物理学范文

导语：如何才能写好一篇物理学，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

纵观物理学的整个发展过程,无不包含着一代又一代的科学家对物理学之美的孜孜追求。爱因斯坦曾经说过:“物理学是至善至美的科学”。他把物理学之美归纳为:简单、和谐、完善、统一。他在建立相对论时的整个思考过程即是对“宇宙美”的追求过程。和谐美、简洁美一直是他衡量物理学理论是否正确的标准。开普勒坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的,他以数学的和谐来探索宇宙,不忽视任何一个误差,最终发现了行星运动的统一规律――行星运动定律。费曼也正是凭着他独特的审美鉴赏力去审视和欣赏牛顿的万有引力定律,麦克斯韦方程和爱因斯坦的相对论所体现的那种完美的结构,感受对称性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通过自身的审美直觉去洞察自然界内在的美,创造出了体现过去与未来之间对称性的费曼图,并进而提出了一种新的重整化理论,巧妙地避开了困扰量子场论计算中的发散困难,为量子场论确立了一种标准的理论程序。

物理学所蕴含之美主要包括:对称美、简洁美、和谐美、统一美。

1.对称美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运用及其转化等规律的对称性而产生的美感,称为物理学的对称美。

物理学中的对称主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。

时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种类型。时空对称表示物理现象在时空变换下的不变性。如杠杆的平衡、平面镜成像、磁体的两极、电荷的正负表现了物质的直观形象在空间上的对称;匀速运动的速率在运动过程中的任一点都相等,相干光在干涉空间任一区域都保持相等的条纹宽度等表现了物质在运动变化过程中的空间对称;周期、节奏、频率等表示了时间对称;不随时间变化的匀强电场、匀强磁场表现出既具有时间对称,又具有空间对称等等。

数学对称表示物理内容在教学形式(图与式)上的对称性。如简谐振动的振动图线、简谐波的波形图线具有对称性。这种对称性表示了物理内容在数学图形形式上的对称。万有引力定律、库仑定律与距离之间都具有对称性,这些对称性表示了物理内容在数学表达式上的对称。

抽象对称表示以抽象的方式所反映出的物理内容的对称。由于在无穷大或无穷小的尺度上研究物理问题,很难具有直观性,故很多物理形象及物理内容所呈现的对称具有抽象性。如处于平衡态的气体对容器壁的压强处处相等;处于平衡态的气体分子的热运动在三维空间各个自由度上发生的几率相等,这些都体现了物理内容的抽象对称美。

2.简洁美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、组成、运动及其转化等规律的简单性而产生的美感,称为物理学的简洁美。

从物理理论的整体来看,在形形的物理世界中,各种物理现象和过程千差万别,但在本质上却可逻辑地归结为为数不多的若干基本概念和原理。例如,宇宙中纷乱的种种作用力,在本质上可归结为四种:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力;牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的现象都置于其统治之下;麦克斯韦方程组使复杂的电磁运动形成了一个和谐美满的家庭;量子力学理论使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰……F=ma,E=mc2等等,其形式是多么的简洁而优美。这些都体现了物理学理论整体的简洁美。

物理学中的理想化方法是从多维的具体形象中,抓住最具有本质特征的主要形象,舍弃一些次要形象,建立起一个轮廓清晰、主题突出的新形象,从而简化物理问题。显然,具有简洁美。

3.和谐美

和谐是指由于组成整体的各个要素相互间恰到好处而在整体上显现出协调。和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理学的和谐美,主要是指由于物理理论揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等整体上的和谐性而产生的美感。它主要表现在自洽、对应和互补三个方面。

自洽,与其基本含义一致,即自身内不存在不可统一的矛盾。物理学中的自洽和谐美,主要体现在物理学各分支理论内部以及各分支理论之间在现象、概念、规律等方面都是互不矛盾的。

对应和谐美是指由物理学不同理论间的对应关系而展现的物理学和谐美。对应是高级理论对低级理论的包容,或者是说低级理论是与高级理论在某一特定条件下的结论相一致。具体地说,对某领域正确的物理理论,在新的、更加普遍的理论出现时,并不作为错误的东西被抛弃,而是作为新理论的极限形式和局部情况,在新理论中保持原有的意义。如当v

互补和谐美是由物理学各部分之间的互补关系而展现出的物理学和谐美。所谓互补,就指彼此间弥补、相辅相成。物理学中的互补主要表现在不同的、甚至是相互排斥的物理理论,从不同的侧面描述物理学的研究对象。如光的波动性与粒子性、微观粒子的波动性与粒子性,都分别从不同的侧面反映了光与微观粒子的本质。在这里,波动性与粒子性既互斥,又互补。

4.多样统一美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的多样统一性而产生的美感,称为物理学的多样统一美。物理事物是千姿百态、千变万化的,因此,由它们构成的物理世界,必然呈现出万紫千红的景象,反映物理事物的特性及其规律的物理知识也是丰富多彩的。但是,自然界是统一的,客观物理事物之间存在着内在的联系,通过这种联系使得我们能将各种各样的物理知识统一起来,进而形成既千变万化又和谐统一的美的画卷。例如,牛顿力学把地上的和天上的所有低速宏观运动的规律统一起来;麦克斯韦电磁理论把电、磁、光统一起来;爱因斯坦广义相对论把引力、时间、空间、物质联系起来;德布罗意关系将微观粒子的波动性与粒子性统一起来,这些都会使人们感到一种多样统一的美感。

篇2

Salvador V. Godoy Universidad Nacional

Autonoma Mexico Facultad de Ciencias

Mathematical Physics

2010, 443pp.

