第一篇：物理学在医学上的应用
物理学在医学上的应用
随着近代物理学的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科也越来越多地把它们的理论建立在精确的物理学基础上，物理学的技术和方法在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛，X射线对医学的巨大贡献是大家早已熟悉的，超声波、扫描仪（B超）、和磁共共振断层成像（MBI）等的制成和应用，不仅大大地减少病人的痛苦和创作，也提高了诊断的准确度，而且直接促进了现代医学影像学的建立和发展，使临床诊断技术发生质的飞跃。
1.X射线透视
1895年11月8日，伦琴在德国维尔茨堡实践室研究稀薄气体放电射发现 X射线，X射线发现后三个月就应用于医学研究，X射线透视机早已成为医学中不可缺少的工具。
X射线透视是根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，均匀的X射线透过身体不同部位的强度不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像或就可以观察到各明暗不同的像，X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以衣判断体内异物的位置等。X射线透视已成为医院的基本设备之一。2.B超
B超是超声波B型显示断层或像的简称，之所以称为B超显示是因不对过去显示超声波检查结果的方法又创立了一种方案而增加的新名称，把已有的那种一维显示一串脉冲动的方案称为A型显示，而新的这种二维纵向断层显示称为B型显示，B超的基本原理是将交超声波从体外垂直于人体表面射向体内，当超声波在体内组织中传播时碰到有分界面或不均匀处就会产生反射，把这种反射超声波再体外同一部位接收下来，根据发射探头所在位置可以知道反射点在体内对着探头的位置，而根据发射超声波的时间差可以知道它在体内垂直体现体表的深度，B超图像非常直观很容易看懂，B超和X射线透视相比，其结果主要差别是：X射线透视所得出的结果是体内纵向投影的阴影像，而B超得出的是纵切面的结构像，在切面方向没有重叠，可以准确判断切面的情况。3.磁共振断层或像（MBI）
磁共振断层或成像是种多差数、多核数的成像技术，目前主要是氢核密度驰豫。
时间T1T2的成像，其基本原理是利用一定频率的电磁波向牌磁场中的人体照射，人体中各种不同组织的氢核在电磁波作用下，会发生核磁共振，吸收电磁波的能量，随后又发射电磁波，MRI系统探测到这些来自人体的氢核发射出来的电磁波信号后，经计算机处理和图像重建得到人体的断层图像，由于氢核吸收和发射电磁波时，受周围环境的影响，所以由磁共振信号得到人体断层图像，不仅可以反映形态学的信息，还可以从图像中得到与病理有关的信息，经过比较和判断就可以知道成像部分人体组织是否正常。因此MRI被认为是一种研究活动组织诊断早期病变的医学影像技术
MRI与B超相比，B超只能显示切面的密度分布图像，而MRI图像可以显示切面的某一原子核同伴素的浓度分布和其一参量（如驰豫时间）分布，因此MRI要比B超 获得更多对人体内部信息，尤其是对脑部病变和早期肿瘤病变的诊断，MRI更具有优越性
在人类文明和社会发展取得进步的过程中，物理学的每一个新的发现或是技术发展到每一新阶段，都为医学研究和医疗实践提供了更先进、更方便和更精密的仪器和方法，像X射线、B超、MRI等物理技术在医疗上的使用，使医学科学发展更迅速，可以说在现代的医学研究和医疗单位中都离不开物理学方法和设备，随着医学科学的发现，物理学和医学的关系必将越来越密切，也必将造福人类。
临床医学五年制
2013级4班 陈雨晴
学号：201350500
第二篇：左心耳封堵系统在临床医学上的应用
左心耳封堵系统在临床医学上的应用
WATCHMAN™ 通过封堵左心耳来预防房颤时在左心耳内血栓的形成，从而降低房颤患者由血栓栓塞引发长期残疾或死亡的风险。同时，WATCHMAN™微创治疗方案可消除患者对长期口服抗凝治疗的依赖性，为患者提供治疗新选择。近日，WATCHMAN™左心耳封堵手术于北京阜外心血管病医院和首都医科大学附属安贞医院成功实施。
不同于我国现有的治疗方案，左心耳封堵术(LAAC)是一种预防非瓣膜性房颤患者卒中的创新术式。它通过封堵左心耳，预防左心耳内血栓引起的血管栓塞，从而避免缺血性脑卒中和全身性栓塞的发生。左心耳封堵术能消除患者对于长期抗凝治疗的依赖，避免了患者因抗凝药物所产生的不耐受、出血事件和依从性等问题，也为对抗凝药物具有禁忌证的患者带来了新希望。
WATCHMAN™的植入过程使用类似于血管形成术的标准技术，医生将 WATCHMAN™器械通过导管导入，经由大腿血管插入心脏。在手术中，医师一旦确认导管处于正确位置后，将为心脏拍照以测量左心耳。该测量将决定使用何种尺寸的 WATCHMAN™器械。WATCHMAN™被植入后，医师继续进行测量和拍照以确保器械处于正确位置。一旦医生确定器械的位置，将释放器械，将 WATCHMAN™植入心脏，封堵左心耳。
“WATCHMAN™左心耳封堵系统中国上市是波士顿科学首个中国市场企业战略计划 ——‘创新冲击波’计划的首发重磅项目，”波士顿科学公司执行副总裁兼亚洲、中东及非洲地区总裁薄思定（Supratim Bose）先生介绍道，“通过‘创新冲击波’计划，继
WATCHMAN™左心耳封堵系统中国上市之后，波士顿科学将陆续为中国市场引进数十项全球领先的创新医疗解决方案，满足中国患者在心脏介入、心脏节律管理与电生理、内窥镜介入、外周及肿瘤介入、泌尿与妇女健康、结构性心脏病、呼吸等核心治疗领域的迫切的疾病治疗需求。”
第三篇：计算机在物理学中的应用教学大纲
甘肃民族师范学院物理教育专业课程教学大纲
计算机在物理学中的应用
一、说明
（一）课程性质
本课程是专业方向课。本课程需要有大学计算机以及普通物理的知识。
