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縱觀物理學的整個發展過程,無不包含著一代又一代的科學家對物理學之美的孜孜追求。愛因斯坦曾經說過:“物理學是至善至美的科學”。他把物理學之美歸納為:簡單、和諧、完善、統一。他在建立相對論時的整個思考過程即是對“宇宙美”的追求過程。和諧美、簡潔美一直是他衡量物理學理論是否正確的標準。開普勒堅信上帝是按照完美的數學原則來創造世界的,他以數學的和諧來探索宇宙,不忽視任何一個誤差,最終發現了行星運動的統一規律――行星運動定律。費曼也正是憑著他獨特的審美鑒賞力去審視和欣賞牛頓的萬有引力定律,麥克斯韋方程和愛因斯坦的相對論所體現的那種完美的結構,感受對稱性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通過自身的審美直覺去洞察自然界內在的美,創造出了體現過去與未來之間對稱性的費曼圖,并進而提出了一種新的重整化理論,巧妙地避開了困擾量子場論計算中的發散困難,為量子場論確立了一種標準的理論程序。

物理學所蘊含之美主要包括:對稱美、簡潔美、和諧美、統一美。

1.對稱美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運用及其轉化等規律的對稱性而產生的美感,稱為物理學的對稱美。

物理學中的對稱主要表現為時空對稱、數學對稱和抽象對稱。

時空對稱有空間對稱、時間對稱、時間和空間同時對稱三種類型。時空對稱表示物理現象在時空變換下的不變性。如杠桿的平衡、平面鏡成像、磁體的兩極、電荷的正負表現了物質的直觀形象在空間上的對稱;勻速運動的速率在運動過程中的任一點都相等,相干光在干涉空間任一區域都保持相等的條紋寬度等表現了物質在運動變化過程中的空間對稱;周期、節奏、頻率等表示了時間對稱;不隨時間變化的勻強電場、勻強磁場表現出既具有時間對稱,又具有空間對稱等等。

數學對稱表示物理內容在教學形式(圖與式)上的對稱性。如簡諧振動的振動圖線、簡諧波的波形圖線具有對稱性。這種對稱性表示了物理內容在數學圖形形式上的對稱。萬有引力定律、庫侖定律與距離之間都具有對稱性,這些對稱性表示了物理內容在數學表達式上的對稱。

抽象對稱表示以抽象的方式所反映出的物理內容的對稱。由于在無窮大或無窮小的尺度上研究物理問題,很難具有直觀性,故很多物理形象及物理內容所呈現的對稱具有抽象性。如處于平衡態的氣體對容器壁的壓強處處相等;處于平衡態的氣體分子的熱運動在三維空間各個自由度上發生的幾率相等,這些都體現了物理內容的抽象對稱美。

2.簡潔美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、組成、運動及其轉化等規律的簡單性而產生的美感,稱為物理學的簡潔美。

從物理理論的整體來看,在形形的物理世界中,各種物理現象和過程千差萬別,但在本質上卻可邏輯地歸結為為數不多的若干基本概念和原理。例如,宇宙中紛亂的種種作用力,在本質上可歸結為四種:萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力;牛頓定律將宏觀低速條件下各種機械運動的現象都置于其統治之下;麥克斯韋方程組使復雜的電磁運動形成了一個和諧美滿的家庭;量子力學理論使行蹤飄忽的微觀粒子眉目清晰……F=ma,E=mc2等等,其形式是多么的簡潔而優美。這些都體現了物理學理論整體的簡潔美。

物理學中的理想化方法是從多維的具體形象中,抓住最具有本質特征的主要形象,舍棄一些次要形象,建立起一個輪廓清晰、主題突出的新形象,從而簡化物理問題。顯然,具有簡潔美。

3.和諧美

和諧是指由于組成整體的各個要素相互間恰到好處而在整體上顯現出協調。和諧給人以一種恰如其分、渾然一體、輕松自如的美感。物理學的和諧美,主要是指由于物理理論揭示了自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等整體上的和諧性而產生的美感。它主要表現在自洽、對應和互補三個方面。

自洽,與其基本含義一致,即自身內不存在不可統一的矛盾。物理學中的自洽和諧美,主要體現在物理學各分支理論內部以及各分支理論之間在現象、概念、規律等方面都是互不矛盾的。

對應和諧美是指由物理學不同理論間的對應關系而展現的物理學和諧美。對應是高級理論對低級理論的包容,或者是說低級理論是與高級理論在某一特定條件下的結論相一致。具體地說,對某領域正確的物理理論,在新的、更加普遍的理論出現時,并不作為錯誤的東西被拋棄,而是作為新理論的極限形式和局部情況,在新理論中保持原有的意義。如當v

互補和諧美是由物理學各部分之間的互補關系而展現出的物理學和諧美。所謂互補,就指彼此間彌補、相輔相成。物理學中的互補主要表現在不同的、甚至是相互排斥的物理理論,從不同的側面描述物理學的研究對象。如光的波動性與粒子性、微觀粒子的波動性與粒子性,都分別從不同的側面反映了光與微觀粒子的本質。在這里,波動性與粒子性既互斥,又互補。

4.多樣統一美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等規律的多樣統一性而產生的美感,稱為物理學的多樣統一美。物理事物是千姿百態、千變萬化的,因此,由它們構成的物理世界,必然呈現出萬紫千紅的景象,反映物理事物的特性及其規律的物理知識也是豐富多彩的。但是,自然界是統一的,客觀物理事物之間存在著內在的聯系,通過這種聯系使得我們能將各種各樣的物理知識統一起來,進而形成既千變萬化又和諧統一的美的畫卷。例如,牛頓力學把地上的和天上的所有低速宏觀運動的規律統一起來;麥克斯韋電磁理論把電、磁、光統一起來;愛因斯坦廣義相對論把引力、時間、空間、物質聯系起來;德布羅意關系將微觀粒子的波動性與粒子性統一起來,這些都會使人們感到一種多樣統一的美感。

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Salvador V. Godoy Universidad Nacional

Autonoma Mexico Facultad de Ciencias

Mathematical Physics

2010, 443pp.

