物理学第二部分 - 快速指南

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物理学 - 绪论

绪论

• 物理学是自然科学中最重要的学科之一，它描述了物质的性质和特性。

• “物理学”一词来源于古希腊语‘phusikḗ’，意为“自然知识”。

定义

• 物理学是研究物质和能量的性质和特性的一门自然科学分支。

• 物理学的重要研究内容包括力学、热力学、光学、声学、电学、磁学等。

• 物理学的发展也对技术领域做出了重大贡献。例如，电视、计算机、手机、先进家用电器、核武器等新技术的问世。

物理学的发展

• 在古代，物理学的发展与天文学的发展同步进行。

• 然而，在中世纪时期，阿拉伯作家和科学家伊本·海赛姆的一项显著工作彻底改变了物理学的概念。

• 伊本·海赛姆撰写了一本七卷本的著作，名为“Kitāb al-Manāẓir”，也称为“光学之书”。

• 在这本书中，伊本·海赛姆驳斥了古希腊的视觉概念，并提出了一个新的理论。

• 伊本·海赛姆还引入了针孔摄像机的概念。

• 在中世纪后期，物理学成为自然科学的一个独立学科。

• 在使物理学成为一个独立学科的过程中，欧洲科学家做出了重大贡献。

• 这些现代欧洲科学家引入了不同的物理学概念，并发现了许多新技术。

• 例如，哥白尼取代了古代的地心模型，提出了日心说；伽利略发明了望远镜；牛顿发现了运动定律和万有引力定律等等。

• 现代物理学的时代始于马克斯·普朗克的量子理论和阿尔伯特·爱因斯坦的相对论的发现。

• 在现代物理学发展之后，应用物理学的时代开始了，它强调对特定用途的“研究”。

• 粒子物理学家一直在设计和开发高能加速器、探测器和计算机程序。

• 核物理学是现代物理学的另一个分支，它研究原子核的成分和相互作用。

• 核物理学最广为人知的成果和应用是核能的产生和核武器技术的开发。

• 目前，物理学家正在研究高温超导的概念。

物理学 - 各分支学科

下表列出了物理学的主要分支及其子分支：

物理学 - 声学

绪论

• 声学是一门跨学科的科学，研究不同类型的机械波在固体、液体和气体中的传播。

• 基本上，声学是声音的科学，描述声音的产生、传播和效应；它还包括声音的生物学和心理学效应。

• 同样，声学研究振动、声音、超声波、次声波。

• “声学”一词来源于希腊语‘akoustikos’，意思是“听觉的，易于听到的”。

• 如今，声学技术在许多行业中得到了广泛的应用，特别是用于降低噪声水平。

声学家

• 声学领域的专家被称为声学家。

• 声学研究领域多种多样。例如，声音的产生、声音的控制、声音的传播、声音的接收，或声音对人类以及动物的影响。

声学家的类型

• 以下是主要的声学家类型：

• 生物声学家 - 该领域的专家研究特定地理区域的鸟类，以确定人为噪声是否改变了它们的习性。

• 生物医学声学家 - 该领域的专家研究和开发用于治疗肾结石的医疗设备。

• 水下声学家 - 该领域的专家研究和设计用于探索海底的先进声呐硬件。

• 听力学家 - 该领域的专家诊断听力障碍。

• 建筑声学家 - 该领域的专家设计歌剧院以管理高音（室内）。

声学领域

• 以下是主要的声学领域。

• 普通声学 - 该声学领域研究声音和波。

• 动物生物声学 - 该声学领域研究动物如何产生、使用和听到声音。

• 建筑声学 - 该声学领域研究建筑设计，以获得令人愉悦的音质和安全的声级。

• 医学声学 - 该声学领域研究和应用声学来诊断和治疗各种疾病。

• 考古声学 - 该声学领域研究考古遗址和文物的声学系统。

• 心理声学 - 该声学领域研究人类如何对特定声音做出反应。

物理学 - 生物物理学

绪论

