十一 10

The Physics of Everyday Phenomena

《物理学与生活》Griffith & Brosing 秦克诚译
The Physics of Everyday Phenomena A Conceptual Introduction to Physics 8th Edition
序言
如果试图很快学完本书,那么掌握的将只是词语和定义;如果能很好地理解所学的内容,那么少即是多。(Less is more)
1
物理学是基础科学
本书可以提升你欣赏日常现象的水平。
科学研究的最大奖赏,便是理解以前不理解的某件事情所带来的快乐和激动。不论是一位物理学家取得了重大的科学突破,还是一名自行车骑手懂得了彩虹怎样形成,概莫如此。
了解政治和政策争论问题背后的物理概念也会带来好处。
正如今天变暖速度的降低可能也反映了这些周期往复的下行阶段。应小心避开围绕这些短期效应的争论,长期效应才是最要紧的。
某人在你的工作成果中发现了重大错误或遗漏而对你进行尖刻的攻击,是对你将来更加细心的激励。不要指望一名孤独工作的人能想到一切可能的后果、各种另类的解释,或发现一个论据或理论中的潜在错误。科学的爆炸性发展极大地依赖于合作与交流。(数学史上,能起到关键作用的在某一个年代也就那么几个人...)
建立在他人工作基础上的,无须重复他人所犯错误和没有成果的劳动,是人类和科学进步的必要条件。
了解宇宙如何运行时德文兴奋感觉,是在任何层面上都能体验到的。在这一意义上,我们人人都是物理学家。
Greenhouse gases 温室气体 Classical physics 经典物理 Modern physics 现代物理 Mechanics 力学...