Paperback

ISBN: 9783527408085

John Wiley

Shigeji Fujita等著

本書是WILEY-VCH 物理學教科書系列之一,是一部風格極為獨特的物理類研究生用的數學物理學教材。作者們考慮到物理類的學生要想拿到高等學位,不管是碩士還是博士,需要攻讀的核心課程太多。而這些課程要求大量的數學,特別是處理量子理論的數學。作者們因此認為,既然需要同時學習數學和物理,就不如把他們合在一起來學,不僅可以節省很多時間,同時也便于更長時間保持對所學知識的記憶。正是在這種想法的指導下,作者寫了這部數學,甚至一些初等數學和幾乎所有門類的物理學科知識的新穎教材。

全書內容共分成36章,1.矢量;2.張量和矩陣;3.哈密頓力學;4.耦合諧振子和簡正模式;5.彈性弦;6.矢量微積分和 算符;7.電磁波;8.流體力學;9.不可逆過程;10.熵;11. 熱力學非平衡態;12. 概率、統計和密度;13. Liouvile 方程;14.廣義矢量和線性算符;15. 單粒子量子力學;16. Fourier 級數和變換;17. 量子角動量;18. 自旋角動量;19. 回轉磁比;20. 時間相關微擾論;21. 量子簡諧振子;22. 置換群; 23. 量子統計;24. 自由電子模型; 25. 玻色-愛因斯坦凝聚; 26. 磁化率;27. 變分理論;28. 二次量子化;29. 復合物的量子統計;30. 超導;31.復數和Taylor 級數;32. 解析性和 Cauchy-Riemann 方程; 33. Cauchy 基本定理; 34. Laurent 級數; 35. 多值函數;36 留數定理及其應用。

從全書內容可以見到,純數學只占約三分之一。其余的包括經典力學、電動力學、統計力學、熱力學、量子力學、量子統計、固體理論直至超導電性。幾乎涉及物理學的所有分支。編寫這樣的教材是作者們的一個大膽的嘗試,他們沒有提到是否經過教學的實踐,因此也很難對該書在實際教學過程中發揮的作用給出適當的評價。

不過按照作者們的意見,該書可以作為物理專業研究生學習數學物理時兩個學期使用的教科書。而且由于考慮到了內容自成體系,也可以提供其他非物理專業但對于數學物理感興趣的讀者自學。

丁亦兵,

教授

(中國科學院研究生院)

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英文名稱：Chinese Journal of High Pressure Physics

主管單位：

主辦單位：中國物理學會;高壓物理專業委員會;四川省物理學會

出版周期：

出版地址：

語

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開

本：

國際刊號：1000-5773

國內刊號：51-1147/O4

郵發代號：62-132

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1987

期刊收錄：

CA 化學文摘(美)(2009)

CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)

EI 工程索引(美)(2009)

中國科學引文數據庫(CSCD―2008)

核心期刊：

期刊榮譽：

中科雙效期刊 Caj-cd規范獲獎期刊

聯系方式

期刊簡介

《高壓物理學報》創刊于1987年9月，是我國高壓物理領域唯一的專業性刊物，它是由中國物理學會高壓物理專業委員會主辦、中國工程物理研究院流體物理研究所承辦的一份學術季刊。

《高壓物理學報》《高壓物理學報》辦刊宗旨是反映并刊登高壓物理學科領域內的國內外科研及技術成果，以促進國內外學術交流，發現與培養我國從事高壓物理專業研究的中青年科技人才，推進我國高溫高壓物理學科研究工作的發展。讀者對象為從事高壓物理專業以及相鄰專業（如爆炸力學、地球物理、天體物理、材料科學等）的科學研究人員、工程技術人員、研究生以及大專院校師生等。

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物理學中的圖形，可以用來表達一個規律，表示一種現象，透視一個機械。模擬一個過程使用圖形，是一種研究物理學的必備工具和手段。圖形的特點就是：簡單，直觀，而且所包含的信息豐富。

如圖1，這是一個電路圖。圖中包含兩個燈L1和L2，三個開關S1、S2和S3，一個電源以及一些導線。每一個開關都有斷開和閉合兩種狀態，所以就會導致這個電路共有六種狀態。燈泡是否會發光，以及電路是否有安全隱患，這些只需要我們在紙上畫一畫，稍作分析就一目了然了，這樣就免去了多次的實際試驗。

二、公式之美

物理學家把對大自然的認識，抽象成非常簡潔整齊的數學公式。每一個物理符號都有特定的意義，幾個符號按照某種特定的關系組合在一起，表達了非常清晰的物理規律。因此，物理公式是一種語言，是物理學家用自己獨特的方式告訴人們，宇宙是如何運行的語言。

例如，地球上某個物體所受重力為G=mg。符號m表示這個物體的質量，符號g表示地球的引力常數，G表示這個物體受到的重力。當然，這個公式可以求任何星球上的物體所受到的重力，只要你知道這個星球的引力常數就好。

三、對稱之美

宇宙中有一種驚艷的美那就是對稱美。物理學當然要描述對稱美。

正與負就是一種對稱。如電荷分為正電荷和負電荷；直流電源分為正極和負極。

磁場的N極與S極是一種對稱，地磁場的N極與S極也是一種對稱。

如圖2，平面鏡成像原理。平面鏡對于“對稱關系”的演繹再精彩不過了。家庭必備的鏡子，湖水里面的倒影，都屬于平面鏡成像的對稱。圖中左側的蠟燭，由于平面鏡的存在，在鏡子的右側相同距離的地方又出現了一個完全相同的“蠟燭”！當然這個“蠟燭”并不是真實存在的。上帝沒有制造出兩片完全相同的葉子，但卻制造出了鏡子里面的“虛幻”。盡管我非常理解平面鏡成像原理，但是每一次面對平面鏡成的像，我都不得不感嘆其中那并不存在的“虛幻”。

四、抽象之美

陽光日復一日年復一年地照耀在地球上，這是再自然不過的事情。人類在享用陽光的同時，也在逐漸地去了解，認識以及利用陽光。一直到今天，人類對于光能已經有了較為成熟的認識。物理學家把光抽象為一條條帶有方向的直線，也就是光線。這樣一來，研究光就變得簡單多了。后來又把光的傳播，反射，折射，衍射等等這些現象抽象成了一條條的規律，定律和定理。

