物理声学的研究方向论文

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物理学研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构；从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。地学和生命科学都是自然科学的重要方面，有重要的社会作用，但是像地球这样有生物的行星在宇宙中却是少见的，所以地学和生命科学不属于物理学范围。当然，物理学所发现的基本规律，即使在地球现象和生命现象中，也起着重要作用。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来源于实践，而实践的广度和深度有着历史的局限性。随着实践的扩展和深入，物理学的内容也不断扩展和深入。新的分支学科陆续形成；已有的分支学科日趋成熟，应用也日益广泛。早在古代就形成的天文学和起源于古代炼金术的化学，始终保持着独立的地位，没有被纳入物理学的范围。在天文学和物理学之间、化学和物理学之间存在着密切的联系，物理学所发现的基本规律在天文现象和化学现象中也起着日益深刻的作用。 客观世界是一个内部存在着普遍联系的统一体。随着物理学各分支科学的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而去统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，使得这一目标有时显得很接近；但与此同时，新的物理现象又不断出现，使这一目标又变得更遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。以下大体按照物理学的历史发展过程来叙述物理学的发展及其内容。物理学是研究自然界基本规律的科学.它的英文词physics来源于希腊文，原义是自然，而中文的含义是“物”（物质的结构、性质）和“理”（物质的运动、变化规律）.中文含义与现代观点颇为吻合.现代观点认为物理学主要研究：物质和运动，或物质世界及其各部分之间的相互作用，或物质的基本组成及它们的相互作用.物质可以小至微观粒子——分子、原子以至“基本”粒子（elementaryparticles）.所谓基本粒子，顾名思义是物质的基本组成成分，本身没有结构.然而基本与否与人们的认识水平以及科学技术水平有关，因此对“基本”的理解有阶段性.有鉴于此，物理学家简单地称之为“粒子”.有时为了表达认识的层次，我们仍然可以说：“现阶段的基本粒子为……”.当前我们认为基本粒子有轻于（lepton）、夸克（quark）、光子（photon）和胶子（gluon）等等.科学家们正在努力寻找自由夸克.此外，分数电荷、磁单极也在寻找之列.我们周围的物体是物质的聚集状态.人们可以用自己的感官感知大多数聚集状态的物质，并称它们为宏观（macroscopic）物质以区别前面所说的微观（microscopic）粒子.居间的尺度是介观（mesoscopic），而更大的尺度是宇观（cosmological）.场（field）传递相互作用，电磁场和引力场就是例子.在物理学的范围内，物质的运动是指机械运动、热运动、微观粒子的运动、原子核和粒子间的反应等等.运动总是发生在一定的时间和空间.时间和空间首先是作为物质运动的舞台，但最后也成了物理学研究的对象.现在知道物质之间的相互作用有四种，即万有引力、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用.爱因斯坦（，1879—1955）生前曾致力于统一场论的工作，试图用统一的理论来描述各种相互作用.在60年代，走向统一有了突破性的进展.格拉肖（）、温伯格（）和萨拉姆（）等人发现弱相互作用和电磁相互作用可以统一，用弱电相互作用（electroweak）来描述.鲁比亚（1983[1]，）等提供了实验支持.大统一理论（Grand Unification Theory，GUT）试图将强相互作用也统一进去，而超对称理论更企图将引力也纳入其中.还有人在寻求其他的相互作用.对此，在Physics Teacher期刊上曾有一篇文章题为“存在第五种基本力吗？”专门讨论这一命题[6].在高级的理论中，相互作用只不过是交换物质，如电磁作用交换光子、强作用交换胶子.物理学的一个永恒主题是寻找各种序（orders）、对称性（symmetry）和对称破缺（symmetry-breaking）[10]、守恒律（conservation laws）或不变性（invariance）.物质的有序状态比我们想象的要广泛得多.除了排列整齐的位置序以外，还可以有指向序.超导态也是一种有序状态.对称性通常指静止的空间几何对称，如太极图、八卦、晶体中的平移和旋转对称.实际上，对称性还可以是动态的，可以是时间反演对称、物质—反物质对称以及更为抽象的规范对称等等.就物理学和其他科学的关系而言，我们可以说：·物理学是最基本的科学.·物理学是最古老、发展最快的科学.·物理学提供最多、最基本的科学研究手段.最基本的体现是在天文学、地学、化学、生命科学中都包含着物理过程或现象.在这些学科中用到不少物理学概念和术语是很自然的.最基本还意味着任何理论都不能和物理学的定律相抵触.例如，如果某种理论破坏能量守恒定律，那么这一理论就很成问题.当然，某些物理理论本身或一些阶段性的工作本身也是在不断地完善.19世纪中叶之前，物理学曾是完完全全的实验科学.力学中的理论问题被认为是数学家的事.19世纪末，在当时处于世界物理学中心的德国的大学里，开始设置理论物理学教授的席位.此后，随着人类的认识能力逐步深入，逐步深入到不能靠直觉把握的微观、高速、宇观现象，20世纪初建立了狭义和广义相对论，以及量子力学这些深刻的物理理论.到了20世纪中叶，物理学已经成为实验和理论紧密结合的科学.20世纪后半叶由于电子计算机的发展，既改变了理论物理的工作方式，也扩大了实验的涵义.目前物理学已经成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学.实验提供的条件比自然界出现的更富变化和更灵活可控，而物理理论则给出了对自然界的数学描述.计算物理学是重要的新分支，有自己独特的研究方法.计算机实验可以提供比通常的实验更为变化丰富和灵活控制的条件.不过通常需要用到超级计算机.物理学中最重大的基本理论有下面5个：·牛顿力学或经典力学（Mechanics）研究物体的机械运动；·热力学（Thermodynamics）研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等；·电磁学（Electromagnetism）研究电、磁以及电磁辐射等等；·相对论（Relativity）研究高速运动、引力、时间和空间等等；·量子力学（Quantum mechanics）研究微观世界.后两个理论主要是在20世纪发展起来的，通常认为是现代物理学的核心.以上理论中没有一个被完全推翻过，也没有一个是永远正确的.例如，牛顿力学在高速情形下，应该用狭义相对论来代替；而对于强引力，它又偏离于广义相对论，但在它的适用范围内仍然是精确的.科学的理论总是要发展的，需要根据新发现的事实进行修正.在教科书中只介绍一种版本的做法很可能导致“理论是唯一的”这样的观念.事实上，理论决不是唯一的.科学理论往往在美学上令人赏心悦目，在数学上优雅而普适，但是仅仅有这些是决不可能流传下来的.理论和思想必须经受实验的检验和验证.物理学中的理论和实验在相互促进和丰富中得到发展.一个没有思想的实验工作者可以发现无穷无尽的事实，不过毫无用处.理论家如果不受实验检验这一约束也可能产生出极其丰富的思想，不过与大自然毫无关系而已.通常的科学研究方法是：·通过观测、实验、计算机模拟得到事实和数据；·用已知的可用的原理分析这些事实和数据；·形成假说和理论以解释事实；·预言新的事实和结果；·用新的事例修改和更新理论.上述的后3步都是关于理论的.以上所说的科学研究的步骤是常规的.有时候，有的人可能并不遵循这样的过程.常常直觉（intuition）或者预感（premonition）会起相当的作用.有时候，机遇（运气或偶然）对于成功也会起作用，使你获得一则重要的信息或发现一个特别简单的解.要学会在恰当的时机提出恰当的问题，并找到问题的答案.有时还必须忽略一些“事实”，原因是这些并不是真正的事实或者它们无关紧要、自相矛盾；或者是由于它们掩盖了更重要的事实或考虑它们使问题过于复杂化.据说，有一次有人问爱因斯坦：如果迈克耳孙-莫雷（Michelson-Morley）实验并不导致光速不变你怎么办？他说：他将忽略那些实验结果，他已经得到了结论，光速必须被认为是不变的.关于爱因斯坦1905年提出狭义相对论时是否知道迈克耳孙-莫雷实验，曾发生过长时间的争论.有人认为爱因斯坦在他的著作中没有留下他知道迈克耳孙-莫雷实验的丝毫痕迹，他可能纯粹通过理论推理和他们（迈克耳孙与莫雷）得出了相同的结论.爱因斯坦的首席传记作家培斯（Abraham Pais）筛选了许多历史记载，得出结论说，爱因斯坦确实知道这一实验.新近有一篇爱因斯坦在1922年的演说的英文翻译稿刊登在Physics Today上[8].此文是根据原来的德语演讲的日文记录整理、翻译的[见第九章参考文献（13）].译者让爱因斯坦“本人”表示，他知道这一实验.在大学物理的学习中，除了学习事实、定律、方程和解题技巧外，还必须努力从整体上掌握物理学.要了解各分支间的相互联系.现代观点认为，应该从整体上逻辑地、协调地来把握物理学.学习中，对于基本物理定律的优美、简洁、和谐以及辉煌应该有所体会，要学会鉴赏其普适程度，了解其适用范围.还要学会区别理论和应用，物理思想和数学工具，一般规律和特殊事实，主要和次要效应，传统的和现代的推理方式等等.

