大学物理学(下册)第16章物理学课外知识

《大学物理学(下册)第16章物理学课外知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理学(下册)第16章物理学课外知识（50页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、物理课外知识,离子推进器安装在同步卫星上，可以使卫星保持适当的方位并处在指定的轨道上。离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速粒子流，金属高压输电网对离子流施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201km的速度，推动航天器前进。,离子推进器,1880年居里兄弟发现石英晶体被外力压缩或拉伸时，在石英的某些相对表面上会产生等量异号电荷，例如，当石英晶体受到0.1MPa的压强时，其两表面因极化能产生约0.5V的电势差。这一现象被称为压电效应，产生压电效应的物体称为压电体。,压电体,产生压电效应的电介质除了石英、电气石外，还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O6. 4H2O

2、)等单晶以及钛酸钡（BaTiO3)、锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3，代号PZT等另一类压电晶体，称为压电陶瓷。,利用压电效应制成的晶体点火器普遍用在了打火机、煤气灶及火花塞中，可以说，压电效应在我们日常生活中是随处可见的。,压电陶瓷片,压电陶瓷点火器,等离子体简介 随着物质系统温度的不断升高，处在固态的物质就会转变为液态，继而变为气态，物质分子排列的有序程度就逐渐降低。如果继续给气态加热，使得原子的动能超过原子的电离能，就会使气体发生电离，形成正离子、电子和中性原子的混合物。大多数气体达到10000K以上时已经高度电离，这时系统与普通的气态有着明显的区别，1929年，美国的朗默尔(Lan

3、gmuir)将它取名为“Plasma”，译名为“等离子体”。,等离子体,等离子体还有许多有趣的电磁学性质，由于等离子体是良导体，所以其内部不能有电场存在，但可以有磁场。但是因为变化的磁场会产生电场，所以等离子体内的磁场不能发生改变。这种现象称为磁场在等离子体内的冻结。由于磁场冻结在等离子体中，所以当等离子体在磁场中运动时，它能带动和推挤磁场，产生磁声波。,宇宙中99.9%以上的物质是处在等离子态。 例如太阳、恒星就是等离子体，只有行星和某些星际物质和微尘云是处在气液固三态，而这只是宇宙中极小的一部分。在地i球上，闪电、极光、大气电离层也是等离子体，霓虹灯发出的辉光、电焊时闪烁的电弧、火箭喷出的

4、火焰、核爆炸产生的火球云等则是人工产生的等离子体。,太阳,极光,核爆炸,磁悬浮技术简介 磁悬浮的主要原理是利用高频电磁场在金属中产生涡流，进而产生洛伦兹力来实现悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈内时，由于电磁感应现象，会在金属表面产生高频感应电流，并形成闭合回路，称为涡流。这一涡流使金属样品在磁场中受到一个洛伦兹力的作用。通过合理设计悬浮线圈的结构，可以使样品上洛伦兹力的合力方向与重力方向相反，在通过调节高频电源的功率使悬浮力与重力相等，即可实现金属样品的悬浮。,磁悬浮技术,磁悬浮飞机,磁悬浮床,磁悬浮列车,磁悬浮电梯,全息摄影简介 全息照相是以干涉、衍射等波动光学理论为基础的无透镜

5、拍摄，底片上所记录的是物体所发光波的全部信息（包括振幅和相位），因而可以再现物体逼真的立体形象。同时全息图中的每一个局部都包括了物体整体的光信息，因此，如果底片有缺损，也不会影响完整物像再现。,全息摄影,全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。例如：全息电影和全息电视，全息储存及全息显示等。除光学全息外，还发展了红外、微波、超声全息术，这些全息技术在军事侦察或监视上具有重要意义。如对可见光不透明的物体，往往对超声波“透明”，因而超声全息可用于水下侦察和监视，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。,全息照片,全息照片,日本研发全息电视：用激光投射飘浮图像,日本研发的全息立体投影设备,爱因

6、斯坦基于广义相对论和宇宙学原理之上的大爆炸宇宙模型做了一个假设，说在这个世界上存在的物质中，我们已经知道的只占5%，还有25%的物质叫黑物质（dark matter也称为暗物质），人类根本看不到，然后还有70%的物质是黑能量（dark energy或称为暗能量）。,黑物质和黑能量,黑物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域一样，由牛顿引力理论可知，距离中心越远，速度应该越小，可是天文观测事实不是这样，这就说明其中有看不见的黑物质。,2011年,诺贝尔物理学奖授予美国科学家索尔珀尔马特、澳大利亚科学家布赖恩施密特