認識的程度從表象升華到本質，這其中的功勞應該歸功于“抽象”這一思維。物理學中對于電荷的認識過程，也完美地體現了抽象思維的魅力。

五、邏輯之美

物理學較之其他學科，具有非常嚴謹的邏輯美學體現。例如著名的牛頓第一運動定律。1687年，英國物理泰斗艾薩克?牛頓（Sir Isaac Newton）在巨著《自然哲學的數學原理》中，提到了牛頓運動定律，這其中就包括牛頓第一運動定律。

“一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。”

牛頓第一運動定律，又稱慣性定律。牛頓非常簡短的一句話高度概括了運動和力的關系，這其中折射出來的邏輯美感讓無數的科學家、藝術家為之震撼！

六、簡約之美

物理學中用來描述物質世界的方式是極其簡約的。無論是從上面列舉的圖形描述，還是公式描述，或者是抽象語言文字描述，我們都能從中深刻地感受和領略到這種簡約卻不簡單的表達風格，這種簡約之美足以撼動人類的心靈。

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在初學物理學的每一個板塊時，都可以引入物理學史，讓學生明白物理學的發展過程。目前的教科書大多不介紹科學歷史，即便有也只是簡單介紹一下科學家的生卒年份和主要成就，或是大家喜聞樂道的傳奇故事等等，而歷史上某個物理問題的探究過程卻很少介紹，歷史上科學家們如何歷經艱辛和曲折，如何借鑒哪些前人的經驗才獲得突破等細節更是少之又少。所以教師在新課引入時，可以適當加入一些物理學史。例如在學習天體運動和萬有引力這一節知識時，可通過介紹人類對天體運動的認識從“地心說”到“日心說”，再到漸漸認識到太陽也并非是宇宙中心這一逐漸發展的認識過程，讓學生了解物理學的發展是一個漫長而又曲折的過程，同時也讓學生認識到科學的發展道路充滿了艱辛，甚至有些科學家為了追求科學的真理付出了自己的生命。例如意大利偉大的思想家、自然科學家、哲學家和文學家布魯諾，他勇敢地捍衛和發展了哥白尼的太陽中心說，并把它傳遍歐洲，1592年卻被捕入獄，最后被宗教裁判所判為“異端”燒死在羅馬鮮花廣場。在初學光學知識時，讓學生知道光學的起源可追溯到兩三千年之前，也應當讓學生知道這門學科的起源和發展過程。春秋戰國時期，墨子便在《墨經》中提出了光與影的關系，對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等進行了相當系統的研究。西方也有此方面的詳細記載，如歐幾里得在《發射光學》中詳細研究了光的反射，阿勒哈增也在《光學全書》中討論了許多光學現象。關于光的微粒說和光的波動性的爭論也是光學發展史的一根紅線。從建立反射定律和折射定律開始，光學真正形成了一門學科，這兩個定律也奠定了幾何光學的基礎。在學習光學發展歷史的同時，也能讓學生明白任何學科的發展都要經歷一個漫長的過程。

2學習和借鑒物理實驗方法

物理實驗方法是指人們根據研究目的，充分利用物理儀器設備，人為地控制或模擬物理現象，排除各種偶然、次要因素的干擾，突出主要因素，在有利的條件下能重復研究物理現象及其規律。在學習力學時，可以把伽利略的事例引入課堂中。例如，古希臘科學家亞里士多德曾提出，重量大的物體會比重量小的物體下落更快。直到16世紀末，人們仍是如此認為。當時，在比薩大學數學系任職的伽利略卻公然向這一觀點發出挑戰，并用事實證明了質量不同的兩物體同時從比薩斜塔扔下后，兩個物體會同時落到地上。通過實驗，伽利略向世人展示了他尊重科學而不畏權威的可貴精神。作為老師，應引導學生感受并學習伽利略大膽懷疑、相信科學、執著追求的精神。任何一個物理觀點提出后，都要用實驗去驗證，所以還要讓學生明白物理實驗的重要性。同樣可采用伽利略的例子。在推導“慣性定律”的過程中，他第一次采用理想試驗的方法，假定一個小球在無摩擦的斜面上滾落下來，進而在無限伸展的平面上運動。雖然在現實中，根本不存在無摩擦的斜面和無限延伸的平面，但由于其是建立在事實基礎上的，得出的結論也自然讓人信服。在實驗中，伽利略在非常平滑的表面上鋪上盡可能光滑的羊皮紙，將實驗中使用的黃銅球打磨光滑，雖然小球從斜面滾下時的摩擦力依然存在，但通過這一系列的措施，盡量減到了最小，直至摩擦力可以小到忽略不計。伽利略忽略掉部分次要因素，這樣就可以使計量問題大為簡化，他所使用的這種方法簡化了研究對象，使其在純粹的狀態下展現特征，從而獲得現象的正確認識。通過這一事例，能讓學生學會這樣一種有效的物理研究方法。在學習光學時，可以引入牛頓的事例。例如在1665年以前，人們都認為白光是沒有其他色光的單一光，而有色光是一種不知何故發生變化的光(同樣也是亞里士多德的理論)。但牛頓卻對這一觀點產生了懷疑。為了驗證自己的疑問，牛頓將三棱鏡放置在陽光下，光穿過鏡面，在墻上顯示出不同的顏色，即“光譜”。由此牛頓得出了結論：由于紅、橙、黃、綠、青、藍、紫基礎色有不同的色譜，從而形成了單一顏色的白色光。在這段物理學史中，同樣要讓學生明白物理學的發展一定要建立在物理實驗的基礎上，這樣就可以培養學生動腦動手的積極性。通過這些物理學史，可以讓學生通過物理學的學結出一套完整科學的研究方法，不僅要注重邏輯推理，還要充分依靠實際觀察和實驗驗證。同時，也讓學生認識到，科學的發展是科學家們一步步艱辛的努力才得來的，甚至有的科學家為了支持某一理論獻出了自己的生命。作為一名中學生，也應該具備嚴謹科學的研究態度。

