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高等物理教材物質(zhì)與物體運動(dòng)篇
第1章 物質(zhì)與物體運動(dòng)
在自然科學(xué)中，宇宙萬(wàn)物的存在形式分為兩類(lèi)：物質(zhì)和能量。物質(zhì)是萬(wàn)物的存在形式，能量是物質(zhì)相互作用與轉化的量度，物質(zhì)與能量是相互依存的。物理學(xué)就是研究自然界物質(zhì)存在的基本形式、物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的運動(dòng)規律、物質(zhì)之間相互作用與轉化、各種物質(zhì)形態(tài)內部結構等基本規律的學(xué)科。在自然界中，沒(méi)有不運動(dòng)的物質(zhì)，也沒(méi)有脫離物質(zhì)的運動(dòng)。運動(dòng)是物質(zhì)的固有屬性。運動(dòng)的形式是多種多樣的，物理學(xué)研究的物質(zhì)運動(dòng)形式是自然界最基本和最普遍的，它的基本研究方法和內容滲透在社會(huì )科學(xué)和自然科學(xué)所涉及的一切領(lǐng)域，應用于科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)方面。
本章簡(jiǎn)要討論物質(zhì)形態(tài)及質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的基本概念和基本定律。
本章基本要求：
1.理解物質(zhì)與場(chǎng)的概念。
2.了解物質(zhì)形態(tài)。
3.理解動(dòng)量守恒定律、機械能守恒定律；了解角動(dòng)量守恒定律。
1.1 物質(zhì)與物質(zhì)形態(tài)
1.1.1 物質(zhì)存在的基本形式
物質(zhì)存在的基本形式是實(shí)物和場(chǎng)。實(shí)物不僅是指由大量原子、分子所組成的宏觀(guān)實(shí)體，也包括原子、分子、離子和靜止質(zhì)量不為零的基本粒子（如電子、質(zhì)子、中子、夸克等）。實(shí)物是實(shí)實(shí)在在占據于自然界的一定空間，并以一定的方式存在于時(shí)段的。場(chǎng)是物質(zhì)存在的另一種形式，雖然它看不見(jiàn)摸不著(zhù)，但具有力和能量等物理特性，是傳遞物體間相互作用的介質(zhì)。每一種實(shí)物都會(huì )在自己周?chē)ぐl(fā)與之相應的場(chǎng)，如靜止電荷激發(fā)靜電場(chǎng)，運動(dòng)電荷除激發(fā)電場(chǎng)外還激發(fā)磁場(chǎng)，一定質(zhì)量的實(shí)物激發(fā)引力場(chǎng)。實(shí)物粒子之間的相互作用是由場(chǎng)來(lái)傳遞的，例如傳遞引力的介質(zhì)為引力場(chǎng)，傳遞電磁相互作用的介質(zhì)為電磁場(chǎng)等等。場(chǎng)對處于其中的物質(zhì)產(chǎn)生力的作用，并具有做功的特性。不同的場(chǎng)在空間可同時(shí)存在，具有疊加性。場(chǎng)沒(méi)有確定的空間界限，連續不斷地彌漫在一定的空間中。
1.1.2 物質(zhì)形態(tài)
物態(tài)是指實(shí)物在一定條件下所處的相對穩定的狀態(tài)，它表現為大量實(shí)物粒子作為一個(gè)大的整體而存在的集聚狀態(tài)。固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)是我們熟悉的物態(tài)。20世紀中期，科學(xué)家確認物質(zhì)第四態(tài)，即“等離子體態(tài)”。1995年，美國標準技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng )造出物質(zhì)的第五態(tài)，即“玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)”。隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，在某些特定條件下發(fā)現了一些超態(tài)（如超高壓下的超固態(tài)、中子態(tài)和超低溫下的超導態(tài)、超流態(tài)等）。
1.固體
固體中分子的熱運動(dòng)占次要地位，組成物質(zhì)的粒子（分子、原子或離子）在各自的平衡位置做微弱的熱運動(dòng)，所以固體具有一定的形狀和體積。人們常將固體分為晶體（如食鹽、云母、金剛石等）和非晶體（玻璃、瀝青、塑料等）兩大類(lèi)。從外觀(guān)上看，晶體具有規則的幾何形狀，在晶體內的粒子是按一定規則周期性重復排列的。而非晶體內的粒子排列卻是完全不規則的。實(shí)際上，在晶體與非晶體之間還存在一種準晶體。1984年底，美國科學(xué)家薛切特曼（D.Shechtman）等宣布，他們在急冷凝固的Al-Mn合金中發(fā)現了具有五重旋轉對稱(chēng)但并無(wú)平移周期性的合金相，在晶體學(xué)及相關(guān)的學(xué)術(shù)界引起了很大的震動(dòng)。不久，這種無(wú)平移周期性但有位置序的晶體就被稱(chēng)為準晶體。準晶體最明顯的特征是存在長(cháng)程有序性而無(wú)周期性。準晶體已被開(kāi)發(fā)為有用的材料。例如，人們發(fā)現由鋁、銅、鐵、鉻組成的準晶體具有低摩擦系數、高硬度、低表面能以及低傳熱性，被開(kāi)發(fā)為炒菜鍋的鍍層。
2.液體和氣體
液體和氣體都具有流動(dòng)性，故統稱(chēng)為流體。流體是一種連續介質(zhì)，在其運動(dòng)過(guò)程中將會(huì )表現出特定的規律和性質(zhì)。液體中分子熱運動(dòng)動(dòng)能和分子間引力相互作用勢能相當，分子有較大的活動(dòng)余
地，分子間作用力能夠建立起暫時(shí)穩定的局部結構。盡管液體內的分子力較固體有所減弱，但還是大到足以使液體有一個(gè)自由表面而且有一定體積。液體具有流動(dòng)性，形狀隨容器形狀而改變。氣體中分子熱運動(dòng)遠大于分子間的相互作用，分子處于完全無(wú)序狀態(tài)，所以沒(méi)有固定的形狀和體積。在沒(méi)有電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等外界作用時(shí)，氣體分子向空間任意方向運動(dòng)概率相等，自動(dòng)形成空間穩定均勻的平衡狀態(tài)。
3.等離子體
