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OpenStax是莱斯大学的非营利组织，我们的使命是改善学生接受教育的机会。我们的第一本公开许可的大学教科书于2012年出版，此后我们的图书馆已经扩大到超过25本大学和AP®课程的书籍，被数十万学生使用。我们的低成本个性化学习工具OpenStax导师正在全国各地的大学课程中使用。通过与慈善基金会的合作以及与其他教育资源组织的联盟，OpenStax正在打破最常见的学习障碍，并赋予学生和教师成功的力量。
关于OpenStax
关于OpenStax资源
该教学材料最初是通过德克萨斯州教育局（TEA）的一项倡议创建的，旨在免费向各地区提供高质量的开源教学材料。第84届德克萨斯州立法机关（2015年）拨款创建州开发的开源教学材料，并要求优先考虑支持科学、技术、工程和数学学习的高级中学课程。
关于*物理*
追加资源
关于作者
序言
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导言
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部分关键术语
想想你经常使用的所有技术设备。电脑、无线互联网、智能手机、平板电脑、全球定位系统（GPS）、MP3播放器和卫星广播可能会出现在脑海中。接下来，想想你在新闻中听到的最令人兴奋的现代技术，比如悬浮在铁轨上的火车，弯曲周围光线的隐形斗篷，以及对抗我们体内患病细胞的微型机器人。所有这些开创性的进步都依赖于物理学原理。
什么是物理学
物理学这个词被认为来自希腊语phusis，意思是自然。对自然的研究后来被称为自然哲学。从古代到文艺复兴，自然哲学涵盖了许多领域，包括天文学、生物学、化学、数学和医学。在过去的几个世纪里，科学知识的增长导致了自然哲学日益专业化和分支到不同的领域，物理学保留了最基本的方面。物理学从文艺复兴发展到19世纪末，被称为古典物理学。从20世纪初开始的革命性发现将物理学从古典物理学转变为现代物理学。
物理学：过去与现在
你不需要成为一名科学家就可以使用物理学。相反，物理学知识在日常生活中以及在非科学职业中都是有用的。例如，物理学可以帮助你理解为什么你不应该把金属放入微波炉（[链接]），为什么黑色的汽车散热器有助于消除汽车发动机的热量，为什么白色的屋顶有助于保持房子内部凉爽。汽车点火系统的操作，以及通过我们的神经系统传输电信号，当你从电的基本物理角度考虑它们时，就更容易理解了。
物理学应用
物理学：定义和应用
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部分关键术语
科学家经常计划和开展调查，以回答关于我们周围宇宙的问题。这些调查可能会导致自然法则。这种法则是宇宙固有的，意味着人类没有创造它们，也不能改变它们。我们只能发现和理解它们。他们的发现是一项非常人类的努力，具有任何创造性努力所固有的神秘、想象、斗争、胜利和失望的所有元素。发现自然法则的基石是观察。科学必须描述宇宙的本来面目，而不是我们想象或希望的那样。
科学方法
模型是对通常太难（或不可能）而无法直接研究的事物的表示。模型可以采取物理模型、方程、计算机程序或模拟的形式——计算机图形/动画。模型是在现代物理学中特别有用的工具，因为它们让我们可以将我们通常无法用感官观察到的现象可视化，例如非常小的物体或高速移动的物体。例如，我们可以使用模型来理解原子的结构，而无需亲眼看到原子。虽然单个原子的图像现在是可能的，但这些图像极难实现，并且只有由于我们模型的成功才有可能。这些图像的存在是我们理解原子的结果而不是来源。模型总是近似的，所以它们比真实情况更容易考虑；一个模型越完整，它必须越复杂。模型将无形或极其复杂的东西放入我们可以想象、讨论和假设的人类术语中。
建模
科学定律是对自然界中一种模式的描述，这种模式在所有已经研究过的情况下都是真实的。也就是说，物理定律应该是普遍的，这意味着它们适用于整个已知的宇宙。定律通常也很简洁，而理论更复杂。定律可以用一个句子或数学方程的形式来表达。例如，牛顿第二运动定律，它将物体的运动与所施加的力（*F*）、物体的质量（*m*）和物体的加速度（*a*）联系起来，可以简单地使用方程来陈述
科学规律与理论
科学方法
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部分关键术语
物理学家和其他科学家一样，进行观察并提出基本问题。例如，一个物体有多大？它有多少质量？它走了多远？为了回答这些问题，他们用各种仪器进行测量（例如，仪表棒、天平、秒表等）。
单位的作用
在任何单位系统中，某些物理量的单位必须通过测量过程来定义。这些物理量被称为该系统的基本量，它们的单位是系统的基本单位。然后，所有其他物理量都可以表示为基本量的代数组合。这些物理量中的每一个都被称为派生量，每个单位被称为派生单位。基本量的选择有些任意，只要它们相互独立，所有其他量都可以从它们中派生出来。通常，目标是选择可以精确测量到高精度的物理量作为基本量。原因很简单。由于派生单位可以表示为基本单位的代数组合，它们只能与派生它们的基本单位一样精确。
SI单位：基本单位和衍生单位
科学记数法是一种书写太大或太小而不方便写成小数的数字的方法。例如，考虑数字840,000,000,000,000。这是一个相当大的数字。这个数字的科学记数法是8.40美元×1014美元。科学记数法遵循这种通用格式
使用科学符号进行物理测量
科学是建立在需要良好测量的实验基础上的。测量的有效性可以用它的准确性和精确度来描述（见[链接]和[链接]）。精确度是指一个测量值与该测量值的正确值有多接近。例如，假设您正在测量一张标准打印纸的长度。您购买纸张的包装声明它有11英寸长，并假设这个声明的值是正确的。您测量纸张的长度三次，并获得以下测量值：11.1英寸、11.2英寸和10.9英寸。这些测量值非常准确，因为它们非常接近11.0英寸的正确值。相比之下，如果您获得了12英寸的测量值，您的测量就不会非常准确。这就是测量仪器根据已知测量进行校准的原因。如果仪器始终如一地返回已知测量的正确值，则可以安全地用于查找未知值。
准确性、精确度和重要数字
科学中的大多数结果都使用图表在科学期刊文章中呈现。图表以一种对一般人来说易于可视化的方式呈现数据，尤其是不熟悉正在研究的内容的人。它们还有助于以易于阅读的方式呈现大量数据或具有复杂趋势的数据。
物理制图
物理学的语言：物理量和单位
什么是物理学？
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导言
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部分关键术语
我们对物理学的研究始于运动学——研究运动而不考虑其原因。无论你看哪里，物体都在运动。从网球比赛到太空探测器飞越海王星，一切都涉及运动。当你休息时，你的心脏会通过血管流动血液。即使在没有生命的物体中，原子也总是在运动。
定义运动
相对运动、距离和位移
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部分关键术语
运动不仅仅是距离和位移。如果不理解其他概念，就无法回答诸如“徒步比赛需要多长时间？”和“跑步者的速度是多少？”之类的问题。在本节中，我们将学习时间、速度和速度来扩展我们对运动的理解。
速度
速度和速度
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部分关键术语
一幅图，就像一幅图，胜过千言万语。图不仅包含数字信息，还揭示了物理量之间的关系。在本节中，我们将通过分析随时间变化的位置图来研究运动学。
作为时间函数的图形位置
位置与时间图
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部分关键术语
早些时候，我们研究了位置与时间的关系图。现在，我们将在这些信息的基础上查看速度与时间的关系图。速度是位移的变化率。加速度是速度的变化率；我们将在另一章中详细讨论加速度。这些概念都是非常相互关联的。
绘制速度作为时间函数
大多数速度与时间图将是直线。在这种情况下，我们的计算相当简单。
使用速度-时间图解决问题
速度与时间图
一维运动
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导言
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部分关键术语
在本章中，我们将使用以下术语：*时间*、*位移*、*速度*和*加速度*。回想一下，这些术语中的每一个都有一个指定的变量和SI测量单位，如下所示：
定义加速度
回头看看平均加速度的方程。你可以看到平均加速度的计算涉及三个值：时间变化，（Δ*t*）；速度变化，（Δ*v*）；和加速度（*a*）。
计算平均加速度