3通過物理學史，培養學生的愛國情懷

從古至今，我國的物理學已經取得了很大的成就。早在3000多年前，我國古代科學家就已經提出了古代原子說；東漢時期，王充首次提出利用科學的方法解釋潮汐現象；北宋沈括精準地論述了磁偏角；還有我國的四大發明均使我國在古代世界物理學史上占據了重要的地位。近現代，我國物理學家錢三強夫婦發現了鈾的三分裂和四分裂，美籍華人楊振寧和李政道否定了弱相互作用宇稱守恒定律并獲得了諾貝爾物理學獎；物理學家丁肇中等發現了J／Ψ粒子；另外還有錢學森、吳有訓、吳健雄等一大批物理學家，為我國物理學的發展做出了巨大貢獻。他們不但在物理學方面取得了舉世矚目的成就，而且都懷有對祖國的無限熱愛之情。教師通過我國古代豐富的物理文化和優良的發明創造以及近現代優秀物理學家的重要成果和偉大事跡，讓學生可以對物理有更深入的了解，同時也增強了學生的民族自豪感和自信心，激發學生熱愛祖國、報效祖國的決心，并建立攀登科學高峰的偉大愿望。雖然我國在物理學方面取得了很大成就，但仍和西方國家存在一定差距。在教學中，應向學生說明我國現階段與西方國家科學發展存在的差距，并對其原因及現狀進行分析，在此基礎上喚起學生的愛國意識，激發學生的愛國熱情。

4物理學史的重要性

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21世紀是科學與技術高度發達的時代，一個民族只有普及科學知識，受到科學精神的熏陶，尊重科學、崇尚科學，才能告別愚昧，才能挺起胸膛自強于世界民族之林。大學生是國民中的特殊群體，他們科學素質的高低將直接影響國民的科學素質水平。由于我國教育體制和中等教育培養模式還不夠完善，一個十分突出的問題擺在面前：學生在高中階段便分文理科，文科學生除數學學科外，幾乎不再接受其他自然科學教育，從而導致進入高校之后，文科大學生的科學素質普遍較低。因此，提高文科大學生的科學素質應是我國高校文科教育的重要組成部分。物理學作為一門自然科學，是自然科學中的領軍學科，是整個自然科學和工程技術的基礎，兼有哲學的概括性、抽象性，數學的邏輯性、嚴謹性以及實驗的實踐性和操作性的特點，能很好地提高學生的思維能力、觀察能力、動手能力、分析問題和解決問題的能力，可同時培養文科學生的科學素養和人文精神。那么在高等院校文史、管理、財會、語言、藝體等文科類專業開設基于物理學的科學素質課程，是提高文科學生科學素養的一種很好的途徑和方法。2011年8月，國務委員、現國務院副總理劉延東在全民科學素質行動實施工作電視電話會議上強調，要深入實施《全民科學素質行動計劃綱要》，充分調動社會各界力量，弘揚科學精神，普及科學知識，倡導科學方法，傳播科學思想，讓講科學、愛科學、用科學在全社會蔚然成風，使公民科學素質再上新水平。劉延東強調，公民科學素質是落實科學發展的有力支撐、建設創新型國家的堅實基礎、衡量現代化強國的重要標志和社會文明進步的強大動力，加強公民科學素質建設具有重要而深遠的意義。而高等院校是實施全民科學素質教育的最佳場所之一。近年來，我國部分高校已開始在文科類專業開設基于物理學的科學素質教育課程，這一舉措將有利于提高文科學生的科學素養和實踐創新能力，對于我國社會經濟可持續發展無疑會起較大的促進作用。

二文科大學生應具備的基本科學素養

進入21世紀，面對經濟社會日新月異的快速變化，思想文化錯綜復雜的高度融合，科學技術前所未有的創新發展，為適應社會需求，跟上時代步伐，作為文科大學生，應具備如下基本科學素養。1．必備的科學知識在西方，一些社會學家和物理學家提出這樣的觀點：如果一個人未讀過莎士比亞的著作會被認為沒有教養；但是一個人如果不知道牛頓、愛因斯坦的理論，卻被看作沒有文化。進入21世紀以來，以物理學為基礎的自然科學技術滲透到人們學習、生活、工作中的每一個角落，對社會發展與人們生活方式的影響更加寬廣和深刻。現代高科技的許多前沿問題和應用領域，如網絡技術、通信技術、激光技術、納米技術、核能技術、航天技術、計算機技術以及微電子技術等，很多都囊括在基礎物理的研究領域之中。因此，在文科物理教學中，有必要讓學生學習、理解一些基本物理知識。如牛頓的三大運動定律和萬有引力定律，熱力學第一定律和第二定律，麥克斯韋電磁理論的基礎知識，原子物理和量子力學的基本觀念，愛因斯坦的狹義和廣義相對論，光的波粒二象性等。特別是對引領21世紀發展的高新科技應有一個初步的了解，這對他們將來從事的工作會有很大的幫助。2．科學的思維方法科學的思維方法往往比知識本身更重要，眾多諾貝爾獎獲得者都有同感，他們在學習期間不僅要向導師學習科學知識，更重要的是學習導師如何工作、如何思考、如何處理實際問題等，這種思維方法上的訓練是最為關鍵的。無論是物理概念的建立或物理定律的發現，還是物理基礎理論的創立和突破，都離不開科學的思維方法。而比較、分析、綜合、歸納和演繹等是科學思維的基本方法，在文科物理教學中，我們要善于挖掘物理學中蘊含的豐富思維方式和科學研究方法，如模型方法、類比方法、分析綜合、歸納演繹、理想實驗、科學假說、數學建模方法等，傳授給學生，并努力讓學生應用這些方法，去正確分析、理性判斷和初步計算一般難度的物理問題，以提高他們的科學思維能力。3．執著的科學精神物理學作為自然科學的基礎學科，不僅包含物質的結構和物質世界的運動規律，同時蘊含了豐富的哲理和無窮的智慧，閃耀著科學文化與人文精神的光輝。古今中外的著名物理學家，在追求真理的道路上所表現出來的求實精神、獻身精神、懷疑精神、創新精神，在科學研究和日常生活中所表現出來的謙虛、謹慎、誠實、合作、淡泊名利的優秀品質以及他們對人類、對社會的高度責任感等，都是科學精神和人文情懷在他們身上完美結合的體現。因此，在文科物理教育中，應注重樹立學生現代科學的自然觀、宇宙觀和辯證唯物主義世界觀，使學生具有科學的成敗觀和探索科學疑難問題的信心和勇氣，培養學生嚴謹求實的科學精神、堅韌不拔的科學品格和人文關懷的優秀品質。4．較強的創新意識愛因斯坦曾說：“提出問題往往比解決問題更重要。因為解決問題或許只是一種技能，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學的進步。”“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進步的源泉。”在文科物理教學中，通過了解物理學史和物理學家成長成才的經歷，讓學生們體會創新思維的重要性，激發學生的求知熱情、探索精神和創新欲望，鼓勵學生對前人的科學理論和傳統觀點持大膽的質疑精神，對前人尚未揭示的事理敢于提問，培養學生勇于開拓進取的精神，使學生善于思考，勇于實踐，敢于向舊觀念挑戰，從而培養學生較強的創新意識。這樣才能適應社會進步和時代變革對創新人才的要求。