等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣態(tài)外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。相關(guān)內容將在本章物理科技中進(jìn)行詳細介紹。
4.玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)
玻色愛(ài)因斯坦凝聚是20世紀20年代玻色和阿爾伯特?愛(ài)因斯坦在玻色的關(guān)于光子的統計力學(xué)研究基礎上預言的一種新物態(tài)。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)），即處于不同狀態(tài)的原子“凝聚”到了同一種狀態(tài)。 在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級（能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會(huì )突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級原子。打個(gè)比方，練兵場(chǎng)上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，于是他們迅速集合起來(lái)，像一個(gè)士兵一樣整齊地向前走去。后來(lái)物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱(chēng)為玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。
然而，實(shí)現玻愛(ài)凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢？物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個(gè)很好的特性：不會(huì )因制冷出現液態(tài)，更不會(huì )高度聚集形成常規的固體。實(shí)驗對象找到了，下一步就是創(chuàng )造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們可以制造出與絕對零度僅僅相差10-9K的低溫。并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對任意金屬物體實(shí)行無(wú)觸移動(dòng)。這樣的實(shí)驗系統經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，終于在玻色愛(ài)因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀(guān)測到了玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎。
5.超態(tài)
在某些特定條件下，物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生突變，表現出完全不同于常溫常壓下的性質(zhì)，成為一種超常態(tài)。目前研究比較多的有超導態(tài)、超流態(tài)、超固態(tài)和中子態(tài)等。當溫度下降到臨界溫度以下時(shí)，某些金屬或金屬化合物的電阻為零，產(chǎn)生完全抗磁性等特殊性質(zhì)，稱(chēng)為超導態(tài)。超導詳細內容將在第5章物理科技中進(jìn)行詳細介紹。在超低溫下液體的黏滯系數為零，稱(chēng)為超流態(tài)。1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得?列奧尼多維奇?卡皮察驚奇地發(fā)現，當液態(tài)氦的溫度降到2.17K的時(shí)候，它就由原來(lái)液體的一般流動(dòng)性突然變化為“超流動(dòng)性”：它可以無(wú)任何阻礙地通過(guò)連氣體都無(wú)法通過(guò)的極微小的孔或狹縫（線(xiàn)度約10-7m），還可以沿著(zhù)杯壁“爬”出杯口外。這是在我們日常生活中沒(méi)有碰到過(guò)的現象，只有在低溫世界才會(huì )發(fā)生。在超高壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”，電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，這就是超固態(tài)。一塊乒乓球大小的超固態(tài)物質(zhì)，其質(zhì)量至少在103t以上。已有充分的根據說(shuō)明，質(zhì)量較小的恒星發(fā)展到后期階段的白矮星就處于這種超固態(tài)。它的平均密度是水的幾萬(wàn)到一億倍。在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力，原來(lái)已經(jīng)壓得緊緊的原子核和電子，就不可能再緊了，這時(shí)候原子核解散，從里面釋放出質(zhì)子和中子。從原子核中放出的質(zhì)子，在極大的壓力下會(huì )和電子結合成為中子，這樣的狀態(tài)稱(chēng)為中子態(tài)。這種形態(tài)大部分存在于一種稱(chēng)為“中子星”的星體中，它是由大質(zhì)量恒星晚年發(fā)生收縮而造成的，所以，中子星是小得可憐的、沒(méi)有生機的星球。實(shí)際上把物態(tài)劃分為固態(tài)和液態(tài)不是很準確、很科學(xué)的。例如非晶體沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，而是有一個(gè)從固態(tài)軟化為液態(tài)的溫度范圍（稱(chēng)為軟化溫度）。當非晶體處在它的軟化溫度范圍內時(shí)，無(wú)法說(shuō)出物質(zhì)是處于固態(tài)還是液態(tài)。此外，膠體也是介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種中間狀態(tài)。于是人們又把固態(tài)、
液態(tài)和介于兩者之間的各種狀態(tài)，以及只有在低溫下才存在的特殊量子態(tài)（如：超流態(tài)、玻色愛(ài)因斯坦凝聚），還包括稠密氣體的物態(tài)統稱(chēng)為物質(zhì)的凝聚態(tài)。物質(zhì)的氣態(tài)則專(zhuān)指稀薄氣體的物態(tài)。凝聚態(tài)和氣態(tài)的基本區別是：凝聚態(tài)物質(zhì)中的粒子（原子、離子、分子）間存在相互作用；氣態(tài)物質(zhì)分子間的相互作用非常小，近似地可以忽略不計。
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