加速度
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部分关键术语
我们正在研究与运动相关的概念：时间、位移、速度，尤其是加速度。我们只关注一维的运动。我们将使用的运动学方程适用于恒定加速度的条件，除非有说明，并显示这些概念是如何相关的。恒定加速度是不随时间变化的加速度。第一个运动学方程涉及位移*d*、平均速度$\overline{v}$和时间*t*。
运动方程与加速度的关系
解决问题的技能对于在科学和生活中取得成功至关重要。将通常用方程表示的广泛物理原理应用于特定情况的能力是一种非常强大的知识形式。它比记住一系列事实要强大得多。分析技能和解决问题的能力可以应用于新情况，而事实列表不可能足够长，以包含所有可能的情况。基本的分析技能将通过解决本文中的问题来发展，并将在你的一生中对理解物理和科学有所帮助。
将运动方程应用于恒加速度情况
在许多情况下，加速度是不均匀的，因为作用在加速物体上的力随着时间的推移不是恒定的。给出恒定加速度的情况是下落物体的加速度。当空气阻力不是一个因素时，地球表面附近的所有物体都以大约9.80 m/s2的加速度下落。虽然这个值随着高度的增加略有下降，但可以假设它基本上是恒定的。9.80 m/s2的值标为*g*，被称为重力加速度。重力是导致无支撑物体向下加速的力——或者更准确地说，朝着地球中心加速。这个力的大小称为物体的重量，由*mg*给出，其中*m*是物体的质量（以kg为单位）。在地球以外的地方，如月球或其他行星，*g*不是9.80 m/s2，而是具有其他值。当在运动方程中使用*g*表示加速度*a*时，通常会给出负号，因为重力引起的加速度是向下的。
恒定加速度
用方程和图形表示加速度
加速度
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导言
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部分关键术语
力是运动的原因，运动引起了我们的注意。运动本身可以是美丽的，比如海豚从水中跳出来，鸟的飞行，或者卫星的轨道。运动的研究被称为运动学，但运动学只描述物体运动的方式——它们的速度和加速度。动力学考虑影响运动物体和系统运动的力。牛顿运动定律是动力学的基础。这些定律描述了物体加速、减速、保持运动以及与其他物体相互作用的方式。它们也是普遍定律：它们适用于地球和太空的任何地方。
定义力和动力学
对于我们的第一个力的例子，考虑一个挂在绳子上的物体。这个例子让我们有机会介绍一个被称为自由体图的有用工具。自由体图将被作用的物体——即自由体——表示为一个点。只有作用在*身体上的力（即外力）被显示出来，并由向量（以箭头的形式绘制）表示。这些力是唯一显示出来的，因为只有作用在身体上的外力才会影响它的运动。我们可以忽略身体内的任何内力，因为它们相互抵消，正如牛顿第三运动定律一节所解释的那样。自由体图对于分析作用在物体上的力非常有用。
自由体图和力的例子
力
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部分关键术语
牛顿第一运动定律陈述如下：
牛顿第一定律与摩擦力
惯性是静止物体保持静止状态的趋势，或运动物体保持匀速直线运动的趋势。物体的这一关键性质最早是由伽利略描述的。后来，牛顿将惯性的概念纳入他的第一定律，也就是通常所说的惯性定律。
质量与惯性
牛顿第一运动定律：惯性
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部分关键术语
牛顿第一定律考虑静止的物体或以恒定速度运动的物体。另一种需要考虑的运动状态是当物体以变化的速度移动时，这意味着速度和/或运动方向的变化。牛顿第二运动定律解决了这种类型的运动，它说明了力是如何导致运动变化的。牛顿第二运动定律用于计算在涉及力和运动的情况下会发生什么，它显示了力、质量和*加速度*之间的数学关系。从数学上讲，第二定律最常被写成
描述牛顿第二运动定律
在将牛顿第二定律付诸行动之前，考虑单位是很重要的。
公式${F}_{\text{net}}=ma$用于定义质量、长度和时间三个基本单位的力单位（回想一下加速度有长度单位除以时间平方）。力的单位称为牛顿（缩写为N），是以1 m/s2的速率加速1公斤系统所需的力。也就是说，因为${F}_{\text{net}}=ma，$we have
应用牛顿第二定律
牛顿第二运动定律
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部分关键术语
如果你曾经碰过脚趾，你会注意到，尽管你的脚趾发起了撞击，但你碰它的表面会对你的脚趾施加力。尽管你脑海中的第一个想法可能是“哎哟，真疼”，而不是“这是牛顿第三定律的一个很好的例子”，但这两种说法都是正确的。
描述牛顿第三运动定律
力根据其来源、传播方式或效果进行分类和命名。在前几节中，我们讨论了称为*推*、*重量*和*摩擦力*的力。在本节中，应用牛顿第三运动定律将允许我们探索另外三种力：法向力、张力和推力。然而，因为我们还没有深入讨论向量，我们将在本章中只考虑一维情况。另一章将考虑在二维中作用的力。
应用牛顿第三定律
牛顿第三运动定律
力和牛顿运动定律
m54145
导言
m54165
部分关键术语
回想一下，向量是一个有大小和方向的量。例如，位移、速度、加速度和力都是向量。在一维或直线运动中，向量的方向可以简单地用加号或减号给出。向前、向右或向上的运动通常被认为是*正* (+); 向后、向左或向下的运动通常被认为是*负*（−）。
向量加减法的图解法
现在我们有了处理二维向量的技能，我们可以应用向量加法以图形方式确定合成向量，这代表了总的力。考虑一个力的例子，涉及两个滑冰运动员推第三个，如[链接]所示。
用矢量加减图解法求解物理问题
向量加法和减法：图形方法
m54147
部分关键术语
对于向量加减法的解析方法，我们使用一些简单的几何和三角学，而不是像我们对图形方法那样使用直尺和量角器。然而，图形方法仍然会派上用场，通过使用头尾法绘制向量来可视化问题。解析方法比图形方法更准确，这受到绘图精度的限制。有关角度的正弦、余弦和正切的定义的复习，请参阅[链接]。
向量的组成部分
计算结果向量（或向量加法）与将结果分解为其分量相反。如果向量$A$的垂直分量${A}_{x}$和${A}_{y}$已知，那么我们可以解析地找到$A$。我们该怎么做？因为，根据定义，
向量加减分析方法
[link]使用解析方法添加向量。
用向量加减法解题
向量加减法：分析方法
m54162
部分关键术语
射弹运动是物体在发射物体的初始力之后抛向空中的运动，空气阻力可以忽略不计，物体经历的唯一其他力是重力。物体被称为射弹，它的路径被称为它的轨迹。空气阻力是一种摩擦力，它减慢了运动速度，可以显著改变运动轨迹。由于计算困难，在介绍物理学中只考虑与射弹运动的偏差可以忽略不计和空气阻力可以忽略的情况。这种近似通常非常准确。
弹丸运动的性质
以下步骤用于分析弹丸运动：
解决涉及弹丸运动的问题
弹丸运动
m54159
部分关键术语
回想一下上一章，摩擦力是一种反对平行于相互作用物体接触面的相对运动的力，并且一直在我们周围。摩擦力允许我们移动，如果你曾经尝试在冰上行走，你就会发现这一点。
静摩擦和动摩擦
我们之前讨论过，当一个物体停留在水平表面上时，有一个法向力支撑它，其大小等于它的重量。到目前为止，我们只处理一维的法向力，重力和法向力在相反的方向垂直于表面（重力向下，法向力向上）。现在你有了处理二维力的技能，我们可以探索倾斜表面（如斜面）上的重量和法向力会发生什么变化。对于斜面问题，如果我们旋转坐标系，就更容易将力分解为分量，如[链接]所示。设置问题的第一步是将重量的力分解为分量。
使用倾斜平面
倾斜平面
m54154
部分关键术语
想象一辆靠墙停放的汽车。如果推土机把汽车推到墙上，汽车不会移动，但会明显改变形状。由于力的施加而导致的形状变化是一种变形。即使是非常小的力也会导致一些变形。对于小的变形，会发生两件重要的事情。首先，与汽车和推土机的例子不同，当力被移除时，物体会恢复到原来的形状。其次，变形的大小与力成正比。这第二个性质被称为胡克定律。在方程形式中，胡克定律是
胡克定律与简谐运动
海洋浮标、荡秋千的孩子、吉他和心跳有什么共同点？它们都振荡。也就是说，它们在两点之间来回移动，就像[链接]中说明的尺子一样。所有的振荡都涉及力。例如，你推一个荡秋千的孩子来开始运动。
振荡和周期运动
在解决弹簧和钟摆的问题之前，首先了解钟摆是如何工作的是很重要的。[链接]提供了一个简单钟摆的有用说明。
用简谐运动求解弹簧和摆锤问题
简谐运动
二维运动
m54173
导言
m54176
部分关键术语
