《基础物理学》李辛主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《基础物理学》

【作　者】李辛主编

【页 数】 313

【出版社】 北京：中国医药科技出版社 , 2019.12

【ISBN号】978-7-5214-1473-8

【分 类】物理学-医学院校-教材

【参考文献】 李辛主编. 基础物理学. 北京：中国医药科技出版社, 2019.12.

图书封面：

图书目录：

《基础物理学》内容提要：

本书共分十八章，从力学、电磁学、光学、相对论、量子力学、原子与放射等方面的介绍了基础物理学知识。

《基础物理学》内容试读

绪论

什么是物理学？这是长期以来人们不断思索的基础性问题。翻开任何一本《物理学》教材，都不难找到这样的定义：物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，这是学术意义上的一种界定。作为一门课程，还有必要从多个方面探讨其更丰富的内涵。国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议《物理学对社会的重要性》指出：物理学是一项国际事业，它对人类的进步起着关键性的作用，包括探索自然、驱动技术、改善生活以及培养人才等方面。

一、物理学是自然科学的基础

物理学的研究空间尺度之广和时间跨度之大是任何一门学科所不能比拟的。物理学所涉及的空间尺度从最小的普朗克长度（约105m),到最大的宇宙，目前可探测到的最远的类星体的距离为10”m,如图绪-1所示，可以说“至小无内，至大无外”。所涉及的最小时间尺度是普朗克时间（约108s),而最大时间尺度是宇宙年龄，约为10s(约150亿年)，如图绪-2所示。可以说“从没有昨天的那一天开始，到没有明天的那一天为止”，或是宇宙的起源与终结。宇宙的浩瀚无际，时间的茫无头尾，难免让人觉得人生短暂，时间宝贵，在有限的时间内最大限度地探索空间、时间和万物存在的理由，才会使我们的心灵得到永恒的依托。

物理学一直有两个热门的研究领域：一个是“最小”的粒子物理学，另一个是“最大”的宇宙学。高能物理或粒子物理在最小尺度上探索物质更深层次的结构和运动规律，是物理学研究中的一个尖端前沿领域。20世纪在这一领域中的辉煌成就是以1995年第六味夸克一顶夸克(top-quark)的发现为标志的粒子物理标准模型的确立。2012年，科学家

们在大型强子对撞机(LHC)内发现了希格斯玻色子的“踪迹”，这一重大发现也促使研究

希格斯理论的希格斯（英国）和弗兰西斯·恩格勒（比利时）摘得2013年诺贝尔物理学奖桂冠。物理学中的另一个尖端领域是天体物理，它在最大尺度上追寻宇宙的起源和演化，最远观察极限是哈勃半径，尺度达10”m的数量级。天体物理是物理学与天文学之间形成的边缘学科，也是物理学以及天文学的一个分支学科，20世纪后半叶这方面的巨大成就是建立了大爆炸宇宙标准模型。这一模型认为，宇宙是在大约150亿年前的一次大爆炸中诞生的，在爆炸发生后的初期，物质处于尺度极小，温度和密度极高的状态，

随后体积极快膨胀，温度和密度不断降低，直至冷却到今天的约2.7K的“宇宙背景温

度”。与此伴随的是，逐渐依次产生并形成了粒子、原子、分子、星云、星球和星系。大爆炸宇宙的观点得到了很多观测结果的支持，现已被大多数学者所认可，当然也还面临着不少挑战。

物理学所研究的物质形态及运动特点包含了从微观到宏观、从简单到复杂的各种形式，不同的物质运动形式既服从普遍规律也有自己的独特规律，但是，我们相信从最小的基本粒子到最大的宇宙所遵循的物理规律是相同的。

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基础物理学

+单位(m)102已观测到的宇

宙范围极限

102银河系半径

106光年

10地日距离

单位(s)

10太阳半径

10地球半径

字宙的年龄108

104珠穆朗玛峰高度

地球的年龄107

100人体高度

10灰尘线度

10细菌长度

人类文明史10

10可见光波长

人的平均寿命109

10氢原子半径

地球公转的周期107

105质子有效半径

地球自转的周期10

人类心脏跳动的周期100

最高可听见声音的周期104

μ子的寿命106

分子振动的周期/10-12可见光辐射的周期0-5光穿越原子的时间

10-35普朗克长度

Z°粒子的寿命

8

普朗克时间10

图绪-1某些长度的数量级

图绪-2某些时间间隔的数量级

物理学的普遍性和规律性，使其与其他自然科学越来越广泛、亲密地结合，逐渐形成了一系列新的分支学科。与其他各专门学科相比，物理学更着重于研究物质世界普遍而基本的运动规律，这些运动规律普遍地存在于其他复杂的、高级的物质运动形式之中。物理学的基本概念、原理和规律被应用到了所有的自然科学，形成了诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、大气物理、地球物理、天体物理及社会物理等名目繁多