三深化教學改革，增強教學效果

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中圖分類號：P585 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）24-0057-01

巖石物理學一般分為兩個分支：開發（地球物理）與生產（巖石物理和石油工程），一方面地球物理要求在遠離鉆孔的情況下確定巖石彈性性質，另一方面需要在遠離鉆孔條件下弄清巖石物理特征，改進對儲集層的描繪和定性。人們正迅速地推動地球物理、石油物理和儲集層數據的綜合研究，在促進這種綜合研究的過程中，巖石物理學的任務是找到a地理物理參數和巖石性質之間的關系。本文簡單介紹巖石性質對地球物理和巖石物理參數的影響

1.流體的影響

五十年代，加斯曼和比奧特提出：流體性質影響多孔介質中彈性波的傳播。從那時起，人們對這個問題進行了廣泛的理論研究與實驗驗證。比奧特-加斯曼理論的最大應用是借助“亮點”技術識別含氣沙。比奧特一加斯曼理論預言，鹽水或油飽和孔腔中的少量氣體會明顯降低彈性波的速度。這是因為氣體和液體的壓縮系數相差很大，孔隙飽和物能部分支持波經過時所引起的彈性載荷，所以當體模較大的流體完全填充孔腔時，波速就高。然而存在少量氣體，平均流體模量便會明顯降低，從而引起P波波速的下降。比奧特一加斯曼理論還預言：切變波不受飽和液體壓縮性的影響。

這一理論認為，只有當VP較低，巖石（未固結砂、淺固結巖石）中含有模量較高的液體（水、低汽化點的油）時，液體飽和巖石與部分充氣巖石的VP的差別才會大于10%。這解釋了“亮點”常出現在鹽飽和構造上方未固結和淺固結砂巖中。比奧特-加斯曼理論假定流體壓縮率是氣體和液體壓縮率的體積平均值。多梅尼科（Domenico，1976）和莫奇舒吉（Mochizuki）提出，高頻下平均流體模量可由體模量的體積平均得出。這說明了隨氣體飽和度增加，VP值幾乎線性下降。超聲頻率下，對流體壓縮率進行平均的體積大約為一個波長，即幾個孔隙大小的量級因此，氣體飽和度較低時，許多個“平均體積”內可能不含氣體并VP很大，結果就要比比奧特一加斯曼理論值要高，在氣體充滿所有平均體積之前都是這樣。

比奧特-加斯曼理論在實際應用中存在一個問題，就是要求知道巖石的骨架模量。按比奧特的定義，它是壓縮時液體可以自由出入的完全飽和樣品的體模。比奧特的“飽和模量”是指液體充進孔腔并承受部分彈性載荷的模量。許多人把干燥或充氣巖石模量當作骨架模量。然而實驗證明，含水量低的巖石受化學力和毛細管力作用很強，對于干燥巖石與含百分之幾水的巖石，它們的速度差別很大。

總之，比奧特一加斯曼模型是尋找某些儲集層中氣體的有力工具。但在應用這一理論計算預期的速度或阻抗變化時，最重要的是正確使用骨架模量或流體模量。理論和實踐表明，對于固結好的儲集層，或是很深的輕油儲集層，由于氣體引起的速度變化小到測不出來。準確區分一個儲集層是油浸還是水浸的，在采集過程中是很重要的；對于巖石二水相互作用，在速度分析中也很重要。

2.孔隙、裂縫和斷裂的影響

計算彈性性質時，多孔巖石被認為多相或復合介質。目前還沒有直接的理論能正確地預言巖石基體與多孔巖石彈性性質的差別。關于孔隙對速度影響的模型可以分為兩類：孔隙模型和顆粒模型。顆粒模型假設巖石由相互接觸的顆粒組合，速度取決于顆粒、顆粒接觸形式及接觸面積等情況。

孔隙和裂縫模型把巖石當作具有孤立孔隙及裂縫的固體，但是大多數實際情況中巖石的特征介于以上兩者之間。顆粒模型反映了實際砂和球狀堆積的某些特征，不過缺點是沒有充分考慮實際觀察到的非固結球狀包之間的接觸勁度，因此顆粒模型對于固結巖石的適用情況亦不好。

在固體基體模型中，該模型采用不同縱橫比的孔隙分布，可以于從波數據中反演得到孔隙分布，缺點就是當體密度給定時，孔隙越小對速度的影響就越大。因此，這些模型應用于孔隙非常小的火成巖效果很好，但應用到沉積巖時，卻需要假定大量細孔的存在，這是不合理的。雖然孤立孔隙也不完全符合實際情況，但是它適應性強，因而更常用。

我們要完全認識孔隙和裂縫對巖石彈性性質的影響還需要新的模型和實驗。最近，阿卜杜拉伽華德（Abdel-Gawad）直接觀測不同壓力下的孔腔得到的縱橫比分布證明，細長孔隙的數目隨壓力增大而增加。換句話說，細孔隙隨壓力增加不閉合，只是變細了這一點，加上輸送和孔腔彈性模量之間缺乏相關性，提示我們必須重新考慮過去對孔腔及其對彈性性質影響的一些觀點。但細裂縫模型有一個優點，就是它可能模擬裂縫對速度的影響。這些模型都假定彈性波波長比裂縫或斷裂尺寸大許多按照這些模型，只要裂縫的大小遠小于波長，它的大小就沒有影響。