• 生物物理学对于生物学研究人员和物理学研究人员来说都是一个引人入胜的术语，因为它架起了这两门科学学科之间的桥梁。

• 生物物理学（也称为生物物理）基本上是一种研究生物系统的方法。它利用物理技术来了解生物系统。

• 同样，生物物理学整合了生物组织的所有层次，即从分子水平到有机体和种群水平。

• 1892年，卡尔·皮尔逊首次使用了“生物物理学”这一术语。

生物物理学的研究内容

• 生物物理学家研究生命（基本上是人类生命）；从细胞器（如核糖体、线粒体、细胞核等）到生物体及其环境。

• 随着技术的进步，这两个学科（即生物学和物理学）的科学家和研究人员开始探索生命不同的层次，以了解生物系统实际上是如何运作的。

• 生物物理学家主要研究以下类型的问题：

  • 神经系统的细胞是如何交流的？

  • 病毒是如何以及为什么侵入细胞的？

  • 蛋白质合成的功能是什么？

  • 植物如何利用阳光制造食物？

生物物理学的优势

• 在分子水平上对生命的研究有助于了解人体许多现象，包括各种疾病及其治疗。

• 生物物理学有助于了解DNA的结构和功能。

• 生物物理学的研究有助于了解生物化学的各个方面。

• 生物物理学也有助于了解蛋白质的结构和各种功能。

生物物理学的子分支

• 以下是生物物理学的主要子分支：

  • 生物化学

  • 物理化学

  • 纳米技术

  • 生物工程

  • 计算生物学

  • 生物力学

  • 生物信息学

  • 医学

  • 神经科学

  • 生理学

  • 量子生物学

  • 结构生物学

生物物理学技术

• 以下是生物物理学中使用的一些主要技术：

  • 电子显微镜

  • X射线晶体学

  • 核磁共振波谱学

• 原子力显微镜 (AFM)

• 小角散射 (SAS) 技术

物理学 - 经济物理学

绪论

• 经济物理学是一门跨学科的科学，研究金融和经济市场的动态行为。

• 为了解决经济学问题，并了解市场的动态行为，经济物理学家发展了应用理论。

• 经济物理学有时也被称为金融物理学。

• 它将统计力学应用于经济分析。

经济物理学问题

• 经济物理学问题包括：

  • 如何准确测量和解释市场动态的重要特性？

  • 如何稳定市场？

  • 不同市场中的行为有何不同？

经济物理学的工具

• 经济物理学的根本工具是：

  • 概率方法

  • 统计方法

  • 这两种方法都借鉴于统计物理学。

• 从物理学中借鉴的其他工具

  • 流体力学

  • 经典力学

  • 量子力学

经济物理学模型

• 以下是经济物理学中使用的一些主要模型：

  • 渗流模型

  

  • 市场的动力学交换模型

  • 混沌模型

  • 信息论

  • 随机矩阵理论

  • 扩散理论

物理学 - 地球物理学

绪论

• 地球物理学是地球科学的一个专门分支，研究地球的物理特性和物理过程。

• 地球物理学家使用一些定量方法和先进技术来分析地球的特性和过程。

• 地球物理学技术用于探测矿产资源、减轻自然灾害和环境保护。

• 地球物理学是从不同学科中发展而来的一个独立学科，例如地质学、自然地理学、天文学、气象学和物理学。

地球物理学的要素

• 地球物理学研究的主要要素包括：

  • 地球的形状

  • 地球的万有引力

  • 地球的磁场

  • 地球的内部结构

  • 地球构成

  • 地球板块运动（板块构造学）

  • 火山活动

  • 岩石形成

  • 水循环

  • 流体动力学等

地球物理学家解决的问题

• 以下是地球物理学家研究的问题领域：

  • 公路和桥梁建设

  • 矿产资源的测绘与勘探

  • 水资源的测绘与勘探

  • 地震和火山地区的测绘

  • 地质测绘

  