（二）教学目的本课程设计主要目的是熟悉和掌握MATLAB语言的应用环境、调试命令，各种基本命令和高级操作命令，函数和数据可视，操作界面设计等，为后续的专业课程提供有力的工具。以掌握MATLAB软件的基础知识为主，使学生通过编程实例掌握MATLAB语言的编程基础与技巧、并将之运用到的实际物理问题中。
（三）教学内容
本课程主要讲授三部分内容：
1．MATLAB程序设计基础
2．矩阵线性代数算法实现
3．数据处理
（四）教学时数：
30学时
（五）教学方式：
采用讲授、讨论和研究相结合的方法进行教学。
二、本文
第一章MATLAB程序设计基础
教学要点：
常量与变量 数组 运算符 m文件
教学时数：
10学时
教学内容：
第一节 常量与变量（3学时）
特殊常量一般变量
第二节 数组与运算符（4学时）
细胞数组与结构数组 算术运算符 关系运算符 逻辑算术符
第三节 m文件（3学时）
命令文件 函数文件
考核要求：
1．理解常量与变量区别。
2．掌握建立与引用数组的方法，熟练运用运算符。
3．掌握m文件编辑、调用与调试。
第二章矩阵线性代数算法实现
教学要点：
矩阵的生成 矩阵的部分扩充、删除、修改、变维、数据变换 特殊矩阵矩阵的基本运算齐次线性方程组通解的解法 非齐次线性方程组通解的解法
教学时数：
10学时
教学内容：
第一节 矩阵的生成与修改（3学时）
矩阵的生成的方法 矩阵的部分扩充、删除、修改、变维、数据变换 特殊矩阵
第二节 矩阵基本运算与高级运算（4学时）
矩阵的基本运算与矩阵函数 矩阵的逆与伪逆 矩阵与向量的范数 竞争的分解
第三节 求线性方程组的解（3学时）
齐次线性方程组通解的解法 非齐次线性方程组通解的解法
考核要求：
1．掌握矩阵的生成与修改的方法
2．掌握矩阵基本运算与高级运算
3．熟练求解线性方程组
第三章数据处理
教学要点：
曲线拟合 求解偏微分方程 泰勒展开
教学时数：
15学时
教学内容：
第一节 数据插值（3学时）
一维插值 二维插值 曲线拟合第二节 数值计算（3学时）
求解常微分方程 求解偏微分方程
第三节 符号计算（4学时）
符号定义 符号运算
考核要求：
1．掌握数据插值的方法
2．掌握数值计算。
3．掌握符号计算
三、参考书目：
1.徐金明，《MATLAB实用教程》，清华大学出版社，2005年。
2.孙蓬，《MATLAB基础教程》，清华大学出版社，2011年。
四、本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见
本课程是专业方向课程，此课程的特点是力求理论的系统性。在教学中要采用常规教学与多媒体教学相结合的课堂教学方法以及图片，幻灯片等资料，使教学内容丰富多彩。
五、课外学习
（一）课外读书
1、目标
通过广泛而有序的课外读书获取、筛选信息，开阔学生的视野、丰富学生的知识、培养适应社会发展的各种能力。
2、阅读书目
（1）张圣勤，《MATLAB 7.0实用教程》，高等教育出版社，2006年。
3、学习要求
（1）复述性理解：理解读物所传递的基本信息和读物提供的内容；
（2）解释性理解：把读物内容转化为自己的认识；
（3）评价性理解：对所读材料内容做出自己的判断；
（4）创造性理解：逐步培养学生探究性阅读和创造性阅读的能力，提倡多角度的、有创意的阅读，利用阅读期待、阅读反思和批判等环节，拓展思维空间，提高阅读质量。
4、时间安排
课余时间以学生自学为主，教师不定期安排指导课不少于4个学时。
5、评价方式
通过检查学生的读书笔记、摘记、阅读卡等书面材料，以量化的形式定时、定量甚至定主题地来评价学生的阅读情况。同时通过学生间的互相检查，来达到评价的目的。使课外阅读能够趋于常规化，做到天天读、周周读、月月读，同时也充分挖掘了学生自我评价能力。评价可分为优、良、中、及格和不及格五个档次。
（二）课外讨论
1、目标
通过有组织的课外专题讨论形式，培养学生的语言表达能力和逻辑推理能力、激发学生的创造性思维能力，丰富学生的知识、使学生成长为适应社会发展需求的合格人才。
2、讨论内容
讨论MATLAB在物理学中应用的相关问题。
3、讨论要求
围绕教学中心制定讨论计划，通过有组织的课外讨论，使学生在语言表达能力和逻辑推理能力、以及创造性思维能力等方面得到较大提高，掌握小型讨论会的组织方法，并能够较为熟练地掌握各种讨论技巧和方法。
4、时间安排
全学期组织二次班级讨论会，可以设置兴趣小组，或者集体讨论。
5、评价方式
教师参与学生讨论会，并对学生讨论的综合能力做出客观评价，同时鼓励学生间的互相评价和自我评价。评价可分为优、良、中、及格和不及格五个档次。
（三）实践活动
1、目标
实践活动的教学安排，主要目的是促使学生比较扎实的掌握专业技能，提高学生专业实践能力与创新素质。主要办法是强化实训教学的力度。在校内专业实验室，由辅导教师专门指导，解决所遇到的各种难题。
2、实践内容
利用MATLAB解量子力学、电动力学、理论力学、统计物理中相关方程。
3、实践要求
对实践内容有所了解，甚至熟练掌握。
4、时间安排
双周进行一次实践活动。
5、评价方式
根据学生的出勤、实习态度，完成的实训报告及各项操作的质量，实训小组的团队配合，个人创新能力等多方面综合评定。
主要项目标准：
（1）考勤、纪律、态度占10％；
（2）实训报告占40％；
（3）操作演练达标占40％；
（4）其他综合占10％；
实践活动结束，指导教师根据学生在每一阶段的成绩综合给出最终评价；评价可分为优、良、中、及格和不及格五个档次。
（四）课外作业
1、目标
（1）复习巩固上课所学的知识或检查课堂效果；
（2）培养学生的软件应用，提高信息素质；
（3）培养学生严谨、认真的学习习惯。
2、作业内容
每章讲完后根据学生的实际情况布置适当的作业。
3、作业要求
快速阅读科技文献并翻译相关科技文献。
4、时间安排
约每二周布置一次作业。
5、评价方式
任课教师按照作业要求对学生作业给出最终评价；评价可分为优、良、中、及格和不及格五个档次。
第四篇：纳米材料在生物医学上的应用论文
纳米材料在生物医学上的应用论文