一、牛顿革命
牛顿理论的核心是第二运动定律。
2
运动的描述
我们感到不舒服的胃相应的是瞬时加速度。
free fall通称自由下落,不妥,下落是因为受地球重力,无所谓自由不自由,只是下落过程中未受到明显阻力罢了。改译无碍下落...
Instantaneous velocity瞬时速度 Uniform acceleration 匀加速度
3
落体运动和抛体运动
Galileo Galilei 是精确描述重力引起的加速度的第一人。(在地球上,百公里加速3秒以外的车可并不比自由落体快啊 )
“科学沿着伽利略的斜面,从天堂滑落人间。”
亚里士多德及其学生认为,实验并不是智力活动的一部分,纯粹的思辨和逻辑更为重要。
Acceleration due to gravity重力加速度 Trajectory 轨迹
4
牛顿运动定律:运动的解释
亚里士多德认为小球离手后,维持其运动的力是由小球周围的空气竞相填充小球刚才所在位置的真空提供的。
罗马帝国衰亡后,欧洲的思想家在几个世纪里只知道亚里士多德的部分著述。阿拉伯学者保存了译为阿拉伯文的亚里士多德的全部作品,直到12世纪这些作品才在欧洲再次面试。
虽然伽利略可能并未在比萨斜塔上往下扔过物体,但他的确做过落体实验,并主动发表过他的实验结果。
“一个物体将保持静止或保持匀速直线运动,除非有一个外加的力强迫它做出改变。”
质量是一个物体的惯性的量度,而惯性则是物体抵抗改变其运动状态的属性。
第三定律有时也称作作用与反作用原理。
一头学过点儿物理知识的倔骡对其驭手说让它拉套在身上的小车没什么作用。骡子争辩道:根据牛顿第三定律,它拉车拉得越辛苦,小车也向后拉它拉得越辛苦。因此,最终结果是白忙。谬误简单但不明显,小车的运动只受骡子谈到的两个力中的一个的影响。
Frictional forces 摩擦力 Normal force 法向力
5
圆周运动、行星和引力
加速度既可以是速度大小变会,又可以是速度方向的变化,还可以是二者的变化。
1609年伽利略将望远镜第一次指向天空。(木杆是人的第一个探索天空的仪器...)
哥白尼将太阳放在各颗行星的圆形轨道中心,而将地球降级为知识另一颗行星。哥白尼模型还要求地球绕一根穿过地心的轴自转---这样就解释了太阳和其他天体的周日运动。这一思想在当时是革命性的。
...它会不断下降,但同时地表也会下降。物体将进入一条环绕地球的圆形轨道中。牛顿的天才洞见是,月球在重力的作用下实际上在下落,就像抛体那样。
月球围绕地球公转的轨道要比行星围绕太阳的轨道更为复杂,因为地球和太阳这两个天体都会对月球施加强大的力。
太阳也会对月球施加一个力,这个力会使得月球的椭圆轨道发生形变,即使得月球和地球共同围绕太阳公转时,月球围绕地球真实运动的轨道会在椭圆路径的周围振荡。计算这些振荡的轨道让数学物理学家们忙碌了多年。
1958年发射斯普特尼克...
在靠近月球一侧,导致鼓出的原因是,月球对此处单位质量水体的引力要大于对地球其余部分单位质量的引力。这时出现高潮。在地球背离月球一侧,月球对地球单位质量的引力要大于对水体的引力,使得地球被拉得稍微远离水体,因此也会出现高潮。(这部分解释的不入费曼的观点,离心力更清楚)
新月或满月时,太阳、月球和地球呈直线排列,太阳对力的这种差异也有贡献,因此也会在地球的两侧导致鼓出,这一鼓出与月球产生的鼓出叠加,就形成了高高潮。
为什么这个周期是25小时而不是24小时?地球以24小时的周期自转,但在这段时间里,月球也在运动,很为它的环绕地球以27.3天为周期公转。因此,在一天内,月球移动的距离为其整个轨道距离的1/27,这使得月球再次与地球上的某点和太阳排成一条直线的时间稍大于1天,增加的时间是24小时的1/27...
Eclipse 月食 Ellipse 日食
6
能量和振动
功是能量传递的一种手段。
能量在牛顿的力学理论中并不扮演什么角色,直到19世纪,能量和能量转换才被提升到它今天的地位---我们理解世界的中心地位。
1hp=746W 马力与一匹马之间的关系值得怀疑,但将一匹铁马和一匹血肉之躯的活马做比较仍然有某种魅力。
势能一词的含义是存储待用的能量。
摩擦力做的功并不会增加系统的势能,相反却产生了热量,它要么将能量传出系统,要么增加系统在原子能阶上的内能。
能量是物理世界的货币;对能量记账的了解与科学和经济二者都有关联。对一个系统做功就是将能量入库。(能量和货币的类比不仅是流通上,单位上也是J,kWh,eV...)
竖直方向的弹簧振子避免了水平放置时的摩擦力...
Conservative forces 保守力 Conservation of energy 能量守恒 Simple harmonic motion 简谐振动 Restoring force回复力 Period 周期
7
动量和冲量
动量定理并不是一个新定律,而是牛顿第二定律的另一种表现形式。
F_{net}=\frac{d(mv)}{dt} 这种形式覆盖的情况的范围,比我们更熟悉的F=ma还要宽。
动量守恒要求动量相加构成一个三角形,而动能守恒则进一步规定了这个三角形是直角三角形。
Conservation of momentum 动量守恒 Perfectly inelastic collision 完全非弹性碰撞 Elastic collision 弹性碰撞 Partially inelastic collision 部分非弹性碰撞
8
固体的转动
认为直线运动和转动完全相似,将有助于我们更好地记住角位移、角速度和角加速度...
在直线运动中,质量代表对改变运动状态的惯性或抵抗。对于转动,需要一个新概念,即转动惯量,也称惯量矩。转动惯量是一个物体对改变其转动运动的抵抗。转动惯量是一个物体对改变其转动运动的抵抗。转动惯量与物体的质量有关,但还取决于对于转轴如何分布。
若作用在一个系统上的净转矩为零,则该系统的总角动量守恒。(总不用,总不考...也就忘了。)
角速度矢量的方向满足右旋,拇指方向...
Moment of inertia 转动惯量 I=mr^2 Angular momentum 角动量 L=I\omega L=rmvsin\theta
(关于超重失重的理解,是weightless not gravity less)
(角动量与动量的关系,就如力矩与力的关系。)
惯性 m||I(mr^2)
位移 x=v_0t+\frac{1}{2}at^2||\theta=\omega_0t+\frac{1}{2}\alpha t^2
牛二 F_{net}=ma||\tau_{net}=I\omega
动量 p=mv||L=I\omega
动能 \frac{1}{2}=mv^2||\frac{1}{2}I\omega^2

