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第18页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第18页,页面无弹窗的全文阅读!

    (1)研究物理和化学都离不开学数学。
    (2)数学家的现代生活离不开古往今来所有数学家、物理学家和化学家的研究成果。
    (3)优秀的数学家、物理学家和化学家一般都没有时间去嘲弄其他两个领域的优秀成果。
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    20.专门从事物理学史的研究对物理学的发展来说是否多此一举?
    兄弟,托马斯·塞缪尔·库恩(Thomas Samuel Kuhn)第一个表示不服。详情请看他写的《科学革命的结构》(The Structure of Scientific Revolution)。
    
    21.为什么我考试成绩不错,却还是觉得没有学好物理专业课,甚至觉得课本里的知识很奇怪?物理系学生该怎样加深自己对课本的理解?“读书百遍,其义自见”对学习物理适用吗?
    能够意识到这一点是很好的。举个例子,在物理学里,四大力学代表的是四种世界观。本科阶段能熟练掌握一门也不见得容易。考试成绩只考虑有限课时情况下的合理要求,考试成绩不错,并不代表四大力学你真的掌握了。有困惑很正常,而且能够发现一些“很奇怪”的地方说明你学得不错。有一些困惑涉及的东西相当深,没有办法放到本科的教学计划中去,所以建议是不要在这里“死抠”,带着问题继续往前走,等学到更高的层次后再倒回来看,你会有新的体会。常看常新。
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    22.怎样透彻地学习大学物理?
    个人之见,关键在于两个能力:物理图像和数学水平。前者要靠大量计算、广泛阅读和很多下意识的思考。后者要靠大量的计算、做题,以及对数字的敏感和熟练。另外,物理系课程之间的联系千丝万缕,不要把任何一门课当成一门孤立的课来学习。要花大量时间来融会贯通。总之前面这些就三个字:堆时间。
    最后就是心态要好,上面这些都能做到的凤毛麟角,做不到也不必气馁。
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    23.我们现在已知的定理或者观念会不会是错的呢?很多很多年以后,无论人类文明以什么形式存在,科学探究会有穷尽的那天吗?
    历史上被物理学界公认的理论几乎没有后来被证明是错误的。这是因为,要证明一个公认的理论是错误的,你必须同时推翻无数个支撑这个理论的实验事实。这根本不可能办到。很多同学经常用牛顿力学举例,但牛顿力学其实并没有错,它只是不够精确罢了。相对论和量子力学也没有推翻牛顿力学,它们只是给牛顿力学划定了一个适用范围,而当具体的物理现象落入旧理论的适用范围时,新理论必须无条件地重复旧理论的预言。所以只要物理理论仍然建立在实验的基础之上,那么现在的理论在未来也不会被完全推翻。
    至于第二个问题,物理学家们已经不止一次觉得自己穷尽自然的一切奥秘了,然后就是被自然飞快地打脸教做人……
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    24.光速究竟为何方神圣,为啥又是速度上限,平方以后乘以质量还能得到能量,就连新发现的引力波也是光速传播,这些都是巧合,还是有什么更深刻的原因?
    光并没什么特殊的啊。光子也只是一个没有质量的平凡粒子而已。与其说光速特殊,不如说无质量粒子的速度特殊。宇宙有个极限速度,这个速度就是无质量粒子运动的速度,所有有质量的粒子的速度必须小于它。所以,这里并没有什么巧合,引力波光速传播,只不过是因为我们认为引力子也没有质量。
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    25.力有传播速度吗?
    有的,机械力的速度就是材料中声音的传播速度,比如声音在钢中的传播速度是五六千米每秒。如果是真空中传播的力比如电磁力和引力,那么其传播速度为光速。
    