我们所说的*圆周运动*或*旋转*到底是什么意思？旋转运动是物体围绕旋转轴的圆周运动。我们将专门讨论圆周运动和旋转。圆周运动是指物体在圆形路径上移动。圆周运动的例子包括一辆在圆形曲线上飞驰的赛车，一个附在绳子上的玩具在你的头上绕着圆圈摆动，或者过山车上的圆形*循环*。旋转是围绕穿过物体质心的轴旋转，例如地球在它的轴上旋转，轮子在它的轴上转动，龙卷风在它的毁灭路径上旋转，或者花样滑冰运动员在奥运会上表演时旋转。有时候，物体会在圆周运动中旋转，就像地球绕着太阳旋转时绕着它的轴旋转一样，但是我们将分别关注这两种运动。
旋转角度
物体旋转的速度有多快？我们可以用角速度的概念来回答这个问题。首先考虑角速度$\左（\ω\右）$是旋转角度变化的速率。在方程形式中，角速度是
角速度
现在我们已经理解了旋转角和角速度的概念，我们将把它们应用到钟楼和旋转轮胎的真实情况中。
旋转角度和角速度问题的求解
旋转角度和角速度
m54181
部分关键术语
在上一节中，我们定义了圆周运动。圆周运动最简单的情况是匀速圆周运动，即物体以恒定的速度*沿着圆周路径行进。请注意，与速度不同，圆周运动中物体的线速度是不断变化的，因为它总是改变方向。我们从运动学中知道，加速度是速度的变化，要么是幅度的变化，要么是方向的变化，要么是两者兼而有之。因此，进行匀速圆周运动的物体总是在加速，即使其速度的大小是恒定的。
向心加速度
因为匀速圆周运动的物体会经历加速度（通过改变运动方向而不是速度），我们从牛顿第二运动定律中知道，必须有一个净外力作用在物体上。由于加速度的大小是恒定的，所以净力的大小也是恒定的，因为加速度指向旋转中心，所以净力也是恒定的。
向心力
为了感受典型的向心加速度，我们将做一个实验室来估计网球拍的向心加速度，然后，在我们的第一个工作示例中，将汽车绕过弯道的向心加速度与重力加速度进行比较。对于第二个工作示例，我们将计算使汽车绕过弯道所需的力。
解决向心加速度和向心力问题
均匀圆周运动
m54180
部分关键术语
在关于匀速圆周运动的章节中，我们讨论了在恒定速度下的圆周运动，因此，恒定角速度。然而，有时角速度不是恒定的——旋转运动可以加速、减速或反向。当旋转溜冰者拉起手臂时，当孩子推旋转木马使其旋转时，或者当光盘关闭时变慢停止时，角速度不是恒定的。在所有这些情况下，角加速度的发生是因为角速度$\text{ω}$发生变化。变化发生得越快，角加速度就越大。角加速度$\text{α}$是角速度的变化率。在方程形式中，平均角加速度为
旋转运动学
如果你曾经转动过自行车轮子或推过旋转木马，你就会知道改变角速度需要力。力从枢轴点（或支点）施加得越远，角加速度就越大。例如，如果你推得离铰链太近，门就会打开得很慢，但如果你推得离铰链太远，门就会很容易打开。此外，我们知道门的质量越大，它打开得越慢；这是因为角加速度与质量成反比。这些关系非常类似于牛顿第二运动定律中力、质量和加速度之间的关系。由于我们已经介绍了距离、速度和时间的角版本，你可能想知道力的角版本是什么，以及它与线性力的关系。
扭矩
正如线性力可以平衡以产生零净力和无线性加速度一样，旋转运动也是如此。当两个等量的扭矩向相反的方向作用时，没有净扭矩，也没有角加速度，正如你在下面的视频中看到的。如果零净扭矩作用于以恒定角速度旋转的系统，系统将继续以相同的角速度旋转。
求解旋转运动学和扭矩问题
旋转运动
圆周和旋转运动
m54196
导言
m54192
部分关键术语
轨道的例子比比皆是。数百颗人造卫星和数千块碎片一起绕地球运行。月球绕地球运行的轨道自古以来就吸引着人类。行星、小行星、流星和彗星绕太阳运行的轨道同样有趣。如果我们看得更远，我们会看到数量几乎难以想象的恒星、星系和其他天体围绕彼此运行并通过重力相互作用。
与开普勒行星运动定律相关的概念
与开普勒行星运动定律相关的计算
开普勒行星运动定律
m54189
部分关键术语
艾萨克·牛顿爵士是第一个精确定义引力的科学家，并证明它可以解释落体和天文运动。见[链接]。但牛顿并不是第一个怀疑是同一种力导致了我们的体重和行星的运动的人。他的先驱者伽利略·伽利略认为落体和行星运动有相同的原因。牛顿的一些同时代人，如罗伯特·胡克、克里斯多夫·雷恩和埃德蒙·哈雷，也在理解引力方面取得了一些进展。但牛顿是第一个提出精确数学形式并利用该形式表明天体的运动应该是圆锥截面——圆、椭圆、抛物线和双曲线。这一理论预测是一个重大胜利。人们知道卫星、行星和彗星遵循这样的路径已经有一段时间了，但是没有人能够解释导致它们遵循这些路径而不是其他路径的机制。
牛顿万有引力定律相关概念
物体的质量是恒定的，但它的重量随着引力场的强度而变化。这意味着**g**的值在宇宙中因地而异。来自第二运动定律的力、质量和加速度之间的关系可以用**g**来写。
基于牛顿万有引力定律的计算
牛顿万有引力定律与爱因斯坦广义相对论
牛顿万有引力定律
m54212
导言
m54215
部分关键术语
线性动量是系统质量和速度的乘积。在方程形式中，线性动量**p**是
动量、冲量和冲量-动量定理
当牛顿第二定律用动量表示时，它可用于解决质量变化的问题，因为$\text{Δ}\text{p}=\text{Δ}\old（m\text{v}\right）$。在你习惯使用的更传统的定律形式中，质量被假定为常数。事实上，这种传统形式是该定律的一个特殊情况，其中质量是恒定的。${\text{F}}_{\text{net}}=m\text{a}$实际上是从以下等式导出的：
牛顿动量第二定律
使用脉冲动量定理解决问题
线性动量、力和冲量
m54202
部分关键术语
重要的是，我们要意识到动量在碰撞、爆炸和其他涉及运动物体的事件中是守恒的。说一个量是守恒的意味着它在整个事件中是恒定的。在动量守恒的情况下，系统中的总动量在碰撞前后保持不变。
动量守恒
动量守恒
m54209
部分关键术语
当物体碰撞时，它们可以粘在一起，也可以互相反弹，保持分离。在本节中，我们将介绍这两种不同类型的碰撞，首先是一维，然后是二维。
弹性和非弹性碰撞
本节中引用的可汗学院视频展示了一维弹性和非弹性碰撞的例子。在一维碰撞中，传入和传出的速度都沿着同一条线。但是碰撞呢，比如台球之间的碰撞，其中物体分散到一边？这些是二维碰撞，就像我们对二维力所做的那样，我们将通过首先选择一个坐标系并将运动分成它的*x*和*y*分量来解决这些问题。
解决碰撞问题
弹性和非弹性碰撞
动量
m54268
导言
m54271
部分关键术语
在物理学中，功一词有一个非常具体的定义。功是力的应用，$f$，使物体沿着力施加的方向移动一段距离。功，*W*，由方程描述
功能定理
在涉及工作的应用程序中，我们经常对工作完成的速度感兴趣。例如，在过山车设计中，将过山车抬到第一个山顶所需的时间是一个重要的考虑因素。在上升过程中花半小时肯定会激怒骑手并减少门票销售。让我们来看看如何计算工作所需的时间。
涉及功和功率的计算
功、功率和功能定理
m54273
部分关键术语
我们之前看到机械能可以是势能或动能。在本节中，我们将看到能量是如何从这些形式中的一种转化为另一种形式的。我们还将看到，在一个封闭的系统中，这些形式的能量之和保持不变。
机械能与能量守恒
涉及机械能和能量守恒的计算
机械能与能量守恒
m54274
部分关键术语
简单的机器使工作更容易，但它们不会减少你必须做的工作量。为什么简单的机器不能改变你所做的工作量？回想一下，在封闭系统中，能量总量是守恒的。机器不能增加你投入其中的能量。那么，为什么简单的机器有用呢？虽然它不能改变你所做的工作量，但简单的机器可以改变你必须对物体施加的力的量，以及你施加力的距离。在大多数情况下，简单的机器被用来减少你必须施加的力来做功。不利的一面是你必须在更大的距离上施加力，因为力和距离的乘积，**f***d*（等于功）不会改变。
简易机器
一般来说，*IMA*=阻力，**F**r，除以努力，**F**e。*IMA*也等于施加努力的距离，*de*，除以负载传播的距离，*dr*。
计算简单机械的机械优势和效率
简易机器
功、能量和简单机器
m54277
导言
m54280
部分关键术语
相对论并不新鲜。早在1600年左右，伽利略就解释说运动是相对的。无论你碰巧在哪里，似乎你都在一个固定点上，一切都相对于你移动。其他人都有同样的感觉。运动总是相对于一个固定点来测量的。这被称为建立参照系。但是点的选择是任意的，所有参照系都同样有效。行驶中的汽车中的乘客相对于司机并不移动，但是他们都是从人行道上等待公共汽车的人的角度移动的。他们移动得更快，就像一个人在车里向他们走来一样。这都是相对的。
科学实验与问题
上面描述的结果给物理学家留下了一些令人费解和不安的问题，比如，为什么快速移动的物体发出的光不会比路灯发出的光传播得更快？需要一个激进的新理论，阿尔伯特·爱因斯坦，如[链接]所示，即将成为每个人最喜欢的天才。爱因斯坦从基于我们在本章到目前为止讨论的两件事情的两个简单假设开始。
爱因斯坦的假设
狭义相对论假设
m54282
部分关键术语
考虑到经过时间和同时性的测量导致了一个重要的相对论效应。时间膨胀是相对于另一个观察者移动的观察者时间流逝得更慢的现象。
时间、距离和动量的相对论效应
让我们总结一下对以接近光速的速度运动的物体的相对论效应的计算。在每种情况下，我们都需要计算相对论因子，给出
质能等效