二、流体的行为和热学
法国科学家和工程师卡诺在1820年前后发展了一个热机理论,但是卡诺理论提出的问题比它回答的问题更多。
9流体的行为
平均压强
海平面的大气压约100kPa。生活在这个空气海洋的底部,我们的身体的每平方厘米上承受的压力约为10.13N。为什么你没有注意到这个力?这是因为流体渗透了你的身体,它反过来向外推---内部压力和外部压力实质上相等。
气压降低表明暴风雨即将来临。
热气球通过加热器来调节气球内空气的密度,进而控制气球的上升或下降。
1738年丹尼尔·伯努利发表了一篇关于流体力学的文章。伯努利原理是将能量守恒应用于流体流动的直接结果。
运动流体的压强与单位体积的动能之和必定保持不变P+\frac{1}{2}\rho v^2=cons.
Density 密度 Archimedes' principle
10
温度和热量
直到19世纪中叶,当热力学定律得到发展之后,人们才真正搞清楚热量和温度有什么不同。
PT等容变化时,所有直线都在-273.15℃处与温度轴相交。
温度这个量告诉我们热量往那个方向流动。
PV=NkTN是气体中的分子数,k是玻尔兹曼常数(气体常数R是玻尔兹曼常量k乘上阿伏伽德罗常量NA。)(1开尔文定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649\times 10^{-23}J/K的热力学温度” 。新的定义于2019年5月20日起正式生效。)
你会感觉到金属要比木头冷。由于这两个物体的最初温度相同,因此这种感觉上的差异在于两种材料的热导率而非它们的温度。
传导需要经过介质,对流需要介质携带热量运动,而辐射却能在真空(譬如被抽成真空的热水瓶)中进行。真空的四壁镀有银层,它可以将辐射降低到极小。由于银层反射而非吸收电磁波,因此减少了进入或流出热水瓶的能流。
普通的黑色路面,尤其是混有碎石的沥青路面,是有效的电磁波辐射源。路面将能量辐射到天空,使路面与周围的空气相比冷却得更快。身子在气温高于冰点时,沥青路面的温度会降低到冰点以下,形成结冰条件。
黑色材料既能在夏季吸收更多的太阳能,又在冬季损失更多的热量。黑色屋顶看起来好看,但它不死节能的最佳颜色。要使得你的家冬暖夏凉,颜色较浅的屋顶更为有效。
温室是一个能量陷阱。
Ideal gas 理想气体 Greenhouse effect 温室效应
11
热机和热力学第二定律
典型汽车发动机的效率小于30%时,会浪费大量的能量。我们能够实现的最佳效率是多大?卡诺预测:一部热机的最大效率将会在以下情况下得到:全部输入热量在单个高温下进入热机,所有未用的热量在单个低温度下从热机排出。
①等温膨胀,热量在某个高温下流入气缸,气体膨胀做功;②绝热膨胀;③等温压缩,热量在某个低温下从气缸流出;④绝热压缩,让流体回到最初状态。这四步都必须缓慢进行,以便使流体在所有时刻都近似处于平衡状态。这时完整的过程是可逆的,这就是卡诺机的一个决定性的特征。e_c=\frac{T_H-T_C}{T_H}
把鸡蛋打到锅中并煎熟它,是不可逆过程的另一个例子。
开尔文结合卡诺的想法与热流是能量的传输这个新认识,提出了一个普遍原理:不可能存在一台不断循环工作的热机,能够从某个温度的热源得到热量,并将此热量完全转换为功。换句话说,任何热机的效率都不可能达到1。
在两个给定的温度之间工作的热机,没有哪台的效率能够比工作在同样温度之间的卡诺热机效率更高。这一证明包括了卡诺循环的可逆性,它表明卡诺的主张是正确的。
如果某台热机的效率比工作在同样两个温度之间的卡诺机的效率更高,那么就违背了热力学第二定律。
一台效率比卡诺机高的热机,在同样的输入热量下将比卡诺机做更多的功,这个功的一部分用来逆向运行卡诺机,将它释放的热量送回高温热库。剩余的功可用于外部,并且没有热量落入低温热库。两台热机协同工作,将从高温热库取得少量热量,将它全部转换为功。这就违背了热力学第二定律。因此,没有哪台热机的效率能比工作在这两个热库之间的卡诺机的效率更高。因此,卡诺效率有时也称为第二定律效率
热力学第二定律不能用逻辑方法证明。它是一条自然定律,就我们所知,它是不能违背的。它对使用热能做什么事设定了限制。(牛顿第一定律不能被证明...)
如果用200J的功从低温热库移出300J的热量,那么交给高温热库的将是500J热量。
对热泵做功允许我们将热能输送到与其自然倾向相反的方向,就像水泵引水上山那样。
克劳修斯:热量不会从较冷的物体流向较暖的物体,除非有某个其他过程参与。

如果热量能够从低温热库流向高温热库而无序做任何功,热机排放的热量就能流回高温热库。于是就能从高温热库取出一些热量,并把它全部转换为功,而不必将热量加入低温热库。从而违背了热力学第二定律的开尔文表述。

熵是描写这一损失的程度的量。随着熵的增加,我们失去做功的能力。有时将熵定义为系统无序的测度。只要系统的无序或无规律性增加,系统的熵变会增加。从这个意义上,一个被分为两个不同温度的热库的系统,要比能量都在某个中间温度的系统更有组织性。
宇宙或一个孤立系统的熵只能增大或保持不变,而不能减小。
如果热量能够自动地从较冷的物体流向较热的物体,那么宇宙的熵将会减少---但热力学第二定律的克劳修斯表述称这不可能发生。同样,如果单一温度下的热量能够全部转换为功,那么宇宙的熵也会减小,但这违背了第二定律的开尔文表述。
如果所有的分子都朝向同一方向运动,那么我们就能够将它们的动能全部转换为功,这将是一种低熵的情况,但它不代表气体中热能的正常情况。热能的无序性是使得热力学第二定律的三种表述存在限制的原因。
只有以功的形式引入能量将事物再次整理好,才能对抗熵的增大这一自然倾向。
电动机工作的效率为90%或更大,因为它们不是热机。当然,起初发电的效率可能要低得多。
虽然物理学家认为不可能存在这样的发动机,但这并不能阻止一些发明家提出它们。
违背热力学第二定律但并不违背第一定律的发动机更为玄妙。
如果两个热库的温差不大,那么运行在这两个热库之间的任何热机的效率将是相当低的。在给定温差下任何声称效率高于卡诺效率的话也违背了热力学第二定律。
Carnot engine 卡诺机 Carnot efficiency 卡诺效率