Paperback

ISBN: 9783527408085

John Wiley

Shigeji Fujita等著

本书是WILEY-VCH 物理学教科书系列之一,是一部风格极为独特的物理类研究生用的数学物理学教材。作者们考虑到物理类的学生要想拿到高等学位,不管是硕士还是博士,需要攻读的核心课程太多。而这些课程要求大量的数学,特别是处理量子理论的数学。作者们因此认为,既然需要同时学习数学和物理,就不如把他们合在一起来学,不仅可以节省很多时间,同时也便于更长时间保持对所学知识的记忆。正是在这种想法的指导下,作者写了这部数学,甚至一些初等数学和几乎所有门类的物理学科知识的新颖教材。

全书内容共分成36章,1.矢量;2.张量和矩阵;3.哈密顿力学;4.耦合谐振子和简正模式;5.弹性弦;6.矢量微积分和 算符;7.电磁波;8.流体力学;9.不可逆过程;10.熵;11. 热力学非平衡态;12. 概率、统计和密度;13. Liouvile 方程;14.广义矢量和线性算符;15. 单粒子量子力学;16. Fourier 级数和变换;17. 量子角动量;18. 自旋角动量;19. 回转磁比;20. 时间相关微扰论;21. 量子简谐振子;22. 置换群; 23. 量子统计;24. 自由电子模型; 25. 玻色-爱因斯坦凝聚; 26. 磁化率;27. 变分理论;28. 二次量子化;29. 复合物的量子统计;30. 超导;31.复数和Taylor 级数;32. 解析性和 Cauchy-Riemann 方程; 33. Cauchy 基本定理; 34. Laurent 级数; 35. 多值函数;36 留数定理及其应用。

从全书内容可以见到,纯数学只占约三分之一。其余的包括经典力学、电动力学、统计力学、热力学、量子力学、量子统计、固体理论直至超导电性。几乎涉及物理学的所有分支。编写这样的教材是作者们的一个大胆的尝试,他们没有提到是否经过教学的实践,因此也很难对该书在实际教学过程中发挥的作用给出适当的评价。

不过按照作者们的意见,该书可以作为物理专业研究生学习数学物理时两个学期使用的教科书。而且由于考虑到了内容自成体系,也可以提供其他非物理专业但对于数学物理感兴趣的读者自学。

丁亦兵,

教授

(中国科学院研究生院)

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英文名称：Chinese Journal of High Pressure Physics

主管单位：

主办单位：中国物理学会;高压物理专业委员会;四川省物理学会

出版周期：

出版地址：

语

种：

开

本：

国际刊号：1000-5773

国内刊号：51-1147/O4

邮发代号：62-132

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1987

期刊收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

EI 工程索引(美)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

期刊荣誉：

中科双效期刊 Caj-cd规范获奖期刊

联系方式

期刊简介

《高压物理学报》创刊于1987年9月，是我国高压物理领域唯一的专业性刊物，它是由中国物理学会高压物理专业委员会主办、中国工程物理研究院流体物理研究所承办的一份学术季刊。

《高压物理学报》《高压物理学报》办刊宗旨是反映并刊登高压物理学科领域内的国内外科研及技术成果，以促进国内外学术交流，发现与培养我国从事高压物理专业研究的中青年科技人才，推进我国高温高压物理学科研究工作的发展。读者对象为从事高压物理专业以及相邻专业（如爆炸力学、地球物理、天体物理、材料科学等）的科学研究人员、工程技术人员、研究生以及大专院校师生等。

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物理学中的图形，可以用来表达一个规律，表示一种现象，透视一个机械。模拟一个过程使用图形，是一种研究物理学的必备工具和手段。图形的特点就是：简单，直观，而且所包含的信息丰富。

如图1，这是一个电路图。图中包含两个灯L1和L2，三个开关S1、S2和S3，一个电源以及一些导线。每一个开关都有断开和闭合两种状态，所以就会导致这个电路共有六种状态。灯泡是否会发光，以及电路是否有安全隐患，这些只需要我们在纸上画一画，稍作分析就一目了然了，这样就免去了多次的实际试验。

二、公式之美

物理学家把对大自然的认识，抽象成非常简洁整齐的数学公式。每一个物理符号都有特定的意义，几个符号按照某种特定的关系组合在一起，表达了非常清晰的物理规律。因此，物理公式是一种语言，是物理学家用自己独特的方式告诉人们，宇宙是如何运行的语言。

例如，地球上某个物体所受重力为G=mg。符号m表示这个物体的质量，符号g表示地球的引力常数，G表示这个物体受到的重力。当然，这个公式可以求任何星球上的物体所受到的重力，只要你知道这个星球的引力常数就好。

三、对称之美

宇宙中有一种惊艳的美那就是对称美。物理学当然要描述对称美。

正与负就是一种对称。如电荷分为正电荷和负电荷；直流电源分为正极和负极。

磁场的N极与S极是一种对称，地磁场的N极与S极也是一种对称。

如图2，平面镜成像原理。平面镜对于“对称关系”的演绎再精彩不过了。家庭必备的镜子，湖水里面的倒影，都属于平面镜成像的对称。图中左侧的蜡烛，由于平面镜的存在，在镜子的右侧相同距离的地方又出现了一个完全相同的“蜡烛”！当然这个“蜡烛”并不是真实存在的。上帝没有制造出两片完全相同的叶子，但却制造出了镜子里面的“虚幻”。尽管我非常理解平面镜成像原理，但是每一次面对平面镜成的像，我都不得不感叹其中那并不存在的“虚幻”。

四、抽象之美

阳光日复一日年复一年地照耀在地球上，这是再自然不过的事情。人类在享用阳光的同时，也在逐渐地去了解，认识以及利用阳光。一直到今天，人类对于光能已经有了较为成熟的认识。物理学家把光抽象为一条条带有方向的直线，也就是光线。这样一来，研究光就变得简单多了。后来又把光的传播，反射，折射，衍射等等这些现象抽象成了一条条的规律，定律和定理。