纳米材料在癌症治疗方面的应用现状及展望
纳米材料在癌症治疗方面的应用现状及展望
前言：尽管我们现在生活在高科技时代，科技很发达，人类的平均寿命比七、八十年代高了很多，但是癌症仍然是人类健康的头号杀手。即使在发达国家，也是如此。目前癌症在临床上可以进行手术、放疗、化疗等方法，但是大多只能杀死或转移癌细胞，但不能完全清除癌细胞，随时有可能复发。归根到底，癌症还是因发现晚、治愈难而成为致死的重要原因。到目前为止，癌症的有效治疗和诊断仍然是现代医学面临的严峻考验。纳米材料的出现为癌症的及早诊断、治疗带来了希望。
一、纳米材料在癌症早期检测和诊断方面的应用
（1）纳米粒子作为一种多功能的击靶对照反差试剂的候选物作为所有的临床成像。例如，Emory大学聂书明教授的研究小组首次用聚合物纳米颗粒层和聚乙二醇包裹的量子点在活体内同时对肿瘤进行定位和成像。还有，中国医科大学陈丽英教授将超顺磁性氧化铁纳米粒子进行相应的包裹或与靶特异性分子联结后作为造影剂使用，可以发现直径3毫米以下的肝肿瘤，结果清晰可靠。【1】
（2）哈佛大学查尔斯.利伯尔领导的研究小组阐述了采用硅纳米导线陈列装置来检测血浆中癌细胞内过度表达的微量标记蛋白质。【2】
（3）血管栓塞术可用于晚期肝、肾恶性肿瘤的治疗。磁性纳米微球可以做得更小，且易于进入末梢血管，在磁场作用下具有磁控导向、靶位栓塞等优点。例如，多柔比星纳米微粒—碘油乳剂肝动脉栓塞治疗肝癌。【3】
（4）美国弗拉迪米尔.托洛伊林为首的研究小组，把含有纳米微粒的化疗剂和称为2c5的抗体连接，在轰击人体癌细胞，通过这种方法可以减缓不同肿瘤的生长速度。【4】
二、纳米材料在癌症临床上的应用
（1）加拿大多伦多大学马格瑞特公主医院的科学家们研制了一种无毒、可生物降解和具有高灵敏度的有机纳米颗粒。可广泛适用于癌症治疗和药物传递通过它将装载的药物导入到肿瘤中进行靶向性治疗。【4】
（2）通过对纳米粒子的修饰，可以增加其对肿瘤组织的靶向特性，实现对恶性肿瘤的靶向治疗，避免抗肿瘤药物对正常细胞的损伤。【3】（3）Chavany等研究了聚氰基丙烯烷基酶纳米粒子吸附寡核苷酸的影响因素，证明了无论在缓冲写还是在细胞培养基中，结合在纳米粒子上的寡核苷酸都具有抗核酸酶的作用，可防止核苷酸的降解，有助于核苷酸传染细胞并起到了定位作用。【5】
（4）中科院生物物理所梁伟课题组首次证明了包载阿霉素的聚乙二醇衍生化磷脂纳米胶束可以选择性地在肿瘤细胞组织蓄积并渗透到深层肿瘤组织提高肿瘤细胞内的药物浓度，从而增强了阿霉素的细胞毒性、抑制肿瘤生长，延长生存时间和降低药物毒性。【1】
（5）纳米C60除了具有细胞毒性外，还能通过调节自噬途径来增加化疗药物的敏感性从而杀死癌细胞。【3】
三、纳米材料在癌症治疗方面目前研究现状
虽然纳米材料在癌症早期诊断、检测和治疗中发挥了无可比拟的特性和优势，但是仍存在许多问题尚未解决。例如，在诊断及治疗应用中，纳米材料进入人体后，产生的毒性对组织、细胞有一定影响和伤害程度。另外还有些纳米材料进入细胞后，影响肿瘤对药物的分解能力。最重要的是目前纳米技术大多应用与动物实验，用在临床上的很少。
四、纳米材料在癌症治疗方面的展望 加强对纳米技术在癌症方面的研究，可以应用纳米技术对癌症及早预防，纳米技术引起的革命将促进癌症的发展，相信将来肿瘤的治疗将在分子水平上进行，它比起抗癌药物，我看好纳米药物。
参考文献：
【1】《纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究与展望》胡德红、龚萍、蔡林涛
【2】《纳米技术瞄准癌症》马甲康、陶家祥
【4】《新型纳米技术在癌症诊断方面的应用和进展》 【5】《光催化纳米富勒烯引起的细胞自噬及辅助化疗药物治疗癌症的研究》杨雯隽、汤龙平
【3】《纳米技术的癌症方面的应用》陈祥荣
第五篇：物理学原理在工程技术中的应用(学习资料)
物理原理与工程技术
内容提要：
本书以通俗的语言介绍了物理原理与工程技术的关系，介绍了力学、热学、电磁学、光学、相对论、原子物理、半导体物理、凝聚态物理等知识及其在工程技术中的应用。特别强调物理知识在现代高新技术中的应用。全书分为15章，包括：力学原理与工程技术、流体力学与流体机械、机械波与声学技术、热能与动力、电磁理论与电磁技术、电磁波与无线电技术、半导体物理与微电子技术、传统光学技术、现代光学技术、物理效应与传感技术、真空技术及其应用、能源技术、现代测试技术、高能物理与加速器、新型功能材料。
本书主要供大专院校各类学生和工程技术人员学习使用，也可作为中学生开展素质教育和一般读者了解物理知识与工程技术关系的参考读物。编辑推荐：
本书试图以“从自然到物理、从物理到技术、从技术到生活”为脉络，所讲述的内容既有工程应用背景又与物理学原理相配套，能够使读者拓宽视野，加深其对物理学基本原理及物理学在工程技术领域前沿作用的理解。本书从工程实际出发，避开技术细节，把实际问题抽象成物理模型，并用物理学原理进行分析，提出合理的解决方案，有利于提高读者分析和解决问题的能力；在工程技术应用的具体介绍上，把侧重点放在物理原理和它在生产、生活中的应用上，而不是放在其结构和制造工艺上，并力求做到通俗易懂。主要内容包括：力学原理与工程技术、流体力学与流体机械、机械波与声学技术、热能与动力、电磁理论与电磁技术等。目录：
第一章 力学原理与工程技术
第一节 动量守恒定律与火箭推进原理
一、动量守恒定律
二、火箭推进原理
第二节 力学原理与惯性导航
一、牛顿力学的基本内容
二、陀螺仪
三、加速度计
四、惯性导航
第三节 万有引力定律与人造卫星
一、万有引力定律
二、人造卫星
三、同步卫星的发射高度和运行速度
四、人造地球卫星的应用
五、载人航天
六、航天科技产业
第四节 相对论力学与相对论效应
一、相对论的建立
二、狭义相对论效应
三、广义相对论效应和实证
第二章 流体力学与流体机械 第一节 伯努利方程及其应用
一、伯努力利方程
二、伯努利方程的应用
第二节 液压传动技术
一、液压传动的发展
二、液压传动的工作原理
三、液压传动的特性
