第一篇：物理學原理在工程技術中的應用(學習資料)

物理原理與工程技術

內(nèi)容提要：

本書以通俗的語言介紹了物理原理與工程技術的關系，介紹了力學、熱學、電磁學、光學、相對論、原子物理、半導體物理、凝聚態(tài)物理等知識及其在工程技術中的應用。特別強調物理知識在現(xiàn)代高新技術中的應用。全書分為15章，包括：力學原理與工程技術、流體力學與流體機械、機械波與聲學技術、熱能與動力、電磁理論與電磁技術、電磁波與無線電技術、半導體物理與微電子技術、傳統(tǒng)光學技術、現(xiàn)代光學技術、物理效應與傳感技術、真空技術及其應用、能源技術、現(xiàn)代測試技術、高能物理與加速器、新型功能材料。

本書主要供大專院校各類學生和工程技術人員學習使用，也可作為中學生開展素質教育和一般讀者了解物理知識與工程技術關系的參考讀物。編輯推薦：

本書試圖以“從自然到物理、從物理到技術、從技術到生活”為脈絡，所講述的內(nèi)容既有工程應用背景又與物理學原理相配套，能夠使讀者拓寬視野，加深其對物理學基本原理及物理學在工程技術領域前沿作用的理解。本書從工程實際出發(fā)，避開技術細節(jié)，把實際問題抽象成物理模型，并用物理學原理進行分析，提出合理的解決方案，有利于提高讀者分析和解決問題的能力；在工程技術應用的具體介紹上，把側重點放在物理原理和它在生產(chǎn)、生活中的應用上，而不是放在其結構和制造工藝上，并力求做到通俗易懂。主要內(nèi)容包括：力學原理與工程技術、流體力學與流體機械、機械波與聲學技術、熱能與動力、電磁理論與電磁技術等。目錄：

第一章 力學原理與工程技術

第一節(jié) 動量守恒定律與火箭推進原理

一、動量守恒定律

二、火箭推進原理

第二節(jié) 力學原理與慣性導航

一、牛頓力學的基本內(nèi)容

二、陀螺儀

三、加速度計

四、慣性導航

第三節(jié) 萬有引力定律與人造衛(wèi)星

一、萬有引力定律

二、人造衛(wèi)星

三、同步衛(wèi)星的發(fā)射高度和運行速度

四、人造地球衛(wèi)星的應用

五、載人航天

六、航天科技產(chǎn)業(yè)

第四節(jié) 相對論力學與相對論效應

一、相對論的建立

二、狹義相對論效應

三、廣義相對論效應和實證

第二章 流體力學與流體機械 第一節(jié) 伯努利方程及其應用

一、伯努力利方程

二、伯努利方程的應用

第二節(jié) 液壓傳動技術

一、液壓傳動的發(fā)展

二、液壓傳動的工作原理

三、液壓傳動的特性

四、液壓傳動的特性

五、液壓傳動的優(yōu)缺點

第三節(jié) 水泵、質量流量計、壓力表

一、水泵

二、質量流量計

三、壓力測量儀表

第四節(jié) 毛細現(xiàn)象

一、浸潤與不浸潤液體

二、毛細現(xiàn)象

三、毛細現(xiàn)象的應用

第五節(jié) 空氣動力學與航空航天技術

一、空氣動力學

二、空氣動力學與航空航天事業(yè)

第六節(jié) 風洞和風洞實驗技術

一、風洞

二、風洞實驗

三、風洞實驗技術

第三章 機械波與聲學技術

第四章 熱能與動力

第五章 電磁理論與電磁技術

第六章 電磁波與無線電技術

第七章 半導體物理與微電子技術

第八章 傳統(tǒng)光學技術

第九章 現(xiàn)代光學技術

第十章 物理效應與傳感技術

第十一章 真空技術及其應用

第十二章 能源技術

第十三章 現(xiàn)代測試技術

第十四章 高能物理與加速器

第十五章 新型功能材料

參考文獻

1、物理學概覽

物理學是研究宇宙間物質存在的基本形式、性質、運動和轉化、內(nèi)部結構等方面，從而認識這些結構的組成元素及其相互作用、運動和轉化的基本規(guī)律的科學。

物理學的各分支學科是按物質的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來自于實踐，隨著實踐的擴展和深入，物理學的內(nèi)容也在不斷擴展和深入。

隨著物理學各分支學科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學科之間開始互相滲透。物理學也逐步發(fā)展成為各分支學科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。

物理學家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進展，但現(xiàn)在離實現(xiàn)這—目標還很遙遠。看來人們對客觀世界的探索、研究是無窮無盡的。

經(jīng)典力學

經(jīng)典力學是研究宏觀物體做低速機械運動的現(xiàn)象和規(guī)律的學科。宏觀是相對于原子等微觀粒子而言的；低速是相對于光速而言的。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們?nèi)粘Ｉ钪苯咏佑|到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。

自遠古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進行天文觀察。16世紀后期，人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀開普勒從這些觀察結果中總結出了行星繞日運動的三條經(jīng)驗規(guī)律。差不多在同一時期，伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關于機械運動現(xiàn)象的初步理論。

行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉，而太陽位于這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快，行星的速度以這樣的方式變化：行星與太陽之間的連線在等時間內(nèi)掃過的面積相等。十年后開普勒發(fā)表了他的行星運動第三定律：行星距離太陽越遠，它的運轉周期越長；運轉周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。

牛頓深入研究了這些經(jīng)驗規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機械運動的基本規(guī)律，為經(jīng)典力學奠定了基礎。亞當斯根據(jù)對天王星的詳細天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預言了海王星的存在，以后果然在天文觀察中發(fā)現(xiàn)了海王星。于是牛頓所提出的力學定律和萬有引力定律被普遍接受了。

經(jīng)典力學中的基本物理量是質點的空間坐標和動量：一個力學系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)，由它的某一個質點在這一時刻的空間坐標和動量表示。對于一個不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運動形式(如熱運動、電磁運動等)的力學系統(tǒng)來說，它的總機械能就是每一個質點的空間坐標和動量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時間的變化由總能量決定。

在經(jīng)典力學中，力學系統(tǒng)的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發(fā)展表明，任何一個孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動量數(shù)值是不變的。這種守恒性質的適用范圍已經(jīng)遠遠超出了經(jīng)典力學的范圍，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。

早在19世紀，經(jīng)典力學就已經(jīng)成為物理學中十分成熟的分支學科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經(jīng)典力學的應用范圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建筑、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然，工程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，才能完全解決。機械運動中，很普遍的一種運動形式就是振動和波動。聲學就是研究這種運動的產(chǎn)生、傳播、轉化和吸收的分支學科。人們通過聲波傳遞信息，有許多物體不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過；頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發(fā)生的地震、火山爆發(fā)或核爆炸的信息；頻率很高的聲波和聲表面波已經(jīng)用于固體的研究、微波技術、醫(yī)療診斷等領域；非常強的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工等。

熱學、熱力學和經(jīng)典統(tǒng)計力學

熱學是研究熱的產(chǎn)生和傳導，研究物質處于熱狀態(tài)下的性質及其變化的學科。人們很早就有冷熱的概念。對于熱現(xiàn)象的研究逐步澄清了關于熱的一些模糊概念(例如區(qū)分了溫度和熱量)，并在此基礎上開始探索熱現(xiàn)象的本質和普遍規(guī)律。關于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學。到19世紀，熱力學已趨于成熟。

物體有內(nèi)部運動，因此就有內(nèi)部能量。19世紀的系統(tǒng)實驗研究證明：熱是物體內(nèi)部無序運動的表現(xiàn)，稱為內(nèi)能，以前稱作熱能。19世紀中期，焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關系，從而建立了熱力學第一定律：宏觀機械運動的能量與內(nèi)能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數(shù)值是不變的，因此熱力學第一定律就是能量守恒與轉換定律的一種表現(xiàn)。在卡諾研究結果的基礎上，克勞修斯等科學家提出了熱力學第二定律，表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內(nèi)部各處的溫度不盡相同，那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最后達到各處溫度都相同的狀態(tài)，也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體，不可能自動回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應用熵的概念，還可以把熱力學第二定律表達為：一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不會著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。深入研究熱現(xiàn)象的本質，就產(chǎn)生了統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學應用數(shù)學中統(tǒng)計分析的方法，研究大量粒子的平均行為。統(tǒng)計力學根據(jù)物質的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的宏觀物體的性質和行為的統(tǒng)計規(guī)律，是理論物理的一個重要分支。