认识的程度从表象升华到本质，这其中的功劳应该归功于“抽象”这一思维。物理学中对于电荷的认识过程，也完美地体现了抽象思维的魅力。

五、逻辑之美

物理学较之其他学科，具有非常严谨的逻辑美学体现。例如著名的牛顿第一运动定律。1687年，英国物理泰斗艾萨克・牛顿（Sir Isaac Newton）在巨著《自然哲学的数学原理》中，提到了牛顿运动定律，这其中就包括牛顿第一运动定律。

“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。”

牛顿第一运动定律，又称惯性定律。牛顿非常简短的一句话高度概括了运动和力的关系，这其中折射出来的逻辑美感让无数的科学家、艺术家为之震撼！

六、简约之美

物理学中用来描述物质世界的方式是极其简约的。无论是从上面列举的图形描述，还是公式描述，或者是抽象语言文字描述，我们都能从中深刻地感受和领略到这种简约却不简单的表达风格，这种简约之美足以撼动人类的心灵。

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在初学物理学的每一个板块时，都可以引入物理学史，让学生明白物理学的发展过程。目前的教科书大多不介绍科学历史，即便有也只是简单介绍一下科学家的生卒年份和主要成就，或是大家喜闻乐道的传奇故事等等，而历史上某个物理问题的探究过程却很少介绍，历史上科学家们如何历经艰辛和曲折，如何借鉴哪些前人的经验才获得突破等细节更是少之又少。所以教师在新课引入时，可以适当加入一些物理学史。例如在学习天体运动和万有引力这一节知识时，可通过介绍人类对天体运动的认识从“地心说”到“日心说”，再到渐渐认识到太阳也并非是宇宙中心这一逐渐发展的认识过程，让学生了解物理学的发展是一个漫长而又曲折的过程，同时也让学生认识到科学的发展道路充满了艰辛，甚至有些科学家为了追求科学的真理付出了自己的生命。例如意大利伟大的思想家、自然科学家、哲学家和文学家布鲁诺，他勇敢地捍卫和发展了哥白尼的太阳中心说，并把它传遍欧洲，1592年却被捕入狱，最后被宗教裁判所判为“异端”烧死在罗马鲜花广场。在初学光学知识时，让学生知道光学的起源可追溯到两三千年之前，也应当让学生知道这门学科的起源和发展过程。春秋战国时期，墨子便在《墨经》中提出了光与影的关系，对平面镜、凹面镜、凸面镜等进行了相当系统的研究。西方也有此方面的详细记载，如欧几里得在《发射光学》中详细研究了光的反射，阿勒哈增也在《光学全书》中讨论了许多光学现象。关于光的微粒说和光的波动性的争论也是光学发展史的一根红线。从建立反射定律和折射定律开始，光学真正形成了一门学科，这两个定律也奠定了几何光学的基础。在学习光学发展历史的同时，也能让学生明白任何学科的发展都要经历一个漫长的过程。

2学习和借鉴物理实验方法

物理实验方法是指人们根据研究目的，充分利用物理仪器设备，人为地控制或模拟物理现象，排除各种偶然、次要因素的干扰，突出主要因素，在有利的条件下能重复研究物理现象及其规律。在学习力学时，可以把伽利略的事例引入课堂中。例如，古希腊科学家亚里士多德曾提出，重量大的物体会比重量小的物体下落更快。直到16世纪末，人们仍是如此认为。当时，在比萨大学数学系任职的伽利略却公然向这一观点发出挑战，并用事实证明了质量不同的两物体同时从比萨斜塔扔下后，两个物体会同时落到地上。通过实验，伽利略向世人展示了他尊重科学而不畏权威的可贵精神。作为老师，应引导学生感受并学习伽利略大胆怀疑、相信科学、执著追求的精神。任何一个物理观点提出后，都要用实验去验证，所以还要让学生明白物理实验的重要性。同样可采用伽利略的例子。在推导“惯性定律”的过程中，他第一次采用理想试验的方法，假定一个小球在无摩擦的斜面上滚落下来，进而在无限伸展的平面上运动。虽然在现实中，根本不存在无摩擦的斜面和无限延伸的平面，但由于其是建立在事实基础上的，得出的结论也自然让人信服。在实验中，伽利略在非常平滑的表面上铺上尽可能光滑的羊皮纸，将实验中使用的黄铜球打磨光滑，虽然小球从斜面滚下时的摩擦力依然存在，但通过这一系列的措施，尽量减到了最小，直至摩擦力可以小到忽略不计。伽利略忽略掉部分次要因素，这样就可以使计量问题大为简化，他所使用的这种方法简化了研究对象，使其在纯粹的状态下展现特征，从而获得现象的正确认识。通过这一事例，能让学生学会这样一种有效的物理研究方法。在学习光学时，可以引入牛顿的事例。例如在1665年以前，人们都认为白光是没有其他色光的单一光，而有色光是一种不知何故发生变化的光(同样也是亚里士多德的理论)。但牛顿却对这一观点产生了怀疑。为了验证自己的疑问，牛顿将三棱镜放置在阳光下，光穿过镜面，在墙上显示出不同的颜色，即“光谱”。由此牛顿得出了结论：由于红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱，从而形成了单一颜色的白色光。在这段物理学史中，同样要让学生明白物理学的发展一定要建立在物理实验的基础上，这样就可以培养学生动脑动手的积极性。通过这些物理学史，可以让学生通过物理学的学结出一套完整科学的研究方法，不仅要注重逻辑推理，还要充分依靠实际观察和实验验证。同时，也让学生认识到，科学的发展是科学家们一步步艰辛的努力才得来的，甚至有的科学家为了支持某一理论献出了自己的生命。作为一名中学生，也应该具备严谨科学的研究态度。

