物理爱好者

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雷雨中的物理知识



沈森林



　　盛夏季节多雷雨，这是一种常见的自然现象。雷雨中也包含着很多的物理知识。








　　一、闪电是怎样形成的



　　大家有没有注意过，冬天晚上脱毛衣时，毛衣会由于摩擦起电而产生电火花?闪电就是云层中大量的正、负电荷产生的大规模的放电现象。






　　二、雷声是怎样产生的



　　声音是由于物体振动产生的，有声音一定有振动，雷声是放电引起的空气的剧烈振动产生的。



　　三、雷声为什么会连绵不断



　　雷声是通过空气传播的，声音在传播过程中会受到大山、高大建筑物及云层、地面的多次反射从而多次产生回声，连绵不断的雷声就是这样产生的。



　　四、为什么总是先看见闪电而后听到雷声



　　事实上闪电和雷声是同时产生的，这是因为光在空气中远比声音传播得快的缘故。



　　五、打雷时，地面上的物体为什么会遭雷击



　　通常情况下空气是绝缘体，闪电时，产生的电压高达上亿伏，空气在高电压作用下会发生电离而导电，所以，处在放电区的高大物体常常会遭到雷击。



　　六、树木遭雷击时为什么会炸开



　　树木遭雷击时，通过树木中的电流非常大，产生大量的热，使树木中的水分温度迅速升高而汽化，变成高温高压的水蒸气，气体膨胀做功，从而把树木炸开。从能的转化角度讲，这是电能转化为内能、内能又转化为机械能的过程。



　　七、雨是怎样形成的



　　冷、热空气交汇时，空气中的水蒸气发生液化，变成小水滴(或凝华成小冰晶)，这些小水滴越聚越大而下落，便形成了雨。



　　八、两滴下落时是怎样运动的



　　大家知道，大气层并不是均匀的，越往高处空气越稀薄。开始雨滴的重力大于阻力与浮力之和，受非平衡力作用，做加速直线运动。后来，随着雨滴的下落速度越来越快，它所受的阻力也越来越大，直至雨滴所受的浮力与阻力之和等于重力，雨滴受平衡力作用变为匀速下落。从能量的观点看，雨滴的动能先增大，后不变，势能则一直随高度的减小而减小。



　　九、夏天下雨前后为什么会更加闷热



　　这是因为下雨前后空气中的水分含量大，人体表面的汗水难以蒸发，所以感到更加闷热。



　　十、夏天雨过天晴，天空为什么有时会出现虹、霓



　　这是因为夏天气温高，水分蒸发快，因此雨后天空中充满了小水滴，太阳光入射到悬浮在大气中的水滴时，经它折射、色散和内反射(全反射)就会形成虹、霓。经两次折射、色散和一次内反射，被偏转的光线形成了虹；两次折射和两次内反射，被偏转的光线形成了霓。

今夕何夕

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开卷有益处

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伯努利







　　伯努利，（Daniel Bernouli,1700～1782）瑞士物理学家、数学家、医学家。1700年2月8日生于荷兰格罗宁根，1782年3月17日殁于巴塞尔。他是伯努利这个数学家族（4代10人）中最杰出的代表，16岁时就在巴塞尔大学攻读哲学与逻辑，后获得哲学硕士学位，17～20岁又学习医学，并于1721年获医学硕士学位，成为外科名医并担任过解剖学教授。但在父兄熏陶下最后仍转到数理科学。1725年和1727年他和L.欧拉（1707～1783）先后被聘为圣彼得堡科学院的院士。他和欧拉都在25年内获得过10次法兰西科学院为当时迫切需要解决的理论与实际问题而悬赏的奖金，例如船用发动机最佳方案等等。他们之间通信40年，互通科学信息并切磋分析，有助于许多重要问题的解决（包括弹性链、梁的力学问题、振动理论、流体动力理论等等），成为科学史上受人称颂的科学通信。伯努利成功的领域很广，除流体动力学这一主要领域外，还有天文测量、引力、行星的不规则轨道、磁学、海洋、潮汐等等。
　　伯努利开辟并命名了流体动力学这一学科，区分了流体静力学与动力学的不同概念。1738年，他发表了十年寒窗写成的《流体动力学》一书。他用流体的压强、密度和流速等作为描写流体运动的基本概念，引入了“势函数”“势能”（“位势提高”）来代替单纯用“活力’讨论，从而表述了关于理想流体稳定流动的伯努利方程，这实质上是机械能守恒定律的另一形式。他还用分子与器壁的碰撞来解释气体压强，并指出，只要温度不变，气体的压强总与密度成正，与体积成反比，用此解释了玻意耳定律。

