內容簡介
《中學物理奧賽輔導:熱學·光學·近代物理學》是為高中生參加全國中學生物理競賽(也稱“物理奧賽”)而編寫的一本輔導教材,內容包括熱學、光學、狹義相對論、原子物理及核物理。上述內容是物理學的重要組成部分,也是近代物理學發展和應用的主要領域。據作者粗略統計,這些內容在曆年的競賽試題中約占35%。為瞭便於學生自學,一方麵,對每一部分內容都從實驗和理論方麵進行瞭詳細的論述;另一方麵,列舉瞭大量的習題,並進行瞭詳細的解答,特彆是對曆年的競賽題目,都采用與參考答案不同的方法進行瞭講解,並對部分試題加以點評。這樣做的目的,是使讀者學有所得,能對光學、熱學和近代物理學的基礎內容有較全麵和正確的認識,使自己已有的物理知識進一步深化,從而使讀者具備堅實的物理基礎,能夠處理較復雜的物理問題。
《中學物理奧賽輔導:熱學·光學·近代物理學》采用高中階段的數學知識處理所涉及的問題。例如,對於光的乾涉、衍射,用振幅矢量法進行講解,從而避免瞭復數和積分的運算;對於波粒二象性的內容,則從相關的實驗總結齣相應的結論,等等。
本書既便於學生自學,也可供中學教師作為參考資料使用。
作者簡介
崔宏濱,1982年考入中國科學技術大學,1999年獲得中國科學技術大學理學博士學位。現任教於中國科學技術大學物理學院,承擔“光學與原子物理”“力學與熱學”“固體物理學”等核心課程的本科教學工作,是學校重點培養的教學骨乾,教學成果顯著,曾獲中國科學技術大學第六屆“睏學守望”傑齣教學奬(2011年)、中國科學技術大學校友基金會優秀教學奬(2009年)、中國科學技術大學華為奬教金(2003年)。齣版瞭《光學》(科學齣版社)、《原子物理學》(中國科學技術大學齣版社)等大學教材。在中學物理教學方麵造詣頗深,連續多年為全國奧林匹剋物理競賽夏令營的中學生以及睿達實驗學校的學員講授光學、熱學和近代物理學。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 熱現象及其微觀機製
1.1 描述熱現象的物理參量
1.1.1 體積
1.1.2 壓強
1.1.3 溫度與溫標
1.2 熱平衡
1.2.1 平衡態
1.2.2 熱力學第零定律
1.3 理想氣體的狀態方程
1.3.1 阿伏伽德羅定律
1.3.2 玻意耳定律
1.3.3 蓋·呂薩剋定律
1.3.4 查理定律
1.3.5 氣體的狀態方程
1.3.6 道爾頓定律
1.4 分子的熱運動
1.4.1 氣體、液體、固體中的分子
1.4.2 分子的熱運動
1.4.3 建立熱平衡的微觀過程
1.5 係統的內能
1.5.1 分子的動能
1.5.2 分子間的勢能
1.6 熱與功
1-7氣體分子運動論基礎
1.7.1 理想氣體的微觀模型
1.7.2 氣體分子運動的特點
1.7.3 氣體壓強的微觀機製
1.7.4 氣體溫度的微觀機製
1.8 實際氣體的狀態方程
1.9 熱量的測量
1.10 熱傳遞的各種形式
1.10.1 熱傳導
1.10.2 熱對流
1.10.3 熱輻射
第2章 物態及物態變化
2.1 固態
2.1.1 晶體
2.1.2 非晶態
2.1.3 準晶態
2.1.4 固體的熱膨脹
2.2 液態
2.2.1 液體的錶麵張力
2.2.2 錶麵張力引起的壓強
2.2.3 液體與固體錶麵之間的附著力
2.2.4 浸潤
2.2.5 接觸角
2.2.6 毛細現象
2.3 熔化與凝固
2.3.1 熔點
2.3.2 熔化熱
2.3.3 凝固
2.4 升華與凝華
2.5 汽化與液化
2.5.1 蒸發
2.5.2 飽和氣與飽和蒸氣壓
2.5.3 沸騰
2.5.4 汽化熱
2.5.5 液化與臨界溫度
2.5.6 空氣的濕度
2.5.7 露點
2.6 三相圖
第3章 準靜態過程與熱力學第一定律
3.1 準靜態熱力學過程
3.2 功
3.3 熱量
3.4 內能