四、液压传动的特性
五、液压传动的优缺点
第三节 水泵、质量流量计、压力表
一、水泵
二、质量流量计
三、压力测量仪表
第四节 毛细现象
一、浸润与不浸润液体
二、毛细现象
三、毛细现象的应用
第五节 空气动力学与航空航天技术
一、空气动力学
二、空气动力学与航空航天事业
第六节 风洞和风洞实验技术
一、风洞
二、风洞实验
三、风洞实验技术
第三章 机械波与声学技术
第四章 热能与动力
第五章 电磁理论与电磁技术
第六章 电磁波与无线电技术
第七章 半导体物理与微电子技术
第八章 传统光学技术
第九章 现代光学技术
第十章 物理效应与传感技术
第十一章 真空技术及其应用
第十二章 能源技术
第十三章 现代测试技术
第十四章 高能物理与加速器
第十五章 新型功能材料
参考文献
1、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。
行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快，行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律：行星距离太阳越远，它的运转周期越长；运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。
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。
经典电磁学、经典电动力学
经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。
19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。
现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。
19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。事实上，发电机无非是利用电动力学的规律，将机械能转化为电磁能：电动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用，从而对社会产生普遍而重要的影响。
光学和电磁波
光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是早在人们认识到光是电磁波以前，人们就对光进行了研究。
17世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性。
光可以为物质所发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线进行的光线来处理；但当研究深入到现象细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。
光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。
近年来利用受激辐射机制所产生的激光能够达到非常大的功率，且光束的张角非常小，其电场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。利用激光已经开辟了非线性光学等重要研究方向，激光在工业技术和医学中已经有了很多重要的应用。
现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广已成为传递信息的非常有力的工具。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中．场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。
狭义相对论和相对论力学
在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。在惯性参照系中观察，电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明，在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验，可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。狭义相对论的基本假设是：
①在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；
②对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。
相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。
著名的相对论运动学效应：
1）长度收缩：ll01vc22 出手似闪电 长剑变铁钉
2）时间延缓：01vc22
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3）同时的相对性：若：Δx’ ≠ 0 Δt’ = 0 则：Δt ≠ 0 现场直播好 时间差不少
著名的相对论动力学效应：
质能关系： Emc2
质量亏损一点点 能量释放日炎炎
当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。
狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的恃殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。
广义相对论和万有引力的基本理论
狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。
改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。