狭义相对论的后果
狭义相对论
m54283
导言
m54287
部分关键术语
什么是温度？这是我们日常生活中根深蒂固的概念之一，尽管我们凭直觉知道它意味着什么，但很难定义。说温度衡量热量很诱人，但这并不完全正确。热量是由于温差导致的能量传递。温度是根据我们用来告诉我们物体有多热或多冷的仪器来定义的，基于人们发明的机制和尺度。温度的字面意思是我们用温度计测量的东西。
温度
虽然华氏尺度仍然是美国最常用的尺度，但世界上大多数地方都使用摄氏，科学家更喜欢开尔文。在这些尺度之间转换通常是必要的。例如，如果电视气象学家用开尔文给出当地天气报告，可能会有一些困惑的观众！[链接]给出了三个温度尺度之间转换的方程。
在摄氏度、开尔文和华氏度之间转换
温度和热能
m54290
部分关键术语
我们在上一节中了解到，温度与物质中原子和分子的平均动能成正比，当物质的温度较高时，物质的平均内部动能较高。
传热、比热和热容量
每当有温差时，就会发生热传递。热传递可能很快发生，例如通过烹饪锅，也可能很慢，例如通过绝缘冷却器的壁。
传导、对流和辐射
解决传热问题
热量、比热和传热
m54292
部分关键术语
到目前为止，我们已经了解到，通过加热来添加热能会增加物质的温度。但令人惊讶的是，在某些情况下，添加能量根本不会改变物质的温度！相反，额外的热能起到松动分子或原子之间的键并导致相变的作用。因为这种能量在相变期间进入或离开系统而不会导致系统的温度变化，所以它被称为潜热（潜伏意味着*隐藏*）。
相位变化
解决相变热能问题
相变和潜热
热能、热量和功
m54300
导言
m54302
部分关键术语
热力学零定律：热平衡
m54305
部分关键术语
在涵盖热力学第一定律之前，首先重要的是了解压力、体积和温度之间的关系。压力，*P*，定义为
压力、体积、温度和理想气体定律
*压力-体积功*是通过流体的压缩或膨胀所做的功。每当体积发生变化并且外部压力保持不变时，就会发生压力-体积功。在压缩期间，体积的减少会增加系统的内部压力，因为系统*在*上*工作。在膨胀期间（[链接]），体积的增加会降低系统*工作时的内部压力。
压力-体积功
热量（*Q*）和功（*W*）是从系统中添加或去除能量的两种方式。这两个过程非常不同。热量是由温差驱动的，而功是通过距离施加的力。然而，热量和功可以产生相同的结果。例如，两者都可以导致温度升高。热量将能量转移到系统中，例如当太阳温暖自行车轮胎中的空气并提高空气温度时。同样，系统也可以做功，例如骑自行车的人将空气泵入轮胎时。一旦温度升高发生，就无法判断是由热量还是功引起的。热量和功都是运输中的能量——都不储存在系统中。然而，两者都可以改变系统的内能*U*。
热力学第一定律
解决涉及热力学第一定律的问题
热力学第一定律：热能与功
m54306
部分关键术语
回想一下前言中的章节，引擎在理论上不可能达到100%的效率。热力学第二定律可以解释这一现象，该定律依赖于熵的概念。熵是衡量系统无序程度的指标。熵还描述了有多少能量是不可用来做功的。系统越无序，熵越高，系统可用来做功的能量就越少。
熵
你玩过纸牌游戏52皮卡吗？如果是这样，你一直在恶作剧的接收端，在这个过程中，学到了关于热力学第二定律所描述的宇宙本质的宝贵一课。在52皮卡游戏中，恶作剧者将整副扑克牌扔到地板上，你可以捡起来。在捡牌的过程中，你可能已经注意到，将牌恢复到一副牌中的有序状态所需的工作量远远大于抛牌和制造混乱所需的工作量。
热力学第二定律
熵不仅与做功的能量不可用有关；它也是无序的衡量标准。例如，在冰块融化的情况下，一个高度结构化和有序的水分子系统变成了无序的液体，其中分子没有固定的位置（[链接]）。正如我们将在下面的工作示例中看到的，这个过程的熵大幅增加。
热力学第二定律
热力学第二定律：熵
m54307
部分关键术语
在本节中，我们将探讨热机、热泵和冰箱是如何根据热力学定律运行的。
热机、热泵和冰箱
在将能量转化为功的过程中，我们总是面临得到的比投入的少的问题。问题是，在所有过程中，都有一些热量${Q}_{\text{c}}$将能量转移到环境中——通常是非常大量的热量。量化机器运行效率的一种方法是通过一个叫做热效率的量。
热效率
解决热效率问题
热力学应用：热机、热泵和冰箱
热力学
m54312
导言
m54314
当我们说某样东西是波时，我们是什么意思？波是一种从它产生的地方传播或*传播*的扰动。波将能量从一个地方转移到另一个地方，但它们不一定传递任何质量。海洋中的光、声和波是波的常见例子。声波和水波是机械波；这意味着，它们需要一种介质来穿越。介质可以是固体、液体或气体，波的速度取决于它所穿越的介质的材料特性。然而，光不是机械波；它可以穿过真空，例如外层空间的空白部分。
机械波
如果你把一块鹅卵石扔进水里，在干扰消失之前可能只会产生几个波，而在波浪池中，波浪是连续的。脉搏波是一种突然的扰动，其中只产生一个波或几个波，例如在鹅卵石的例子中。雷声和爆炸也会产生脉搏波。周期波重复相同的振荡几个周期，例如在波浪池的情况下，并与简单的谐波运动相关联。介质中的每个粒子通过在相同的位置周期性地来回移动，在周期波中经历简单的谐波运动。
脉冲波和周期波
机械波按其运动类型分类，分为两类：横向波和纵向波。请注意，横向波和纵向波都可以是周期性的。横波传播使得扰动垂直于传播方向。横波的一个例子显示在[链接]中，一个女人上下移动玩具弹簧，产生的波在水平方向上传播远离自己，同时在垂直方向上干扰玩具弹簧。
纵波和横波
波的类型
m54321
部分关键术语
在关于二维运动的章节中，我们定义了以下变量来描述谐波运动：
波动变量
由于波频率是每秒的波数，周期本质上是每波的秒数，频率和周期之间的关系是
波频率、周期、波长和速度之间的关系
解决波动问题
波特性：速度、幅度、频率和周期
m54318
部分关键术语
大多数波浪看起来不是很简单。它们看起来更像[链接]中的波浪，而不是前几节中考虑的简单水波，具有完美的正弦形状。
波的叠加
产生最简单结果的叠加的两种特殊情况是纯相长干涉和纯相消干涉。
波干扰
有时波似乎没有移动，它们似乎只是站在原地振动。这种波被称为驻波，是由两个或多个向相反方向移动的波叠加而成的。波在相互移动时，它们的扰动会随着它们的移动而增加。如果两个波具有相同的幅度和波长，那么它们会在相长干涉和相消干涉之间交替。[链接]中说明了由两个向相反方向移动的相同波叠加而成的驻波。
驻波
正如我们在乐器琴弦上的驻波案例中看到的，反射是当波从屏障上反弹时方向的变化，例如固定端。当波击中固定端时，它会改变方向，返回到它的源头。当它被反射时，波经历了反转，这意味着它垂直翻转。如果波击中带有波峰的固定端，它将作为波谷返回，反之亦然（Henderson 2015）。参考[链接]。
波的反射和折射
波的相互作用：叠加和干涉
波及其性质
m54327
导言
m54331
部分关键术语
声音是一种波。更具体地说，声音被定义为物质从其源向外传播的扰动。扰动是指从平衡状态移动的任何东西。一些声波可以被表征为周期波，这意味着组成物质的原子经历简单的谐波运动。
声波的特性
声速的变化很大程度上取决于它所通过的介质。介质中的声速是由介质的刚性（或气体的可压缩性）及其密度的组合决定的。介质越刚性（或可压缩性越低），声速就越快。介质的密度越大，声速就越慢。空气中的声速很低，因为空气是可压缩的。因为液体和固体相对刚性，很难压缩，所以这种介质中的声速通常大于气体。[链接]显示各种介质中的声速。由于温度影响密度，声速在某种程度上随介质的温度而变化，尤其是对于气体。
音速
像所有的波一样，声音以一定的速度在不同的介质中传播，具有频率和波长的特性。声音的传播速度比光慢得多——你可以在观看烟花表演时观察到这一点（见[链接]），因为爆炸的闪光在听到声音之前就被看到了。
声速与声波频率和波长的关系
音速、频率和波长
m54333
部分关键术语
在安静的森林里，你有时能听到一片树叶掉落在地上的声音。但是在充满鸣笛汽车的交通堵塞中，你可能不得不大喊大叫，这样你旁边的人才能听到[链接]。声音的响度与其来源振动的能量有关。在展示尖叫的人的漫画中，漫画家经常展示一张张开的嘴，上面有一个振动的悬雍垂（嘴后面悬挂的组织）来代表来自喉咙的响亮声音。[链接]展示了这样一个卡通描绘一只鸟大声表达它的观点。
声波的振幅、响度和能量
你可能已经注意到，当人们谈论声音的响度时，他们用分贝单位而不是每平方米瓦特来描述它。虽然声音强度（以W/m2为单位）是SI单位，但以分贝（dB）为单位的声音强度水平与人类如何感知声音更相关。我们耳朵感知声音的方式可以更准确地用声音强度的对数来描述，而不是直接用声音强度来描述。声音强度水平*β*被定义为
分贝标度
解决声波强度问题
人们通过推动空气通过肺部和喉咙中称为声带的弹性褶皱来发出声音。这些褶皱有节奏地打开和关闭，产生压力积累。当空气向上穿过声带时，它会导致声带振动。这种振动随着空气作为声音从嘴里逸出。当喉部肌肉放松或收紧时，声音的音调会改变，改变声带的张力。当肺部气流增加时，声音变得更大，使声压波的振幅更大。
听力和语音