非平衡統(tǒng)計力學所研究的問題復雜，直到20世紀中期以后才取得了比較大的進展。對于一個包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來說，系統(tǒng)處于無序狀態(tài)的幾率超過了處于有序狀態(tài)的幾率。孤立物理系統(tǒng)總是從比較有序的狀態(tài)趨向比較無序的狀態(tài)，在熱力學中，這就相應于熵的增加。

處于平衡狀態(tài)附近的非平衡系統(tǒng)的主要趨向是向平衡狀態(tài)過渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運和漲落，這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近20～30年來人們對于遠離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)，如耗散結構等進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但還有很多問題等待解決。

在一定時期內(nèi)，人們對客觀世界的認識總是有局限性的，認識到的只是相對的真理，經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎的經(jīng)典統(tǒng)計力學也是這樣。經(jīng)典力學應用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結構時，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學。與之相應，經(jīng)典統(tǒng)計力學也發(fā)展成為以量子力學為基礎的量子統(tǒng)計力學。

經(jīng)典電磁學、經(jīng)典電動力學

經(jīng)典電磁學是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質的學科。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎上產(chǎn)生了電磁場的概念。

現(xiàn)在人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個空間。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預言后來為赫茲的實驗所證實。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構成了經(jīng)典電動力學的基礎。事實上，發(fā)電機無非是利用電動力學的規(guī)律，將機械能轉化為電磁能：電動機無非是利用電動力學的規(guī)律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學和經(jīng)典電動力學發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動力學對生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動作用，從而對社會產(chǎn)生普遍而重要的影響。

光學和電磁波

光學研究光的性質及其和物質的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長范圍在電磁波中只占很窄的一個波段，但是早在人們認識到光是電磁波以前，人們就對光進行了研究。

17世紀對光的本質提出了兩種假說：一種假說認為光是由許多微粒組成的；另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現(xiàn)象，以后的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們在深入入研究微觀世界后，才認識到光具有波粒二象性。

光可以為物質所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的大小遠大于光波的波長時，光可以當作沿直線進行的光線來處理；但當研究深入到現(xiàn)象細節(jié)，其空間范圍和光波波長差不多大小的時候，就必須要考慮光的波動性。而研究光和微觀粒子的相互作用時，還要考慮光的粒子性。

光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質所放出來的光攜帶著關于物質內(nèi)部結構的重要信息，例如：原子所放出來原子光譜的就和原子結構密切相關。

近年來利用受激輻射機制所產(chǎn)生的激光能夠達到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場強度甚至可以超過原子內(nèi)部的電場強度。利用激光已經(jīng)開辟了非線性光學等重要研究方向，激光在工業(yè)技術和醫(yī)學中已經(jīng)有了很多重要的應用。

現(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個數(shù)量級的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣已成為傳遞信息的非常有力的工具。在經(jīng)典電磁學的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學其后的發(fā)展中，場成了非?；尽⒎浅Ｆ毡榈母拍?。在現(xiàn)代物理學中．場的概念已經(jīng)遠遠超出了電磁學的范圍，成為物質的一種基本的、普遍的存在形式。

狹義相對論和相對論力學

在經(jīng)典力學取得很大成功以后，人們習慣于將一切現(xiàn)象都歸結為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以后，人們假設存在一種名叫“以太”的媒質，它彌漫于整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質量，對物體的運動不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬有引力的影響?？梢詫⒁蕴鳛橐粋€絕對靜止的參照系，因此相對于以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。在慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。但實驗表明，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關。特別是邁克爾遜和莫雷進行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經(jīng)典物理學中關于時間、空間和以太的概念相矛盾。愛因斯坦從這些實驗事實出發(fā)，對空間、時間的概念進行了深刻的分析，提出了狹義相對論，從而建立了新的時空觀念。狹義相對論的基本假設是：

①在一切慣性參照系中，基本物理規(guī)律都一樣，都可用同一組數(shù)學方程來表達；

②對于任何一個光源發(fā)出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結果都相等。在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。因此尺的長短，時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，并不是一切都是相對的。

相對論力學的另一個重要結論是：質量和能量是可以相互轉化的。假使質量是物質的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上面的結論：物質和運動之間存在著不可分割的聯(lián)系，不存在沒有運動的物質，也不存在沒有物質的運動，兩者可以相互轉化。這一規(guī)律己在核能的研究和實踐中得到了證實。

著名的相對論運動學效應：

1）長度收縮：l?l01?vc22 出手似閃電 長劍變鐵釘

2）時間延緩：???01?vc22

章魚保羅高速飛 來年再算世界杯

3）同時的相對性：若：Δx’ ≠ 0 Δt’ = 0 則：Δt ≠ 0 現(xiàn)場直播好 時間差不少

著名的相對論動力學效應：

質能關系： E?mc2

質量虧損一點點 能量釋放日炎炎

當物體的速度遠小于光速時，相對論力學定律就趨近于經(jīng)典力學定律。固此在低速運動時，經(jīng)典力學定律仍然是很好的相對真理，非常適合用來解決工程技術中的力學問題。

狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的恃殊形式。由于空間和時間是物質存在的普遍形式，因此狹義相對論對于物理學產(chǎn)生了廣泛而又深遠的影響。

廣義相對論和萬有引力的基本理論

狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產(chǎn)生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也要加以改造。

改造的關鍵來自厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質量和引力質量相等，固此不論行星的質量多大多小，只要在某一時刻它們的空間坐標和速度都相同，那末它們的運行軌道都將永遠相同。這個結論啟發(fā)了愛因斯坦設想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。

根據(jù)廣義相對論，空間、時間的彎曲結構決定于物質的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結論趨于一致；當引力較強，空間、時間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過這種區(qū)別常常很小，難以在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在，還只有四種實驗能檢驗出這種區(qū)別。廣義相對論不僅對于天體的結構和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結構和演化也有重要意義。

原子物理學、量子力學、量子電動力學

原子物理學研究原子的性質、內(nèi)部結構、內(nèi)部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒不變的物質最終單元。

1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認識到原子是具有內(nèi)部結構的粒子。于是，經(jīng)典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此，德國科學家普朗克提出了同經(jīng)典物理學相矛盾的假設：光是由一粒一粒光子組成的。這一假設導出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。于是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)了。1911年，盧瑟福用粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子的絕大部分質量，以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內(nèi)部結構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。

原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學和量子電動力學。它們與經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學的主要區(qū)別是：物理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的；它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)計規(guī)律。應用量子力學和量子電動力學研究原子結構、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉化過程非常成功，理論結果同最精密的實驗結果相符合。

微觀客體的一個基本性質是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象。

現(xiàn)在看來，需要粒子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質。這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準原理：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測的愈準，位置必然測得愈不準。

量子力學和量子電動力學產(chǎn)生于原子物理學的研究，但是它們起作用的范圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，固此不僅應用于原子物理，也應用于分子物理學、原子核物理學以及宏觀物體的微觀結構的研究。量子電動力學則是所有微觀電磁現(xiàn)象所必須遵循的規(guī)律，直到現(xiàn)在，還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動力學的局限性。

量子統(tǒng)計力學

量子力學為基礎的統(tǒng)計力學，稱為量子統(tǒng)計力學。經(jīng)典統(tǒng)計力學以經(jīng)典力學為基礎，因而經(jīng)典統(tǒng)計力學也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對零度，固體的熱也趨于零的實驗現(xiàn)象，就無法用經(jīng)典統(tǒng)計力學來解釋。

在宏觀世界中，看起來相同的物體總是可以區(qū)別的，在微觀世界中，同一類粒子卻無法區(qū)分。例如：所有的電子的一切性質都完全一樣。在宏觀物理現(xiàn)象中，將兩個宏觀物體交換，就得到一個和原來狀態(tài)不同的狀態(tài)，進行統(tǒng)計時必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作兩個不同的狀態(tài)處理；但是在一個物理系統(tǒng)中，交換兩個電子后，得到的還是原來的狀態(tài)，因此進行統(tǒng)計時，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作同一個狀態(tài)來處理。根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計力學，就得到量子統(tǒng)計力學。應用量子統(tǒng)計力學就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計力學無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什么對比熱的貢獻如此小等等，都得到了合理的解釋。

固體物理學

固體物理學是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內(nèi)部運動，以及這種微觀結構和內(nèi)部運動同固體的宏觀性質的關系的學科。固體的內(nèi)部結構和運動形式很復雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內(nèi)部結構簡單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內(nèi)部結構、內(nèi)部運動以及它們和宏觀物理性質的關系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學。