根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的隋况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检验出这种区别。广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。
原子物理学、量子力学、量子电动力学
原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态，以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为：宇宙间万物都是由原子组成的，原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。
1897年汤姆逊发现了电子，使人们认识到原子是具有内部结构的粒子。于是，经典物理学的局限性进一步的暴露出来了。为此，德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设：光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是，19世纪初被否定了的光的微粒说又以新的形式出现了。1911年，卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量，以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内，这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右，因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、符合实际的概念。在某些方面，原子类似一个极小的太阳系，只是太阳和行星之间的作用力是万有引力，而原子核和电子间的作用力是电磁力。
原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程，以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过程非常成功，理论结果同最精密的实验结果相符合。
微观客体的一个基本性质是波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念，它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。
现在看来，需要粒子和波动两种概念互相补充，才能全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理：不可能同时测准一个粒子的位置和动量，位置测得愈准，动量必然测得愈不准；动量测的愈准，位置必然测得愈不准。
量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，固此不仅应用于原子物理，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。
量子统计力学
量子力学为基础的统计力学，称为量子统计力学。经典统计力学以经典力学为基础，因而经典统计力学也具有局限性。例如：随着温度趋于绝对零度，固体的热也趋于零的实验现象，就无法用经典统计力学来解释。
在宏观世界中，看起来相同的物体总是可以区别的，在微观世界中，同一类粒子却无法区分。例如：所有的电子的一切性质都完全一样。在宏观物理现象中，将两个宏观物体交换，就得到一个和原来状态不同的状态，进行统计时必须将交换前和交换后的状态当作两个不同的状态处理；但是在一个物理系统中，交换两个电子后，得到的还是原来的状态，因此进行统计时，必须将交换前和交换后的状态当作同一个状态来处理。根据微观世界的这些规律改造经典统计力学，就得到量子统计力学。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热窖、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等，都得到了合理的解释。
固体物理学
固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。
固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子(离子、分子)有规则地排列，形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。
在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。电子不可能具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础。
电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质(如力学性质、光学性质、电磁性质等)常常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发。
晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响。例如1911年发现的低温超导现象；1960年发现的超导体的单电子隧道效应。这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关。
晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。
点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域。
