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第一章 导论1

1.1 世界为什么变化这么快1

1.2 从自然哲学到物理学3

一、中国古代的世界图景和哲学观3

二、古代西方哲学观和物理知识4

三、古代阿拉伯的物理知识5

四、欧洲中世纪的科学为何发展缓慢5

1.3 经典物理学产生的条件和建立过程6

一、文艺复兴6

二、天文学的突破6

三、伽利略和近代力学的诞生7

四、笛卡儿、惠更斯和牛顿8

1.4 19世纪物理学的成就和危机9

一、电磁现象的研究9

二、从法拉第到麦克斯韦9

三、热力学与统计物理的建立和发展10

四、经典物理学的“危机”，两朵乌云和三大发现10

1.5 20世纪物理学的发展及其特点11

一、向微观世界和宇宙空间进军11

二、向新事物和“复杂性”进军11

三、物理学与高新技术12

1.6 物理学的社会教育和思想文化功能14

一、科学的双重功能14

二、物理学是“求真”的15

三、物理学是“至善”的15

四、物理学是“美”的16

参考资料18

第二章 航天与力学19

2.1 万有引力定律的发现20

一、牛顿生平20

二、月亮为什么不掉下来21

三、万有引力定律的建立22

四、海王星的发现24

2.2 宇宙速度与动量及机械能守恒25

一、火箭推进原理与动量守恒定律25

二、机械能守恒定律28

三、三个宇宙速度30

四、多级火箭32

2.3 卫星运动与角动量守恒34

一、人造地球卫星是怎样发射的36

二、椭圆轨道与角动量守恒定律37

三、失重现象及其解释40

2.4 航天技术的发展42

一、通信卫星42

二、气象卫星43

三、地球资源卫星和海洋卫星45

四、科学探测卫星45

五、导航卫星46

六、深空探测47

七、载人航天49

附录2.A 火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式50

附录2.B 人造地球卫星等航天器的返回53

习题54

参考资料55

第三章 无处不在的波56

3.1 振动56

一、一个弹簧振子的振动56

二、振动的描述57

三、电（偶极）振子模型58

3.2 声波59

一、声波59

二、波的描述、超声和次声60

三、声压、声强级和噪声61

四、超声的特性及应用62

五、次声的特性及应用65

3.3 电磁波概述65

一、电磁波发现的历史65

二、电磁波谱及其产生69

三、电磁波——横波72

3.4 光的反射、折射和全反射72

一、惠更斯原理72

二、镜面反射73

三、两种媒质界面上光的折射和反射74

四、全反射76

3.5 光的干涉、衍射和偏振77

一、光的干涉77

二、光的衍射和分辨本领80

三、全息照相82

四、有趣的偏振光84

3.6 无线电波和微波85

一、无线电波的传播86

二、无线电广播、电视和传真89

三、频带宽度、载波频率和频道数目的关系90

四、微波通信和微波能利用91

3.7 多普勒效应及其应用92

一、雷达、多普勒效应92

二、超声多普勒技术的医学应用94

3.8 光的波粒二重性95

一、黑体辐射和“量子”概念的提出95

二、光电效应和“光量子”的提出98

三、光的波粒二重性101

四、康普顿效应和正负电子对的产生101

附录3.A 红外线与紫外线104

习题107

参考资料108

第四章 微观世界及其探索109

4.1 揭开研究微观世界序幕的三大发现110

一、X射线的发现110

二、放射性的发现112

三、电子的发现115

4.2 原子结构117

一、卢瑟福散射和原子核的发现117

二、玻尔模型120

三、电子的波粒二重性127

四、粒子运动的测不准关系129

4.3 X射线与原子结构130

一、X射线的产生和X射线谱130

二、X射线的应用133

4.4 原子核的结构134

一、中子的发现134

二、一种新的相互作用力——核力138

三、核能来源139

四、α，β和γ放射性衰变141

五、核子结构144

六、神秘的反物质146

4.5 探索微观世界奥秘的近代技术147

一、电子显微镜147

二、质子激发X射线荧光分析（PIXE）151

三、中子活化分析153

四、扫描隧道显微镜（STM）154

五、原子力显微镜（AFM）159

附录4.A 分子能级和光谱、固体的光谱161

习题163

参考资料164

第五章 光彩夺目的新光源165

5.1 激光产生原理与激光器结构166

一、激光产生原理166

二、激光简史和我国的激光技术168

三、激光器的结构169

四、激光器的种类171

5.2 激光的特性及应用173

一、激光的主要特性173

二、激光应用简介174

5.3 神奇的同步辐射光179

一、同步辐射的发现179

二、同步辐射的特性180

三、同步辐射装置183

四、同步辐射应用简介186

习题192

参考资料192

第六章 物理学与材料科学和信息技术193

6.1 物质结构的基础知识193