固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學和量子電動力學的規(guī)律。在晶體中，原子(離子、分子)有規(guī)則地排列，形成點陣。20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發(fā)展了X射線衍射法，用以研究晶體點陣結構。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射法，使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。

在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究，高質量的半導體單晶生長和摻雜技術，為晶體管的產(chǎn)生準備了理論基礎。

電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質，晶體的許多性質(如力學性質、光學性質、電磁性質等)常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內(nèi)部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)。

晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內(nèi)部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。

晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最低的形式；當晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變，相變會導致晶體物理性質的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。

點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內(nèi)部的點陣結構總會有缺陷：化學成分不會絕對純，內(nèi)部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質(包括力學、電學、碰學、發(fā)光學等)以及功能材料的技術性能，常常會產(chǎn)生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質和缺陷是很重要的晶體的表面性質和界面性質，會對許多物理過程和化學過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域。

非晶態(tài)固體內(nèi)部結構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質，使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域。

固體物理對于技術的發(fā)展有很多重要的應用，晶體管發(fā)明以后，集成電路技術迅速發(fā)展，電子學技術、計算技術以至整個信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學也是材料科學的基礎。

原子核物理學

原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學是研究原子核的性質，它的內(nèi)部結構、內(nèi)部運動、內(nèi)部激發(fā)狀態(tài)、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程的學科。

在原子核被發(fā)現(xiàn)以后，曾經(jīng)以為原子核是由質子和電子組成的。1932年，英國科學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認識到原子核可能具有更復雜的結構。

質子和中子統(tǒng)稱為核子，中子不帶電，質子帶正電荷，因此質子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大萬億億倍以上。所以，一定存在第三種基本相互作用——強相互作用力。人們將核子結合成為原子核的力稱為核力，核力來源于強相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計，核力的有效作用距離力程約為一千萬億分之一米。

原子核主要由強相互作用將核子結合而成，當原子核的結構發(fā)生變化或原子核之間發(fā)生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個中子以后，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二十到三十中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出巨大的能量。這種原子核熔合過程叫作聚變。粒子加速器的發(fā)明和裂變反應堆的建成，使人們能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子。可以用來轟擊原子核，系統(tǒng)地開展關于原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。

重核分裂為輕核時會產(chǎn)生質量虧損，釋放能量。這種釋放能量的方式稱為裂變。

哈恩（Otto Hahn）的實驗

鈾核裂變反應

235U + n → 144Ba + 89Kr + 2n + 200 MeV 钚的產(chǎn)生和钚核裂變反應

238U + n → 239Np + β Np → 239Pu + β

Pu + n → mX + m’Y + 2n + E 239239鏈式反應和臨界體積

易裂變核吸收一個慢中子后發(fā)生裂變，裂變產(chǎn)生的中子又引起易裂變核產(chǎn)生新的裂變。這樣一個使裂變反應持續(xù)下去的反應過程稱為鏈式反應。

純粹的235U體系中，若體積很小時，裂變中子大部分會逸出體系外，不能實現(xiàn)鏈式反應；若體積很大，大部分中子能再引起裂變，鏈式反應會進行得十分劇烈。

剛好能實現(xiàn)鏈式反應的體積稱為臨界體積。

純 235U的臨界體積為半徑為2.4cm的球體。臨界質量約為1kg。高能物理研究發(fā)現(xiàn)，核子還有內(nèi)部結構。原子核結構是一個比原子結構更為復雜的研究領域，目前，已有的關于原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論，其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規(guī)律。

一公斤鈾裂變時所釋放的能量，相當于約兩萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量，一公斤重氫原子核聚變所釋放的能量還要大幾倍。輕原子核聚變?yōu)檩^重的原子核并釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。如果能使重氫的聚變反應有控制地進行，那么能源問題就將得到較徹底的解決。由于放射性同位素所放出的射線能產(chǎn)生各種物理效應、化學效應和生物效應，因此放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學和科學研究中有廣泛的應用。

1kg的TNT炸藥爆炸時釋放的能量約為4200 kJ。

等離子體物理學

等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質和運動規(guī)律的學科。宇宙間的大部分物質處于等離子體狀態(tài)。例如：太陽中心區(qū)的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質處于等離子體狀態(tài)。地球高空的電離層也處于等離子體狀態(tài)。19世紀以來對于氣體放電的研究、20世紀初以來對于高空電離層的研究，推動了等離子體的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使等離子體物理學研究蓬勃發(fā)展。

等離子體內(nèi)部存在著很多種運動形式，并且相互轉化著，高溫等離子體還有多種不穩(wěn)定性，因此等離子體研究是十非常復雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數(shù)學方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。

粒子物理學

目前對所能探測到的物質結構最深層次的研究稱為粒子物理學，又稱為高能物理學。在20世紀20年代末，人們曾經(jīng)認為電子和質子是基本粒子，后來又發(fā)現(xiàn)了中子。在宇宙射線研究和后來利用高能加速器進行的實驗研究中，又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的粒子。這些粒子的性質很有規(guī)律性，所以現(xiàn)在將基本兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。研究這些粒子，發(fā)現(xiàn)它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質完全相同，而另一部分性質完全相反。另一個重要發(fā)現(xiàn)是，所有粒子在一定條件下都能產(chǎn)生和消滅。例如：高能光子在原子核的電場中能轉化為電子和正電子，電子和正電子相遇，就會同時湮沒而轉化為兩個或三個光子。在實驗上把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子分為兩大類。一類是不參與強相互作用的離子，統(tǒng)稱為輕子。另一類是參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中絕大部分是強子。實驗發(fā)現(xiàn)，強子也具有內(nèi)部結構。強子內(nèi)部帶點電荷的東西在外國稱為夸克，中國的部分物理學家稱之為層子。因為他們認為：即使層子也不是物質的始元，也只不過是物質結構無窮層次中的一個層次而已。雖然層子在強子內(nèi)部可以相當自由地運動，但即使用目前加速器所能產(chǎn)生的能量最高的粒子束轟擊強子，也沒有能將層子打出來，使它們成為處于自由狀態(tài)的層子。將層子囚禁在強子內(nèi)部是強相互作用所獨有的性質，這種性質稱為“囚禁”。

弱相互作用也有其獨特的性質。它的基本規(guī)律對于左和右，正、反粒子，過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預言，不久在實驗上為吳健雄所證實的宇稱在弱相互作用中的不守恒。

在量子場論中，各種粒子均用相應的量子場來反映。空間、時間中每一點的量子場均以算符來表示，稱為場算符。這些場算符滿足一定的微分方程和對應關系或反對應關系。量子場的確既能反映披粒二象性，又能反映粒子的產(chǎn)生和消滅，還能自然地反映正、反粒子配成對的現(xiàn)象。

對稱性在物理學中占有很重要的地位?？梢宰C明，假使物理基本規(guī)律具有某種對稱性，與之相應就有某種守恒定律。例如：假使物理基本規(guī)律在任何時間都一樣，與之相應就有能量守恒定律：假使物理基本規(guī)律對于相變換具有不變性，與之相應就有電荷守恒定律。

假使物理規(guī)律的某種對稱性是定域的，那么與之相應一定存在某種基本相互作用。目前已經(jīng)通過實驗嚴格檢驗的廣義相對論、量子電動力學和電弱統(tǒng)一理論都來源于定域對稱性。也就是說：萬有引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都來源于定域對稱性。

物理學同其他自然科學和技術之間的關系 物質的各種存在形式和運動形式之間普遍存在著聯(lián)系。隨著學科的發(fā)展，這種聯(lián)系逐步顯示出來。物理學也和其他學科相互滲透，產(chǎn)生一系列交叉學科，如：化學物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理、天體物理等等。

數(shù)學對物理學的發(fā)展起了重要的作用，反過來物理學也促進數(shù)學的發(fā)展。在物理學的基礎性研究過程中，形成和發(fā)展出來的基本概念、基本理論、基本實施手段和精密的測試方法，已成為其他許多學科的重要組成部分，并產(chǎn)生了良好的效果。這對于天文學、化學、生物學、地學、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)科學都是如此。

物理學研究的重大突破導致生產(chǎn)技術的飛躍已經(jīng)是歷史事實。反過來，發(fā)展技術和生產(chǎn)力的要求，也有力地推動物理學研究的發(fā)展，固體物理、原子核物理、等離子體物理、激光研究、現(xiàn)代宇宙學等之所以迅速發(fā)展，是和技術及生產(chǎn)力發(fā)展的要求分不開的。

目前在物理學前沿進行研究工作，必須使用尖端技術，否則就無法使實驗研究工作達到一定的深度，也很難開辟新的研究領域。因此理論和實踐，基礎理論和尖端技術的關系將日益密切、互相促進，并一日千里地向前推進。

2、專題一 車輛的運動問題

A、壓強問題

車輛行駛在地面,受到重力P作用 車輛通過輪子或履帶對地面有壓力F 地面對輪子或履帶有支持力F’因車輛可靜止于地面

根據(jù)牛頓第二定律： F?F'?P?ma 通常情況下： a?0

故： F'??P 壓力F和支持力F’互為作用力與反作用力

根據(jù)牛頓第三定律:

F??F'?P 壓強的概念

p?FS 式中：F為車輛對地面的壓力 S為壓力對地面的作用面積

在實際計算中，S為輪胎或履帶接觸地面的面積 由于： F = P 故： p?壓強的單位：kgf/cm2 kPa(kN/m2)

PS

坦克履帶對地面的壓強

?