7、和美国科学家亚当里斯，以表彰他们“通过观测遥远的超新星而发现宇宙正在加速扩张”这一成就。 早在1998年，珀尔马特领导的超新星宇宙学研究小组，以及施密特和里斯领导的超新星研究小组就分别发表论文，宣布宇宙在加速膨胀这一惊人结论。通常认为，宇宙是在以一个恒定的速度膨胀。但他们通过对爆炸的超新星的研究，发现这些超新星的发光度要小于按照原先给定的宇宙膨胀速率计算出的数值，这说明超新星离地球的距离要比想象得远，也说明宇宙在“暗能量”的影响下在加速扩张。他们的发现第一次提出了“暗能量”存在的令人信服的证据。,索尔珀尔马特,扫描隧道显微镜简称STM（scanning tunneling microscope

8、)是目前放大率最高的显微镜之一，其分辨率为一个原子的限度，用它可以“看见”物质表面原子的分布细节，再现表面原子重新排列的时间过程等。这些是光学显微镜及电子显微镜望尘莫及的。 STM的特点是不用光源也不用透镜，其显微部件是一枚细而尖的金属（如钨）探针。它的工作原理是量子隧道效应。,扫描隧道显微镜,由于STM的独特优点，必然获得广泛的应用。自它发明以来的近即使年中，不仅在物理学领域，而且在表面科学、材料科学、生命科学及微电子技术等领域的研究都取得了许多令人瞩目的成就。,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜所看到的石墨样品,由于牛顿力学在统一天上与地上万物运动方面的巨大成功，也由于当时科学技术的局限，人们

9、对自然现象受决定论规律支配这一点深信不疑，这一思想后经法国数学家拉普拉斯概括，得出一段警示名言： “即只要有一个宇宙方程，就可以知道宇宙的一切”。,混沌,人们过去认为，一个能用决定论描述的系统，只要初值确定，即使初值有十分微小的变动，也只会使运动状态发生微不足道的改变，不致动摇或改变系统运动的“基本轨道”。,20世纪60年代，人们发现，一些典型的可用决定论描述的系统（如单摆），在一定条件下（如大幅角摆动、改变策动力大小等），其运动会对初值异常敏感，即使初值有微小的测量不出的偏差，运动也会表现得十分混乱、无规则，且不可预测！自20世纪70年代起，科学家把这种来自可用决定论描述的系统中的无规则运动

10、称为混沌。随着对混沌现象逐渐深入的研究，发现混沌现象发生于绝大多数非线性系统中。,目前，发现混沌现象不仅存在于物理系统，也存在于化学系统、生物系统及人的生命进程中，甚至还存在于社会学与经济学等社会科学领域。,“今天在北京的一只蝴蝶扇动了一下翅膀，可能下月在纽约引起一场暴风雨”,正常人的听觉可以听到20Hz-20kHz的声波，低于20Hz的声波称为次声波，超过20kHz的声波称为超声波。超声波和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。,超声波简介

11、,目前，超声波已经在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断等领域发挥着不可取代的作用。,超声波可用来探测鱼群和冰山,利用超声波检测固体材料内部缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等在医学中利用超声波进行人体内部器官的组织结构扫描和血流速度的测量,用于潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘测,导弹外壳超声波检测设备,医学超声检测（缺血性心肌病）,真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。真空是相对于大气压来说的，并非空间没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。气体稀薄程度是对真空的一种客观量度 ，最

12、直接的物理量度是单位体积中的气体分子数。,真空技术简介,真空技术 真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。真空技术主要包括真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用四个方面。在真空技术发展中，这四个方面的技术是相互促进的。,地球上的真空环境 在地球上，通常是对特定的封闭空间抽气来获得真空，用来抽气的设备称为真空泵。早先制成的真空泵，抽气速度不大，极限真空低，很难满足生产和科学试验的需要。后来相继制成一系列抽气机理不同的真空泵，抽速和极限真空都得到不断的提高。如低温泵的抽气速率可达60000升/秒，极限真空可达千亿分之一帕数量级。,真空的应用

13、范围极广，分为低真空、中真空、高真空和超高真空应用。,低真空是利用低(粗)真空获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘 。,中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的气体或水分、制造灯泡、真空冶金和用作热绝缘。如真空浓缩生产炼乳，不需加热就能蒸发乳品中的水分。,高真空 可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、X 射线管、加速器、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜 ，以供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。,超高真空 可用作空间