3.各向異性對彈性波傳播的影響

已有的裂縫模型中，討論裂縫分布各向同性的占多數。最近由加賓和諾波夫（1975）、赫德森（1981）及克拉賓（1984）等人提出，斷裂簇或定向裂縫可導致巖石中彈性波波速的較大的各向異性。野外研究也發現了方位波波速各向異性和由各向異性引起的偏振S波分解。這些研究大多認為各向異性是由上層地殼中定向裂縫引起的。

納和西蒙斯（1969）、西蒙斯等（1975）等進行由定向微裂縫導致彈性性質變化的實驗研究。西蒙斯（1975）等和普盧姆等（1984）能夠將微裂縫取向的直接觀測結果與10-20%的P波速各向異性聯系起來。實驗和理論表明，當能量沿平行于裂縫方向傳播時，P波速度不受裂縫或斷裂影響。這就解釋了為什么垂直側向斷裂不改變P波地震波剖面。理論還提出，當能量沿平行于裂縫方向傳播時，裂縫對SV波和SH波的影響是不同的。克拉賓（1978，1984）和安多（Ando，1983）等，用此解釋他們在野外研究中所觀察到的S波分解。理論和實驗指出，S波和大偏移P波VSP在探測石油儲集層中垂直傾向斷裂區域時可能有用途。

當然，地震波各向異性不僅僅起因于斷裂。大多數礦物在它們的不同晶軸上表現出很強的各向異性。沉積環境也能導致顆粒及礦物的各向異性。沉積各向異性盡管能引起垂直與水平方向速度的很大不同，但它一般不導致P波在水平方向的各向異性或S波分解。然而，沉積各向異性對巖石的電性質影響很大，從而造成某些情況下對電和介電測井的不正確解釋。此外，地震波各向異性還可以由層厚比波長小許多時的各向同性介質引起。

總之，我們只有對巖石性質進行廣泛地研究才能夠認清它們之間的關系，除了上面簡單的介紹總結之外，近來還有人用核磁共振研究飽和與束縛水的問題，也有人對巖石從結構上進行了仔細研究，以增加對尺度現象和交界面的認識。以上問題，還有巖石性質間的關系、孔隙幾何對輸送和彈性性質的影響，以及各種流體對巖石表面化學性質的影響等問題，都是需要繼續研究的。只有這樣，我們才能用觀測到的儲集層特征去推斷儲集層的未知特征。

參考文獻

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[2] 黃偉傳，楊長春，范桃園，等.巖石物理分析技術在儲層預測中的應用[J]. 地球物理學進展，2007，22（6）8～11.

[3] 陳.巖石物理學（講座）[J].地震地磁觀測與研究，1996，17（5）16～20.

篇8

1 理論物理與實驗物理對物理美之爭

復仇女神曾經留下帶有“給最美的人”的字的蘋果，挑起了特洛伊戰爭，而如今這個蘋果落在了實驗物理與理論物理之間。從法拉第和麥克斯韋那里開始，象與相的美始終無法爭出一個高低。

在實驗物理這邊，真，這個和善一起長期作為美的伴侶的性質，使得實驗物理因為其在現實世界的可復制性而成為美的。弗朗西斯?培根站在近代哲學經驗論的開端上，提出了科學實驗對于人類經驗的重要性，而經驗對于審美活動而言是至關重要的。無論是牛頓用棱鏡分解的太陽光還是托馬斯?揚應用了雙縫演示的光的干涉實驗，即使是沒有物理學知識的人也不得不贊嘆它們。實驗物理是揭示物理學美的最直接也最直觀的途徑。

而在理論物理這一方，畢達哥拉斯和柏拉圖是他們自古以來的支持者。理論物理的支柱是數學。麥克斯韋用數學將法拉第的電磁理論推向了一個新的世界，狄拉克則直接在1963年的scientific american上寫道：“使一個方程具有美感比使它去符合實驗更重要”，這樣看來，狄拉克直接將實驗和美對立起來了。數學所帶給我們的柏拉圖所說的“理念”世界是最具有完滿性的世界，現實的瑕疵在理念世界里被完全地排除了，如同古希臘的雕塑——雕塑家們通過解剖研究人體結構，再將最完美的比例（完美到無法在現實世界中找到這樣的模特）賦予他們的作品。于是實驗物理與現實世界自然地成為了流于表面的“表象”，甚至是柏拉圖的“幻象”。

隨著近代物理學與本身不斷發展著的數學結合得日益緊密，越來越多的物理學家趨向于認為物理學的美在于其數學構架。他們認為，當物理學的定律被公式化以后，物理世界的基本結構變成了簡單、精確的數學語言，而美則恰恰就在這種簡單性與統一性之中。

2 現代美學與現代物理學的趨向

盡管物理學家們似乎要在傳統的數學的基礎上給他們的美麗的工作一個確定的審美標準，但是隨著他們的工作繼續向前推進，上帝似乎真的擲起了骰子。

楊振寧先生曾經將理論物理的美直接歸結為五點，即和諧、優雅、一致、簡單以及整齊。這樣的歸納還停留在古希臘人的美學思想上。自從manet作為印象派的先鋒，帶領著monet、renoir等巨匠顛覆了古典主義之后，藝術美的標準也就受到了挑戰：古典的恬靜被工業社會匆匆而游移的目光所打破，印象派宣稱他們畫的不是事物本來的樣子而是它們看起來的樣子，精準細膩的筆法被快速的涂抹代替，但印象派卻獲得了前所未有的真實感。在現代主義繪畫運動進入到、不斷改變著人們審美趣味的時候，物理學界的審美標準也接著被打破——相對論打碎了經典物理學中被凝固的時空，量子力學的誕生宣告了精確的、決定論的、歸于簡單的經典物理學思想的終結，系統科學將科學思維引向復雜性理論和混沌學。世界似乎更像一幅現代大師潑墨完成的畫作——晦澀而令人眼花繚亂。