3.5 熱力學第一定律
3.6 熱力學第一定律對理想氣體的應用
3.6.1 焦耳實驗
3.6.2 焦耳一湯姆孫實驗
……
第4章 熱力學循環與熱力學第二定律
第5章 幾何光學的物理基礎
第6章 透鏡與透鏡組的成像
第7章 光學成像儀器
第8章 波動光學基礎
第9章 光的乾涉
第10章 光的衍射
第11章 狹義相對論
第12章 原子的結構與能級
第13章 量子力學初步
第14章 原子核物理概論
參考文獻
前言/序言
《現代物理前沿探索:從宇宙起源到量子世界》 本書並非傳統的奧賽輔導材料,也非聚焦於中學物理課程的特定章節。它是一次深入探究現代物理學核心概念與前沿進展的旅程,旨在為有誌於瞭解物理學最新發展、探索未知宇宙奧秘的讀者提供一個全麵而富有洞察力的視角。本書從宏觀的宇宙起源與演化,到微觀的量子世界奇妙現象,再到新能源與未來科技的展望,層層遞進,勾勒齣現代物理學波瀾壯闊的全景圖。 第一部分:宇宙的宏偉樂章——從大爆炸到暗物質、暗能量 我們將從宇宙學的宏大敘事開始,帶領讀者穿越時空,迴到宇宙誕生的那一刻——大爆炸。這裏,我們將探討大爆炸理論的核心證據,包括宇宙微波背景輻射的發現及其意義,以及宇宙膨脹的觀測事實。本書將深入解析宇宙的早期演化,包括暴脹理論如何解釋宇宙的平坦性與視界問題,以及元素閤成的早期過程。 隨後,我們將目光投嚮宇宙的結構形成。星係、星係團乃至更大尺度的宇宙網是如何在引力作用下逐步凝聚的?本書將詳細闡述冷暗物質在宇宙結構形成中的關鍵作用,並介紹暗物質存在的各種觀測證據,例如星係自轉麯綫異常、引力透鏡效應等。我們也將探討暗物質的本質,雖然至今仍是未解之謎,但本書將梳理當前主流的理論模型和實驗探索方嚮。 近幾十年來,宇宙學最大的發現之一便是暗能量的存在。本書將詳細介紹暗能量如何驅動宇宙加速膨脹,並探討目前關於暗能量的幾種主要理論模型,例如宇宙學常數、精細能量場等。我們將分析不同模型與觀測數據之間的契閤度,以及暗能量對宇宙最終命運的影響。此外,本書還將觸及一些更前沿的宇宙學話題,如宇宙的再離子化、大尺度結構的非高斯性、以及尋找宇宙弦等理論。 第二部分:量子世界的奇幻之旅——疊加、糾纏與量子力學的哲學思考 從浩瀚的宇宙迴歸微觀的量子世界,我們將進入一個與我們日常直覺截然不同的領域。本書將以清晰易懂的方式介紹量子力學的基本原理,包括波粒二象性、量子疊加態以及不確定性原理。我們將通過生動的類比和實例,解釋量子態的概率性以及測量過程對量子係統的影響。 量子糾纏是量子力學中最令人著迷的現象之一。本書將深入剖析量子糾纏的本質,揭示兩個或多個粒子之間超越時空的關聯。我們將介紹貝爾不等式及其在驗證量子糾纏非定域性方麵的作用,並探討量子糾纏在量子信息科學中的潛在應用,如量子通信和量子計算。 本書還將帶領讀者思考量子力學所帶來的深刻哲學問題。例如,哥本哈根詮釋、多世界詮釋以及退相乾理論等,我們將從不同角度探討它們如何解釋量子現象,並分析這些詮釋對我們理解實在性的影響。我們將探討薛定諤的貓佯謬,以及它如何揭示宏觀世界與量子世界之間的界限。 第三部分:信息、計算與未來的脈搏——從經典到量子的飛躍 信息科學與物理學的融閤是現代科技發展的重要驅動力。本書將迴顧信息理論的發展,從香農的信息熵到信息在物理係統中的作用。我們將探討信息與能量之間的關係,以及信息熵增定律的物理意義。 隨後,我們將聚焦於量子信息科學的革命性進展。本書將詳細介紹量子比特的概念,以及與經典比特的根本區彆。我們將深入探討量子計算的原理,包括量子門、量子算法(如Shor算法和Grover算法)以及它們相比經典算法的指數級優勢。我們將分析量子計算在密碼學、材料科學、藥物研發等領域的潛在顛覆性影響,並介紹當前量子計算機的發展現狀和麵臨的挑戰。 在量子通信領域,本書將介紹量子密鑰分發(QKD)的原理,以及它如何提供理論上不可破解的安全通信。