,激发起学习兴趣。例如在讲授电磁学之前,可以向学生介绍,电磁学是第二次技术革命产生的直接来源,其主要标志就是电力的广泛引用。美国与德国在当时看到了电力的威力与广阔的前景,立即用电力武装工厂,而英国资产阶级却由于舍不得巨额投资而导致落后,使美国与德国的工业产值在一九一零年稳居世界前两位,这也使德国具有了发动第一次世界大战的强大实力。 3. 使用灵活教学方法 3.1加强实验教学 由于初中学生普遍对于物理实验具有较为浓厚的兴趣,因此教师在教学过程中应该充分发挥实验教学的作用。例如在传授安全用电常识时,可以为学生表演带电操作,右手接上断线不亮的灯线,由于学生关心老师的安危,注意力高度集中,而当他们看到灯泡重新发光而老师没有危险时会感到不解,这种违背学生认知常识的现象可以激发学生的兴趣,教师再因势利导,做出总结:带电操作要与地绝缘,接触一点。 3.2注重因材施教 前文提到,不同学生对于物理学习有不同的兴趣点所在,除此之外,同一班级的不同学生由于拥有不同的家庭条件、智能结构、社会背景以及个性品质,在实际学习学习过程中会表现出不同的状态,因此,教师不能采用同一模式对不同学生展开教学,应该做到因材施教。对于学习能力较强的学生,应该要求更高,以灵活多变的提问方式引导他们深入思考,发挥优势,同时对他们的课后阅读提供指导,防止产生骄傲情绪。对于学习能力较弱的学生,教师应该多让他们回答简单问题,在课后加强辅导,帮助他们解决学习以及生活中的困难,增强其学习信心。 3.3重视方法指导 对于学生的物理学习,教师要格外重视方法指导,让学生认识到物理学习方法并不深奥晦涩。在课前与课后学习的过程中,都要善于阅读,进行总结。在概念与规律的教学中,可以进行回顾,带领学生总结概念的研究过程,发现该过程由物理实验、总结、概念、规律、形成以及定义、理解、物理意义、实际应用等组成,一旦掌握了学习方法,学生在概念的学习中就会事半功倍。对于教学方法的指导既可以使学生的记忆负担得到减轻,也有利于其主观能动性的发挥。教师在实际教学中要保护学生的求知欲以及好奇心,使其对物理学习产生长期兴趣。 物理学习兴趣的养成对于学生的物理学习具有极为重要的作用,只有拥有了学习兴趣,才能够使其产生学好物理的强烈欲望,因此,教师应该根据学生的兴趣特点,加深学生对于物理的认识,运用灵活的教学方法,打开学生物理学习的大门。