非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。
原子核物理学
原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。
在原子核被发现以后，曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。
质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。
原子核主要由强相互作用将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸收一个中子以后，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。
重核分裂为轻核时会产生质量亏损，释放能量。这种释放能量的方式称为裂变。
哈恩（Otto Hahn）的实验
铀核裂变反应
235U + n → 144Ba + 89Kr + 2n + 200 MeV 钚的产生和钚核裂变反应
238U + n → 239Np + β Np → 239Pu + β
Pu + n → mX + m’Y + 2n + E 239239链式反应和临界体积
易裂变核吸收一个慢中子后发生裂变，裂变产生的中子又引起易裂变核产生新的裂变。这样一个使裂变反应持续下去的反应过程称为链式反应。
纯粹的235U体系中，若体积很小时，裂变中子大部分会逸出体系外，不能实现链式反应；若体积很大，大部分中子能再引起裂变，链式反应会进行得十分剧烈。
刚好能实现链式反应的体积称为临界体积。
纯 235U的临界体积为半径为2.4cm的球体。临界质量约为1kg。高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域，目前，已有的关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。
一公斤铀裂变时所释放的能量，相当于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量，一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程，就是太阳几十亿年来的能量来源，也是热核爆炸的能量来源。如果能使重氢的聚变反应有控制地进行，那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应，因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。
1kg的TNT炸药爆炸时释放的能量约为4200 kJ。
等离子体物理学
等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性，因此等离子体研究是十非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。
粒子物理学
目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学，又称为高能物理学。在20世纪20年代末，人们曾经认为电子和质子是基本粒子，后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中，又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性，所以现在将基本两字去掉，统称为粒子。研究这些粒子，发现它们都是配成对的。配成对的粒子称为正、反粒子。正、反粒子一部分性质完全相同，而另一部分性质完全相反。另一个重要发现是，所有粒子在一定条件下都能产生和消灭。例如：高能光子在原子核的电场中能转化为电子和正电子，电子和正电子相遇，就会同时湮没而转化为两个或三个光子。在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的离子，统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。实验发现，强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。
弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。
在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映披粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。
假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。
物理学同其他自然科学和技术之间的关系 物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。随着学科的发展，这种联系逐步显示出来。物理学也和其他学科相互渗透，产生一系列交叉学科，如：化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。
数学对物理学的发展起了重要的作用，反过来物理学也促进数学的发展。在物理学的基础性研究过程中，形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实施手段和精密的测试方法，已成为其他许多学科的重要组成部分，并产生了良好的效果。这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学都是如此。
物理学研究的重大突破导致生产技术的飞跃已经是历史事实。反过来，发展技术和生产力的要求，也有力地推动物理学研究的发展，固体物理、原子核物理、等离子体物理、激光研究、现代宇宙学等之所以迅速发展，是和技术及生产力发展的要求分不开的。