    26.磁场与电场本质上到底有什么联系?
    在相对论的高度上讲,磁场和电场就是同一个东西,或者说得严格一些,是同一个物理量(电磁场张量)的不同分量。这意味着磁场和电场在不同的参考系下是可以相互转化的。事实正是如此,在以不同速度运动的惯性参考系中,你看到的磁场和电场可以不一样,但它们总的电磁场张量一定一样。而麦克斯韦方程组反映的其实是保证这种转化不出现bug(比如能量不守恒啊,动量不守恒啊)的几何结构。
    继续深入下去,我们可以用纯几何的语言重写电磁学,电磁场可以定义成一个被称为纤维丛的几何结构,磁场和电场反映了这个几何结构的曲率。
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    27.电磁转换中有左手定则和右手定则,大自然为什么要选定这样的方向?如果有个宇宙这两个判定方向是和我们颠倒过来,违背什么更基础的物理定律了吗?
    这个问题说着说着就要扯到宇称了。
    左手定则和右手定则其实最开始是人为选择的。换句话说,如果你把所有的左手定则全部换成右手定则,同时把所有的右手定则换成左手定则,你会发现,除了看不见摸不着的磁场方向转了个180°以外,任何可以直接观察的物理现象都不会变。
    举个例子:电子在磁场中做洛伦兹运动,磁场转了180°,看起来电子的洛伦兹力的方向也要变化180°,于是电子的运动轨迹也要变。但其实这里我们把判断洛伦兹力方向的左手定则换成了右手定则,又多了个180°,所以电子的运动没有受到任何影响。
    在电磁学理论的范畴,物理学是没有能力判断左右的,左手和右手完全等价。习惯用的左手定则和右手定则也只是习惯而已,可以互换(但注意一定要一起换)。这就叫作宇称守恒。
    前面特地强调了电磁学范畴,因为后来杨振宁和李政道先生在理论上证明了弱相互作用宇称不守恒,可以区分左右。这一点随后被吴健雄女士通过实验证实。
    
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    28.为什么不同的色光在同种介质中绝对折射率不同?在微观上波长如何影响折射?
    光是电磁波,入射到介质中会改变原子中电子的运动状态,材料中被扰动的电荷将发射同一个频率但相位有延迟的电磁波,出来的光将是这些电磁波的总和,频率一样但光速变慢了,即折射率变大了。
    不同频率的光对电子的影响不同,所以折射率与入射频率有关。在介质中,光的波长实际上变短了,但回到空气中还会恢复原来的值。频率是电磁波的本质而非波长,但通常在空气中这两个词可互换。折射率是介质的固有性质,和它的成分、结构有关,每一种介质对不同颜色的光有不同的反应,所以我们说折射率是频率(波长)的函数,即与波长有关,但不能说微观上波长影响了折射。另外,在有特定结构的介质中如某些晶体,折射率可能与电磁波的偏振方向有关。
    还有,如果入射光特别强,对原子产生激烈的扰动,那么有可能发生其他一些变化,比如产生不同颜色的光,介质发热和结构变化使得折射率改变,甚至介质被破坏。这些属于非线性光学现象,有兴趣的朋友可以以后再学!
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    29.摩擦力的示意图是画接触面上还是画中心处?如果画接触面和二力平衡的条件又不相符,如果画中心处和力的作用点也不符,怎么解决?
    应该画在接触面上。在这里,摩擦力和拉力就是无法平衡的。在摩擦力的作用下,木块有旋转的倾向。(这也是刹车时汽车车头总是会往下铲的原因。)当然,它没有真的旋转起来是因为地面挡着它呢,具体体现在前半部的地面支持力会大于后半部的地面支持力,给出一个反向力矩抵消旋转。
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    30.温度升高,氢氧化钙在水中的溶解度降低,而不是像大多数物质那样增大,这是为什么?
    这个问题要分两步解答。
    我们先说说为什么大多数物质溶于水会放热。物质溶于水时有两个过程,先是物质内部的化学键或分子间力被拉开,这一步要吸收热量。然后是被拉开的物质离子或分子与水或水离子重新结合,这一步要放出热量。大多数溶于水的物质,第二步与水结合时释放的能量要大于第一步拆散该物质原有结构吸收的能量。所以最终结果是系统总的化学能变低,因此溶解过程可以自发发生。系统放热,温度升高。
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