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玻耳兹曼







　　玻耳兹曼（LudwigBoltzmann,1844～1906）奥地利物理学家。1844年2月20日诞生于维也纳，从小受到很好的家庭教育，勤奋好学，读小学、中学时一直是班上的优等生。1863年以优异成绩考入著名的维也纳大学，受到J.斯忒藩、J.洛喜密脱等著名学者的赞赏和栽培。1866年获博士学位后，在维也纳的物理学研究所任助理教授。此后他历任拉茨大学（1869～1873，1876～1889）、维也纳大学（1873～1876，1894～1900，1902～1906）、慕尼黑大学（1880～1894）和莱比锡大学（1900～1902）的教授。1899年被选为英国皇家学会会员。他还是维也纳、柏林、斯德哥尔摩、罗马、伦敦、巴黎、彼得堡等科学院院士。
　　玻耳兹曼主要从事气体动理论、热力学、统计物理学、电磁理论的研究。在这些方面他都作出了重大的贡献。他是气体动理论的三个主要奠基人之一（还有克劳修斯和麦克斯韦），由于他们三人的工作使气体动理论最终成为定量的系统理论。1868至1871年间，玻耳兹曼把麦克斯韦的气体速率分布律推广到有势力场作用的情况，得出了有势力场中处于热平衡态的分子按能量大小分布的规律。在推导过程中，他提出的假说后被称为“各态历经假说”，这样他就得到了经典统计的分布规律──玻耳兹曼分布律，又称麦克斯韦──玻耳兹曼分布律。并进而得出气体分子在重力场中按高度分布的规律，有效地说明大气的密度和压强随高度的变化的情况。

　　玻耳兹曼分布律只反映气体平衡态的情况，他并不满足，进一步研究气体从非平衡态过渡到平衡态的过程，于1872年建立了著名的玻耳兹曼微分积分方程。他引进了由分子分布函数定义的一个函数H，进一步证明得出分子相互碰撞下H随时间单调地减小──这就是著名的H定理，从而把H函数和熵函数紧密联系起来。H定理与熵增加原理相当，都表征着热力学过程由非平衡态向平衡态转化的不可逆性。H定理从微观粒子的运动上表征了自然过程的不可逆性，为当时科学家们所难于接受。1874年开尔文首先提出所谓“可逆性佯谬”：系统中单个微观粒子运动的可逆性与由大量微观粒子在相互作用中所表现出来的宏观热力学过程的不可逆性这两者是矛盾的，由单个粒子运动的可逆性如何会得出宏观过程的不可逆性这样的结论？玻耳兹曼继续潜心研究，1877年圆满地解决了这一佯谬，从而使自己的研究工作推向了一个新的高峰。他建立了熵S和系统宏观态所对应的可能的微观态数目（即热力学几率）的联系：S∝lnW。1900年普朗克引进了比例系数k─称为玻耳兹曼常量，写出了玻耳兹曼－普朗克公式：S＝klnW。这样玻耳兹曼表明了函数H和S都是同热力学几率W相联系的，揭示了宏观态与微观态之间的联系，指出了热力学第二定律的统计本质：H定理或熵增加原理所表示的孤立系统中热力学过程的方向性，正相应于系统从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡，平衡态热力学几率最大，对应于S取极大值或H取极小值的状态；熵自发地减小或H函数自发增加的过程不是绝对不可能的，不过几率非常小而已。