三、电学和磁学
物理学中没有哪个领域对我们生活方式的影响比电学和磁学更大。
1800年意大利科学家伏打Volta发明了电池。伏打的发明源自一位意大利医生Galvani称之为生物电的效应。
电池的发明导致奥斯特发现了电流磁效应。1865年,苏格兰物理学家Maxwell发表了电场和磁场的综合理论。
12
静电现象
我们关于正电和负电,是富兰克林在1750年前后随意规定,玻璃棒和丝织物摩擦后,玻璃棒上带的电荷为正电荷。
超距作用
电场的概念由苏格兰物理学家麦克斯韦在1865年前后作为其取得巨大成功的电磁理论的一部分正式引入。法拉第在麦克斯韦之前曾非正式地使用过这一概念。法拉第提出了一种今天我们称之为场线的概念,并将它作为想象电效应和磁效应的一个辅助工具。
静电力是一个保守力,它的意思是我们能够定义静电势能。
由某种绝缘材料如空气隔开的两块金属板是存储电荷的一种有用手段。(重点中学对于有些学生而言,是负电荷进入了正电荷的高电位...)
Conductor 导体 Insulator 绝缘体 Semiconductor 半导体 Voltage 电压 Induction 感应
13
电路
德国物理学家Georg Ohm
包含电动势的等式则应用于整个电路或回路,有时称之为回路方程。
电池仍有电动势(几乎为1.5伏),但是内阻已经如此之大,它再也不能像一个外部元件如灯泡给出可以觉察的电流...电池的状态更多地由其内阻描述,而不由其电动势描述。(多么像一个有雄心的老人呢)
14
磁体和电磁学
奥斯特以前也曾将罗盘置于一根载有电流的导线附近,但未发现任何效应。其他科学家也曾寻找过类似效应,但未获成功,因此奥斯特课上罗盘指针偏转是出乎意料的。奥斯特不想在学生面前出洋相。但他发现,罗盘指针会发生一些可重复的效应,条件是电流足够强并且导线和罗盘处于一定的方位。
即使罗盘到导线的距离只有几厘米,也需要几安培的电流才能让罗盘指针有较大的偏转。早期的电池无法产生大电流的限制和这一效应的出乎意料的方向,可能是延误其发现时间的原因。
电流回路是一个磁偶极子,因为它的磁场与我们更熟悉的偶极子条形磁体的磁场一样。
是随时间变化的磁效应才能感应出电流,而不是磁体或电流的稳态存在感应出电流。
穿过一个线圈的总磁通量等于线圈的匝数乘以穿过每一匝线圈的磁通量,线圈匝数越多,感应电压越大。(这一点和我们不同。)
法拉第1831年首次发表了其在电磁感应发面的成果。一年后,当时在普林斯顿大学工作的亨利报道了一个相关的效应。亨利更细致地探索了这一现象...亨利发现了自感应。
美国最初的配电系统是爱迪生1882年微纽约市部分地区设计的110V直流系统。
人们也偶尔用直流电来远距离传输电能,因为它不辐射电磁波而损失能量。辐射是交流电的弱点之一。交流电振荡时,电源起天线的作用,辐射电磁波。
Generator 发电机 Galvanometer 检流计GALV