3通过物理学史，培养学生的爱国情怀

从古至今，我国的物理学已经取得了很大的成就。早在3000多年前，我国古代科学家就已经提出了古代原子说；东汉时期，王充首次提出利用科学的方法解释潮汐现象；北宋沈括精准地论述了磁偏角；还有我国的四大发明均使我国在古代世界物理学史上占据了重要的地位。近现代，我国物理学家钱三强夫妇发现了铀的三分裂和四分裂，美籍华人杨振宁和李政道否定了弱相互作用宇称守恒定律并获得了诺贝尔物理学奖；物理学家丁肇中等发现了J／Ψ粒子；另外还有钱学森、吴有训、吴健雄等一大批物理学家，为我国物理学的发展做出了巨大贡献。他们不但在物理学方面取得了举世瞩目的成就，而且都怀有对祖国的无限热爱之情。教师通过我国古代丰富的物理文化和优良的发明创造以及近现代优秀物理学家的重要成果和伟大事迹，让学生可以对物理有更深入的了解，同时也增强了学生的民族自豪感和自信心，激发学生热爱祖国、报效祖国的决心，并建立攀登科学高峰的伟大愿望。虽然我国在物理学方面取得了很大成就，但仍和西方国家存在一定差距。在教学中，应向学生说明我国现阶段与西方国家科学发展存在的差距，并对其原因及现状进行分析，在此基础上唤起学生的爱国意识，激发学生的爱国热情。

4物理学史的重要性

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21世纪是科学与技术高度发达的时代，一个民族只有普及科学知识，受到科学精神的熏陶，尊重科学、崇尚科学，才能告别愚昧，才能挺起胸膛自强于世界民族之林。大学生是国民中的特殊群体，他们科学素质的高低将直接影响国民的科学素质水平。由于我国教育体制和中等教育培养模式还不够完善，一个十分突出的问题摆在面前：学生在高中阶段便分文理科，文科学生除数学学科外，几乎不再接受其他自然科学教育，从而导致进入高校之后，文科大学生的科学素质普遍较低。因此，提高文科大学生的科学素质应是我国高校文科教育的重要组成部分。物理学作为一门自然科学，是自然科学中的领军学科，是整个自然科学和工程技术的基础，兼有哲学的概括性、抽象性，数学的逻辑性、严谨性以及实验的实践性和操作性的特点，能很好地提高学生的思维能力、观察能力、动手能力、分析问题和解决问题的能力，可同时培养文科学生的科学素养和人文精神。那么在高等院校文史、管理、财会、语言、艺体等文科类专业开设基于物理学的科学素质课程，是提高文科学生科学素养的一种很好的途径和方法。2011年8月，国务委员、现国务院副总理刘延东在全民科学素质行动实施工作电视电话会议上强调，要深入实施《全民科学素质行动计划纲要》，充分调动社会各界力量，弘扬科学精神，普及科学知识，倡导科学方法，传播科学思想，让讲科学、爱科学、用科学在全社会蔚然成风，使公民科学素质再上新水平。刘延东强调，公民科学素质是落实科学发展的有力支撑、建设创新型国家的坚实基础、衡量现代化强国的重要标志和社会文明进步的强大动力，加强公民科学素质建设具有重要而深远的意义。而高等院校是实施全民科学素质教育的最佳场所之一。近年来，我国部分高校已开始在文科类专业开设基于物理学的科学素质教育课程，这一举措将有利于提高文科学生的科学素养和实践创新能力，对于我国社会经济可持续发展无疑会起较大的促进作用。

二文科大学生应具备的基本科学素养

进入21世纪，面对经济社会日新月异的快速变化，思想文化错综复杂的高度融合，科学技术前所未有的创新发展，为适应社会需求，跟上时代步伐，作为文科大学生，应具备如下基本科学素养。1．必备的科学知识在西方，一些社会学家和物理学家提出这样的观点：如果一个人未读过莎士比亚的著作会被认为没有教养；但是一个人如果不知道牛顿、爱因斯坦的理论，却被看作没有文化。进入21世纪以来，以物理学为基础的自然科学技术渗透到人们学习、生活、工作中的每一个角落，对社会发展与人们生活方式的影响更加宽广和深刻。现代高科技的许多前沿问题和应用领域，如网络技术、通信技术、激光技术、纳米技术、核能技术、航天技术、计算机技术以及微电子技术等，很多都囊括在基础物理的研究领域之中。因此，在文科物理教学中，有必要让学生学习、理解一些基本物理知识。如牛顿的三大运动定律和万有引力定律，热力学第一定律和第二定律，麦克斯韦电磁理论的基础知识，原子物理和量子力学的基本观念，爱因斯坦的狭义和广义相对论，光的波粒二象性等。特别是对引领21世纪发展的高新科技应有一个初步的了解，这对他们将来从事的工作会有很大的帮助。2．科学的思维方法科学的思维方法往往比知识本身更重要，众多诺贝尔奖获得者都有同感，他们在学习期间不仅要向导师学习科学知识，更重要的是学习导师如何工作、如何思考、如何处理实际问题等，这种思维方法上的训练是最为关键的。无论是物理概念的建立或物理定律的发现，还是物理基础理论的创立和突破，都离不开科学的思维方法。而比较、分析、综合、归纳和演绎等是科学思维的基本方法，在文科物理教学中，我们要善于挖掘物理学中蕴含的丰富思维方式和科学研究方法，如模型方法、类比方法、分析综合、归纳演绎、理想实验、科学假说、数学建模方法等，传授给学生，并努力让学生应用这些方法，去正确分析、理性判断和初步计算一般难度的物理问题，以提高他们的科学思维能力。3．执着的科学精神物理学作为自然科学的基础学科，不仅包含物质的结构和物质世界的运动规律，同时蕴含了丰富的哲理和无穷的智慧，闪耀着科学文化与人文精神的光辉。古今中外的著名物理学家，在追求真理的道路上所表现出来的求实精神、献身精神、怀疑精神、创新精神，在科学研究和日常生活中所表现出来的谦虚、谨慎、诚实、合作、淡泊名利的优秀品质以及他们对人类、对社会的高度责任感等，都是科学精神和人文情怀在他们身上完美结合的体现。因此，在文科物理教育中，应注重树立学生现代科学的自然观、宇宙观和辩证唯物主义世界观，使学生具有科学的成败观和探索科学疑难问题的信心和勇气，培养学生严谨求实的科学精神、坚韧不拔的科学品格和人文关怀的优秀品质。4．较强的创新意识爱因斯坦曾说：“提出问题往往比解决问题更重要。因为解决问题或许只是一种技能，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的进步。”“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进步的源泉。”在文科物理教学中，通过了解物理学史和物理学家成长成才的经历，让学生们体会创新思维的重要性，激发学生的求知热情、探索精神和创新欲望，鼓励学生对前人的科学理论和传统观点持大胆的质疑精神，对前人尚未揭示的事理敢于提问，培养学生勇于开拓进取的精神，使学生善于思考，勇于实践，敢于向旧观念挑战，从而培养学生较强的创新意识。这样才能适应社会进步和时代变革对创新人才的要求。