14、模拟是因为外层空间的能量传输与超高真空中的能量传输相似。在超高真空条件下，单分子层形成的时间长(以小时计)，这就可以在一个表面尚未被气体污染前 ，利用这段充分长的时间来研究其表面特性，如摩擦、粘附和发射等。,真空包装机,真空吸盘,喷气式飞机所使用的喷气发动机靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行，它可使飞机获得更大的推力，飞得更快。特别地在1万2万米空气比较稀薄的高空，喷气发动机更有着螺旋桨活塞发动机所无法比拟的优越性。,喷气式飞机,烧煤油而不烧汽油 现代喷气式飞机飞得高、而且速度快，于是带来一个很大的问题：处在高空飞行的飞机，因为空气相当稀薄，大气压力也小，而且燃料处于低

15、压状态，通常在这种环境下，假如以汽油为燃料，油箱以及油路中的汽油就会马上沸腾，从而产生许多油蒸汽，阻塞油路，造成“气塞”。发动机也会由于得不到燃料而在空中停车，从而造成机毁人亡的严重飞行事故。为了防止“气塞”出现，喷气式飞机也只能采用沸腾温度十分高、而且不易蒸发的煤油作燃料了。,喷气种类：涡轮喷气：用涡轮吸收空气并压缩，然后混合燃料燃烧向后喷出，速度快，功率大，体积小，但是低速油耗很大，推力也相对较小。涡扇喷气：涡轮喷气前面加一个风扇，推力大，高速和低速的性能都较好，油耗适中。冲压喷气：利用气流流经扩张的管道时压力突然增大的方法压缩空气，然后混合燃料燃烧向后喷出，速度快，体积小，重量轻，油耗很

16、大。常常装在前两种喷气后面增加推力，又叫加力燃烧室或者后燃器。也常用于大气层内高速飞行的飞行器。涵道喷气：螺旋桨的一种变体，或者称为风扇，将螺旋桨外侧包起来的高速旋转产生推力，推力小，体积小且能搭配各种不同的原动机，多见于电动的喷气式模型飞机。,天宫一号与神舟飞船对接示意图,2010年10月,NASA太空望远镜拍摄到一颗巨大的超新星,它的光芒被数百年前自身爆炸产生的灰尘和气体遮掩,1993年，美国科学家成功地进行了移动铁原子的实验,安装在“猛士”军车上的定向声波发射器,爆炸恒星的超密集内核包含着叫做“超流体”的奇特超导体物质,超导磁悬浮与超声生物悬浮,磁星：从10万英里处消除信用卡信息,超导体

17、中的持续电流可以使物质浮起来，因为恒定电流会排斥浮动物体(甚至是活体)的磁场。此图中，荷兰科学家在一个16特斯拉的磁场里将一只青蛙浮了起来。,大型离子对撞实验（ALICE）的内部追踪系统运送到实验洞窟并将它嵌入定时发射膛(TPC),电荷藕合器件图像传感器CCD,哈勃太空望远镜,巨磁电阻”效应引发硬盘的“大容量、小型化”革命,美33年前发射2艘航海家号宇宙飞船（Voyager）已飞220亿公里即将向太阳系道别,美国的德尔塔火箭发射最新型的GPS卫星,纳威司达欧V排放MaxxForce （迈斯福）13发动机，排量为12.4升,全球卫星定位系统 (GPS) 实际上是一个卫星群，由27颗沿环地球轨道运

18、行的卫星组成，其中24颗为工作卫星，另外3颗为备用卫星。这些卫星由太阳能提供动力，在地球上空大约19300千米的高度绕地球运行，每天绕地球运转两周。它们的运行轨道是经过特殊安排的，所以在任何时候，地球上任何地方的上空都至少可以“见到”四颗卫星。,全球最大的人造磁体,扫描隧道显微镜：图中的“IBM”是由单个原子构成的,扫描隧道显微镜拍下的DNA,神舟飞船 火箭发射图片,神舟飞船发射,神舟七号,世界上最大的摩天轮,世界最大的水上摩天轮,英飞凌已开始利用这种效应，测量汽车中的转向角度，是全球第一家开始量产整合式巨磁电阻感测器 (iGMR) 的半导体供应商,在经过长达9000年的沉寂后,智利的紫藤（Chaiten）火山爆发时伴随着雷电和暴风雨,这种很难理解的现象可能是当火山爆发时的岩石碎片、灰尘和冰粒相互碰撞产生强大静电造成的。,中子星：磁场强度是地球100万亿倍,