声强和声级
m54334
部分关键术语
多普勒效应是由于声源和观察者之间的相对运动而导致的观察到的声音音调的变化。一个由声源运动引起的多普勒效应的例子发生在你站着不动的时候，救护车发出的警笛声在经过时从高音调变成低音调。救护车离你越近，这种变化就越突然。救护车移动得越快，这种变化就越大。我们也能听到经过赛车、飞机和火车的频率变化。一个静止的声源和移动的观察者的多普勒效应的例子是，如果你乘坐火车经过一个静止的警铃，当你经过时，你会听到铃声的频率从高到低的变化。
声波的多普勒效应
移动源（如喷气式飞机）产生的接近甚至超过音速的声音会发生什么变化？假设一架喷气式飞机几乎直着向你飞来，发出频率为*f*s的声音。飞机速度越大，*v*s，多普勒频移越大，*f*obs的值也越大。现在，当*v*s接近音速时，*v*w，*f*obs接近无穷大，因为${f}_{obs}={f}_{s}\左（\frac{{v}_{w}}{v}_{w}-{v}_{s}}\right）$接近零。
音爆
使用多普勒频移公式解决问题
多普勒效应和音爆
m54335
部分关键术语
找个时间坐在钢琴前，一边踩下维持踏板，一边大声唱一个简短的音符。它会向你唱同样的音符——和你声音频率相同的琴弦，会对你发送给它们的声波的力量产生共鸣。这是一个很好的例子，说明物体——在这种情况下是钢琴弦——可以被迫振荡，但在它们的自然频率下振荡得最好。
共鸣与节拍
假设我们在另一端闭合的管子的末端附近拿着一个音叉，如[link]、[link]和[link]所示。如果音叉的频率正好合适，管子中的空气柱就会大声共振，但在大多数频率下，它的振动很小。这意味着空气柱只有某些固有频率。这些数字显示了在这些固有频率中最低的共振是如何形成的。干扰以音速沿着管子传播，并从封闭的一端反弹回来。如果管子长度正好合适，反射的声音正好在半个周期后回到音叉，它建设性地干扰了音叉产生的持续声音。传入和反射的声音在管子中形成驻波，如图所示。
基本频率和谐波
一端封闭的管（称为封闭管谐振器）的谐振频率是
开管和闭管谐振器
解决谐波级数和拍频问题
声音干扰和共振
声音
在本章中，您将了解：
*电磁波谱
*电磁辐射的行为
m54336
导言
m54342
部分关键术语
我们通常认为光是理所当然的，但它是一种真正令人惊叹和神秘的能量形式。想想看：光穿过数百万公里的空旷空间到达地球。当它到达我们这里时，它以各种方式与物质相互作用，产生几乎所有支持生命、提供热量和引起天气模式所需的能量。光是电磁辐射（EMR）的一种形式。术语*light*通常指可见光，但这不是EMR的唯一形式。正如我们将看到的，可见光在广泛的电磁辐射类型中占据了一个窄带。
电磁波谱
上面提到的所有电磁波基本上都是相同形式的辐射。它们都可以在真空中以光速传播。辐射类型之间的基本区别在于它们的频率不同。每个频率都有一个相关的波长。随着光谱中频率的增加，波长会减少。能量也会随着频率的增加而增加。正因为如此，更高的频率更容易穿透物质。[链接]中列出了各种EM频段的一些特性和用途。
电磁辐射特性
电磁波谱
m54346
部分关键术语
在真空中，所有电磁辐射都以同样令人难以置信的速度传播，速度为3.00×108 m/s，等于每小时6.71亿英里。这是基本物理常数之一。它被称为光速，并被赋予符号*c*。天体之间的空间是近乎真空的，所以我们从太阳、恒星和其他行星看到的光以光速传播到这里。请记住，所有电磁辐射都以这种速度传播。离开太阳的所有不同波长的辐射在相同的时间内到达地球。那次旅行需要8.3分钟。除了太阳之外，最近的恒星发出的光需要4.2年才能到达地球，最近的星系——围绕银河系运行的矮星系——发出的光在到达地球的过程中需要25000年。你可以明白为什么我们称之为非常远的距离*天文*。
电磁波行为的类型
我们可以用光速*c*进行几个简单但有趣的计算。如果我们知道到天体的距离，我们可以计算它的光到达我们这里需要多长时间。当然，如果我们知道光到达我们这里需要多长时间，我们也可以进行反向计算。对于一个离地球非常远的物体，它的光需要很多年才能到达我们这里。这意味着我们正在看这个物体在遥远的过去存在的样子。这个物体实际上可能已经不存在了。宇宙中非常大的距离是用光年来测量的。一光年是光在一年内传播的距离，即9.46美元{\规则{0.25em}{0ex}}×{\规则{0.25em}{0ex}}{10}^{12}$
公里或5.88美元{\规则{0.25em}{0ex}}×{\规则{0.25em}{0ex}}{10}^{12}$
英里（…1012是一万亿！）。
电磁波的定量处理
电磁辐射的行为
光
m54366
导言
m54357
部分关键术语
有三种方式，如[link]所示，光线可以从一个源头传播到另一个位置。它可以通过空旷的空间直接从源头来，比如从太阳到地球。光线可以通过各种介质，比如空气和玻璃，传播到一个物体上。光线也可以在被反射后到达一个物体，比如被镜子反射。在所有这些情况下，光线都被建模为直线传播，称为*ray*。当光线遇到不同材料的表面（比如镜子）或从一种材料传递到另一种材料时（比如从空气传递到玻璃时），它可能会改变方向。然后它继续沿着一条直线——也就是以射线的形式。*ray*这个词来自数学。在这里它的意思是源于某个点的直线。将光线可视化为激光是可以接受的（甚至是科幻小说中对*射线枪*的描述）。
镜子的特点
曲面镜和它们创造的图像涉及相当少的变量：镜子的曲率半径，*R*；焦距，*f*；物体和图像与镜子的距离，分别为*do*和*di*；以及物体和图像的高度，分别为*ho*和*hi*。这些值的符号表明图像是倒置的、直立的（直立的）、真实的还是虚拟的。我们现在看看与这些变量相关的方程，并将它们应用于日常问题。
曲镜方程的应用
反射
m54365
部分关键术语
在观察鱼缸时，你可能会注意到一些奇怪的光学现象。例如，你可能会看到同一条鱼似乎在两个不同的地方（[链接]）。这是因为鱼发出的光在离开鱼缸时会改变方向，在这种情况下，沿着两条不同路径行进的光线都会到达我们的眼睛。当光线穿过不同成分的材料之间的边界时，或者在温度和密度发生变化的单一材料的层之间，光线方向的变化（大致称为*弯曲*）被称为*折射*。折射负责一系列巨大的光学现象，从镜头的作用到通过光纤传输的声音。
折射定律
随后的计算问题需要应用以下方程式：
用折射定律计算
折射
m54361
部分关键术语
镜头存在于大量的光学仪器中，从简单的放大镜到眼睛再到相机的变焦镜头。在本节中，我们使用折射定律来探索镜头的特性以及它们如何形成图像。
镜片的特点
眼睛可能是所有光学仪器中最有趣的。它在如何形成图像以及眼睛可以检测到的细节和颜色的丰富性方面是非凡的。然而，我们的眼睛通常需要一些校正才能达到所谓的*正常*视力，但应该被称为*理想*视力。我们的眼睛形成的图像和常见的视力校正很容易使用几何光学进行分析。[链接]显示了眼睛的基本解剖结构。角膜和晶状体形成了一个系统，在一个很好的近似值中，它充当了一个薄晶状体。为了清晰的视觉，真实的图像必须投射到光敏感的视网膜上，它位于离晶状体固定的距离。眼睛的晶状体调整其功率，以便在视网膜上为不同距离的物体产生图像。图像的中心落在中央凹上，中央凹具有最大密度的光感受器和视野中最大的敏锐度（锐度）。在视神经与眼睛相遇的地方没有感受器，这被称为*盲点*。落在这个点上的图像是看不到的。眼睛的可变开口（或瞳孔）以及化学适应使眼睛能够检测到从可观察到的最低到大1010倍（没有损坏）的光强度。十个数量级是一个令人难以置信的检测范围。我们的眼睛执行大量的功能，例如感觉方向、运动、复杂的颜色和距离。视觉神经脉冲的处理始于视网膜中的相互连接，并在大脑中继续进行。视神经将眼睛接收到的信号传递给大脑。
眼睛物理学
正如承诺的那样，没有新的方程要记忆。我们可以使用已经提出的方程来解决涉及曲面镜的问题。仔细的分析允许您将这些方程应用于镜头。这是您需要的方程
使用透镜方程进行计算
镜片
镜子和镜头
m54376
导言
m54369
部分关键术语
我们知道可见光是我们眼睛对其做出反应的电磁波类型。正如我们之前看到的，光遵循这个等式
衍射和干涉
在杨的实验中，一种颜色的光或单色光的波长可以从它的双缝衍射图案中计算出来，这一事实支持了光具有波特性的结论。要理解这种计算的基础，请考虑两个波是如何从狭缝传播到屏幕的。每个狭缝与屏幕上的给定点的距离不同。因此，不同数量的波长适合每条路径。波从狭缝开始同相（波峰到波峰），但如果路径长度相差半个波长，它们将在屏幕上结束同相（波峰到波谷），从而产生破坏性干扰。如果路径相差整个波长，则波以同相（波峰到波峰）到达屏幕，产生建设性干扰。更一般地说，如果两波所走的路径相差任意半整数个波长，则发生相消干涉。同样，如果两波所走的路径相差任意整数个波长，则发生相长干涉。
涉及衍射和干涉的计算
了解衍射和干涉
m54371
部分关键术语