四、波动和光学
与牛顿同时期的荷兰人惠更斯通过假设光是一种波,成功解释了牛顿讨论的反射、折射、散射等现象。在随后的一百年里,这两种观点相互竞争,但牛顿的显赫声名使得粒子观点更为流行。
1800年,英国的内科医生托马斯·杨做了著名的双缝实验...以后的50年里,物理学家和数学家给出了波的行为的详细数学描述,成功地解释了光的干涉的许多新特征。1865年,麦克斯韦预言了波速为光速的电磁波的存在。(wave+paticle=wavicle)
15
波的形成
运动的是介质中扰动,它可以是一个局部变化,它可以是一个局部压缩、一个侧移,或介质状态的某个局部变化。扰动以某个确定的速度运动,而该速度由介质的性质决定。
脉冲波在钢弹簧上比塑料弹簧上进行得慢,因为对于给定长度的弹簧,弹簧的质量要比塑料弹簧的质量大。(钢弹簧的弹力是不是也大?)
在浮标的中心是一块较长的磁体,它通过栓链拴在海底,因此不能上下移动。浮标的浮动部分包括磁体外围的一个大线圈。当波浪经过浮标时线圈上下运动。
如果波是一个更长的周期波,那么反射波与输入波发生干涉,因此生成的图样会很复杂。
由于两个波节之间的距离是发生干涉产生驻波的波的波长的一半,因此这时发生的干涉的波的波长必定是弦长的两倍。
这个最简单的驻波称为基波或一次谐波。基波的频率是f=\frac{v}{\lambda}=\frac{v}{2L}
在吉他上,我们可以通过压弦来改变有效弦长。缩短的有效弦长会产生更高的频率...
更高的张力会导致更高的波速,进而导致更高的频率。拉紧吉他上的调音琴栓很容易证实这一点。反之,更粗的琴弦则产生更低的波速和更低的频率。钢弦吉他或钢琴上的低音琴弦是用更细线绕在一根心线外制成的,它有着更大的单位长度质量。
在琴弦中点附近产生虚影,这里的振幅最大。
能在一端开口的管子中出现最简单的驻波...封闭端有一个波节,而在开口端附近有一个波腹...波长是管长的4倍。
饮料瓶或乐器实际产生的声音,通常是各个谐波的合成音,合成音决定了所生成的声波的音色或丰度。
Harmonic wave 谐波 Standing wave 驻波
16
光和颜色
虽然麦克斯韦在1865年预测了电磁波的存在,但产生和检测电磁波的第一个实验及实验电路是赫兹在1888年完成的。
大气中带电粒子反射的无线电波,可与发射机直接发射的无线电波发生干涉,使广播信号一会变强一会变弱...
锥状细胞集中在视网膜中心附近的一个成为中央凹的区域里,日光下的视觉和颜色视觉是由它们产生的。杆状细胞分布在整个视网膜上,它们产生夜晚的视觉和周边视觉。杆状细胞不提供任何有关颜色的信息,因此我们在晚上或其他低照度条件下时色盲。
波长580nm的光对M锥形细胞和L锥形细胞的刺激都很强,我们将这种颜色的光认定为黄色光,但是,红色光和绿色光的混合光也产生类似的响应,我们也会感觉这种混合光是黄色光。
(瑞利散射适用于尺寸远小于光波长的微小颗粒)(当光子打到直径大于自己的粒子时,会与其碰撞,导致行径方向偏折。其中多数的光子,都是发生弹性碰撞,故散射出来的光子,跟射入前的光子,波长、频率与能量相同,称为瑞利散射。然而,有一小部分散射的光子(约千万分之一)和介质分子之间发生非弹性碰撞,出现能量交换,故散射后的波长、频率与能量会产生变化,称为拉曼散射。)

被散射的粒子小于光的波长时,瑞利散射随波长迅速变化,较短波长的散射比较长波长的散射的效率更高。
我们可以将气体分子想象为微小的天线。由于气体分子是由带电粒子组成,当电磁波射入到分子上时,电荷将会以这个波的频率振动。正像振荡的电流产生无线电波那样,散射的光波是由气体分子中的振荡电流产生的。当波的波长与无线电的尺寸近似相同时,这个过程的效率最高。由于气体分子的大小仅为几个纳米,而可见光的波长为几百纳米,因此散射过程的效率不高。不过,最短的波长---可见光谱蓝色区域中的波长的效率要更高一些。
由于太阳光的光谱中含有的蓝色光要比紫色光多,而且眼睛对蓝色波长的响应要比最对紫色波长的响应强烈,因此我们认出的颜色是蓝色。

(前天doodle是高锟的介绍,之前有过天空为什么是蓝的[?])
为什么日落或日出时太阳光看起来是橙色或红色的?在日落时,太阳直射的光束穿过地球大气所走的距离,要比中午时长得多,由于蓝色光和中间波长的光与红色光相比,会以更高的效率被散射到光束之外,直射的光束中剩下的便主要是红色波长。太阳越接近地平线,就显得越红。
较大的粒子如云层中的水滴也能产生散射。水滴的大小通常大禹可见光的波长,这时,散射的强度与波长的关系不大。因此,从云层中散射的光呈白色或灰色。所有波长都被等同地散射,得出的颜色与阳光相同,知识强度变弱。
衍射效应能限制我们的视觉灵敏度。由于衍射,小瞳孔将来自点状物体的光散开为一些更大的模糊的圆。我们看清细节的能力在较低的光强下可能会得到改善,因为这时允许有较大的瞳孔。
我们远望星星时,也会看到瞳孔所产生的衍射效应。星星看起来不是一个点,而常常像是具有从中心射出的光刺。这些光刺是由孔径的直边的衍射产生的。这些直边产生的衍射效应更像单缝衍射,而不像圆孔衍射。
虽然干涉和衍射有时可以互用,但我们通常提到分开的狭缝或开孔的效应说是干涉,而在提到单个开孔的效应时则说衍射。
衍射是来自同一开孔不同部分的光波的干涉。
与水平面成37°角入射到水面的偏振光,反射波完全被平行于水面的电场偏振。(布儒斯特角,tan\theta=\frac{3}{4}
通过方解石看看条纹,直线数加倍,双折射 Biregringece
Thin-film interference 薄膜干涉
17
光和成像
在几何光学中,我们使用垂直于光波波前的光线来表述光的行为。
(彩虹的原理)
眼睛实际上包含两个凸透镜,一个是角膜,它是一个弯曲的膜片,构成眼睛的前表面;另一个是依附在眼肌上的调焦晶状体。光的弯折绝大部分发生在角膜上。调焦晶体更多地起到微调作用。
虽然视网膜上的像是倒立的,但我们的大脑会将它解释为正立的。有趣的是,如果给人们配一幅倒转镜戴着,将视网膜上的像变成正立的,那么他们最初看物体时会觉得物体是倒立的,但经大脑调整一段时间后,看到的物体会是正立的。
由于视网膜上像的大小与物体对眼睛所张成的角度成正比,因此我们说让物体更靠近眼睛会放大角度。能让物体靠得多近受到眼睛的聚焦能力的限制。
由于制造和实际支撑大反射镜面要比制造和支撑大透镜更为容易,因此在大多数天文望远镜中使用的是凹面镜。
观剧镜是大地望远镜的一种简单形式...
屈光度是透镜处于空气中焦距的导数,焦距越短,折光能力越强。
Positive lens 凸透镜,正透镜 Negative 凹透镜,负透镜(计算过程中f正负也是)