履帶接地面積：S=2wl

二戰(zhàn)初期的坦克對地面的壓強

德國：三號坦克（Panzer III)重量：21800~22700kg 履帶接地長度：l=286cm 履帶寬度：w=25.1cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S

=1.518~1.581 kgf/cm =148.76~154.93 kPa 蘇聯(lián)：T-34型坦克（1940年~1945年）

重量：26300kg~32000kg 履帶接地長度：l=368cm~385cm 履帶寬度：w=40cm~50cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S =0.893~0.831 kgf/cm2 =87.51~81.44 kPa 蘇聯(lián)：KV-1型坦克

重量：43500kg 履帶接地長度：l=448cm 履帶寬度：w=65cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S =0.747 kgf/cm2 =73.21 kPa 從以上計算可以看出：

在蘇德戰(zhàn)爭（俄羅斯稱為衛(wèi)國戰(zhàn)爭）初期，德軍坦克比蘇軍坦克輕得多。但由于德軍坦克履帶寬度較小，所以德軍坦克對地面的壓強卻更大。

2現(xiàn)代坦克對地面的壓強

在戰(zhàn)爭中，坦克設計者逐漸意識到火力、防護、機動的重要性和三者的均衡。坦克機動性設計的組成部分就是履帶和對地面的壓強。戰(zhàn)后各國根據(jù)自己國家的國情，設計了不同類型的坦克。德國：豹II型坦克 重量：55000kg 履帶接地長度：l=494.5cm 履帶寬度：w=63.5cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S =0.8758 kgf/cm2 =85.83 kPa 蘇聯(lián)：T-72型坦克 重量：41000kg 履帶接地長度：l=413cm 履帶寬度：w=58cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S

=0.8558 kgf/cm2 =83.87 kPa 美國：M-1型坦克 重量：54500kg 履帶接地長度：l=440cm 履帶寬度：w=63.5cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S

=0.9753 kgf/cm =95.58 kPa 以色列：梅卡瓦型坦克 重量：60000kg 履帶接地長度：l=465cm 履帶寬度：w=64cm 計算履帶接觸地面的面積S S=2wl 計算壓強 p=P/S

=1.008 kgf/cm2 =98.78 kPa 討論：現(xiàn)代輕型坦克的壓強

? 現(xiàn)代輕型坦克主要用于兩棲作戰(zhàn)、空降作戰(zhàn)

? 由于作戰(zhàn)用途的不同，現(xiàn)代輕型坦克的質量在20噸以下，以便于江河海灘浮渡和機載運輸。? 曾經(jīng)廣泛使用的現(xiàn)代輕型坦克主要有： ? 蘇聯(lián)：PT76式兩棲坦克 ? 美國：M551式空降坦克 ? 中國：63式兩棲坦克 1）PT76式坦克 重量：14000 kg

履帶接地長度：l = 408 cm

履帶寬度：w = 36 cm ? 計算履帶接觸地面的面積S S = 2wl ? 計算壓強 p = P/S = 0.4766 kgf/cm2 = 46.70 kPa 2）M551式坦克 重量：15830 kg

履帶接地長度：l = 366 cm

履帶寬度：w = 44.4 cm 2? 計算履帶接觸地面的面積S S = 2wl ? 計算壓強 p = P/S

= 0.4732 kgf/cm2

= 46.38 kPa 3）63式坦克

重量：18400 kg

履帶接地長度：l = 444 cm

履帶寬度：w = 36 cm ? 計算履帶接觸地面的面積S S = 2wl ? 計算壓強 p = P/S = 0.5756 kgf/cm2 = 56.41 kPa

B、輪式車輛的驅動和制動

一點補充

物體機械運動的描述

質心的平動+繞質心的轉動

質心平動的描述和規(guī)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)

牛頓第二定律：

∑Fcx = macx

∑Fcy = macy

∑Fcz = macz

繞質心的轉動的描述

繞軸的轉動+軸的運動角位置：繞軸的轉動θ(t)

軸的運動

α(t)

進動

β(t)章動

若軸的方向不變，則無進動和章動，稱為定軸轉動。引起轉動的物理作用：力矩

Mc = F l

其中 l 為力臂 力矩的計算

1）若： F 與 l 垂直，則： M = F l

2）若： F 與 l 成夾角γ，則： M = F l sin γ = Fn l = F h

轉動定律：∑MC = JCβ

? 若： 角加速度β=0

則： ∑MC = 0

杠桿原理

即：使物體逆時針旋轉的力矩等于使物體順時針旋轉的力矩

下圖是前輪驅動 力學定律：牛頓第二定律：∑F = ma 轉動定律： ∑MC = JCβ 若： β=0

則： ∑MC = 0 具體分析前輪驅動汽車的受力關系： F – f = ma N1+N2=P F h – f h+N2 l2 – N1 l1=0 聯(lián)立方程，可解出N1和N2

N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)

N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)很明顯： N1>N2

若是后輪驅動，N1和N2的計算結果又是如何呢？ 參考教材中第36~37頁。

經(jīng)過分析計算可知：后輪驅動時的N1和N2的計算結果與前輪驅動的情況是相同的。摩擦力：f =μN 式中： μ為摩擦系數(shù)

當輪胎與地面出現(xiàn)滑動時，μ為滑動摩擦系數(shù)

當輪胎與地面即將出現(xiàn)滑動時，μ=μs為最大靜摩擦系數(shù)

當汽車行駛時，驅動輪的驅動力就是摩擦力，則： F =μN 若是前輪驅動： F 2=μN2 若是后輪驅動： F 1=μN1

由于：

N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)若：l1≈l2 則： F 1 > F

2故：在通常的重心設計情況下，后輪驅動更好些。

當然，采用前輪驅動設計時，可以使： l1 > l2

這樣，就可使： N2 > N從而： F2 > F1

通?？刹捎冒l(fā)動機前置的辦法，使車的重心前移來做到這一點。

學習資料三

制動問題

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：制動時的N1和N2的計算結果與驅動時的公式是相同的。

但此時，在公式中：a < 0 由于：

N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)

N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)當： Pl2+mah = 0

時

即當：|a| = Pl2 / mh = gl2 / h 時

N1 = 0 此時，后輪離地騰空，有翻車危險。設：l ≈ 2.5m

l2 ≈ 1.2m

h ≈ 0.7m 則： |a| ≈ 1.7g 由于：在制動時，-F-f = ma 而：F = μN2

f=μN1

N2 +N1 =mg

故：-μmg=ma 即：a=-μg

很明顯：當 l2 / h ≥ μ

時

就不會翻車。

C、輪式車輛的極限加速度和極限速度

極限加速度

由前面的分析計算可知：

N1 =(Pl2+mah)/(l1+l2)

N2 =(Pl1-mah)/(l1+l2)

F – f = ma 若在極限加速度下：

F =μs Ni

（前輪驅動i=2，后輪驅動i=1）

f =μr Nj

（前輪驅動j=1，后輪驅動j=2）式中： μs 為最大靜摩擦系數(shù)，μr 為滾動摩擦系數(shù) 通常： μs >μr

前輪驅動的情形

此時：

F =μs N2

f =μr N1 計算表明：

a??sl1??rl2l1?l2??sh??rh?g

后輪驅動的情形此時：

F =μs Nf =μr N2 計算表明：

a?