1917年，阿尔伯特·爱因斯坦考虑了光子和受激原子。他考虑了被一定能量激发的原子，以及如果该原子被具有相同能量的光子撞击会发生什么。他提出，原子将发射具有相同能量的光子，它将伴随着原始光子。令人兴奋的是，你会有两个具有相同能量的光子，它们将是相位的。这些光子可以继续撞击其他受激原子，很快你就会有一串同相光子。这样的光流被称为*相干*。大约40年后，爱因斯坦的想法在一个叫做*受激辐射光放大*的过程中得到了应用。取所有单词的首字母（除了*by*和"of"），并按顺序写出。你得到单词*激光*（见[链接]（a）），这是产生这种光束的设备的名称。
基于波的光应用
本章开头提到，当光从一种介质传递到另一种介质时，它的速度和波长会发生变化，但它的频率保持不变。方程
涉及衍射光栅和分辨率的计算
衍射、干涉和相干的应用
衍射和干涉
m54417
导言
m54410
部分关键术语
你可能认识一个有*电*人格的人，这通常意味着其他人被这个人吸引。这句话是基于电荷，电荷是物质的一种属性，导致物体相互吸引或排斥。电荷有两种，我们称之为*正*和*负。*像电荷相互排斥，不像电荷相互吸引。因此，两个正电荷相互排斥，两个负电荷也是如此。一个正电荷和一个负电荷相互吸引。
电荷
因为电荷的基本正负单位是在质子和电子上携带的，我们会期望总电荷在我们定义的任何系统中都不能改变。换句话说，虽然我们可能能够移动电荷，但我们不能创造或摧毁它。这应该是真的，前提是我们没有在我们的系统中创造或摧毁质子或电子。然而，在二十世纪，科学家们学会了如何创造和摧毁电子和质子，但他们发现电荷仍然是守恒的。许多实验和坚实的理论论点已经将这一想法提升到定律的地位。电荷守恒定律说电荷不能被创造或摧毁。
押记保全
材料可以根据它们是否允许电荷移动来分类。如果电荷可以很容易地通过材料，如金属，那么这些材料被称为导体。这意味着电荷可以很容易地通过材料传导（即移动）。如果电荷不能通过材料，如橡胶，那么这种材料称为绝缘体。
导体和绝缘体
我们处理的大多数物体都是电中性的，这意味着它们有相同数量的正电荷和负电荷。然而，将负电荷从一个物体转移到另一个物体相当容易。当负电荷从一个物体转移到另一个物体时，会留下过量的正电荷。我们怎么知道负电荷是移动电荷？正电荷由质子携带，质子牢牢地卡在原子核中，原子卡在固体材料中。携带负电荷的电子更容易从原子或分子中移除，因此更容易转移。
押记的转移及分离
电荷、电荷守恒和电荷转移
m54414
部分关键术语
库仑定律
m54428
部分关键术语
电场
m54426
部分关键术语
回想一下，要找到固定电荷*Q*对任意测试电荷*q*施加的力，定义电场很方便，电场是*Q*对我们放置在其电场中的任何测试电荷施加的每单位电荷的力。这里对电势能使用了相同的策略：我们现在定义电势*V*，这是每单位电荷的电势能。
电势
电势
m63179
部分关键术语
再次考虑上一个示例问题中讨论的X射线管。如何产生均匀的电场？单个正电荷产生一个指向远离它的电场，如[link]。这个场是不均匀的，因为随着你远离电荷，线之间的空间会增加。然而，如果我们把正电荷和负电荷结合起来，我们得到了[link]（a）中显示的电场。请注意，在电荷之间，电场线的间隔更加均匀。
电容器
在解决一些示例问题之前，让我们看看如果我们在已经充电的电容器的极板之间放置一种绝缘材料，然后与充电电池断开连接会发生什么，如[link]所示。因为这种材料是绝缘的，电荷不能通过它从一个极板移动到另一个极板，所以电容器上的电荷*Q*不会改变。带电电容器的极板之间存在电场，因此绝缘材料变得极化，如图下部所示。在电场中变得极化的电绝缘材料称为电介质。
电介质
电容器和电介质
静电
m54450
导言
m54437
部分关键术语
就像水从高到低海拔流动一样，自由移动的电子会从低电位的地方旅行到高潜人才的地方。电池有两个处于不同电位的端子。如果端子通过导线连接，电流（电荷）就会流动，如[链接]所示。电子随后会通过电线从电池的低电位端子（*负*端）移动，并进入电池的高电位端子（*正*端）。
直流电和交流电
如前所述，电线中的电流在许多方面类似于流过管道的水。可以流过管道的水流受到管道中障碍物的影响，如堵塞和管道中狭窄的部分。这些障碍物减慢了通过管道的电流。同样，电线中的电流可以被许多因素减慢，包括电线金属中的杂质或材料中电荷之间的碰撞。这些因素对电流产生了阻力。电阻是对电线或其他电气元件在多大程度上反对电荷通过它的流动的描述。
19世纪，德国物理学家乔治·西蒙·欧姆（Georg Simon Ohm，1787-1854）通过实验发现，通过导体的电流与载流导体上的电压降成正比。
电阻和欧姆定律
欧姆定律
m54435
部分关键术语
现在我们理解了电流的概念，让我们看看我们能用它做些什么。毫无疑问，你知道，现代生活方式在很大程度上依赖于电子设备。这些设备包含巧妙的电路，它们是完整的，电流通过的封闭路径。回到我们的水类比，电路对电荷就像管道网络对水一样：电路引导电荷从一个点到下一个点，沿途通过各种设备运行电荷以提取工作或信息。
电路和电阻器
现在我们对电路的工作原理有了基本的了解，让我们看看在具有多个电路元件的电路中会发生什么。在本节中，我们将研究串联电阻器。串联连接的元件在电路的同一分支中一个接一个地连接，例如[link]左侧串联的电阻器。
串联电阻和等效电阻
串联电路
m54442
部分关键术语
在上一节中，我们了解到串联的电阻器是一个接一个连接的电阻器。如果我们改为通过将电阻器相邻连接来组合电阻器，如[链接]所示，那么电阻器就被称为*并联*。当每个电阻器的两端直接连接在一起时，电阻器是并联的。
并联电阻器
更复杂的电阻器连接有时只是串联和并联的组合。通过使用[链接]中说明的技术，串联和并联电阻器的组合可以减少到单个等效电阻。各种部件被识别为串联或并联，减少到它们的等效，并进一步减少，直到留下单个电阻。这个过程比困难更耗时。
并联和串联电阻器
并联电路
m54446
部分关键术语
电力
电气电路
在本章中，您将了解：

*磁场、场线和力
*电磁感应
*电机、发电机和变压器
m54460
导言
m54465
部分关键术语
人们对磁铁和磁性的认识已经有几千年的历史了。最早的记录可以追溯到古代，特别是在小亚细亚被称为Magnesia的地区——这个地区的名字是像*磁铁*这样的词的来源。在现在是土耳其西部一部分的Magnesia发现的磁石在古代激发了人们的兴趣。当人类第一次发现磁性岩石时，他们可能发现这些岩石的某些部分比其他部分更强烈地吸引铁或其他磁性岩石。这些区域被称为磁铁的*极*。磁极是磁铁中对其他磁铁或磁性材料（如铁）施加最强力的部分。例如，[链接]中显示的条形磁铁的极点是回形针集中的地方。
磁铁和磁化
因此，我们已经看到，力可以在磁铁之间以及磁铁和铁磁材料之间施加，而物体之间没有任何接触。这让人想起了电力，它也在距离上起作用。用电场的概念来描述电力，这是围绕电荷的力场，描述了放置在磁场中的任何其他电荷上的力。同样，磁铁在它周围产生磁场，描述了施加在磁场中的其他磁铁上的力。与电场一样，磁场线的图形表示对于可视化磁场的强度和方向非常有用。
磁场
如果一个移动的电荷，也就是电流，产生一个可以对另一个磁铁施加力的磁场，那么根据牛顿第三定律，情况应该相反。换句话说，通过另一个物体产生的磁场移动的电荷应该经历一个力——这正是我们发现的。作为一个具体的例子，考虑[link]，它显示了一个电荷*q*以速度$\stackrel{\to}{v}$通过永磁体两极之间的磁场$\stackrel{\to}{B}$。这个电荷所经历的力的大小*F*是
磁力
磁场、场线和力
m54467
部分关键术语
正如我们之前了解到的，载流导线在磁场中会经历一个力——回想一下$F=I\ell B\matrm{sin}\θ$。电动机将电能转化为机械能，是载流导线上最常见的磁力应用。电动机由磁场中的线圈组成。当电流通过线圈时，磁场对线圈施加扭矩，线圈旋转轴。在此过程中，电能被转化为机械功。[链接]显示了电动机的示意图。
电动机、发电机和变压器
变压器广泛用于电力行业，在通过高压电线远距离传输之前增加电压——称为*升压*变压器。它们也用于降低电压——称为*降压*变压器——向家庭和企业输送电力。绝大多数电力是通过磁感应产生的，即线圈或铜盘在磁场中旋转。旋转线圈或盘所需的一次能量可以通过多种方式提供。水力发电厂利用水的动能驱动发电机。煤炭或核电站产生蒸汽来驱动蒸汽涡轮机转动线圈。其他一次能源包括风、潮汐或水面上的波浪。
电力输送
电机、发电机和变压器
m54456
部分关键术语
在上一节中，我们了解到电流会产生磁场。如果大自然是对称的，那么也许磁场可以产生电流。1831年，在发现电流会产生磁场大约12年后，英国科学家迈克尔·法拉第（1791-1862）和美国科学家约瑟夫·亨利（1797-1878）独立证明了磁场可以产生电流。用磁场产生电流的基本过程称为感应；这个过程也称为磁感应，以区别于利用静电库仑力的感应充电。
改变磁场