  • 考古发现

  • 大坝建设及其安全

  • 法医勘探（寻找埋藏的尸体）

地球物理学的技术和方法

• 以下是地球物理学的主要技术和方法：

  • 地磁学

  • 电磁法

  • 极化法

  • 地震技术

  • 探地雷达（GPR）等

地球物理学的益处

• 以下是地球物理学的主要益处：

  • 在不破坏考古遗址的情况下对其进行研究

  • 设计环保的城市建筑

  • 寻找和合理开发自然资源

  • 帮助减轻自然灾害，如滑坡、地震等

物理学 - 纳米技术

绪论

• 纳米技术是利用和操纵原子和分子来设计新技术的科学。

• 纳米技术是超分子技术，这意味着它是在分子或超分子尺度上进行功能系统的工程。

• 有趣的是，一纳米（nm）等于十亿分之一米，或10⁻⁹米。

• 纳米技术的概念和思想最初是由著名物理学家理查德·费曼在1959年提出的。

• 理查德·费曼在他的演讲“底部有足够的空间”中，描述了通过直接操纵原子进行合成的可行性。

• 然而，1974年，丹尼古芝纪夫首次使用了“纳米技术”一词。

主要研究领域

• 以下是纳米技术正在研究的主要领域：

  • 先进计算——开发超级计算机

  • 电子学——开发导体和半导体

  • 医学——开发治疗癌症（尤其是乳腺癌）的技术

  • 纺织工程——纳米制造等

纳米技术的应用

• 以下是纳米技术的主要应用：

  • 制造救命的医疗机器人

  • 让世界上的每个人都能使用联网计算机

  • 安装联网摄像头来监视每个人的行动（这对行政服务和维护社会治安非常有帮助）。

  • 制造无法追踪的大规模杀伤性武器。

  • 迅速发明许多在日常生活中有用的奇妙产品。

• 同样，分子技术具有造福人类的巨大潜力；然而，与此同时，它也带来了严重的危险。无法追踪的大规模杀伤性武器就是其致命性的一个理想例子。

纳米技术的主要分支

• 以下是纳米技术的主要分支：

  • 纳米电子学

  • 纳米力学

  • 纳米光子学

  • 纳米离子学

纳米技术的贡献学科

• 以下是纳米技术科学发展中融合的主要学科：

  • 表面科学

  • 有机化学

  • 分子生物学

  • 半导体物理学

  • 微细加工

  • 分子工程

纳米技术的意义

• 任何事物都有两面性，同样，工业规模上纳米技术的应用，即纳米材料的制造，可能会对人类健康和环境产生负面影响。

• 尤其是在使用纳米材料的行业工作的工人更容易受到伤害，因为他们会吸入空气中的纳米颗粒和纳米纤维。这些纳米材料可能导致多种肺部疾病，包括纤维化等。

物理学 - 神经物理学

绪论

• 研究神经系统（如大脑、脊髓和神经）的医学物理学分支称为神经物理学。

• 神经物理学的研究人员研究大脑的基本物理基础，以了解其不同的功能。

• 神经物理学家还研究人类的认知过程。

• “神经物理学”一词最初来自希腊语，即“neuron”意为“神经”，而“physis”意为“自然”或“起源”。因此，神经物理学基本上关注的是对神经系统工作机制的研究。