?sl2??rl1l1?l2??sh??rh?g

很明顯：在通常情況下，后輪驅動的極限加速度更大，車輛的加速性更好。

極限速度

目前，小轎車的最大速度已在150 km/h左右。

那么，汽車的極限速度受到哪些因素的制約呢？提高極限速度的辦法有哪些呢？ 很明顯：當汽車達到極限速度時 a = 0 即： F – f – fa = ma = 0 式中： fa為汽車的空氣阻力 前輪驅動的情形

此時：

F =μs N

2f =μr N1 即： μs N2 – μr N1 – bv2 = 0 解得： v??sl1??rl2l1?l2?mgb

后輪驅動的情形

此時：

F =μs N1

f =μr N2 即： μs N1 – μr N2 – bv2 = 0 解得： v??sl2??rl1mgl1?l2?b

很明顯，前后輪驅動方式對極限速度影響不大。要提高極限速度，首先應減小空氣阻力系數(shù)b；其次，可增大μs。

學習資料四

火車轉向與汽車平地轉向的翻車問題

火車轉向問題是利用外軌超高來解決（P7-P10）。

汽車在平地轉向時，由轉向輪的摩擦力提供了轉向力矩和向心力。但考慮汽車的側向受力，就會發(fā)現(xiàn)：汽車平地轉向存在翻車問題。

設：車向左轉向 考慮牛頓運動定律：

NL+NR=mg fL+fR=mv2/r 考慮杠桿原理：

?fL?fR?h?NL?B2?NR?B2

利用上述方程，解出NL和NR，可得：

NR2m?2vh??g????2?rB??2m?2vh??g??NL??2?rB??

很明顯，若：NL?0

有： v?

此時左側車輪離地，有翻車危險。故：正常行駛時，應：NL?0

即：

v?gB2h?rgB2h?r

3、專題二 飛機飛行的力學原理

飛機的機翼在飛行中產(chǎn)生升力和阻力

機翼的升力： FY = CY v 2 機翼的阻力： FX = CX v 2

升力系數(shù)CY和阻力系數(shù)CX：

CY和CX都與氣流方向和機翼運動方向（航向）的夾角有關，這一角度稱為迎角。一般來說，迎角越大，升力和升力系數(shù)越大，阻力和阻力系數(shù)也越大。當迎角大于某一角度時，升力和升力系數(shù)會急劇下降。這一角度稱為失速角。

特例：直升飛機

? 直升飛機通過旋翼的旋轉運動產(chǎn)生升力 ? 旋翼旋轉時機體可保持靜止——懸停

?

固定翼飛機的機體與機翼剛性連接。機翼運動產(chǎn)生升力，機體也隨之運動。因此無法懸停。

一點補充：飛艇和熱氣球

?

飛艇是一種輕于空氣的航空器，艇體的氣囊內(nèi)充以密度比空氣小的浮升氣體（氫氣或氦氣）借以產(chǎn)生浮力使飛艇升空。

?

熱氣球是利用加熱的空氣低于氣球外的空氣密度以產(chǎn)生浮力飛行。自帶的加熱器調整氣囊中空氣的溫度，從而控制氣球升降。

一點計算

? 龐然大物的飛艇

設飛艇艇體結構和載重合計質量為m，艇體體積為V，空氣密度為ρa，艇內(nèi)氣體密度為ρ，則要使飛艇升空，應有：

ρa V g >(m+ ρ V)g

即：

V > m /(ρaρ)= m /(ρ0ρ)≈ 10373 m3 ? 太大了！很難成為實用的交通工具。

第二篇：計算機在物理學中的應用教學大綱

甘肅民族師范學院物理教育專業(yè)課程教學大綱

計算機在物理學中的應用

一、說明

（一）課程性質

本課程是專業(yè)方向課。本課程需要有大學計算機以及普通物理的知識。

（二）教學目的本課程設計主要目的是熟悉和掌握MATLAB語言的應用環(huán)境、調試命令，各種基本命令和高級操作命令，函數(shù)和數(shù)據(jù)可視，操作界面設計等，為后續(xù)的專業(yè)課程提供有力的工具。以掌握MATLAB軟件的基礎知識為主，使學生通過編程實例掌握MATLAB語言的編程基礎與技巧、并將之運用到的實際物理問題中。

（三）教學內(nèi)容

本課程主要講授三部分內(nèi)容：

1．MATLAB程序設計基礎

2．矩陣線性代數(shù)算法實現(xiàn)

3．數(shù)據(jù)處理

（四）教學時數(shù)：

30學時

（五）教學方式：

采用講授、討論和研究相結合的方法進行教學。

二、本文

第一章MATLAB程序設計基礎

教學要點：

常量與變量 數(shù)組 運算符 m文件

教學時數(shù)：

10學時

教學內(nèi)容：

第一節(jié) 常量與變量（3學時）

特殊常量一般變量

第二節(jié) 數(shù)組與運算符（4學時）

細胞數(shù)組與結構數(shù)組 算術運算符 關系運算符 邏輯算術符

第三節(jié) m文件（3學時）

命令文件 函數(shù)文件

考核要求：

1．理解常量與變量區(qū)別。

2．掌握建立與引用數(shù)組的方法，熟練運用運算符。

3．掌握m文件編輯、調用與調試。

第二章矩陣線性代數(shù)算法實現(xiàn)

教學要點：

矩陣的生成 矩陣的部分擴充、刪除、修改、變維、數(shù)據(jù)變換 特殊矩陣矩陣的基本運算齊次線性方程組通解的解法 非齊次線性方程組通解的解法

教學時數(shù)：

10學時

教學內(nèi)容：

第一節(jié) 矩陣的生成與修改（3學時）

矩陣的生成的方法 矩陣的部分擴充、刪除、修改、變維、數(shù)據(jù)變換 特殊矩陣

第二節(jié) 矩陣基本運算與高級運算（4學時）

矩陣的基本運算與矩陣函數(shù) 矩陣的逆與偽逆 矩陣與向量的范數(shù) 競爭的分解

第三節(jié) 求線性方程組的解（3學時）

齊次線性方程組通解的解法 非齊次線性方程組通解的解法

考核要求：

1．掌握矩陣的生成與修改的方法

2．掌握矩陣基本運算與高級運算

3．熟練求解線性方程組

第三章數(shù)據(jù)處理

教學要點：

曲線擬合 求解偏微分方程 泰勒展開

教學時數(shù)：

15學時

教學內(nèi)容：

第一節(jié) 數(shù)據(jù)插值（3學時）

一維插值 二維插值 曲線擬合第二節(jié) 數(shù)值計算（3學時）

求解常微分方程 求解偏微分方程

第三節(jié) 符號計算（4學時）

符號定義 符號運算

考核要求：

1．掌握數(shù)據(jù)插值的方法

2．掌握數(shù)值計算。

3．掌握符號計算

三、參考書目：

1.徐金明，《MATLAB實用教程》，清華大學出版社，2005年。

2.孫蓬，《MATLAB基礎教程》，清華大學出版社，2011年。

四、本課程使用教具和現(xiàn)代教育技術的指導性意見

本課程是專業(yè)方向課程，此課程的特點是力求理論的系統(tǒng)性。在教學中要采用常規(guī)教學與多媒體教學相結合的課堂教學方法以及圖片，幻燈片等資料，使教學內(nèi)容豐富多彩。

五、課外學習

（一）課外讀書

1、目標

通過廣泛而有序的課外讀書獲取、篩選信息，開闊學生的視野、豐富學生的知識、培養(yǎng)適應社會發(fā)展的各種能力。

2、閱讀書目

（1）張圣勤，《MATLAB 7.0實用教程》，高等教育出版社，2006年。

3、學習要求

（1）復述性理解：理解讀物所傳遞的基本信息和讀物提供的內(nèi)容；

（2）解釋性理解：把讀物內(nèi)容轉化為自己的認識；

（3）評價性理解：對所讀材料內(nèi)容做出自己的判斷；

（4）創(chuàng)造性理解：逐步培養(yǎng)學生探究性閱讀和創(chuàng)造性閱讀的能力，提倡多角度的、有創(chuàng)意的閱讀，利用閱讀期待、閱讀反思和批判等環(huán)節(jié)，拓展思維空間，提高閱讀質量。

4、時間安排

課余時間以學生自學為主，教師不定期安排指導課不少于4個學時。

5、評價方式

通過檢查學生的讀書筆記、摘記、閱讀卡等書面材料，以量化的形式定時、定量甚至定主題地來評價學生的閱讀情況。同時通過學生間的互相檢查，來達到評價的目的。使課外閱讀能夠趨于常規(guī)化，做到天天讀、周周讀、月月讀，同時也充分挖掘了學生自我評價能力。評價可分為優(yōu)、良、中、及格和不及格五個檔次。