三深化教学改革，增强教学效果

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中图分类号：P585 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0057-01

岩石物理学一般分为两个分支：开发（地球物理）与生产（岩石物理和石油工程），一方面地球物理要求在远离钻孔的情况下确定岩石弹性性质，另一方面需要在远离钻孔条件下弄清岩石物理特征，改进对储集层的描绘和定性。人们正迅速地推动地球物理、石油物理和储集层数据的综合研究，在促进这种综合研究的过程中，岩石物理学的任务是找到a地理物理参数和岩石性质之间的关系。本文简单介绍岩石性质对地球物理和岩石物理参数的影响

1.流体的影响

五十年代，加斯曼和比奥特提出：流体性质影响多孔介质中弹性波的传播。从那时起，人们对这个问题进行了广泛的理论研究与实验验证。比奥特-加斯曼理论的最大应用是借助“亮点”技术识别含气沙。比奥特一加斯曼理论预言，盐水或油饱和孔腔中的少量气体会明显降低弹性波的速度。这是因为气体和液体的压缩系数相差很大，孔隙饱和物能部分支持波经过时所引起的弹性载荷，所以当体模较大的流体完全填充孔腔时，波速就高。然而存在少量气体，平均流体模量便会明显降低，从而引起P波波速的下降。比奥特一加斯曼理论还预言：切变波不受饱和液体压缩性的影响。

这一理论认为，只有当VP较低，岩石（未固结砂、浅固结岩石）中含有模量较高的液体（水、低汽化点的油）时，液体饱和岩石与部分充气岩石的VP的差别才会大于10%。这解释了“亮点”常出现在盐饱和构造上方未固结和浅固结砂岩中。比奥特-加斯曼理论假定流体压缩率是气体和液体压缩率的体积平均值。多梅尼科（Domenico，1976）和莫奇舒吉（Mochizuki）提出，高频下平均流体模量可由体模量的体积平均得出。这说明了随气体饱和度增加，VP值几乎线性下降。超声频率下，对流体压缩率进行平均的体积大约为一个波长，即几个孔隙大小的量级因此，气体饱和度较低时，许多个“平均体积”内可能不含气体并VP很大，结果就要比比奥特一加斯曼理论值要高，在气体充满所有平均体积之前都是这样。

比奥特-加斯曼理论在实际应用中存在一个问题，就是要求知道岩石的骨架模量。按比奥特的定义，它是压缩时液体可以自由出入的完全饱和样品的体模。比奥特的“饱和模量”是指液体充进孔腔并承受部分弹性载荷的模量。许多人把干燥或充气岩石模量当作骨架模量。然而实验证明，含水量低的岩石受化学力和毛细管力作用很强，对于干燥岩石与含百分之几水的岩石，它们的速度差别很大。

总之，比奥特一加斯曼模型是寻找某些储集层中气体的有力工具。但在应用这一理论计算预期的速度或阻抗变化时，最重要的是正确使用骨架模量或流体模量。理论和实践表明，对于固结好的储集层，或是很深的轻油储集层，由于气体引起的速度变化小到测不出来。准确区分一个储集层是油浸还是水浸的，在采集过程中是很重要的；对于岩石二水相互作用，在速度分析中也很重要。

2.孔隙、裂缝和断裂的影响

计算弹性性质时，多孔岩石被认为多相或复合介质。目前还没有直接的理论能正确地预言岩石基体与多孔岩石弹性性质的差别。关于孔隙对速度影响的模型可以分为两类：孔隙模型和颗粒模型。颗粒模型假设岩石由相互接触的颗粒组合，速度取决于颗粒、颗粒接触形式及接触面积等情况。

孔隙和裂缝模型把岩石当作具有孤立孔隙及裂缝的固体，但是大多数实际情况中岩石的特征介于以上两者之间。颗粒模型反映了实际砂和球状堆积的某些特征，不过缺点是没有充分考虑实际观察到的非固结球状包之间的接触劲度，因此颗粒模型对于固结岩石的适用情况亦不好。

在固体基体模型中，该模型采用不同纵横比的孔隙分布，可以于从波数据中反演得到孔隙分布，缺点就是当体密度给定时，孔隙越小对速度的影响就越大。因此，这些模型应用于孔隙非常小的火成岩效果很好，但应用到沉积岩时，却需要假定大量细孔的存在，这是不合理的。虽然孤立孔隙也不完全符合实际情况，但是它适应性强，因而更常用。

我们要完全认识孔隙和裂缝对岩石弹性性质的影响还需要新的模型和实验。最近，阿卜杜拉伽华德（Abdel-Gawad）直接观测不同压力下的孔腔得到的纵横比分布证明，细长孔隙的数目随压力增大而增加。换句话说，细孔隙随压力增加不闭合，只是变细了这一点，加上输送和孔腔弹性模量之间缺乏相关性，提示我们必须重新考虑过去对孔腔及其对弹性性质影响的一些观点。但细裂缝模型有一个优点，就是它可能模拟裂缝对速度的影响。这些模型都假定弹性波波长比裂缝或断裂尺寸大许多按照这些模型，只要裂缝的大小远小于波长，它的大小就没有影响。