　　玻耳兹曼的工作是标志着气体动理论成熟和完善的里程碑，同时也为统计力学的建立奠定了坚实的基础，从而导致了热现象理论的长足进展。美国著名理论物理学家吉布斯（JosiahWillardGibbs,1839～1903）正是在玻耳兹曼和麦克斯韦工作的基础上建立起统计力学大厦。玻耳兹曼开创了非平衡态统计理论的研究，玻耳兹曼积分──微分方程对非平衡态统计物理起着奠基性的作用，无论从基础理论或实际应用上，都显示出相当重要的作用。因此人们将公式S＝klnW铭刻在他的墓碑上，以纪念他科学上的不朽功绩。

　　玻耳兹曼把热力学理论和麦克斯韦电磁场理论相结合，运用于黑体辐射研究。1870年斯忒藩在总结实验观测的基础上提出热物体发射的总能量同物体绝对温度T的4次方成正比。1884年玻耳兹曼从理论上严格证明了空腔辐射的辐射密度u和绝对温度T的关系：式中,σ是个普适常量，后来称为斯忒藩－玻耳兹曼常量，这个关系被称为斯忒藩－玻耳兹曼定律。它对后来普朗克的黑体辐射理论有很大的启示。在当时，科学家对麦克斯韦电磁场理论大多持不同看法，而玻耳兹曼最早认识到麦克斯韦电磁场理论的重要性。他通过实验研究，测定了许多物质的折射率，用实验证实了麦克斯韦的预言：媒质的光折射率等于其相对介电常数和磁导率乘积的算术平方根，并从实验证明在各向异性媒质中不同方向的光速是不同的。他用《浮士德》中的一句话“写出这些符号的是一个神吗？”来赞美麦克斯韦方程组。这些无疑是对麦克斯韦电磁理论的有力支持。

　　玻耳兹曼是位很好的老师，经常被邀请到国外去讲学。他学识渊博，对学生要求严格而从不以权威自居。他讲课深入浅出、旁征博引、生动有趣，深受学生欢迎。他常常主持以科学最新成就为题的讨论班，带动学生进行研究。他对青年严格要求、热情帮助，培养了一大批物理学者。

　　玻耳兹曼是个唯物论者，是维护原子论的积极斗士。他一生同马赫的经验主义和奥斯特瓦尔德为首的唯能论者进行了不懈的斗争。他的统计力学的理论受到唯能论者们的猛烈攻击，长期被误解。这些损害了他的身心健康。可能由于在与马赫等人的论战中一时感到孤立而又疾病缠身，于1906年9月5日不幸自杀身亡。不过分子、原子的存在，分子、原子作热运动的真实性以及玻耳兹曼统计理论的正确性，则由原子物理学的实验观由测以及爱因斯坦于1905年、佩兰于1908年对布朗运动的理论和实验研究成果直接证实了。