目前在物理学前沿进行研究工作，必须使用尖端技术，否则就无法使实验研究工作达到一定的深度，也很难开辟新的研究领域。因此理论和实践，基础理论和尖端技术的关系将日益密切、互相促进，并一日千里地向前推进。
2、专题一 车辆的运动问题
A、压强问题
车辆行驶在地面,受到重力P作用 车辆通过轮子或履带对地面有压力F 地面对轮子或履带有支持力F’因车辆可静止于地面
根据牛顿第二定律： FF'Pma 通常情况下： a0
故： F'P 压力F和支持力F’互为作用力与反作用力
根据牛顿第三定律:
FF'P 压强的概念
pFS 式中：F为车辆对地面的压力 S为压力对地面的作用面积
在实际计算中，S为轮胎或履带接触地面的面积 由于： F = P 故： p压强的单位：kgf/cm2 kPa(kN/m2)
PS
坦克履带对地面的压强
履带接地面积：S=2wl
二战初期的坦克对地面的压强
德国：三号坦克（Panzer III)重量：21800~22700kg 履带接地长度：l=286cm 履带宽度：w=25.1cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S
=1.518~1.581 kgf/cm =148.76~154.93 kPa 苏联：T-34型坦克（1940年~1945年）
重量：26300kg~32000kg 履带接地长度：l=368cm~385cm 履带宽度：w=40cm~50cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S =0.893~0.831 kgf/cm2 =87.51~81.44 kPa 苏联：KV-1型坦克
重量：43500kg 履带接地长度：l=448cm 履带宽度：w=65cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S =0.747 kgf/cm2 =73.21 kPa 从以上计算可以看出：
在苏德战争（俄罗斯称为卫国战争）初期，德军坦克比苏军坦克轻得多。但由于德军坦克履带宽度较小，所以德军坦克对地面的压强却更大。
2现代坦克对地面的压强
在战争中，坦克设计者逐渐意识到火力、防护、机动的重要性和三者的均衡。坦克机动性设计的组成部分就是履带和对地面的压强。战后各国根据自己国家的国情，设计了不同类型的坦克。德国：豹II型坦克 重量：55000kg 履带接地长度：l=494.5cm 履带宽度：w=63.5cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S =0.8758 kgf/cm2 =85.83 kPa 苏联：T-72型坦克 重量：41000kg 履带接地长度：l=413cm 履带宽度：w=58cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S
=0.8558 kgf/cm2 =83.87 kPa 美国：M-1型坦克 重量：54500kg 履带接地长度：l=440cm 履带宽度：w=63.5cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S
=0.9753 kgf/cm =95.58 kPa 以色列：梅卡瓦型坦克 重量：60000kg 履带接地长度：l=465cm 履带宽度：w=64cm 计算履带接触地面的面积S S=2wl 计算压强 p=P/S
=1.008 kgf/cm2 =98.78 kPa 讨论：现代轻型坦克的压强
现代轻型坦克主要用于两栖作战、空降作战
由于作战用途的不同，现代轻型坦克的质量在20吨以下，以便于江河海滩浮渡和机载运输。 曾经广泛使用的现代轻型坦克主要有： 苏联：PT76式两栖坦克 美国：M551式空降坦克 中国：63式两栖坦克 1）PT76式坦克 重量：14000 kg
履带接地长度：l = 408 cm
履带宽度：w = 36 cm 计算履带接触地面的面积S S = 2wl 计算压强 p = P/S = 0.4766 kgf/cm2 = 46.70 kPa 2）M551式坦克 重量：15830 kg
履带接地长度：l = 366 cm
履带宽度：w = 44.4 cm 2 计算履带接触地面的面积S S = 2wl 计算压强 p = P/S
= 0.4732 kgf/cm2
= 46.38 kPa 3）63式坦克
重量：18400 kg
履带接地长度：l = 444 cm
履带宽度：w = 36 cm 计算履带接触地面的面积S S = 2wl 计算压强 p = P/S = 0.5756 kgf/cm2 = 56.41 kPa
B、轮式车辆的驱动和制动
一点补充
物体机械运动的描述
质心的平动+绕质心的转动
质心平动的描述和规律
位置：xc(t)
yc(t)
zc(t)
速度：vcx(t)vcy(t)vcy(t)
加速度： acx(t)acy(t)acz(t)
牛顿第二定律：
∑Fcx = macx
∑Fcy = macy
∑Fcz = macz
绕质心的转动的描述
绕轴的转动+轴的运动角位置：绕轴的转动θ(t)
轴的运动
α(t)
进动
β(t)章动
若轴的方向不变，则无进动和章动，称为定轴转动。引起转动的物理作用：力矩
Mc = F l
其中 l 为力臂 力矩的计算
1）若： F 与 l 垂直，则： M = F l
2）若： F 与 l 成夹角γ，则： M = F l sin γ = Fn l = F h
转动定律：∑MC = JCβ
若： 角加速度β=0
则： ∑MC = 0
杠杆原理
即：使物体逆时针旋转的力矩等于使物体顺时针旋转的力矩
下图是前轮驱动 力学定律：牛顿第二定律：∑F = ma 转动定律： ∑MC = JCβ 若： β=0
则： ∑MC = 0 具体分析前轮驱动汽车的受力关系： F – f = ma N1+N2=P F h – f h+N2 l2 – N1 l1=0 联立方程，可解出N1和N2