的新分支。同时，物理学还为其他各学科提供了诸如电子显微镜、激光、超导、X射线

中子衍射、核磁共振、扫描隧道显微镜等各种精密的测量仪器和现代化的实验手段，从而促使自然科学各领域更加迅速地发展。

当今，物理学的触角已经伸向众多领域，形成了一系列的新型交叉学科。中国著名物理学家赵凯华教授曾说：“物理代表着一套获取知识、组织和应用知识的有效步骤和方法把这套方法用到什么问题上，这问题就变成了物理学。”物理学和化学从来就是并肩前进的，它们相互结合而形成了物理化学、量子化学等边缘学科。物理化学是应用物理学的原理和实验手段来研究化学反应体系所遵循的普遍规律的一门科学，它与物理学中的热学光学、电学等交叉渗透关系非常密切，它涉及化学反应体系的平衡和动力学以及与之相关联的结构与性能的理论，已发展成为化学科学的理论核心。量子化学是在量子力学的基础上发展起来的，它深入研究原子结合力的本质、原子分子空间排列的方式以及原子结构与性能之间的关系。举世公认，物理学的实验方法和理论工具在化学中的应用促使化学科学得以深入地迅速发展。

物理学与生物学相结合形成了生物物理学，这是目前最活跃的一个交叉学科，近几十

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绪论

专●●●●●4

年来在两学科的交叉点上取得了一系列重大成就。20世纪50年代，DNA双螺旋结构的确

定和用X射线衍射法对蛋白质晶体空间结构的测定，使生物学研究进人分子水平，莫定了

分子生物学的基础。分子生物学的研究涉及了生命现象最核心、最本质的内容，使人类对

生命的认识发生了重大飞跃，全面推动了生命科学的发展。1973年DNA重组技术使得分离

某个特定基因成为可能，这促使了1977年DNA测序技术的发明，标志着基因工程或遗传

工程技术的诞生。1987年开始至现在的人类基因组计划(HGP)的执行和完成，人们普遍

认为，21世纪将是生命科学的新纪元。有人预言，在21世纪，活物质和生命现象将成为物理学的重要研究对象，物理学将以生命科学为新的依托，由基本原理出发广泛而深入地探索生命系统的奥秘。因而可以预料，生命科学的长足发展必定是在与物理学更加密切的结合中实现。

物理学不但和其他自然科学结合衍生出许多新兴学科，一些物理学的思想方法、理论成果甚至被应用到社会科学中，同样也发挥着重要作用。比如说20世纪末出现的物理经济学就是将物理学的相关理论、方法、技术和模型应用于经济学，尤其是金融学领域，如金融市场建模、资本性资产定价、风险管理等，研究分析经济现象和金融系统中大量的实证数据之间的微观特征和内部关联，解释金融现象，揭示规律和问题，预测其发展趋势和避免金融风险。短短几十年，该学科迅猛发展，它所涉及的国民财富分布、金融市场的波动特性、组织与网络增长、人口经济与环境协调增长等多个领域结出了丰硕的理论成果。

因此毫不夸张地说，物理学是整个自然科学的基础之一。

二、物理学与科学发展和技术进步的关系

物理学与科学发展和技术进步是一种什么关系呢？我们不妨借鉴一下2005世界物理年(World Year of Physics20O5)活动关于物理和物理教学的评说。

“物理学是研究物质性质、运动规律及其相互作用的科学，是一项激动人心的智力探险活动，并为人类文明做出巨大贡献。”

“物理学拓展我们认识自然的疆界，扩展和提高我们对其他学科的理解，是技术进步最重要的基础。”

“物理教学为科学和技术培养训练有素的人才。”

“物理学的进步对社会发展和人类生活的改善有不可估量的影响。”

事实证明，物理学的发展不仅推动了整个自然科学的发展，而且广泛而直接地影响了人类社会生产和生活的各个方面，成为推动科学技术发展和社会进步的巨大动力。

从18世纪60年代开始，牛顿力学、热力学的建立和发展使社会生产力发生了巨大的变革，引发了第一次技术革命，人类进人了机械化技术时代，主要标志是蒸汽机的广泛使用和机械工业的发展。从19世纪70年代开始，由于以法拉第、麦克斯韦的理论为代表的电磁学理论的发展和应用，掀起了第二次技术革命，使人类迈人了工业电气化时代，主要标志是电力的广泛使用和无线电通信技术的发展。而以相对论和量子力学为代表的近代物理的发展，则推动了自20世纪40年代兴起、一直延续至今的第三次技术革命。它的特点是科学技术日益迅猛发展以及一系列高新技术和高科技仪器设备的出现。几十年来，核能的开发和利用，宇航技术的发展，半导体、激光、超导、核磁共振以及电子计算机等许多新产品和新装置的发明和应用，都极大地改变了人类的物质和精神生活，使社会面貌发生了深刻的变化。目前在世界范围内，正在进行着以信息技术、基因工程技术、新材料技术、