（二）課外討論

1、目標

通過有組織的課外專題討論形式，培養(yǎng)學生的語言表達能力和邏輯推理能力、激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維能力，豐富學生的知識、使學生成長為適應社會發(fā)展需求的合格人才。

2、討論內(nèi)容

討論MATLAB在物理學中應用的相關問題。

3、討論要求

圍繞教學中心制定討論計劃，通過有組織的課外討論，使學生在語言表達能力和邏輯推理能力、以及創(chuàng)造性思維能力等方面得到較大提高，掌握小型討論會的組織方法，并能夠較為熟練地掌握各種討論技巧和方法。

4、時間安排

全學期組織二次班級討論會，可以設置興趣小組，或者集體討論。

5、評價方式

教師參與學生討論會，并對學生討論的綜合能力做出客觀評價，同時鼓勵學生間的互相評價和自我評價。評價可分為優(yōu)、良、中、及格和不及格五個檔次。

（三）實踐活動

1、目標

實踐活動的教學安排，主要目的是促使學生比較扎實的掌握專業(yè)技能，提高學生專業(yè)實踐能力與創(chuàng)新素質。主要辦法是強化實訓教學的力度。在校內(nèi)專業(yè)實驗室，由輔導教師專門指導，解決所遇到的各種難題。

2、實踐內(nèi)容

利用MATLAB解量子力學、電動力學、理論力學、統(tǒng)計物理中相關方程。

3、實踐要求

對實踐內(nèi)容有所了解，甚至熟練掌握。

4、時間安排

雙周進行一次實踐活動。

5、評價方式

根據(jù)學生的出勤、實習態(tài)度，完成的實訓報告及各項操作的質量，實訓小組的團隊配合，個人創(chuàng)新能力等多方面綜合評定。

主要項目標準：

（1）考勤、紀律、態(tài)度占10％；

（2）實訓報告占40％；

（3）操作演練達標占40％；

（4）其他綜合占10％；

實踐活動結束，指導教師根據(jù)學生在每一階段的成績綜合給出最終評價；評價可分為優(yōu)、良、中、及格和不及格五個檔次。

（四）課外作業(yè)

1、目標

（1）復習鞏固上課所學的知識或檢查課堂效果；

（2）培養(yǎng)學生的軟件應用，提高信息素質；

（3）培養(yǎng)學生嚴謹、認真的學習習慣。

2、作業(yè)內(nèi)容

每章講完后根據(jù)學生的實際情況布置適當?shù)淖鳂I(yè)。

3、作業(yè)要求

快速閱讀科技文獻并翻譯相關科技文獻。

4、時間安排

約每二周布置一次作業(yè)。

5、評價方式

任課教師按照作業(yè)要求對學生作業(yè)給出最終評價；評價可分為優(yōu)、良、中、及格和不及格五個檔次。

第三篇：基因工程技術在廢水處理中的應用

基因工程技術在廢水處理中的應用

李孟 廖改霞

（武漢理工大學市政工程系，湖北 武漢 430070）

【摘要】基因工程技術是在DNA分子水平上按照人們的意愿進行的定向改造生物的新技術。利用基因工程技術提高微生物凈化環(huán)境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。本文介紹了基因工程技術的原理、特點和主要研究內(nèi)容，重點闡述了基因工程技術在廢水處理中的應用,并對其研究方向作了展望。關鍵詞：基因工程 技術 廢水處理 應用

The application of gene engineering technique to wastewater treatment

Li Meng

Liao Gaixia(Department of Municipal Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070)Abstract: Gene engineering technique was the new technique for modifying living beings according to human wishes on the DNA molecular level and the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The paper introduced the principle, characteristic, main research content of gene engineering technique, emphasized on formulating the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering

technique

wastewater treatment

application

利用基因工程技術提高微生物凈化污染物的能力是現(xiàn)代生物技術用于廢水治理的一項關鍵技術。20世紀50年代初,由于分子生物學和生物化學的發(fā)展,對生物細胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)的結構和功能有了比較清晰的闡述。20世紀70年代初實現(xiàn)了DNA重組技術,逐步形成了以基因工程為核心內(nèi)容,包括細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程的生物技術。這一技術發(fā)展到今天,正形成產(chǎn)業(yè)化并列為世界領先專業(yè)技術領域之一,廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力,將為世界面臨的水污染等問題的解決提供廣闊的應用前景[1]。基因工程技術概述

基因工程技術是一種按照人們的構思和設計,在體外將一種生物的個別基因插入病毒、質粒或其他載體分子,構成遺傳物質的重組,然后導入到原先沒有這類分子的受體細胞內(nèi)，能持續(xù)穩(wěn)定地進行無性繁殖,使重組基因在受體細胞內(nèi)表達,產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)品的操作技術。基因工程技術是一項極為復雜的高新生物技術,它具有高效、經(jīng)濟、清潔、低耗、可持續(xù)發(fā)展、預見性和準確性等特點[2]。一個完整的基因工程技術流程一般包括目的基因的獲得、載體的制備、目的基因與載體的連接、基因的轉移、陽性克隆的篩選、基因的表達、基因工程產(chǎn)品的分離提純等過程[1]。基因工程技術在廢水處理中的應用

基因工程技術應用于廢水處理是水處理領域一項具有廣泛應用前景的新興技術。常規(guī)的廢水處理方法有物化法、生物法等。由于一般的物化方法只是污染物的轉移，不能從根本上治理，且容易造成二次污染，成本也較高，生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性及其成分的復雜性，自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限，如果能利用基因工程技術對這些菌株進行遺傳改造，提高微生物酶的降解活性，并可大量繁殖，就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株，方便有效地應用于水污染處理。因此，構建基因工程菌成為現(xiàn)代廢水處理技術的一個重要研究方向，且日益受到人們的重視。

2.1 利用基因工程菌富集廢水中的重金屬離子

近幾十年來,經(jīng)濟的高速發(fā)展導致各種有毒、有害金屬污染物,經(jīng)生產(chǎn)和使用過程中的各種渠道進入環(huán)境。高穩(wěn)定性和高脂溶性使其在環(huán)境中具有停留時間長、能沿著食物鏈富集等特點,嚴重威脅著人類的健康和生存。隨著國家對污染物排放標準的要求日益嚴格,單純使用傳統(tǒng)生物法處理這類重金屬廢水在適應性和高效性等方面存在局限性。針對這一問題,一些新型生物處理技術應運而生,其中利用基因工程菌代替普通微生物處理重金屬是近年來研究的熱點。此法采用生物工程技術將微生物細胞中參與富集的主導性基因導入繁殖力強、適應性能佳的受體菌株內(nèi),大大提高了菌體對重金屬的適應性和處理效率。

X.W.Zhao等[3]研究發(fā)現(xiàn),宿主菌在Hg2+濃度為1mg/L的LB培養(yǎng)液中生長嚴重受抑,而基因工程菌E.coliJM109在Hg2+濃度為7.4mg/L時仍能增殖,且Hg2+富集量為2.97mg/g(細胞干重),去除率達96%以上。

Carolina Sousa等[4]構建了表達酵母金屬硫蛋白(CUP1)、哺乳動物金屬硫蛋白(HMT-1A)和外膜蛋白LamB的融合蛋白的基因工程菌E.coli,該菌種的Cd2+富集能力比原始宿主菌提高15～20倍。K.Kuroda[5]等在釀酒酵母細胞壁處的凝集素蛋白中表達了含His的寡肽,增強了酵母對Cu2+的抗性和吸附能力,其Cu2+富集能力比對比菌株提高了8倍多。

X.Deng等[6]構建了同時表達鎳轉運系統(tǒng)和金屬硫蛋白的基因重組菌E.coliJM10,將其用于處理含鎳廢水的試驗研究時,發(fā)現(xiàn)其對Ni2+的富集能力比原始宿主菌增加了6倍多。

趙肖為等[7]利用基因工程菌E.coli SE5000 對水體中的鎳離子進行富集研究。菌體細胞對Ni2+的富集速率很快,富集過程滿足Langmuir 等溫線模型。經(jīng)基因改造的基因工程菌不僅最大鎳富集容量與原始宿主菌相比增加了4倍多,而且對pH值的變化呈現(xiàn)出更強的適應性。袁建軍等[8]利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子。模擬電解廢水中除含有3.0 mg·L-1的汞離子外, 還含有十種以上的其它金屬離子。實驗表明,與重組菌對只含汞離子的水溶液的處理結果比較, 電解廢水中其它組份的存在意外地增大了重組菌富集汞離子的作用速率, 但同時卻使細菌的最大汞富集量降低了約30%。