五、原子核原子核
18
原子的结构
炼金术士通常沉迷在从普通的金属炼出黄金的虚妄中。
法国化学家拉瓦锡发现,在化学反应过程中,反应的物质总质量与生成物的总质量是守恒的。(在法国大革命时期被砍掉头颅。)他的发现很快被英国化学家道尔顿的另一个重要成果接续上。
门捷列夫 1869年元素周期表 1896法国科学家贝克勒尔发现了天然放射性。
中国采用的是PAL制式,美妙25帧,每帧625行,扫描方式是隔行扫描。
1908年卢瑟福和助手Royds确定α射线是被剥离了电子的氦原子:将少量镭样品放到一个管壁很薄的管子中,再将管子封装在换一个大一些的管子里。α粒子可以逃出薄壁的管子,但无法挑出较大的管子。较大的管子中含有两个电极,累积的α粒子气体产生了辉光放电。辉光放电的颜色是氦特有的颜色,而最初管子中却不存在氦。
卢瑟福很快认识到α粒子将成为研究原子结构的有效探针。1911年,卢瑟福发表了对盖革和马斯登的α散射实验的分析结果。
波尔的功绩是把所有这些思想---原子核的返现、关于电子的知识,氢光谱中的规律,以及普朗克和爱因斯坦的新量子观---整合为一个新原子模型。
19
原子核和核能
我们关于原子核知识的发展过程是20世纪科学领域最迷人的故事之一。
有段时间物理学家认为还有电子出现在原子核中,以部分中和额外的质子电荷。
被约束在原子核内很小区域中的电子的能量,必定远远大禹放射性衰变中作为β射线射出的电子的能量。
查德威克对中子的发现解决了原子核的基本构建基石问题:如果原子核由中子和质子组成,那么我们就既能解释它的电荷,又能解释它的质量。
中子的发现还解开了另一个谜团,人们已知同一元素的原子核的质量可以由不同值。
中子提供了探测原子核结构的一个强有力的新探针。由于中子不带电,因此它能打进原子核并重新排列和原子核。而质子和α离子都带正电,因此受到同样带正电的原子核的排斥。

烟雾报警器是利用粒子(氦核)的一个特性巧妙设计的...如果空气中充满了烟雾粒子,那么粒子失去能量的速度要快得多,根本就飞不了多长距离...烟雾报警器里有一个粒子源,镅241(自然界没有镅稳定的同位素,烟雾报警器中使用的镅都是在核反应堆中产生的)。当粒子轰击氧气分子和氮气分子时,他们将电子从这些分子中打出来,是分子电离...
烟雾报警器定期更换电池十分必要。当电路中有电流时,一切正常。但是,如果空气中有烟尘粒子,那么电流就会减小,触发警报。电流减小既是因为粒子被烟雾粒子吸收而不能产生许多离子,也是因为烟雾粒子与出现的离子相互作用,给出电子,使粒子又回到电中性状态。