3.各向异性对弹性波传播的影响

已有的裂缝模型中，讨论裂缝分布各向同性的占多数。最近由加宾和诺波夫（1975）、赫德森（1981）及克拉宾（1984）等人提出，断裂簇或定向裂缝可导致岩石中弹性波波速的较大的各向异性。野外研究也发现了方位波波速各向异性和由各向异性引起的偏振S波分解。这些研究大多认为各向异性是由上层地壳中定向裂缝引起的。

纳和西蒙斯（1969）、西蒙斯等（1975）等进行由定向微裂缝导致弹性性质变化的实验研究。西蒙斯（1975）等和普卢姆等（1984）能够将微裂缝取向的直接观测结果与10-20%的P波速各向异性联系起来。实验和理论表明，当能量沿平行于裂缝方向传播时，P波速度不受裂缝或断裂影响。这就解释了为什么垂直侧向断裂不改变P波地震波剖面。理论还提出，当能量沿平行于裂缝方向传播时，裂缝对SV波和SH波的影响是不同的。克拉宾（1978，1984）和安多（Ando，1983）等，用此解释他们在野外研究中所观察到的S波分解。理论和实验指出，S波和大偏移P波VSP在探测石油储集层中垂直倾向断裂区域时可能有用途。

当然，地震波各向异性不仅仅起因于断裂。大多数矿物在它们的不同晶轴上表现出很强的各向异性。沉积环境也能导致颗粒及矿物的各向异性。沉积各向异性尽管能引起垂直与水平方向速度的很大不同，但它一般不导致P波在水平方向的各向异性或S波分解。然而，沉积各向异性对岩石的电性质影响很大，从而造成某些情况下对电和介电测井的不正确解释。此外，地震波各向异性还可以由层厚比波长小许多时的各向同性介质引起。

总之，我们只有对岩石性质进行广泛地研究才能够认清它们之间的关系，除了上面简单的介绍总结之外，近来还有人用核磁共振研究饱和与束缚水的问题，也有人对岩石从结构上进行了仔细研究，以增加对尺度现象和交界面的认识。以上问题，还有岩石性质间的关系、孔隙几何对输送和弹性性质的影响，以及各种流体对岩石表面化学性质的影响等问题，都是需要继续研究的。只有这样，我们才能用观测到的储集层特征去推断储集层的未知特征。

参考文献

[1] 唐建伟.地震岩石物理学研究有关问题的探讨[J].石油物探，2008，47（4）：7～10.

[2] 黄伟传，杨长春，范桃园，等.岩石物理分析技术在储层预测中的应用[J]. 地球物理学进展，2007，22（6）8～11.

[3] 陈.岩石物理学（讲座）[J].地震地磁观测与研究，1996，17（5）16～20.

篇8

1 理论物理与实验物理对物理美之争

复仇女神曾经留下带有“给最美的人”的字的苹果，挑起了特洛伊战争，而如今这个苹果落在了实验物理与理论物理之间。从法拉第和麦克斯韦那里开始，象与相的美始终无法争出一个高低。

在实验物理这边，真，这个和善一起长期作为美的伴侣的性质，使得实验物理因为其在现实世界的可复制性而成为美的。弗朗西斯?培根站在近代哲学经验论的开端上，提出了科学实验对于人类经验的重要性，而经验对于审美活动而言是至关重要的。无论是牛顿用棱镜分解的太阳光还是托马斯?扬应用了双缝演示的光的干涉实验，即使是没有物理学知识的人也不得不赞叹它们。实验物理是揭示物理学美的最直接也最直观的途径。

而在理论物理这一方，毕达哥拉斯和柏拉图是他们自古以来的支持者。理论物理的支柱是数学。麦克斯韦用数学将法拉第的电磁理论推向了一个新的世界，狄拉克则直接在1963年的scientific american上写道：“使一个方程具有美感比使它去符合实验更重要”，这样看来，狄拉克直接将实验和美对立起来了。数学所带给我们的柏拉图所说的“理念”世界是最具有完满性的世界，现实的瑕疵在理念世界里被完全地排除了，如同古希腊的雕塑——雕塑家们通过解剖研究人体结构，再将最完美的比例（完美到无法在现实世界中找到这样的模特）赋予他们的作品。于是实验物理与现实世界自然地成为了流于表面的“表象”，甚至是柏拉图的“幻象”。

随着近代物理学与本身不断发展着的数学结合得日益紧密，越来越多的物理学家趋向于认为物理学的美在于其数学构架。他们认为，当物理学的定律被公式化以后，物理世界的基本结构变成了简单、精确的数学语言，而美则恰恰就在这种简单性与统一性之中。

2 现代美学与现代物理学的趋向

尽管物理学家们似乎要在传统的数学的基础上给他们的美丽的工作一个确定的审美标准，但是随着他们的工作继续向前推进，上帝似乎真的掷起了骰子。

杨振宁先生曾经将理论物理的美直接归结为五点，即和谐、优雅、一致、简单以及整齐。这样的归纳还停留在古希腊人的美学思想上。自从manet作为印象派的先锋，带领着monet、renoir等巨匠颠覆了古典主义之后，艺术美的标准也就受到了挑战：古典的恬静被工业社会匆匆而游移的目光所打破，印象派宣称他们画的不是事物本来的样子而是它们看起来的样子，精准细腻的笔法被快速的涂抹代替，但印象派却获得了前所未有的真实感。在现代主义绘画运动进入到、不断改变着人们审美趣味的时候，物理学界的审美标准也接着被打破——相对论打碎了经典物理学中被凝固的时空，量子力学的诞生宣告了精确的、决定论的、归于简单的经典物理学思想的终结，系统科学将科学思维引向复杂性理论和混沌学。世界似乎更像一幅现代大师泼墨完成的画作——晦涩而令人眼花缭乱。