張迎明等[9]利用基因重組技術構建出基因工程菌Staphylococcus aureusATCC6538，該工程菌在IPTG用量為1.00mmol·L-1,誘導時間為4 h的條件下培養(yǎng)對鎳離子的富集能力最高。在不同鎳離子濃度時,基因工程菌對溶液中Ni2+的平衡富集量為11.33mg·g-1,與原始宿主菌相比提高了3倍。對基因工程菌吸附鎳和鈷的實驗表明,Staphylococcus aureusATCC6538的NiCoT對鎳具有較高的特異性和富集容量,屬于第Ⅲ類鎳鈷轉運酶。

2.1 利用基因工程菌降解廢水中的有機污染物

生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法，但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協(xié)同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產(chǎn)物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經(jīng)濟的營養(yǎng)方式；其次,某些污染物的中間代謝產(chǎn)物可能具有毒性，對代謝活性有抑制作用；此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力[10]。

Satoshi Soda等[11]將基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接種到SBR反應器的活性污泥中,用于處理500mg/L的苯酚廢水,在大大提高苯酚去除率的同時改善了污泥沉降性能。南京大學、揚子石油化工有限責任公司、香港大學、國家環(huán)?？偩帜暇┉h(huán)境科學研究所聯(lián)合完成了跨界融合構建基因工程菌處理石化廢水的生物工程技術。在優(yōu)化調控技術的基礎上,該菌株對二甲苯、苯甲酸、鄰苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和對苯二甲酸的降解率分別高達86%、94%、99%、97%和94%,比原工藝提高了20%～30%,總有機碳去除率達到了94%；污水經(jīng)過處理后,銅、錳、鋅、硒的濃度符合國家規(guī)定排放標準,生物毒性明顯降低。

劉春等[12]以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。

陳俊等[13]采用跨界原生質融合技術,構建基因工程特效菌Fhhh,實現(xiàn)廉價工業(yè)化生產(chǎn)Fhhh菌劑,在10m3/d精對苯二甲酸廢水處理實驗裝置中,容積負荷率達到3.0 kg/(L·d)以上,生物負荷率達到1.42d-1,出水水質達到國家一類標準,與國內(nèi)外同類裝置相比,生物負荷率處于先進水平。

蔣建東等[14]采用同源重組法成功構建了分別含1個和2個mpd 基因插入到rDNA位點且不帶入外源抗性的多功能農(nóng)藥降解基因工程菌株CDS2mpd和CDS22mpd?；蚬こ叹z傳穩(wěn)定,能同時降解甲基對硫磷和呋喃丹。甲基對硫磷水解酶(MPH)的比活在各生長時期均高于原始出發(fā)菌株,比活最高達6.22mu/μg。

劉智等[15]采用基因工程技術構建出具有耐鹽、降解苯乙酸和水解甲基對硫磷的功能的基因工程菌H2pKT2MP和H2pBBR2MP,其中H2pBBR2MP水解酶活性與親本菌株甲基對硫磷降解菌(Pseudomonas putida)DLL2E4相當,而H2pKT2MP水解酶活性要提高1倍左右。

呂萍萍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內(nèi),可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產(chǎn)物為環(huán)己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。展望

隨著基因工程菌的出現(xiàn),基因工程技術將不斷應用于更多的廢水治理工程中。培養(yǎng)出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本；運用各種相關技術加以優(yōu)化組合,尤其是高效、低能耗、易普及的特種微生物與特殊工藝的最佳結合；加強不同專業(yè)、不同學科之間的合作,如將毒理學和微生物學和環(huán)境工程學相結合；從根本上消除污染源,充分協(xié)調人與自然之間的關系,充分實現(xiàn)廢水資源化,引入DNA 擴增和其它生物技術的環(huán)境監(jiān)測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發(fā)展。以下兩方面的研究將對水資源保護有著重要意義。一是對基因工程菌的深入研究,如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優(yōu)化等方面的研究；二是對環(huán)境中微生物的習性及基因工程菌與環(huán)境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。

參考文獻

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2003,23(1)：12-15

第四篇：物理學在醫(yī)學上的應用

物理學在醫(yī)學上的應用

隨著近代物理學的迅速發(fā)展，人們對生命現(xiàn)象的認識逐步深入，醫(yī)學的各分支學科也越來越多地把它們的理論建立在精確的物理學基礎上，物理學的技術和方法在醫(yī)學研究和醫(yī)療實踐中的應用也越來越廣泛，X射線對醫(yī)學的巨大貢獻是大家早已熟悉的，超聲波、掃描儀（B超）、和磁共共振斷層成像（MBI）等的制成和應用，不僅大大地減少病人的痛苦和創(chuàng)作，也提高了診斷的準確度，而且直接促進了現(xiàn)代醫(yī)學影像學的建立和發(fā)展，使臨床診斷技術發(fā)生質的飛躍。

1.X射線透視

1895年11月8日，倫琴在德國維爾茨堡實踐室研究稀薄氣體放電射發(fā)現(xiàn) X射線，X射線發(fā)現(xiàn)后三個月就應用于醫(yī)學研究，X射線透視機早已成為醫(yī)學中不可缺少的工具。

X射線透視是根據(jù)不同組織或臟器對X射線的衰減本領不同，均勻的X射線透過身體不同部位的強度不同，透過人體的X射線投射到照相底片上，顯像或就可以觀察到各明暗不同的像，X射線透視可以清楚地觀察到骨折的程度、肺結核病、體內(nèi)腫瘤的位置和大小、臟器形狀以衣判斷體內(nèi)異物的位置等。X射線透視已成為醫(yī)院的基本設備之一。2.B超

B超是超聲波B型顯示斷層或像的簡稱，之所以稱為B超顯示是因不對過去顯示超聲波檢查結果的方法又創(chuàng)立了一種方案而增加的新名稱，把已有的那種一維顯示一串脈沖動的方案稱為A型顯示，而新的這種二維縱向斷層顯示稱為B型顯示，B超的基本原理是將交超聲波從體外垂直于人體表面射向體內(nèi)，當超聲波在體內(nèi)組織中傳播時碰到有分界面或不均勻處就會產(chǎn)生反射，把這種反射超聲波再體外同一部位接收下來，根據(jù)發(fā)射探頭所在位置可以知道反射點在體內(nèi)對著探頭的位置，而根據(jù)發(fā)射超聲波的時間差可以知道它在體內(nèi)垂直體現(xiàn)體表的深度，B超圖像非常直觀很容易看懂，B超和X射線透視相比，其結果主要差別是：X射線透視所得出的結果是體內(nèi)縱向投影的陰影像，而B超得出的是縱切面的結構像，在切面方向沒有重疊，可以準確判斷切面的情況。3.磁共振斷層或像（MBI）

磁共振斷層或成像是種多差數(shù)、多核數(shù)的成像技術，目前主要是氫核密度馳豫。

時間T1T2的成像，其基本原理是利用一定頻率的電磁波向牌磁場中的人體照射，人體中各種不同組織的氫核在電磁波作用下，會發(fā)生核磁共振，吸收電磁波的能量，隨后又發(fā)射電磁波，MRI系統(tǒng)探測到這些來自人體的氫核發(fā)射出來的電磁波信號后，經(jīng)計算機處理和圖像重建得到人體的斷層圖像，由于氫核吸收和發(fā)射電磁波時，受周圍環(huán)境的影響，所以由磁共振信號得到人體斷層圖像，不僅可以反映形態(tài)學的信息，還可以從圖像中得到與病理有關的信息，經(jīng)過比較和判斷就可以知道成像部分人體組織是否正常。因此MRI被認為是一種研究活動組織診斷早期病變的醫(yī)學影像技術

MRI與B超相比，B超只能顯示切面的密度分布圖像，而MRI圖像可以顯示切面的某一原子核同伴素的濃度分布和其一參量（如馳豫時間）分布，因此MRI要比B超 獲得更多對人體內(nèi)部信息，尤其是對腦部病變和早期腫瘤病變的診斷，MRI更具有優(yōu)越性