• 此外，神经物理学的完整性还假定整个宇宙是活的，但其方式超出了对生物体的概念。

神经物理疗法

• 神经物理疗法是一种高度复杂的基于运动的治疗方法。这种技术可以治疗多种疾病，其成功率也很高。

• 以下是可以通过神经物理疗法治疗的一些重要疾病：

  • 关节炎

  • 运动表现

  • 代谢紊乱

  • 康复

  • 双相情感障碍

  • 偏头痛

  • 慢性疼痛

  • 运动神经元疾病

  • 退行性疾病

  • 抑郁症（临床性；反应性）

  • 肌营养不良症

  • 药物成瘾

  • 癫痫

  • 骨关节炎

  • 帕金森病

  • 前庭疾病

  • 遗传性痉挛性截瘫等。

• 此外，神经物理学的实践使我们能够保持健康并在日常生活中更好地发挥作用，因为它提供了技术，即如何均匀地分散体内的压力，而不让它变得孤立。

物理学 - 心理物理学

绪论

• 心理物理学基本上是心理学和物理学的一个跨学科分支；它研究物理刺激与感觉及其产生的知觉之间的关系。

• 心理物理学家通过研究行为的影响来分析感知过程；此外，他们还研究系统地改变一个或多个物理维度的刺激特性。

• 心理物理学的概念最早由德国莱比锡的古斯塔夫·特奥多尔·费希纳于1860年提出。

• 费希纳发表了他的研究成果，即《心理物理学原理》（即《心理物理学基础》）。

心理物理学的术语

• 以下是心理物理学中常用的术语：

  • **信号检测理论**——它解释了感觉能力和决策要素在检测刺激中的相互作用。

  • **“理想观察者分析”**——这是一种研究信息如何在感知系统中处理的技术。

  • **差别阈限**——它有助于区分两种刺激。这一点被称为刚好能觉察的差别。

  • **绝对阈限**——一个人首次检测到刺激强度（即刺激的存在）的点。

  • **量表**——它使用等级量表来分配相对值。

现代心理物理学家的方法

• 现代心理物理学家研究：

  • 视觉

  • 听觉

  • 触觉（或感觉）

• 基于这些，心理物理学家测量感知者从刺激中提取出的决策结果。

心理物理学的应用

• 在当今世界，心理物理学通常被用来治疗许多心理问题。

物理学 - 天体物理学

绪论

• 天体物理学是自然科学或天文学中最古老的分支之一。

• 天体物理学被用作制作日历和导航的基础。

• 天体物理学也被用作宗教的重要输入，因为从一开始，占星家就在他们的占星工作中借助这门科学。

• 现代天体物理学分支，即“理论天体物理学”，描述了天体的功能和行为。

• 理论天体物理学使用各种各样的工具，例如分析模型（例如，多方体来近似恒星的行为）和计算数值模拟。

天体物理学主题

• 以下是天体物理学（现代）的主要主题：

  • 太阳系（形成和演化）；

  • 恒星动力学和演化；

  • 星系形成和演化；

  • 磁流体力学；

  • 宇宙射线的起源；

  • 广义相对论和物理宇宙学。

天体物理学的主要成就

• 以下是天体物理学的主要发展：

  • 伽利略于1609年使用望远镜进行了首次天文研究。伽利略发现了太阳黑子和土星的四颗卫星。

  • 基于对第谷·布拉赫的观测，开普勒发展了行星运动的三大定律。

  • 1687年，牛顿提出了运动定律和万有引力定律。

  • 爱因斯坦在1916年提出相对论，为研究宇宙学提供了第一个一致的基础。

  • 1926年，哈勃发现星系正在后退，它们的速度随着距离的增加而增加。这意味着宇宙正在膨胀，并将这种膨胀追溯到过去，导致了“大爆炸”的概念。

  • 1974年，赫尔斯和泰勒发现了一个由两个脉冲星组成的双星系统，这证明了引力波的存在。

天文学

• 天文学是最古老的分支之一，它是一门研究天体及其功能现象的自然科学。

• 为了解释天体的起源、演化和现象，应用了物理学、化学、数学等不同的科学学科。

• 研究的对象是：

  • 行星

  • 卫星或月球

  • 恒星

  • 星系

  • 彗星等。

• 一些被研究的重要现象是：

  • 超新星爆发

  • 伽马射线暴，以及

  • 宇宙微波背景辐射等。

• 在20世纪，根据研究方法，天文学被分为：

  • **观测天文学**——基于方法和手段，观测天文学家观测、收集和分析天体数据。为了分析数据，他们使用物理学的基本原理。

  • **理论天文学**——理论天文学家试图开发计算机或分析模型来描述天体及其功能。

• 同样，天文学包含了诸如天体导航、天体测量学、观测天文学等多种学科；这就是天体物理学与天文学密切相关的原因。

物理学 - 测量单位

下表列出了物理学中的主要测量单位：

单位换算

物理学 - 主要仪器及其用途

下表列出了主要的科学仪器及其用途：

物理学中的发明与发明家

下表列出了物理学中的一些主要发明及其发明家：

物理学 - 时间轴

下表列出了物理学中发生的主要事件（以及可能的时间段）：

物理学 - 未解之谜

绪论

• 未解问题的含义是——已发展的理论和模型无法解释某些正在发生的现象，或者科学实验无法纠正相关现象。

• 下表列出了物理学中一些主要的未解问题：

物理学术语

下表列出了物理学中的主要“术语”——

物理学中的主要理论和定律

下表列出了物理学中的主要理论及其各自的领域——

诺贝尔物理学奖

绪论

• 诺贝尔物理学奖是瑞典皇家科学院每年颁发的最负盛名的奖项。

• 诺贝尔奖授予为人类做出最杰出贡献（在物理学领域）的物理学家。

• 德国/荷兰物理学家威廉·伦琴是第一位获得1901年诺贝尔奖的人。

• 威廉·伦琴因发现非凡的X射线而获得诺贝尔奖。

• 在物理学领域（当时），只有两位女性获得过诺贝尔奖，即玛丽·居里（1903年）和玛丽亚·格佩特·梅耶（1963年）。

• 下表列出了一些获得诺贝尔奖的重要物理学家及其杰出作品——

物理学奖项

以下是物理学领域的一些重要奖项：

以发明家名字命名的科学单位

下表列出了一些以发明者/发现者命名的科学单位：

物理学 - 頂尖研究机构

以下是世界知名的顶尖物理学研究机构：