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玻尔







　　玻尔（Niels　Hendrik　David　Bohr，1885～1962）丹麦物理学家。1885年10月7日生于哥本哈根。7岁入小学后成绩一贯优异，敢于公开指出教材或教师讲课中的差错。从小爱好足球，身体很好，也擅长手工，他说过：“我是像一个哲学家和一个工匠那样地对物理学发生兴趣的。”父亲是哥本哈根大学生理学教授，玻尔少年时经常随父亲参加每周星期五丹麦科学家的家庭学术性聚会，受到了许多潜移默化的科学黛陶。18岁时进入哥本哈根大学的数学和自然科学系，主修物理学。大学低年级时参加哲学课外小组“黄道社”，积极地参加各种问题的讨论。大学二年级时他热中于研究水的表面张力问题，他自己设计与制造仪器，吹制玻璃管，做完一次实验往往需要若干小时。在精确测定的基础上，他参加了丹麦皇家科学院的有奖征文，他用振动射流法对水的表面张力进行实验和理论方面的研究，获得金质奖章。1909年获该校硕士学位。1911年以论文《金属电子论的研究》获博士学位。同年9月，他到英国剑桥卡文达什实验室进修据说他第一次与导师J.汤姆孙见面时，就操着不熟练的英语把他论文中批评汤姆孙的段落当面指出，使导师大为光火，因而给以冷遇。在一次实验室年度聚餐会上他聆听了来访的卢瑟福的长篇演说，为他的性格和成就所折服，随即干1912年3月转到了曼彻斯特随卢瑟福工作，这成了他一生的重要转折点。
　　他从研究不同的铝片对已射线的吸收问题开始，思考原子结构问题，并超负荷地全力工作。在这里他参加了卢瑟福的科学集体，并和卢瑟福建立了长期的亲密关系。当时人们对原子内部结构知之极少，只停留在光谱学和化学元素周期表的经验水平上。同时，按照卢瑟福的有核模型，明显地出现了正常状态下原子和分子的稳定性问题。不突破经典理论的框架。这一矛盾是难以解决的。1912年7月，他尝试着把量子概念和有核模型结合起来，写了一份论文提纲给卢瑟福。这一提纲后来被史学界称为《卢瑟福备忘录》。

　　1912年9月，他受聘在哥本哈根大学任教。他利用业余时间奋发努力，形成了自己的理论。1913年7月起，他以《论原子构造和分子构造》为题，连续三次在英国之哲学杂志上发表论文，后来被称为“伟大的三部曲”。这篇论文的三大部分是：“正法对电子的束缚”，“只包含单独一个原子核的体系”，“包含多个原子核的体系”。论文提出了五条公设（后来一般教材中归纳为三条）。在玻尔的原子理论中，最重要的是引入了“定态”和“跃迁”这两个全新的概念。“定态”概念把经典物理学在一定边界条件和初始条件下所允许的各种连续状态进行筛选，只允许某些分立状态存在，从而排除了定态之间的其他状态，形成若干鸿沟。

　　“跃迁”（最初叫“过渡”）则把一个定态到另一定态的变化看作一种突然的、整体的、不需时间的行为，不允许经典物理那种逐渐的、连续的、分阶段动作。两个状态之间的能量差形成了原子发射和吸收光的机制。这两个新概念解释了原子世界中原来互不关联的许多实验事实，如C粒子大角度散射，氢原子线光谱的各种公式。不同元素的X射线谱等、玻尔理论促进了新话线系（如赖曼系）的寻求和概括，核算了里德伯常量。天文学上发现的星体上的某些谱线（皮克林系）原来人们认为是属于氢原子，玻尔理论指出应属于氦原子并得到了实验验证。J.夫兰克和G.赫兹通过碰撞测出原子的“电离能”，玻尔指出这是原子的“激发能”，由此可以肯定地证明原子定态的存在。玻尔的成功使他1916年（31岁）担任了哥本哈根大学教授，1917年被选为丹麦科学院院士。

　　为了克服说明其他元素光谱时遇到的困难，并且进一步解释光谱线的强度、偏振以及原子其他诸多性质。说明元素周期表的构成等，1918年玻尔提出了对应原理，它的大意是说：在同一问题的经典理论与量子理论之间，总可以从形式上找到相对应的类比关系。他认为：对一个周期性体系来说用经典理论（如用经典广义坐标中的傅立叶系数）来描述周期性体系的运动，和用量子理论（如体系的跃迁概率）来描述时，两者存在着简单的对应关系。这一理论后来导致了海森伯矩阵力学的发展。玻尔利用这一原理，合理地解释了众多的现象，如各元素的光谱与X射线谱、原子中电子的组态和元素周期表等。1922年12月，玻尔由于上述这些成就荣获诺贝尔物理学奖。