如果线圈中感应到电流，法拉第推断一定有他所说的*电动势*推动电荷通过线圈。这种解释被证明是不正确的；相反，外部源移动磁铁的工作将能量添加到线圈中的电荷中。每单位电荷增加的能量以伏特为单位，因此电动势实际上是一种电势。不幸的是，电动势这个名字一直存在，并有可能将其与真实力混淆。出于这个原因，我们避免使用术语*电动势*，而只使用缩写*emf*，它的数学符号为$\epsilon\text{.}$emf可以定义为每单位电流流经电路时从电源汲取能量的速率。因此，电动势是电源每单位电荷的能量，它与电压形成对比，电压是电荷流过电路时每单位电荷释放的能量。
感应电动势
电磁感应
磁性
m54562
导言
m54566
部分关键术语
我们的第一个具有奇特意义的故事始于一件T恤。你可能知道，在炎热的日子里，在外面穿一件紧身黑色T恤比穿一件白衬衫提供的舒适体验要少得多。黑衬衫以及所有其他黑色物体都会吸收和再发射大量来自太阳的辐射。这件衬衫非常近似于所谓的黑体。
黑体
[链接]是辐射强度与辐射波长的关系图。换句话说，它显示了当黑体被加热到特定温度时，辐射光的强度是如何变化的。
了解黑体图
马克斯·普朗克发现时的流行理论是强度和频率通过方程$I=\frac{2kT}{{\lambda}^{2}}相关。$这个方程源自经典物理学，并利用波动现象推断，随着波长的增加，提供的能量强度将以反比平方关系下降。这种关系在[链接]中绘制，显示了一个令人不安的趋势。首先，很明显，这个方程的图表与实验发现的黑体图不匹配。此外，它表明，对于任何温度的物体，应该有无限量的能量在最短的波长中快速发射。当理论和实验结果发生冲突时，重新评估这两个模型很重要。理论和现实之间的脱节被称为紫外线灾难。
普朗克革命
在这一点上，进一步考虑量子态的概念可能会有所帮助。原子、分子、基本电子和质子电荷都是被量子化的物理实体的例子——也就是说，它们只出现在某些离散的值中，并不具有所有可以想象的值。在宏观尺度上，这不是一个革命性的概念。弦上的驻波只允许整数描述的特定谐波。使用离散的楼梯台阶上山下山会导致你的势能在你一步一步地移动时呈现离散值。此外，我们不可能有原子的一小部分，或者电子电荷的一部分，或者14.33美分。相反，一切都是由这些子结构的整数倍组成的。
量化
普朗克和光的量子性质
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部分关键术语
当光线照射到某些材料时，它可以从其中射出电子。这被称为光电效应，意思是光（*照片*）产生电力。光电效应的一个常见用途是在光度计中，例如在各种类型的相机中调整自动虹膜的光度计。另一个用途是太阳能电池，就像你在计算器中看到的，或者在屋顶或路边的标志上看到的。这些利用光电效应将光转化为电能，以运行不同的设备。
光电效应
当马克斯·普朗克提出能量在黑体散热器中量子化的理论时，他不太可能意识到他的想法有多革命性。使用类似[链接]中的光度计的工具，需要阿尔伯特·爱因斯坦这样的科学家才能完全发现马克斯·普朗克激进概念的含义。
光电效应的革命性
尽管爱因斯坦对光电效应的理解在20世纪初是一个变革性的发现，但今天它的存在无处不在。如果你看过街灯随着夕阳自动打开，只需把手放在电梯门之间就能阻止它们关闭，或者通过把手滑到水龙头附近来打开水龙头，你就会熟悉电眼，这是一组利用光电效应进行检测的设备的名称。
光电效应的技术应用
爱因斯坦与光电效应
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部分关键术语
光子遵守物理的基本性质吗？电磁能量包可能遵循与乒乓球或电子相同的规则吗？虽然考虑起来很奇怪，但这两个问题的答案都是肯定的。
光子动量
动量在量子力学中是守恒的，就像在相对论和经典物理学中一样。最早的一些直接实验证据来自物质中电子对X射线光子的散射，这是美国物理学家阿瑟·康普顿（Arthur H. Compton，1892-1962）发现的一种现象。大约在1923年，康普顿观察到从材料反射的X射线能量减少，并正确地解释这是由于电子对X射线光子的散射。这种现象可以被处理为两个粒子之间的碰撞——一个光子和一个处于静止状态的电子在材料中。经过仔细观察，发现能量和动量在碰撞中都是守恒的。见[链接]。由于发现了这种守恒散射，现在被称为康普顿效应，阿瑟·康普顿于1929年获得诺贝尔奖。
动量、康普顿效应和太阳帆
我们很早就知道EM辐射就像波一样，具有干涉和衍射的能力。我们现在看到，光也可以被建模为粒子——具有离散能量和动量的无质量光子。我们称这种双重性质为粒子-波二元性，这意味着EM辐射同时具有粒子和波的性质。这似乎是矛盾的，因为我们通常处理的大型物体永远不会同时具有波和粒子的性质。例如，海浪看起来一点也不像一粒沙子。然而，这种所谓的二元性只是一个术语，指的是光子的性质，类似于我们可以在宏观尺度上直接观察到的现象。见[链接]。如果这个术语看起来很奇怪，那是因为我们通常不会直接观察量子水平上的细节，我们的观察会产生粒子状*或*波状属性，但从来不会同时产生两者。
粒子波对偶
光的双重性质
光的量子本质
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导言
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部分关键术语
20世纪初，*李子布丁*模型是公认的原子模型。该模型由J. J.汤姆森于1904年提出，认为原子是一个带正电荷的球形球，带负电荷的电子均匀分散在各处。在该模型中，正电荷构成布丁，而电子充当孤立的李子。在其短暂的寿命中，该模型可以用来解释为什么大多数粒子是中性的，尽管李子数量不平衡，带电原子可能存在。
卢瑟福实验
1900年，马克斯·普朗克认识到，从一个源辐射的所有能量都是由处于量子状态的原子发射的。这个激进的想法与原子内部有什么关系？答案首先是通过研究气体高能时产生的光谱或发射光谱找到的。
吸收和发射光谱
将发射光谱的独特特征与原子本身的组成联系起来需要聪明的思维。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885-1962）就是这样做的，他立即利用了卢瑟福的原子行星模型。玻尔，如[链接]所示，确信其有效性，并在卢瑟福的实验室度过了1912年的一部分时间。1913年，回到哥本哈根后，他开始发表基于卢瑟福行星模型的最简单原子氢理论。
玻尔对氢谱的解释
与氢原子特定轨道相关的能量可以用这个方程找到
发射氢光谱的能量和波长
玻尔的理论是有局限性的。它没有考虑束缚电子的相互作用，因此它不能完全应用于多电子原子，即使是像双电子氦原子这样简单的原子。玻尔的模型是我们所说的*半经典*。轨道是量子化的（非经典），但被假定为简单的圆形路径（经典）。随着量子力学的发展，很明显没有明确定义的轨道；相反，有概率云。此外，玻尔的理论没有解释一些谱线是双重的，或者在仔细检查时一分为二。虽然我们将更详细地研究量子力学的几个方面，但应该记住玻尔并没有失败。相反，他在通往更大知识的道路上迈出了非常重要的一步，并为此后发展的所有原子物理学奠定了基础。
玻尔理论的极限与原子的量子模型
原子的结构
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部分关键术语
在这一点上，你可能很熟悉中子和质子，构成原子核的两个基本粒子。这两个粒子，统称为核子，构成了原子的小内部部分。两个粒子的质量几乎相同，尽管中子的质量大约是1000分之二。质子的质量相当于1836个电子，而中子的质量相当于1839个电子。也就是说，每个粒子的质量都比电子大得多。
原子核的结构
1896年，法国物理学家安托万·亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，1852-1908）注意到了一件奇怪的事情。当一种叫做沥青矿的富含铀的矿物被放置在一个包含照相底片的完全不透明的信封上时，它使照相底片上的斑点变暗了…贝克勒尔推断沥青矿一定会发出能够穿透不透明材料的不可见射线。更奇怪的是，沥青矿上没有光线照射，这意味着沥青矿在没有任何能量输入的情况下连续发射不可见射线！这显然违反了能量守恒定律，科学家们现在可以用爱因斯坦著名的等式$E=m{c}^{2}\text{.}$很快就很明显，贝克勒尔的射线起源于原子核，并具有其他独特的特征。
放射性和核力量
放射性是指从原子核发射粒子或能量的行为。在贝克勒尔的实验中，当铀核发射高能核子时，放射性过程会导致原子核的结构发生变化。这种变化被称为放射性衰变。任何经历放射性衰变的物质都被称为放射性物质。这些术语与*辐射*一词同根不应太令人惊讶，因为它们都与能量的传输有关。
三种类型的辐射
三种辐射粒子的电荷不同。阿尔法粒子，有两个质子，携带+2的净电荷。贝塔粒子，有一个电子，携带-1的净电荷。同时，伽马射线完全是光子或光，不带电荷。电荷的差异在三种辐射如何影响周围物质方面起着重要作用。
辐射特性
核力量和放射性
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部分关键术语
不稳定的原子核衰变。然而，一些核素衰变得比其他核素快。例如，玛丽和皮埃尔·居里发现的镭和钚，衰变得比铀快。这意味着它们的寿命更短，产生更大的衰变率。在这里，我们将探索半衰期和活性，寿命和衰变率的定量术语。