如今現代藝術已然完成了美的標準的蛻變。renoir的le bal au moulin de la galette（《煎餅磨坊的舞會》）被形容為“看起來像未完成一樣”，而這個特點恰恰體現了現代西方美學的轉向——主客統一，印象主義的繪畫需要觀賞者來完成，只有有人在場，審美對象才真正地存在：“這就是體驗統一體，這種統一體本身就是意義統一體” [3]。有意思的是，盡管我不贊同楊振寧先生的物理學美的五個特點，但我們又回到了開篇時楊先生對美的標準的界定，即“美的最終標準是人是否與它有關”。

但針對現代物理學的審美觀點卻并沒有如此迅速地完成藝術界所完成的轉變，相反地，和諧與簡單的缺失卻造成了科學美岌岌可危的境況。雖然楊振寧先生對科學美的五個具體定義有一定的普遍性（大部分能夠接受科學美作為一種美學意義上的“美”的人們能夠接受的也是這樣的一種定義），但是由于現代物理學的發展，系統科學、混沌學、復雜性思想的產生，以及傳統的微積分被能夠更精確地描述不確定性的概率論所替代，精確和統一之美正在離開自然科學領域，當然也包括物理學。“復雜性并不僅僅包含向我們的計算能力挑戰的組成單元的數量和相互作用的數量，它還包含著不確定性、非決定性、隨機現象。”[4]重新定義物理學之美成為了挽救其的唯一方法。

3 中國傳統美學觀念與現代科學的物理美

中國古代詩人柳宗元曾有言道：“夫美不自美，因人而彰。”在中國傳統繪畫中，始終對于西方繪畫所追尋的與客觀世界的相像——甚至一致——不甚追求，而是尋求一種介于像與不像之間的韻味，給人留以品味的空間，即意象。中國傳統的情景交融、不分主客的審美方式長久以來并沒有受到太多變革，這一點與不斷革新的西方審美理論有很大區別。

相應地，中國古代的科學技術發展也更多地關注實用性而非理論。這樣說起來似乎有些矛盾，既然中國人如此追求物外的意象，又為何在科學技術方面只著眼于物呢？這還要從老子的自然觀說起。“人法地，地法天，天法道，道法自然”為中國人的自然觀奠定了人與自然共生的理念，戰勝自然與征服自然從來不是中國人發展的主題，作為一個重農的古國，順應天時才是生存之道。因此，中國古代科學技術——甚至有些學者認為古代中國只有技術的產生與發展，只是為了解決眼前的、暫時性的生產問題，由于這種觀念的主導，技術甚至不需要發展成一個連貫而完整的體系。但正是這種“萬物并作，吾以觀復”、人融于自然（在藝術中則是繪畫或詩歌等作品）進行審美的觀點可以給西方現代科學的物理學之美指一條出路。

盡管混沌學帶著不確定性與復雜性闖入了現代物理學，盡管傳統的秩序似乎被打破了，但是我們應該反思，傳統的物理學之美的觀點給世界強加了太多人類自己的思維定式——從和諧、歸一的簡單性思想到形而上學的機械決定論，我們用我們的理性給自然套上了桎梏，如今自然在我們面前展現它本來的樣子越多，我們就越受到這種思維模式的困擾。這樣的思維模式甚至造成了愛因斯坦在其后半生中與哥本哈根學派的不斷的論戰，因為他無法接受哥本哈根學派對量子力學非決定論的解釋。

只有當我們跳出這種畫地為牢的思維定式，將“觀復”的目光投向整個物理學界、甚至是自然界，放下我們僵硬的、帶有“求簡單圖省事”意味的功利性思想，去探求物理學最根本的基礎——自然現象，去接納每一種被自然界創造出來的奇跡，我們才可能在最大程度上接近物理學美定義的答案。

篇9

10月6日下午,2009年諾貝爾物理學獎揭曉,高錕與美國貝爾實驗室的威拉德?博伊爾(Willard Boyle)、喬治?史密斯(George Smith)共獲殊榮。高錕的獲獎成果,是在英國標準電訊實驗室完成的。后來,他在香港中文大學做過九年校長(1987年至1996年),直至退休。

由于在光纖通信領域的開創性成就,高錕將獲得約140萬美元獎金的一半,博伊爾和史密斯發明了用于數字圖像技術的CCD傳感器,將各獲四分之一的獎金。

三位科學家40年前的研究,幫助構建了當下的信息時代,也為自己贏得了諾貝爾獎。

高錕與低損耗光纖

20世紀60年代初,激光器的發明給光通信研究帶來了新的希望――激光束不僅具有亮度高等優點,還可以在光纖中傳播。

但由于缺乏穩定、可靠和低損耗的傳輸介質,光通信似乎仍是一個遙不可及的目標,因為光信號在當時的光纖材料中只能傳輸20米。

當時,高錕是國際電話電報公司旗下英國標準電訊實驗室的一名研究人員。他1933年11月出生在上海的一個書香門第,孩提時代的他就喜歡科學實驗,甚至自制過小型炸藥彈丸。

后來,高錕隨家人遷居香港,曾在香港圣約瑟書院就讀。1954年,他遠赴英倫,在倫敦大學攻讀電機工程。

與不少同行因此對光纖傳輸的技術前景產生懷疑不同,高錕研究團隊認為更值得關注的,是光纖原材料問題。

他后來回憶道:“那時面對的最大難題,就是玻璃的雜質問題。玻璃看似透明,其實雜有不純的元素,所以我們構想,假若有一種沒有雜質的玻璃,光波的傳導就不會衰減。”

1966年6月,高錕與同事喬治?霍肯(George Hockham)在《電氣電子工程師學會學報》上發表題為“用于光頻的光纖表面波導”的論文指出,提純原材料后可制造出適合長距離通信使用的低損耗光纖:在純的玻璃纖維中,光信號可傳輸100公里以上。