N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)
N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)很明显： N1>N2
若是后轮驱动，N1和N2的计算结果又是如何呢？ 参考教材中第36~37页。
经过分析计算可知：后轮驱动时的N1和N2的计算结果与前轮驱动的情况是相同的。摩擦力：f =μN 式中： μ为摩擦系数
当轮胎与地面出现滑动时，μ为滑动摩擦系数
当轮胎与地面即将出现滑动时，μ=μs为最大静摩擦系数
当汽车行驶时，驱动轮的驱动力就是摩擦力，则： F =μN 若是前轮驱动： F 2=μN2 若是后轮驱动： F 1=μN1
由于：
N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)若：l1≈l2 则： F 1 > F
2故：在通常的重心设计情况下，后轮驱动更好些。
当然，采用前轮驱动设计时，可以使： l1 > l2
这样，就可使： N2 > N从而： F2 > F1
通常可采用发动机前置的办法，使车的重心前移来做到这一点。
学习资料三
制动问题
经分析发现：制动时的N1和N2的计算结果与驱动时的公式是相同的。
但此时，在公式中：a < 0 由于：
N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)
N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)当： Pl2+mah = 0
时
即当：|a| = Pl2 / mh = gl2 / h 时
N1 = 0 此时，后轮离地腾空，有翻车危险。设：l ≈ 2.5m
l2 ≈ 1.2m
h ≈ 0.7m 则： |a| ≈ 1.7g 由于：在制动时，-F-f = ma 而：F = μN2
f=μN1
N2 +N1 =mg
故：-μmg=ma 即：a=-μg
很明显：当 l2 / h ≥ μ
时
就不会翻车。
C、轮式车辆的极限加速度和极限速度
极限加速度
由前面的分析计算可知：
N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)
N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)
F – f = ma 若在极限加速度下：
F =μs Ni
（前轮驱动i=2，后轮驱动i=1）
f =μr Nj
（前轮驱动j=1，后轮驱动j=2）式中： μs 为最大静摩擦系数，μr 为滚动摩擦系数 通常： μs >μr
前轮驱动的情形
此时：
F =μs N2
f =μr N1 计算表明：
asl1rl2l1l2shrhg
后轮驱动的情形此时：
F =μs Nf =μr N2 计算表明：
a
sl2rl1l1l2shrhg
很明显：在通常情况下，后轮驱动的极限加速度更大，车辆的加速性更好。
极限速度
目前，小轿车的最大速度已在150 km/h左右。
那么，汽车的极限速度受到哪些因素的制约呢？提高极限速度的办法有哪些呢？ 很明显：当汽车达到极限速度时 a = 0 即： F – f – fa = ma = 0 式中： fa为汽车的空气阻力 前轮驱动的情形
此时：
F =μs N
2f =μr N1 即： μs N2 – μr N1 – bv2 = 0 解得： vsl1rl2l1l2mgb
后轮驱动的情形
此时：
F =μs N1
f =μr N2 即： μs N1 – μr N2 – bv2 = 0 解得： vsl2rl1mgl1l2b
很明显，前后轮驱动方式对极限速度影响不大。要提高极限速度，首先应减小空气阻力系数b；其次，可增大μs。
学习资料四
火车转向与汽车平地转向的翻车问题
火车转向问题是利用外轨超高来解决（P7-P10）。
汽车在平地转向时，由转向轮的摩擦力提供了转向力矩和向心力。但考虑汽车的侧向受力，就会发现：汽车平地转向存在翻车问题。
设：车向左转向 考虑牛顿运动定律：
NL+NR=mg fL+fR=mv2/r 考虑杠杆原理：
fLfRhNLB2NRB2
利用上述方程，解出NL和NR，可得：
NR2m2vhg2rB2m2vhgNL2rB
很明显，若：NL0
有： v
此时左侧车轮离地，有翻车危险。故：正常行驶时，应：NL0
即：
vgB2hrgB2hr
3、专题二 飞机飞行的力学原理
飞机的机翼在飞行中产生升力和阻力
机翼的升力： FY = CY v 2 机翼的阻力： FX = CX v 2
升力系数CY和阻力系数CX：
CY和CX都与气流方向和机翼运动方向（航向）的夹角有关，这一角度称为迎角。一般来说，迎角越大，升力和升力系数越大，阻力和阻力系数也越大。当迎角大于某一角度时，升力和升力系数会急剧下降。这一角度称为失速角。
特例：直升飞机
直升飞机通过旋翼的旋转运动产生升力 旋翼旋转时机体可保持静止——悬停
固定翼飞机的机体与机翼刚性连接。机翼运动产生升力，机体也随之运动。因此无法悬停。
一点补充：飞艇和热气球
飞艇是一种轻于空气的航空器，艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体（氢气或氦气）借以产生浮力使飞艇升空。
热气球是利用加热的空气低于气球外的空气密度以产生浮力飞行。自带的加热器调整气囊中空气的温度，从而控制气球升降。
一点计算
庞然大物的飞艇
设飞艇艇体结构和载重合计质量为m，艇体体积为V，空气密度为ρa，艇内气体密度为ρ，则要使飞艇升空，应有：
ρa V g >(m+ ρ V)g
即：
V > m /(ρaρ)= m /(ρ0ρ)≈ 10373 m3 太大了！很难成为实用的交通工具。
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