我們將探討量子隱形傳態的技術,以及它在未來分布式量子計算和量子網絡中的重要作用。 第四部分:能源的未來與可持續發展的物理學 麵對全球能源危機和氣候變化,物理學在尋找可持續能源解決方案方麵發揮著至關重要的作用。本書將探討目前主流的可再生能源技術,包括太陽能(光伏效應、熱發電)、風能(空氣動力學原理、發電技術)、水能(水力發電)以及地熱能。我們將分析這些技術的物理學基礎、效率限製以及未來的發展方嚮。 本書還將深入介紹核能的原理及其發展。我們將迴顧裂變能的物理過程,並探討當前核反應堆的技術挑戰與安全問題。此外,我們還將展望未來核聚變能的研究進展,介紹托卡馬剋、慣性約束等主流聚變方案的物理原理,以及實現可控核聚變麵臨的技術難關和潛在的清潔能源前景。 除瞭能源生産,本書還將關注能源效率的提升和新材料的研發。我們將探討熱力學在提高能量利用效率方麵的應用,以及超導材料、納米材料等在能源存儲、傳輸和轉換中的潛力。 第五部分:前沿物理學的廣闊天地 本書的最後一章將帶領讀者觸及一些更具前沿性和探索性的物理學領域。我們將簡要介紹粒子物理學的最新進展,包括標準模型之外的探索,如超對稱粒子、額外維度等猜想,以及大型強子對撞機(LHC)的最新發現。 我們將探討凝聚態物理學中的新奇量子現象,如拓撲量子物態、分數量子霍爾效應等,以及它們在未來量子器件中的應用潛力。 此外,本書還將對生物物理學、天體物理學以及計算物理學等交叉學科進行概述,展示物理學與其他學科的深度融閤,以及它們如何共同推動科學的邊界。 本書的特色與定位: 《現代物理前沿探索:從宇宙起源到量子世界》並非一本旨在幫助學生通過某項考試的教材。它更像是一次學術的“漫遊”,一次思維的“探險”。本書的目標讀者是那些對物理學充滿好奇心,希望超越中學課本的界限,瞭解現代物理學是如何運作、又將把我們帶嚮何方的讀者。無論是對宇宙奧秘充滿遐想的愛好者,還是希望為未來科技發展奠定基礎的學生,亦或是對科學本質進行哲學思考的探索者,都能在這本書中找到屬於自己的思想火花。 本書注重概念的清晰闡述,避免過於深奧的數學推導,而是側重於物理思想的邏輯梳理和現象的生動描繪。同時,書中也融入瞭對科學史的簡要迴顧,以及對重要科學傢及其貢獻的介紹,力求讓讀者在瞭解科學內容的同時,也能感受到科學探索的魅力與人文精神。 本書力求呈現一個動態的、不斷發展的物理學圖景。我們將強調許多問題仍是未解之謎,並鼓勵讀者保持批判性思維,積極參與到科學知識的構建與傳播中來。通過本書,我們希望點燃讀者對科學的熱情,激發他們對未知世界的探索欲望,並為他們理解和參與構建更加美好的未來科技社會提供一個堅實的認知基礎。
這本書真的是讓我頭疼!我一直以為自己物理學得還不錯,至少中考的題應付起來沒啥問題,結果這次為瞭幫孩子輔導,拿起瞭這本《中學物理奧賽輔導:熱學·光學·近代物理學》,簡直是打開瞭新世界的大門。我以為“奧賽”兩個字隻是個噱頭,沒想到裏麵的內容難度係數直接飆升到另一個次元。比如,講到熱學的時候,那些關於熵增、能量守恒的推導,還有各種微觀粒子的統計分布,看得我眼花繚亂。我當時腦子裏隻有一個念頭:這真的是中學物理嗎?我當年學的時候怎麼沒見過這些?尤其是那個關於熱力學第二定律的解釋,我翻來覆去看瞭好幾遍,結閤著書裏的圖示,纔勉強理解瞭它的一個基本概念,但要讓我自己獨立解一道相關的題,估計還是要跪。更彆提光學裏的乾涉、衍射、偏振這些,跟初高中學的簡單的幾何光學簡直是天壤之彆,涉及到的公式和理論都無比深奧,感覺像是直接跳到瞭大學物理的範疇。我感覺自己當初學物理的時候,學的都是皮毛,而這本書則是在挖掘物理的靈魂,而且是那種極其深邃、難以觸及的靈魂。孩子看到我苦思冥想的樣子,時不時會來搭把手,但很多時候,他自己也隻能勉強理解其中的一部分。看來,要想在奧賽中取得好成績,這本輔導書的挑戰,可不是一般的大。