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基础物理学

新能源技术、海洋技术、空间技术等为主要内容的一场高新技术革命。从根本上来说，20世纪以来科学技术的发展都是来源于20世纪初期物理学的三大成就，即相对论、量子力学和原子核物理。事实充分证明，自然科学的理论，特别是基础科学的理论研究一旦取得重大突破，必将极大促进科学技术的发展和社会的进步与繁荣。相对论和量子论已成为近代物理学和现代物理学发展的两大支柱，如果没有这些理论的建立，就不会有人类当今社会的物质文明。李政道先生在《物理的挑战》中曾提出21世纪物理领域所面临的四大难题：为什么一些物理现象在理论上对称但实验结果不对称？为什么一半的基本粒子不能单独有在而且看不见？为什么全宇宙90%以上的物质是暗物质？为什么每个类星体的能量竟然是太阳能量的105倍？可以预见，一旦拨去这几朵笼罩在天空中的乌云，物理学将会发生质的飞跃，物理理论的应用将使科学和技术取得前所未有的突破。

21世纪将是不同领域科学与技术创造性融合的时代。可以断言，物理学仍将作为一门重要的基础学科和关键性的带头学科，在与其他各学科的密切融合中，为推动21世纪科学和技术的发展创造出更加辉煌的成就。

三、物理学与医学、药学的关系

物理学作为严格的、定量的学科，其提供的技术与方法为医学和药学的研究和实践开辟了新途径，极大地推动了包括生命科学、医学和药学在内的其他自然科学的发展。例如原子能、自动化、激光、电子计算机等新技术的广泛使用，使医药领域的研究从宏观进入微观形态，从细胞水平上升到分子水平。这些技术衍生出的实验仪器，例如电导仪、电泳仪、气相色谱仪、薄层扫描仪、高压液相仪、红外分光光度计、紫外分光光度计、偏光显

微镜、电子显微镜、质谱仪、傅里叶光谱仪、激光拉曼光谱仪、X射线衍射仪、核磁共振

波谱仪、微波波谱仪、旋光计和阿贝折射计等已经广泛地应用于药学实验室中，成为对药物进行研究和分析的重要手段。借助于物理学的边缘学科之一量子化学理论，辅以计算机技术，使得在理论上预测未知化学现象已逐渐成为可能，从而为探求新药物和研究新流程开拓了新途径

值得指出的是，科学技术的迅速发展，特别是生命科学的发展，必将促进医药领域的重大变革。目前，应用以基因工程为主体的生物技术进行蛋白质和药物的分子设计、基因改造，生产新型蛋白质、生物制剂、新型基因疫苗，开发用于基因治疗的新型药物、导向药物等，已经成为医学、药学研究的重要课题。可以预计，在物理学中必将会有越来越多的基本原理、高新技术手段、新型材料等被应用于医药学领域，并创造出某些突破性的成果。例如纳米材料，它的理论基础是介观物理，纳米材料具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和量子隧道效应等优良而超常的特性，在很多领域都有着重要的应用。纳米技术的应用将把现代技术推向分子及原子层次。近期国内外已有不少关于研制和开发纳米药物以及可用于某些人造器官的生物相容性纳米材料方面的报道。毫无疑问，纳米技术在药学研究和药物制剂、生物工程方面的应用会有更为广阔的前景。

四、学习物理学的重要性

物理学是医药院校学生必修的一门重要的基础课，它对于培养学生的科学素质、科学思维方法和科学研究能力具有极为重要的意义。从物理学的基础知识构成来讲，可以分为力学、热学、电磁学、光学、近代物理、理论物理等。物质、运动、相互作用、规律是这

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绪论

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门学科的关键词。本书中所介绍的内容大部分是物理学中较成熟的经典理论，它的基本原理和基础知识至今仍然是包括医学和药学在内的各学科赖以发展的基础，是现代高科技中的“创新”和“突破”赖以萌生、滋长的沃土。从宏观到微观，从低速到高速，从经典到近代，物理学知识会把学生带向一个又一个美妙而神奇的物质世界。因而大学阶段的基础物理课不仅为学习专业课和其他课程所必需，而且是学习现代物理必不可少的阶梯，同时它还直接影响学生今后接受新知识和掌握新技术的能力。

物理学知识经过几千年特别是近300年的积累已相当丰富，要在有限的学时内全面讲授物理学的内容是不可能的，所以在内容选择上只能针对专业性质有所侧重，有些内容仅能做概括性叙述，有些内容则要留给学生自学。这就要求学生在学习过程中充分发挥学习的主动性，按照课程基本要求抓住重点，同时要有意识地培养自己的自学能力。

我们深信，通过本课程的教学和严格的训练，不仅能为学生后续专业课的学习打下坚实的基础，而且必将有效地培养和提高学生的科学素养和创新能力，有助于学生为我国药学事业的发展做出贡献。

···试读结束···