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物理学概览 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。 随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。 物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。经典力学 经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。                                       自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察。16世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观察。17世纪开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动现象的初步理论。  牛顿深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在，以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。  经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式(如热运动、电磁运动等)的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。  在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。  早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。                                         机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。热学、热力学和经典统计力学  热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。  物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。  在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。                                       深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。  非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态，在热力学中，这就相应于熵的增加。  处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近20～30年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。  在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。

第一章声现象1.声音的发生:由物体的振动而产生。振动停止，发声也停止。2.声音的传播:声音靠介质传播。真空不能传声。通常我们听到的声音是靠空气传来的。3.声速:在空气中传播速度是:340米/秒。声音在固体传播比液体快，而在液体传播又比空气体快。4.利用回声可测距离:S=1/2vt5.乐音的三个特征:音调、响度、音色。(1)音调:是指声音的高低，它与发声体的频率有关系。(2)响度:是指声音的大小，跟发声体的振幅、声源与听者的距离有关系。6.减弱噪声的途径:(1)在声源处减弱;(2)在传播过程中减弱;(3)在人耳处减弱。7.可听声:频率在20Hz~20000Hz之间的声波:超声波:频率高于20000Hz的声波;次声波:频率低于20Hz的声波。8.超声波特点:方向性好、穿透能力强、声能较集中。具体应用有:声呐、B超、超声波速度测定器、超声波清洗器、超声波焊接器等。9.次声波的特点:可以传播很远，很容易绕过障碍物，而且无孔不入。一定强度的次声波对人体会造成危害，甚至毁坏机械建筑等。它主要产生于自然界中的火山爆发、海啸地震等，另外人类制造的火箭发射、飞机飞行、火车汽车的奔驰、核爆炸等也能产生次声波。