半衰期和放射性衰变率
当我们说一个源具有高度放射性时，我们是什么意思？一般来说，它意味着单位时间内的衰变次数非常高。我们将活度*R*定义为单位时间内衰变的速率。在方程形式中，这是
活动，腐烂的速度
放射性测年或辐射测年是对自然发生的放射性的巧妙运用。它最熟悉的应用是碳-14测年。碳-14是一种碳同位素，当太阳中微子撞击大气中的${}^{14}\text{N}$粒子时产生。放射性碳与稳定碳具有相同的化学成分，因此它混合到生物圈中，在那里被消耗并成为每个生物的一部分。碳-14的丰度为每万亿个正常碳中的1.3个部分，所以如果你知道一个物体中碳核的数量（可能由质量和阿伏伽德罗的数量决定），你可以将这个数字乘以1.3美元{\规则{0.25em}{0ex}}×{\规则{0.25em}{0ex}}{10}^{-12}$以找到物体内${}^{14}\text{C}$核的数量。随着时间的推移，碳-14将自然衰变回${}^{14}\text{N}$，半衰期为5,730年（注意，这是β衰变的一个例子）。当生物体死亡时，与环境的碳交换停止，并且${}^{14}\text{C}$没有得到补充。通过比较人工制品（如木乃伊包装）中${}^{14}\text{C}$的丰度与活组织中的正常丰度，有可能确定人工制品的年龄（或死亡后的时间）。碳-14测年可用于50或6万岁的生物组织，但对较年轻的样本最准确，因为其中${}^14}\text{C}$细胞核的丰度更大。
辐射测年
半衰期和辐射测年
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部分关键术语
简单地说，核裂变就是原子键的分裂。由于分裂两个核子需要巨大的能量，因此人们可能会惊讶地发现分裂一个核子可以释放出巨大的势能。尽管确实可以释放出大量的能量，但在实践中需要付出相当大的努力。
核裂变
核聚变被定义为两个原子核的结合或融合，原子核的结合也会导致能量的发射。对许多人来说，这个概念是违反直觉的。毕竟，如果能量是在原子核分裂时释放的，当核子结合在一起时，它怎么也会释放呢？裂变和聚变之间的区别是由所涉及的原子核的大小引起的，接下来将讨论。
核聚变
1938年核裂变被发现时，世界正处于政治动荡之中。更麻烦的是，世界各地的顶尖科学家立即认识到自我维持连锁反应的可能性。已知存在于原子核中但被认为无法获得的巨大能量现在似乎可以大规模获得。
核武器与核能
核裂变与核聚变
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部分关键术语
核物理的应用已经成为现代生活不可或缺的一部分。从检测一种癌症的骨骼扫描到治愈另一种癌症的放射性碘治疗，核辐射对医学具有诊断和治疗作用。
核物理的医学应用
关于电离辐射的生物效应，我们听到了许多看似矛盾的事情。它会导致癌症、烧伤和脱发，但它被用来治疗甚至治愈癌症。我们如何理解这些效应？再一次，自然界中有一个潜在的简单性，即使在复杂的生物组织中也是如此。电离辐射对生物组织的所有影响都可以通过了解电离辐射影响细胞内的分子，尤其是脱氧核糖核酸分子来理解。让我们简要了解一下细胞内的分子以及细胞是如何运作的。细胞有长的双螺旋脱氧核糖核酸分子，其中含有被称为遗传密码的化学模式，控制着细胞的功能和过程。对脱氧核糖核酸的损害包括化学键的断裂或脱氧核糖核酸链结构特征的其他变化，导致遗传密码的变化。在人类细胞中，每个细胞每天可能有多达一百万个单独的脱氧核糖核酸损伤实例。脱氧核糖核酸的修复能力对于维持遗传密码的完整性和整个有机体的正常功能至关重要。修复脱氧核糖核酸能力受损的细胞可能是由电离辐射诱导的，可以做以下事情之一：
身体上的电离辐射
放射性的医学应用：诊断成像和辐射
原子
在本章中，您将了解：
*四项基本力量
*夸克
*统一部队
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导言
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部分关键术语
引力是我们最熟悉的，因为它描述了我们许多常见的观察结果。它解释了为什么一个掉落的球会落到地上，为什么我们的星球会绕着太阳转。它赋予我们重量的特性，并决定了我们日常生活中物体的运动。因为引力作用于所有质量物体之间，并且有能力作用于更远的距离，所以引力可以用来解释我们观察到的大部分东西，甚至可以描述天文学尺度上物体的运动！也就是说，与其他基本力相比，重力非常弱，是所有基本力中最弱的。考虑一下：地球的整个质量需要将铁钉固定在地面上。然而，用一个简单的磁铁，重力可以被克服，允许钉子在太空中向上加速。
了解四力
正如在引力场理论形成之前困扰着爱因斯坦一样，作用于距离的力的概念也给粒子物理学家带来了极大的困扰。也就是说，一个质子如何知道另一个质子的存在？此外，是什么导致一个质子排斥第二个质子？或者，就此而言，是什么导致一个质子吸引中子？1935年，汤川秀树首次考虑了这些神秘的相互作用，并为我们现在对粒子物理学的大部分理解奠定了基础。
传递四项基本力量
在研究组成我们宇宙的所有粒子之前，让我们先研究一些创造它们的机器。创造未知粒子的基本过程是加速已知粒子，如质子或电子，并将它们的光束引向目标。与目标原子核的碰撞提供了丰富的信息，例如卢瑟福在金箔实验中获得的信息。如果传入粒子的能量足够大，甚至可以在碰撞中创造新物质。能量输入或Δ*E*越多，可以创造的物质*m*就越多，根据质量能量等价$m=\text{Δ}E/{c}^{2}$。已知守恒定律对可能发生的事情施加了限制，例如质量能量守恒、动量守恒和电荷守恒。更有趣的是大自然提供的未知限制。虽然一些预期的反应确实发生了，但其他的没有，还有其他意想不到的反应可能会出现。新的定律被揭示，我们对粒子物理学的绝大多数了解来自加速器实验室。这是粒子物理学家最喜欢的室内运动。
加速器从能量中创造物质
四个基本力量
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部分关键术语
“宇宙的首要原理是原子和真空。其他一切都只是被认为存在……”
夸克
粒子可以根据它们之间感受到的力进行揭示性分组。所有粒子（即使是无质量的粒子）都受到重力的影响，因为重力会影响粒子存在的空间和时间。所有带电粒子都受到电磁力的影响，具有内部电荷分布的中性粒子也是如此（例如具有磁矩的中子）。感受到强核力和弱核力的粒子被赋予了特殊的名称。强子是感受到强核力的粒子，而轻子是感受不到的粒子。所有粒子都感受到弱核力。这意味着强子的区别在于能够感受到强核力和弱核力。轻子和强子也有其他区别。轻子是没有可测量尺寸的基本粒子，而强子由夸克组成，直径约为15 m。包括电子和中微子在内的六个粒子构成了已知轻子的列表。强子类有数百个复杂粒子，其中少数（包括质子和中子）列在[链接]中。
强子和勒普顿
反物质最初是以正电子的形式被发现的，正电子是带正电荷的电子。1932年，美国物理学家卡尔·安德森在宇宙射线研究中发现了正电子。通过一个修改为宇宙射线轨迹曲线的云室，安德森注意到一些粒子的曲线遵循负电荷的曲线，而另一些粒子的曲线则像正电荷一样弯曲。然而，正曲线显示的不是质子的质量，而是电子的质量。这一结果显示在[链接]中，并表明存在正电荷版本的电子，由太阳光子的破坏产生。
物质与反物质
原子的标准模型是指目前对物质的基本成分和相互作用力的科学观点。标准模型（[链接]）显示了结合形成所有强子的六个夸克，已经被认为是基本的六个轻子，在轻子和夸克之间传递力的四个载体粒子（或规范玻色子），以及最近添加的希格斯玻色子（将很快讨论）。这总共有17个基本粒子，它们的组合负责我们整个宇宙中所有已知的物质！当添加反夸克和反轻子时，31个组件组成了标准模型。
完成原子的标准模型
夸克
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部分关键术语
目前的研究表明，四种基本力是遵循悠久传统的单一统一力的不同表现。在19世纪，不同的电磁力被证明是紧密相连的，现在被统称为电磁力。最近，弱核力与电磁力结合在一起。如[链接]所示，载体粒子以非常相似的方式传输四种基本力中的三种。考虑到这些因素，很自然地建议可以构建一个理论，其中强核力、弱核力和电磁力都是统一的。本节探讨了寻找一种将这些力联系起来的正确理论，称为大统一理论（GUT）。
理解大统一理论
自然界中，宏观世界和微观世界交织在一起的例子比比皆是。牛顿意识到，地球上的引力将苹果拉到地面的性质可以解释月球和行星在如此遥远的地方的运动。微小原子核的衰变解释了地球内部的高温。原子核的融合同样解释了恒星的能量。今天，粒子物理学的模式似乎正在解释宇宙的进化和特征。宇宙的性质对粒子物理学的未探索区域有影响。
标准模型和大爆炸
力量的统一
粒子物理
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参考表