虽然单词反应释放的能量看起来很少,但它已是一次化学反应中释放的典型能量的100万倍左右。
意大利物理学家费米是最早探索中子产生核反应的潜在可能的先行者之一,他在1932年至1934年的一些列实验中试图找到新的重元素,当时已知质量数和原子序数最大的是铀。
1938年,德国科学家哈恩和斯特拉斯曼从用低能中子轰击过的铀样品中分离出钡,钡的原子序数56...哪种反应能从铀中产生钡...1939年,波尔在丹麦与迈特钠和弗里施讨论...他认为有关铀的同位素应该是铀235,波尔后来流亡到美国,并把这一想法告诉了不断壮大的核科学研究人员。
尽管爱因斯坦的主要兴趣并不是原子核物理学,但他是全球公认的一位卓越理论家,因此爱因斯坦的一些同事说服他出面给罗斯福总统写了一封信...不久后,曼哈顿计划启动...
科学家在战争结束前成功地分离出了几公斤的铀235,但仅够一颗原子弹使用。
1942年,费米和其合作者在芝加哥大学实现了首次受控的链式反应。
20世纪70年代,科学家认为到90年代会出现能工作的聚变反应堆,这一估计过于乐观。现在看来,这一目标在21世纪初还不太可能实现。(懒着搜相关国产新闻)
冷聚变(高温超导)
Chain reaction 链式反应 Half-life 半衰期 Antiparticle 反粒子
六、相对论及其他
近代物理学中的一些最迷人的概念,要与日常经验联系在一起会更困难...爱因斯坦的相对论...让我们重新思考空间和时间这些基本概念;量子力学的发展及其在原子核物理中的应用,产生了一些远离我们日常经验的研究领域。
20
相对论及其他
我们总是相对于我们预期会保持静止的物体来测量我们自身的运动。
如果我们想象自己和一束光一起运动...
物理定律在任何惯性参考系中都是相同的,这个原理意味着,我们不能通过做物理实验来判断我们的参考系是否在运动。
...增加由参考系的加速度引起虚拟力或惯性力,我们有时说的转动参考系中感觉到的离心力,就是这样的一个虚拟力...因为它不是从受力物体与任何其他物体的相互作用得出的。换句话说,它不服从牛顿第三定律,它的出现仅仅是因为参考系的加速度。
我们的问题显然来自不可能建立一个绝对静止的参考系。
(看《理查德朱维尔的哀歌》,被总是以善意揣测包括满怀恶意的FBI探员的小保安气得差点把遥控器摔了,一个人在楼上大骂...)
(常听人说,越努力越好运,难道这就是我们努力的目的?那种甘愿跟随天赋尝尽人间疾苦的勇气呢?努力是超越自我,即使常有越努力越绝望的体验。)
迈克尔逊-莫雷的实验未能得到预期的结果,反倒是一个重要的结果。那时爱因斯坦还只是个孩子,他在开始研究相对论时并不熟悉实验结果,但他清楚地知道关于以太是否存在的争论。
如果光速不能像普通的速度那样相加,那么不同的观测者测量空间和时间必定会有一些问题。即光速对于所有观测者都相同,那么就必须放弃时间和空间对所有观测者都相同的观点。
地球上的观测者看到光束以同样的速度走了一段比飞船中的观测者测量更常的距离...因此所用的时间更常。
{(c\frac{t}{2})}^2-{(v\frac{t}{2})}^2={(c\frac{t_0}{2})}^2
在不同的参考系中,时间流逝的快慢不同。
宇航员测量的本征时间t_0,测得光速在飞行时间里飞船所走的距离为L=vt_0;同理,地球上的观测者得到的L_0=vt...由于时间膨胀了,我们看到静止的长度L_0必定大于飞船中观测者的长度L

对不同的观测者,不论他们怎样相对运动,光速的数值都相同,那么我们就必须放弃某些惯常的空间和时间观。用光速作为时间测量的标准,我们发现两个事件之间的时间,以看到这两个事件发生在空间同一点的观测者测量的为最短,其他观测者测得的时间都有延缓。此外,相对待测距离运动的观测者,测得的距离是收缩长度。不同观测者甚至对两个事件是否同时发生都不一致。

不可能将一个参考系的加速度同引力效应区分开来。
在广义相对论中,我们还发现,加速运动的时钟,走得比不加速运动的时钟更慢。根据等效原理,我们还预测了强引力场中的时钟要比弱引力场中的时钟走得慢。引力红移。
Rest energy 静止能量 Red shift 红移