如今现代艺术已然完成了美的标准的蜕变。renoir的le bal au moulin de la galette（《煎饼磨坊的舞会》）被形容为“看起来像未完成一样”，而这个特点恰恰体现了现代西方美学的转向——主客统一，印象主义的绘画需要观赏者来完成，只有有人在场，审美对象才真正地存在：“这就是体验统一体，这种统一体本身就是意义统一体” [3]。有意思的是，尽管我不赞同杨振宁先生的物理学美的五个特点，但我们又回到了开篇时杨先生对美的标准的界定，即“美的最终标准是人是否与它有关”。

但针对现代物理学的审美观点却并没有如此迅速地完成艺术界所完成的转变，相反地，和谐与简单的缺失却造成了科学美岌岌可危的境况。虽然杨振宁先生对科学美的五个具体定义有一定的普遍性（大部分能够接受科学美作为一种美学意义上的“美”的人们能够接受的也是这样的一种定义），但是由于现代物理学的发展，系统科学、混沌学、复杂性思想的产生，以及传统的微积分被能够更精确地描述不确定性的概率论所替代，精确和统一之美正在离开自然科学领域，当然也包括物理学。“复杂性并不仅仅包含向我们的计算能力挑战的组成单元的数量和相互作用的数量，它还包含着不确定性、非决定性、随机现象。”[4]重新定义物理学之美成为了挽救其的唯一方法。

3 中国传统美学观念与现代科学的物理美

中国古代诗人柳宗元曾有言道：“夫美不自美，因人而彰。”在中国传统绘画中，始终对于西方绘画所追寻的与客观世界的相像——甚至一致——不甚追求，而是寻求一种介于像与不像之间的韵味，给人留以品味的空间，即意象。中国传统的情景交融、不分主客的审美方式长久以来并没有受到太多变革，这一点与不断革新的西方审美理论有很大区别。

相应地，中国古代的科学技术发展也更多地关注实用性而非理论。这样说起来似乎有些矛盾，既然中国人如此追求物外的意象，又为何在科学技术方面只着眼于物呢？这还要从老子的自然观说起。“人法地，地法天，天法道，道法自然”为中国人的自然观奠定了人与自然共生的理念，战胜自然与征服自然从来不是中国人发展的主题，作为一个重农的古国，顺应天时才是生存之道。因此，中国古代科学技术——甚至有些学者认为古代中国只有技术的产生与发展，只是为了解决眼前的、暂时性的生产问题，由于这种观念的主导，技术甚至不需要发展成一个连贯而完整的体系。但正是这种“万物并作，吾以观复”、人融于自然（在艺术中则是绘画或诗歌等作品）进行审美的观点可以给西方现代科学的物理学之美指一条出路。

尽管混沌学带着不确定性与复杂性闯入了现代物理学，尽管传统的秩序似乎被打破了，但是我们应该反思，传统的物理学之美的观点给世界强加了太多人类自己的思维定式——从和谐、归一的简单性思想到形而上学的机械决定论，我们用我们的理性给自然套上了桎梏，如今自然在我们面前展现它本来的样子越多，我们就越受到这种思维模式的困扰。这样的思维模式甚至造成了爱因斯坦在其后半生中与哥本哈根学派的不断的论战，因为他无法接受哥本哈根学派对量子力学非决定论的解释。

只有当我们跳出这种画地为牢的思维定式，将“观复”的目光投向整个物理学界、甚至是自然界，放下我们僵硬的、带有“求简单图省事”意味的功利性思想，去探求物理学最根本的基础——自然现象，去接纳每一种被自然界创造出来的奇迹，我们才可能在最大程度上接近物理学美定义的答案。

篇9

10月6日下午,2009年诺贝尔物理学奖揭晓,高锟与美国贝尔实验室的威拉德・博伊尔(Willard Boyle)、乔治・史密斯(George Smith)共获殊荣。高锟的获奖成果,是在英国标准电讯实验室完成的。后来,他在香港中文大学做过九年校长(1987年至1996年),直至退休。

由于在光纤通信领域的开创性成就,高锟将获得约140万美元奖金的一半,博伊尔和史密斯发明了用于数字图像技术的CCD传感器,将各获四分之一的奖金。

三位科学家40年前的研究,帮助构建了当下的信息时代,也为自己赢得了诺贝尔奖。

高锟与低损耗光纤

20世纪60年代初,激光器的发明给光通信研究带来了新的希望――激光束不仅具有亮度高等优点,还可以在光纤中传播。

但由于缺乏稳定、可靠和低损耗的传输介质,光通信似乎仍是一个遥不可及的目标,因为光信号在当时的光纤材料中只能传输20米。

当时,高锟是国际电话电报公司旗下英国标准电讯实验室的一名研究人员。他1933年11月出生在上海的一个书香门第,孩提时代的他就喜欢科学实验,甚至自制过小型炸药弹丸。

后来,高锟随家人迁居香港,曾在香港圣约瑟书院就读。1954年,他远赴英伦,在伦敦大学攻读电机工程。

与不少同行因此对光纤传输的技术前景产生怀疑不同,高锟研究团队认为更值得关注的,是光纤原材料问题。

他后来回忆道:“那时面对的最大难题,就是玻璃的杂质问题。玻璃看似透明,其实杂有不纯的元素,所以我们构想,假若有一种没有杂质的玻璃,光波的传导就不会衰减。”

1966年6月,高锟与同事乔治・霍肯(George Hockham)在《电气电子工程师学会学报》上发表题为“用于光频的光纤表面波导”的论文指出,提纯原材料后可制造出适合长距离通信使用的低损耗光纤:在纯的玻璃纤维中,光信号可传输100公里以上。