一、元素是构成材料的最小单位194

二、分子的键型和构形194

三、晶体的结合类型和结构196

四、晶体特性198

五、非晶凝聚态物质199

6.2 半导体200

一、什么是半导体201

二、本征半导体和杂质半导体203

三、半导体硅材料204

四、半导体材料的应用简介204

6.3 超导材料208

一、超导体的基本特性208

二、常规超导与高温超导210

三、超导应用简介211

6.4 纳米材料与C60结构212

一、纳米材料212

二、纳米加工与原子操纵215

三、举世瞩目的C60和碳纳米材料216

6.5 先进陶瓷与新型金属218

一、先进陶瓷218

二、新型金属220

6.6 信息的获取220

一、传感器技术221

二、遥感技术及其分类223

三、不同波段的三类遥感及其应用225

6.7 信息的传输和处理226

一、移动通信手段的发展227

二、电子邮件227

三、卫星通信227

四、光纤通信228

五、数字通信技术229

六、多媒体技术230

七、信息技术的广泛应用230

参考资料231

第七章 物理学是能源科学的基础232

7.1 能源概况232

一、能源及其分类232

二、物理学与能源科学233

三、能源与环境233

四、能源危机235

7.2 能源利用和开发236

一、热能及其到机械能的转换236

二、电能238

三、机械能239

四、太阳能241

五、干净的氢能242

7.3 裂变反应堆——核电站243

一、裂变发现及裂变能的释放243

二、链式反应的可能性及可控性245

三、可控链式反应的实现246

四、核电站简介248

五、核电的优势及发展概况251

六、新一代核电站的研究开发251

7.4 可控热核聚变反应253

一、如何实现自持的聚变反应253

二、太阳中的热核聚变反应——引力约束255

三、磁约束装置256

四、惯性约束核聚变——激光核聚变257

附录7.A 空气质量监测和空气污染指数258

习题259

参考资料260

第八章 物理学与现代医学新技术和生命科学261

8.1 放射性药物在诊断和治疗中的应用262

一、放射性的基本规律262

二、短寿命核素的生产和保存266

三、放射性药物用于诊断267

四、放射性药物用于治疗267

8.2 激光在医学上的应用268

一、激光的生物效应268

二、激光刀用于切割（气化）或烧灼治疗269

三、激光纤维内窥镜270

四、低功率激光的医学应用270

8.3 神奇的粒子手术刀270

一、γ刀270

二、医用电子直线加速器272

8.4 CT技术和磁共振成像技术273

一、从X射线摄影到XCT和ECT273

二、磁共振成像275

8.5 物理学在生命科学发展中的作用280

一、对生命现象认识的发展280

二、从细胞水平看生命283

三、从分子水平看生命（DNA简介）284

四、信使RNA分子和遗传密码288

五、STM和AFM技术在生命科学中的应用289

附录8.A 生物体是一个开放的具有自组织性的耗散结构291

附录8.B 基因工程简介294

习题296

参考资料296

第九章 相对论和宇宙298

9.1 陌生的高速世界299

一、爱因斯坦的“追光实验”299

二、时间（同时性）的相对性300

三、高速旅行可以长寿吗302

四、高速运动的物体会缩短吗303

五、光速能够超越吗305

9.2 相对论动力学，质能关系式306

一、质量随速度而变化306

二、改变世界的方程——质能关系式307

9.3 广义相对论简介309

一、光线在太阳旁的偏折和空时弯曲310

二、双星的引力辐射310

9.4 宇宙学大意311

一、可观测宇宙的概貌312

二、宇宙在膨胀——哈勃红移314

三、早期宇宙的遗迹——3开微波背景辐射315

四、宇宙年龄的估计317

五、大爆炸宇宙学（宇宙学的标准模型）318

9.5 恒星的诞生、演化及其归宿320

一、星际物质和恒星的诞生320

二、恒星的演化及其归宿322

三、从“天关客星”到脉冲星的发现323

四、黑洞324

9.6 太阳系和地球的起源与演化325

一、太阳系概貌325

二、太阳系的起源和演化326

三、地球的起源和演化326

四、做人是幸运的327

习题328

参考资料329

第十章 从20世纪物理学看世界330

10.1 物理学的方法论330

一、模型方法为什么灵330

二、科学假说的重要作用331

三、类比方法在科学发现和理论构建中的重要性332

四、“统一性”是物理学的执著追求333

五、向“边缘”开拓，向“极限”挑战，从“交叉”处找突破口334

六、物理学研究中个人与集体的关系335

10.2 物理学的认识论335

一、认识论的相对性原理335

二、认识始于变革336

三、从相对真理到绝对真理338

四、对科学家失误的认识338

五、科学技术是一把“双刃剑”339

六、既是演员，又是观众339

参考资料340

结束语——21世纪人类面临的气候危机341

物理常数和天文常数表349

习题答案351