21日常现象深入研究
科学最令人感兴趣的一方面是,我们永远不了解它会把我们引向何方。就像一个好的谜语,有线索,有提示,但答案就是无法确定。(人生大概如此?)
正电子发现有1932年,英国物理学家狄拉克在理论基础上预测其存在后不久就被人们发现。
夸克粒子永远不会单个出现,它总是与其他夸克粒子组合成团。
希格斯玻色子是在1964年首次预测的,有了它,标准模型才会完整,其作用是作为夸克和其他粒子之间相互作用的媒介,从而为这些粒子赋予质量。
粒子物理学标准模型的主要成就之一是,它统一了弱作用力和电磁力。这两个力现在可视为同一个基本力电弱力的不同表示。麦克斯韦的电磁理论早期曾统一了两个貌似独立的力---电力和磁力,将它们统一为电磁力。
也许我们应该说,只有三种基本作用力:强作用力、电弱力和引力。
在大爆炸的最早阶段(开始后1微秒),所有我们今天看到的物质都在一个极热的夸克海中。随着膨胀的进行,物质冷却并凝结。夸克凝结为介子和重子,包括中子和质子。大爆炸开始后的几分钟,质子和中子可能会聚合为原子核,主要是氢和氦的同位素。
空穴表明缺少一个电子,但这些空穴也能在材料中迁移。一个运动的空穴的行为就像是一个带正电的载流子,因为不论它去到哪里,都会带上去一个多余的正电荷。
二极管(单向导电性)由一块p型半导体与一块n型半导体连接而成,彼此之间形成一个结。如果电池正极与p型半导体材料连接而负极与n型半导体连接,那么材料中带正电的空穴就会推向与n型材料形成的结,它们在那里可以与电子结合。于是就有电流流过。
超导体可以完全阻止外部磁场或电流产生的磁感线进入其中。
(关于人的固执,从一道物理题中就很有感触,而在三观上,考虑到人基本不变的环境和那有限的思维生命,改变就成了永恒的但结果确实徒劳的,一开始就定了一样。)
此前就出现了全息图这一概念,但第一张良好的全息图是20世纪60年代早期激光器发明后才得到的。全息图是一幅关涉图样,它由物体反射的光波和来自激光器的另一光波相加而成。激光器是高度相干的光源,其产生的波列要比普通光源产生的波列长得多,因为普通光源产生的是短而不相干的光脉冲。
Hadron 强子 Meson 介子 Weak nuclear force弱核力 Superfluid 超流体 Hologram 全息图 Critical temperature 临界温度

夸克是由介子和重子组成,介子和重子包含质子和中子,电子是轻子...
宇宙之初,物质和能量并不以分离的形式存在(光子的碰撞会产生亚原子粒子---物质)。

十一 09

立冬那天,先是下小雨,然后是霰,在家的我还特地打开了遮雨棚...

2021 snow shenyang

(为了拍倒影,趟着很厚的雪到对岸,相比男单和女单,特别选了有这两位大叔的。)

今冬这第一场雪就连下了两天,先是串休一天,然后网课一天,家人叮嘱不要乱跑,要是了解我的话,这算是提醒了...留意了一下,这种天气能出来的都是哪些人呢。桥下篮球场,几位大叔打球,旁边有位在跑步;足球场里,独自踢球的少年和拿着相机的大叔隔着铁丝网不知在说什么;小广场上,常来跳舞的那位女士带着音响,一会来了几位跳像是街舞的广场舞;有老两口跟着我的脚印也来拍那结满红果的树...最有瘾的,如果不是河边背着渔具急行的钓客,就是路边那群穿着粉艳的拍照大妈们了。当然,偶有带孩子出来玩雪的,也有遛大型犬的,至于拍客,还有两位带相机的女士,我呢,揣着手机采风...

@qiusir:雪岸边,斜背渔具急行的大叔像是位行侠的剑客;积雪荒原,揣只手机独觅风景的我,像是只饥饿的野狗哈哈哈...

2021-11

一直在想,怎么能更清楚了地说明沈阳这两天的雪很大呢?话说,阳台上的雪很厚,无处堆放;大雪压青松,青松无奈也断臂求生了;遮雨棚被雪压塌了,也听路人说塑料大棚都塌了;全市中小学少有的不是因为疫情停课;汽车打滑,连环追尾,道路瘫痪;商家门前都堆了雪人;公园里的雪过膝盖了,走起来很吃力,想起小时候在沟里生活,大人外出砍柴要用到绑腿;很蓬松,很黏,这雪竟然很白;比2007年的那场雪量要大...

今年长白岛这爆发过禽流感,上一批水鸟的被就地...这次再看到新的它们,感受很特别,雪天看这些黑天鹅想起冬天在动物园看狼的经历...

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

大雪的这两天过得挺过瘾,上午出去一趟,上完课午休,下午再出去看看。还随手拍了白鹅、鸳鸯、树叶和倒影等,除了拍黑天鹅,就喜欢拍这种小的红的果子了,两者都有一点红~~~

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

2021 snow shenyang

@qiuir:一早看遮雨棚塌了,好在阳台的门还能推开...
@qiuir:这种天怎么能宅在家里。楼下邻居带孩子清理车上的积雪,保洁们早在忙碌。
@qiuir:散步的两位跟着我的脚印也找到这,老汉还提醒老太等我拍完再照。
@qiuir:大雪天果断登上号称有蛇的小岛。
@qiuir:杏黄的叶子砂糖的雪...
@qiuir:莫名地感受这些雪很享受、很踏实地坐着,而这些凳子,平日里人们也只是借用一下。
@qiuir:亲尝了几个,现在舌头还有点涩。看来是不应该和鸟抢食啊。
@qiuir:明天竟然恢复线下课了?!大雪天看黑天鹅很带感~~~

·(2007)沈阳的今天是“后天”[?]