这一研究奠定了光纤通信的基础。这一年,他年仅32岁。1970年,美国康宁公司研制出第一种超纯光纤。1975年,英国安装了世界上第一套光纤通信系统。

北京邮电大学前校长林金桐对记者说:“从高锟和霍肯的论文,到世界上第一个商用光纤通信系统的诞生,仅用了十年时间,这在重大科学研究成果向现实生产力转化的众多案例中,显得格外突出。”

诺贝尔奖评委会在新闻公报中表示,这些低损耗的玻璃纤维推动了因特网等宽带通信的发展,光在这些玻璃纤维中流动,文本、音乐、图像和视频可在瞬间进行全球传输,“如果我们拆开密布全球的玻璃纤维,将得到一条10亿公里以上的长线,足够环绕地球2.5万多圈。”

香港中文大学前任校长金耀基甚至将高锟研究成果的重要性,与印刷术、火药、指南针等中国古明相提并论,“今天生活在网络社会,就是因为光纤的发明改变了我们的生活。”(更多关于高锟的资料,见本期“华人”栏目)

贝尔实验室和CCD

在现代的高速网络通信中,数字图像是最主要的承载内容,而这很大程度上要归功于本年度诺贝尔物理学奖的另一项获奖内容――美国朗讯公司贝尔实验室的威拉德・博伊尔和乔治・史密斯发明的用于数字图像的装置:电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)。

博伊尔1924年出生于加拿大,26岁时在加拿大麦基尔大学获得博士学位。他在1953年加入贝尔实验室,并在1962年与同事首先发明了可以连续运行的红宝石激光器。

史密斯1930年出生于美国,29岁时在美国芝加哥大学获得博士学位后也进入贝尔实验室。

1969年10月的一天,史密斯走进同在贝尔实验室半导体研究部门工作的博伊尔的办公室,两人进行了一场“头脑风暴”。在不到两个小时的时间里,博伊尔和史密斯在黑板上大致勾绘出一种新装置的蓝图,两人将其命名为电荷耦合器件。

这种新技术的源头,还要追溯到爱因斯坦提出的光电效应,即通过光电效应,光可以被转变为电信号。然而,如何在极短时间内收集并读出信号,看上去却是一个无法逾越的技术挑战。因此,一开始,很多同行都对CCD的概念嗤之以鼻。

但博伊尔和史密斯坚信自己的想法,并成功地将蓝图变成了现实。他们采用特殊的硅半导体材料,并将硅片细分为一个个“单元格”或者说“像素”,这样,当光照射到像素之上,会产生信号电荷。当时,很多电子器件以电流或电压作为信号,CCD则采用电荷作为信号。

信号电荷不仅可以在CCD内存贮,还可以穿越一排排的“像素”,在电极与电极之间快速传输(电荷耦合),并最终被读出。

CCD的发明,带来了摄影的一场革命。光能够被电子化捕捉,而不再需要传统的感光胶卷,数码相机也得以走进千家万户。

篇10

成像原理

在探讨这些名词背后的原理前，我们先回顾一下相机的成像原理。照相机的构造和工作原理与我们的视觉系统非常相似（图1）。

照相机的主要部件包括光阑（光圈）、快门、镜头、底片（或感光器）四部分（图2）。相机的镜头就相当于我们眼睛的晶状体，可以看作凸透镜，其折射率高于空气。光线进入照相机后，会被镜头折射并会聚，形成倒立的实像在底片上。由于拍摄对象与照相机的距离一般比相机镜头焦距大很多，因此像平面（感光底片）总在镜头的焦平面附近。根据几何光学成像公式：

u 为被摄物体与镜头间距，v 为底片与镜头间距， f为镜头焦距，只要在小范围内调节镜头与底片间的距离v ，就可以使得不同位置的物体清晰成像于底片上。值得注意的是，真实的照相机光学镜头并不只是一个简单的凸透镜，而是一组复式镜头，由一系列凸透镜与凹透镜组成，能够校正成像时的各种像差，这就克服了单透镜照相机容易出现影像变形的缺点，使得成像清晰度大大提高。

相机中的光圈和景深

要想拍摄出亮度适当的照片，就必须控制好感光底片上的曝光量。相机光圈是控制曝光量的重要因素之一。光圈实质上是一个光阑，它与人的瞳孔相似，通过调节自身孔径尺寸，来影响进入相机的光线多少。光阑位于镜头内部，通常由多片可运动的金属叶片（称为光阑叶片）组成，通过使圆孔变大或者缩小，以达到控制通过光量的目标（图3）。光圈大小通常用F值表示，F值=镜头焦距/光阑口径的直径。可以看出，光圈F值越小，同一单位时间内相机的进光量就越多。

摄影时还有一种现象，即同一张照片上有的物体清晰，有的物体却比较模糊（虚化），这是为什么呢？拍摄时，调节相机镜头使景物清晰成像的过程，叫做对焦，景物所在的点称为对焦点，因为“清晰”并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前（靠近相机）、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和，就叫做景深，意思是只要在这个范围之内的景物，都能清楚地拍摄到。

决定景深的三要素分别是镜头的焦距、拍摄距离和光圈大小。景深的大小，首先与镜头焦距有关，焦距长的镜头景深小，焦距短的镜头景深大。其次，景深与光圈有关，光圈越小景深就越大（图4）；光圈越大景深就越小，而且前景深小于后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有很短一点距离内的景物能清晰成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清晰的。此外，对于给定焦距的照相机镜头，物体与相机镜头距离越小，则景深越小；反之则越大。因此在拍摄不太近的物体时，其远处的背景也可以很清晰；而在拍摄较近的物体时，稍远的背景就显得模糊了。

紫红色的镜头

高品质的照相机的镜头看起来大都呈现紫红色。这又是为什么呢？