  • 浅议物理学史在物理教学中的作用_物理专业毕业论文

    物理学史是研究人类对自然界各种物理现象的认识史,它的基本任务就是描述物理概念、定律、理论和研究方法的脉络,揭示物理学观念、方法和内容的发生、发展的原因和规律性。研究学习物理学史,不仅会为物理教学注入新的活力,还有利于激发学生学习物理、攀登科学高峰的积极热情。 一、可以了解物理学的本来面目,消除对物理的神秘感 在物理教学中,我们主要是引导学生学习前人已经获得的理论知识。教学中的物理知识都是人们经过多次整理而形成的严密的理论逻辑体系。因此,我们在教学中只重视对知识本身的讲解,而对于一些概念、规律产生的历史事实很少问津。有的物理教师虽然试图引进一些史料,但讲的不够准确,常见的错误有:牛顿因为观察苹果落地而发现万有引力定律、瑞利-金斯定律的失败引导着普郎克提出量子论等等。这些神话使得学生对物理知识的来源、理论体系的形成等都产生很神秘的感觉,往往会认为各个物理学概念、原理和定律的获得等只是历史上的某些科学伟人们的灵感创造出来的,是历史的巧合和偶然的机遇,对于一般人而言根本就不能及的,这种认识是十分错误的,进而也会阻碍学生创造思维的发展。事实上对于熟悉科学创造历史过程的人都知道,任何一个物理知识的获得,都必须要经历一个动态的过程,即从低级到高级,从感性到理性,从片面到全面,从粗糙到严格的产生、发展和演变的过程,而根本就不是任何天才的脑袋偶然地创造出来的。 经过对这些物理史的本来面目的了解和熟悉,学生们就会慢慢学着具体理解任何一个重要概念、定理和理论的获得,都是经过试探-除错的多次选择而得到一个动态的历史过程。在物理教学中,我们可以通过必要的历史回顾,促使学生们了解物理学的各种原理、定律的实验基础,了解各种模型所依据的客观事实的原形,了解各种假说、观点和物理思想的演变。虽然讲述时用的时间不多,但可以使学生了解物理概念、规律、原理产生、形成和发展的过程,这种做法不仅会消除学生对物理知识来源的神秘感和错误认识,还可以培养学生的创造性思维能力。 二、了解物理学的发展性和近似性,克服对物理知识的僵化认识 在物理教学中,教师不应单纯向学生传播知识,而应向学生揭示物理学的发展规律,了解物理概念、规律的局限性和近似性。但是,教学中常常对此重视不够,在一味追求知识的严密性和精确性的面目下,容易使学生思维单一,认识僵化,使他们感到物理难学,没有兴趣,只能机械的搬用公式,这种对知识绝对化、僵化的理解,影响了学生发展思维能力的发展。 事实上,在物理学的发展史中,经常发生着各种情况的理论变迁,具体表现为:以比较正确的认识代替错误认识,例如以热之唯动说代替热质说;以比较全面的认识带替片面的认识,例如用光的波粒二向性代替波动说和微粒说;以更加深入的认识代替表面认识,例如由宏观热力学发展到统计力学;以更加普遍精确的认识代替局部的、近似的认识,例如相对论和量子力学的建立,揭示了牛顿力学的局限性等等。这些都生动表明,没有任何一个物理理论可以被看作是最终完美的,它是在不断发展的,人们在一定条件下获得的物理学认识只能是近似的、相对真理。 随着物理学的发展,其各部分理论的局限性从各个方面暴露出来,它的各个基本概念和规律无一例外都在发生修正和变化。人类对光的本性认识所经历的发展历程就是最好的例证。人对光的认识发展过程,说明在物理学发展中,一个理论替代另一个理论,但没有一个理论是终极真理。可见,在物理教学中,必须结合教学内容,用物理学史说明它的发展性、近似性,说明物理学虽然不但向人们揭示出许多自然的最后答案,但任何物理概念、规律都有其发生发展的过程,都有其近似性,决不可以把它们当作无条件、永恒的东西加以绝对化。因此,在教学中讲明一部分知识的客观真理性之后,也要花一些时间讲它的发展性,近似性,长期坚持下去就会使学生在对知识的理解和运用上,变被动为主动,变僵化为灵活,使学生感到物理中充满了无穷乐趣,并不难学,有利于创造性人才的培养。 三、了解物理学家的研究方法,加强对物理学研究方法的认识 物理学家的研究方法都是有自己独特的创造性思维,特别是处在前沿和十字路口的物理学家们。他们的方法有时真让人意料不到,并不都是观察实验的方法、数学的方法、归纳推理的方法、演绎的方法。如伽利略在研究自由落体运动时,首先提出一个落体佯谬的理想实验,从亚里士多德的重物下落比轻物快的原理中导出了重物下落比轻物慢的悖论,从而否定了亚里士多德的理论,接着他就用假说,逻辑推理和实验验证的方法得出了正确的落体定律,在这里,伽利略熟练地应用了理想实验方法, 逻辑推理和实验验证的科学方法,这些方法成了科学创造的奇妙工具。正如爱因斯坦所说:没有一个概念能够无歧义地从试验中逻辑地推导出来。法国物理学家拉普拉斯曾说过:认识一位举人的研究法,对于科学的进步并不比发现的本身更少用处,科学研究的方法通常是极富兴趣的部分。物理概念、规律我们要学,但同时还要探索其研究方法,这就需要研究物理学史才能掌握其精华,才是最有意义的学习。只知道定律的内容只是第一步,而知其方法才是认识的第二步,而且这第二步认识发生了质的飞跃。所以说,把物理学史和物理教学相结合是非常重要的,不仅起到开发学生智力,训练学生思维的重要作用,而且能使学生从物理学史中认识物理。

  • 【免费分享】金融风险管理与物理学家+物理学研究的新领域———探索复杂性

    金融活动高度发达的现代市场经济,在经济全球化和经济一体化的进程中,不仅存在着产能过剩、需求不足的经济危机,而且存在着金融信贷行为失控、新金融工具使用过度、资本市场投机过度而监管机制不健全引发的金融危机.过去的两年多以来,由美国次级房贷危机作为导火索引发的一系列的金融风暴席卷全球,并愈演愈烈,其影响的深度和广度至今仍无法准确评估.许多银行、投资基金等金融机构、乃至一些国家和地区的整体金融体系深陷泡沫经济的泥潭,一时难以脱身.包括美国、欧盟、英国、澳大利亚、日本等多数发达国家及中国、巴西、印度、俄罗斯等新兴市场经济体在内的全球实体经济都遭受不同程度的打击.各国ZF和世界金融组织不断推出各种货币政策、金融政策和财政政策,借以应对目前的危局.物理学是通过物理实验对物质运动变化的现象进行归纳演绎,总结其规律而后再通过实验进行检验的一门实验科学.经济物理学是利用统计物理、复杂系统理论等概念和方法研究经济活动的机制、理解并预测市场行为,是一门新兴的交叉学科.狭义上讲,特别针对金融活动的研究可以被称为金融物理学.物理学家在市场经济的许多领域发挥出越来越大的作用.华尔街上有很多物理学博士,已经对金融风险管理、银行信用指数、金融资产定价等实务界产生了重要影响.例如,传统经济理论并无框架可以解释市场的风暴行为,而金融物理学家则从唯象角度,试图阐述市场运行机制,理解并预测市场行为.在当前全球金融海啸背景下,金融物理学将大有可为.从更广泛的意义上讲,针对社会现象乃至虚拟网络等为研究对象的物理学框架下的交叉学科可以称之为社会物理学.其实,早期的社会学本质上就是社会的物理学.值得提出的是,经济学和社会学研究中的许多概念,如弹性、杠杆原理、张力等,本身就是起源于物理学中的相同的概念的.[hide][/hide]

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