　　1921年，玻尔倡议并建立了哥本哈根大学理论物理学研究所，并领导这一世界性的科学中心40年，形成著名的哥本哈根学派，在量子力学的发展中起着独特的作用，取得了许多重大的成果，并培养出大批优秀的学者。例如，玻尔的对应原理导致了海森伯矩阵力学的形成；在相互的启发鼓励下涌现了玻恩对波函数的概率诠释；海森伯的不确定原理；以及后来玻尔提出的互补原理等。30年代中期，玻尔还提出了关于原子核构成的“液滴模型”、复合核概念等，促进了重核裂变的发现和原子核能的研究。

　　玻尔待人诚恳，善于激发年轻科学家们的科学热情。1961年访苏时，他的学生之一朗道问他有什么秘诀把许多才华横溢的青年团结在自己周围？他说：“没有什么秘诀，只是我不怕在他们面前显露我的愚蠢。”他在丹麦被纳粹占领期间，坚决不参加傀儡政府组织的活动，而和地下爱国组织密切合作，组织专门机构营救被希特勒迫害的德、意等国大批知识分子。1943年，他逃脱了德军的逮捕，经瑞典转赴英、美0参加了英美联合研制原子弹的工作。他担心核武器出现后如何保卫世界和平问题，为此而奔走呼号。1950年他为此发表了《致联合国的公开信》。在他倡议下玻尔建立并领导了欧洲核子研究中心和北欧原子物理研究所。

　　1937年夏季，玻尔及其子人玻尔（1922～）曾到中国上海、杭州、南京和北平等地访问，表达了对中国人民的友谊。1947年他亲自设计了自己的族徽，其中心图案是中国的古代八卦“太极图”形象地表示了他的互补思想。

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玻恩（Max　Born，1882～1970）德国物理学家。量子力学的他建者之一，晶格动力学的奠基人。1882年12月11日生于普鲁士布雷斯劳一个犹太知识分子家庭。小时受父亲（医学教授）影响喜欢摆弄仪器和参加科学讨论。1901年进入布雷斯劳大学。1905年慕名人格了根大学以便听希耳伯特、阅可夫斯基等数学、物理学大师讲学。于1907年获博士学位。1912年受聘为格丁根大学讲师。1921年成为格了根大学物理系主任和理论物理学教授。

　　从1923年开始，他致力于发展量子理论，年轻的海森伯当时是他的助教和合作者，1925年海森伯提出他的“关于运动学和力学关系的量子理论”后，玻恩当即支持海森伯理论，认为其表达形式与矩阵代数一致，他和海森伯等人合作发表了长篇论文，用严整的数学形式全面系统地阐明海森伯理论。1926年薛定谔以波函数为基础，提出与海森伯的矩阵力学等价的波动力学，并把波函数看作是对实在的物质波的连续描述。玻恩从具体的碰撞问题的分析出发，提出了波函数的统计诠释波函数的二次方代表粒子出现的概率。由于这一贡献，他获得了1954年诺贝尔物理学奖。量子力学的提出使格丁根大学成为当时举世瞩目的物理中心之一。在玻恩的领导下，格了根群英苦革，自由讨论空气清跃。形成了可以和玻尔的哥本哈根学派相媲美的格丁根物理学派。

　　玻恩是一位杰出的教育工作者，他讲课出色，常组织名家讲学，他热诚待人，诲人不倦，奖励后起之秀，对年轻人的成就给予很高评价。他还善于向晚辈学习，如他认为他从其助手泡利那里学到的，比泡利从他那里学到的要多。

　　1933年希特勒上台，玻恩由于犹太血统，教授职位被剥夺，财产被没收，流亡到了英国。1936～1953年任爱丁堡大学教授。退休后回德国居住，仍继续进行科学与写作活动。在60余年的学术生涯中发表论文300余篇，出版了近30本著作。于1970年1月5日在格丁根逝世。墓碑上刻着他发现的著名公式：。