這一研究奠定了光纖通信的基礎。這一年,他年僅32歲。1970年,美國康寧公司研制出第一種超純光纖。1975年,英國安裝了世界上第一套光纖通信系統。

北京郵電大學前校長林金桐對記者說:“從高錕和霍肯的論文,到世界上第一個商用光纖通信系統的誕生,僅用了十年時間,這在重大科學研究成果向現實生產力轉化的眾多案例中,顯得格外突出。”

諾貝爾獎評委會在新聞公報中表示,這些低損耗的玻璃纖維推動了因特網等寬帶通信的發展,光在這些玻璃纖維中流動,文本、音樂、圖像和視頻可在瞬間進行全球傳輸,“如果我們拆開密布全球的玻璃纖維,將得到一條10億公里以上的長線,足夠環繞地球2.5萬多圈。”

香港中文大學前任校長金耀基甚至將高錕研究成果的重要性,與印刷術、火藥、指南針等中國古明相提并論,“今天生活在網絡社會,就是因為光纖的發明改變了我們的生活。”(更多關于高錕的資料,見本期“華人”欄目)

貝爾實驗室和CCD

在現代的高速網絡通信中,數字圖像是最主要的承載內容,而這很大程度上要歸功于本年度諾貝爾物理學獎的另一項獲獎內容――美國朗訊公司貝爾實驗室的威拉德?博伊爾和喬治?史密斯發明的用于數字圖像的裝置:電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)。

博伊爾1924年出生于加拿大,26歲時在加拿大麥基爾大學獲得博士學位。他在1953年加入貝爾實驗室,并在1962年與同事首先發明了可以連續運行的紅寶石激光器。

史密斯1930年出生于美國,29歲時在美國芝加哥大學獲得博士學位后也進入貝爾實驗室。

1969年10月的一天,史密斯走進同在貝爾實驗室半導體研究部門工作的博伊爾的辦公室,兩人進行了一場“頭腦風暴”。在不到兩個小時的時間里,博伊爾和史密斯在黑板上大致勾繪出一種新裝置的藍圖,兩人將其命名為電荷耦合器件。

這種新技術的源頭,還要追溯到愛因斯坦提出的光電效應,即通過光電效應,光可以被轉變為電信號。然而,如何在極短時間內收集并讀出信號,看上去卻是一個無法逾越的技術挑戰。因此,一開始,很多同行都對CCD的概念嗤之以鼻。

但博伊爾和史密斯堅信自己的想法,并成功地將藍圖變成了現實。他們采用特殊的硅半導體材料,并將硅片細分為一個個“單元格”或者說“像素”,這樣,當光照射到像素之上,會產生信號電荷。當時,很多電子器件以電流或電壓作為信號,CCD則采用電荷作為信號。

信號電荷不僅可以在CCD內存貯,還可以穿越一排排的“像素”,在電極與電極之間快速傳輸(電荷耦合),并最終被讀出。

CCD的發明,帶來了攝影的一場革命。光能夠被電子化捕捉,而不再需要傳統的感光膠卷,數碼相機也得以走進千家萬戶。

篇10

成像原理

在探討這些名詞背后的原理前，我們先回顧一下相機的成像原理。照相機的構造和工作原理與我們的視覺系統非常相似（圖1）。

照相機的主要部件包括光闌（光圈）、快門、鏡頭、底片（或感光器）四部分（圖2）。相機的鏡頭就相當于我們眼睛的晶狀體，可以看作凸透鏡，其折射率高于空氣。光線進入照相機后，會被鏡頭折射并會聚，形成倒立的實像在底片上。由于拍攝對象與照相機的距離一般比相機鏡頭焦距大很多，因此像平面（感光底片）總在鏡頭的焦平面附近。根據幾何光學成像公式：

u 為被攝物體與鏡頭間距，v 為底片與鏡頭間距， f為鏡頭焦距，只要在小范圍內調節鏡頭與底片間的距離v ，就可以使得不同位置的物體清晰成像于底片上。值得注意的是，真實的照相機光學鏡頭并不只是一個簡單的凸透鏡，而是一組復式鏡頭，由一系列凸透鏡與凹透鏡組成，能夠校正成像時的各種像差，這就克服了單透鏡照相機容易出現影像變形的缺點，使得成像清晰度大大提高。

相機中的光圈和景深

要想拍攝出亮度適當的照片，就必須控制好感光底片上的曝光量。相機光圈是控制曝光量的重要因素之一。光圈實質上是一個光闌，它與人的瞳孔相似，通過調節自身孔徑尺寸，來影響進入相機的光線多少。光闌位于鏡頭內部，通常由多片可運動的金屬葉片（稱為光闌葉片）組成，通過使圓孔變大或者縮小，以達到控制通過光量的目標（圖3）。光圈大小通常用F值表示，F值=鏡頭焦距/光闌口徑的直徑。可以看出，光圈F值越小，同一單位時間內相機的進光量就越多。

攝影時還有一種現象，即同一張照片上有的物體清晰，有的物體卻比較模糊（虛化），這是為什么呢？拍攝時，調節相機鏡頭使景物清晰成像的過程，叫做對焦，景物所在的點稱為對焦點，因為“清晰”并不是一種絕對的概念，所以，對焦點前（靠近相機）、后一定距離內的景物的成像都可以是清晰的，這個前后范圍的總和，就叫做景深，意思是只要在這個范圍之內的景物，都能清楚地拍攝到。

決定景深的三要素分別是鏡頭的焦距、拍攝距離和光圈大小。景深的大小，首先與鏡頭焦距有關，焦距長的鏡頭景深小，焦距短的鏡頭景深大。其次，景深與光圈有關，光圈越小景深就越大（圖4）；光圈越大景深就越小，而且前景深小于后景深，也就是說，精確對焦之后，對焦點前面只有很短一點距離內的景物能清晰成像，而對焦點后面很長一段距離內的景物，都是清晰的。此外，對于給定焦距的照相機鏡頭，物體與相機鏡頭距離越小，則景深越小；反之則越大。因此在拍攝不太近的物體時，其遠處的背景也可以很清晰；而在拍攝較近的物體時，稍遠的背景就顯得模糊了。

紫紅色的鏡頭

高品質的照相機的鏡頭看起來大都呈現紫紅色。這又是為什么呢？