在人類文明和社會發(fā)展取得進步的過程中，物理學的每一個新的發(fā)現(xiàn)或是技術發(fā)展到每一新階段，都為醫(yī)學研究和醫(yī)療實踐提供了更先進、更方便和更精密的儀器和方法，像X射線、B超、MRI等物理技術在醫(yī)療上的使用，使醫(yī)學科學發(fā)展更迅速，可以說在現(xiàn)代的醫(yī)學研究和醫(yī)療單位中都離不開物理學方法和設備，隨著醫(yī)學科學的發(fā)現(xiàn)，物理學和醫(yī)學的關系必將越來越密切，也必將造福人類。

臨床醫(yī)學五年制

2013級4班 陳雨晴

學號：201350500

第五篇：表面工程技術在汽車制造中的應用

表面工程技術在汽車制造中的應用舉例

周金旭

(太原科技大學 材料科學與工程學院 030024)摘要：表面工程中防銹、電鍍、表面強化及改性技術、涂裝是汽車工業(yè)中應用最廣泛的的技術，而噴丸技術和熱噴涂技術也廣泛應用于汽車的零部件，利用噴丸強化和熱噴涂技術來提高、改善、修復汽車關鍵部件的抗疲勞壽命、耐腐蝕頓、耐高溫氧化、耐磨等。噴丸技術是用來提高金屬零部件疲勞斷裂和應力腐蝕（氫脆）斷裂抗力，并在實際使用中證明效果顯著的表面強化工藝[1]而熱噴涂技術利用了表面強化和表面改性來改善零件表面的性能它也有一定效果。

關鍵詞：表面工程 噴丸技術 熱噴涂技術 汽車零部件制造與修復 序言

汽車制造業(yè)越來多仰賴噴丸強化技術來和熱噴涂技術改善、修復和提高汽車關鍵部件的抗疲勞壽命與抗腐蝕、耐高溫氧化、耐磨等，并將這些因素在轎車、卡車、摩托車等設計的最初就加以充分考慮和重視。噴／拋丸強化技術和工藝熱噴涂技術的應用現(xiàn)亦含括幾乎大部分零件的設計中，包括：曲軸（去氧化皮和強化）、連桿（強化）、傳動齒輪和其它軸類零件、齒圈、活塞，太陽齒和行星齒、板簧和圓簧、活塞桿、氣門等

大量的汽車零部件無論是鑄/鍛件壓鑄件，機械切削件，焊接件都需要不同類型的噴拋設備與熱噴涂技術進行表面處理。有確鑿的數(shù)據(jù)證明(早在七十年代東風汽車公司就用噴丸強化解決了氣閥彈簧和變速箱1-倒擋齒輪的早期斷裂問題，該工藝已成為汽車懸掛彈簧的常規(guī)工藝方法[3].1975年美國P＆W公司就有2800件發(fā)動機零件采用熱噴涂技術通用電氣公司的一個發(fā)動機工廠熱噴涂零件也有2000多個美國RR公司斯貝發(fā)動機有八種熱噴涂涂層應用于近200多個零件[4]),通過噴丸強化,能讓板簧的抗疲勞壽命延長600%,傳動齒輪的抗疲勞壽命延長1500%,曲軸的抗疲勞壽命延長900%,毫無疑問,通過噴丸強化讓抗疲勞性能和耐腐蝕性能的提高無論是對零件的使用壽命、使用安全性都意義重大。零件依賴該工藝，零件可以設計的更輕巧，一些原來因工藝規(guī)格要求不得不使用的昂貴材質的零件現(xiàn)在也可以被替換為價格低廉的材料，通過噴丸強化處理，達到同等甚至更好的性能標準[2].而熱噴涂技術運用也不乏期例，QA19-2（鋁青銅）噴涂層制造或修復活塞及軸瓦等車用部件；在活塞環(huán)和鋁合金氣缸表面噴Mo,形成減摩工左層已形成活塞環(huán)和鋁合金氣缸的制造和修復和修復工藝，用3Cr13電弧噴涂層修復曲軸美國Cummins公司在汽缸內(nèi)壁噴涂0.5mm厚的ZrO2和0.2mmCrO2制造成耐磨耐蝕陶瓷涂層取得良好的效果在活塞表面涂Mo基中混有NiCrSi及2-Al2O3噴涂層其壽命比鍍鉻環(huán)更長可靠性更高，將ZrO2噴涂在內(nèi)燃機燃燒室的內(nèi)壁可提高內(nèi)燃機的燃燒工作溫度節(jié)省燃料，簡化結構等[4].一、噴丸技術

1、試驗方法步驟。1.1拋丸處理

作為制造流程的一環(huán)節(jié)，熱處理過的曲軸需要經(jīng)由拋丸處理來取出表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉滾輪上，在滾動時曲軸所有表面被充分暴露在多個拋頭拋射出的丸流下，多角度的丸粒沖擊使曲軸外表面得以徹底清洗。1.2曲軸強化

由于曲軸在交變應力下工作，曲軸截面變化轉接圓角處發(fā)生應力疲勞和應變破壞的危險性極大，目前，通過噴丸強化來改變曲軸抗疲勞性能已在相當廣泛的范圍內(nèi)應用，效果讓人滿意。

相較于傳統(tǒng)的滾壓工藝的缺陷，即由于受曲軸加工工藝限制，各軸頸圓角很難與滾輪相吻合，往往造成圓角啃切現(xiàn)象，而且滾壓后的曲軸變形大，效果不佳。而噴丸強化的機理是利用嚴格控制直徑并具有一定強度的丸粒，在高速氣流下，形成彈丸流，連續(xù)向曲軸金屬表面噴射，猶如小錘錘擊，使曲軸表面產(chǎn)生極為強烈塑性變形，形成冷作硬化層，由于軸在加工中受各種機械的切削力加工作用，其表面，特別是曲軸截面變化轉接圓角處，應力分布極為不均勻，工作中又受交變硬力作用，因此很容易產(chǎn)生應力腐蝕而使曲軸疲勞壽命降低，而噴丸強化工藝就是通過引入一個預壓硬力來抵消零件在以后工作周期會受到拉應力，從而提高工件抗疲勞性能和安全使用使用壽命。

對于噴丸處理，有兩個重要參數(shù)，一個是應力強度，這通常采用“阿爾門試片”進行強度檢測多個試片固定在曲軸不同表面特別是應力最集中的曲軸截面變化轉接圓角處，一同進行噴丸試片上產(chǎn)生的壓應力影響導致試片弓曲曲率的擴大變化與丸料沖的能量成比例，另一個噴丸質量的主要參數(shù)是覆蓋率，所謂覆蓋律是指強化后表面彈坑占據(jù)的面積與強化表面的比值，該參數(shù)通常在100％~200％ 有些曲軸應用可能要求覆蓋率大于200％

根據(jù)曲軸的硬度和理想的導入壓應力強度，通常曲軸噴丸強化使用的丸粒硬度在HRC50~55,大小在S280~S300(0.7~0.84mm),這樣產(chǎn)生在阿爾門試片上的強度范圍約在0.008~0.010C相較于拋丸清理，噴丸強化的工藝參數(shù)監(jiān)控更為嚴苛，就曲軸強化應用，需要監(jiān)控的參數(shù)包括: ? 噴丸速度 ? 噴丸強度 ? 丸粒直徑 ? 噴丸的間隔 ? 強化的時間 ? 覆蓋率這些參數(shù)中任意一個的變化，都會不同程度地影響曲軸表面強化的效果。

正確應用可控的噴丸強化技術，能使曲軸和其他在高載荷條件下工作的零件疲勞強度大大提高，大大提高了零件抗疲勞壽命，先進的噴丸設備，保證了噴丸質量的恒定行，和重復性被廣泛應用于汽車等行業(yè)[2]。

二、熱噴涂技術

1、熱噴涂技術應用意義

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對零部件的性能提出了愈來愈高的要求，零件的使用壽命亦成為突出的問題，修理工作的作用不單是消極地將損壞了的零件恢復到新品的技術性能，而且還可以用比較經(jīng)濟的手段使零件修復后的性能超過新品。

延長汽車使用壽命的主要障礙，是零件因磨蝕早期失效，磨蝕失效的特點與零件的斷裂破壞或過量變形失效不同，后者多造成整個零件報廢，其原因常常是由于零件本身材料的機械性能差、或設計不合理、以及制造工藝選擇不當所致。這需要從材料、設計、工藝等方面進行解決。而零件磨蝕卻只是表面層的損壞及尺寸超限，就其本身而言，仍有繼續(xù)使用的可能，僅需將表面磨蝕部分修復，使之在尺寸和性能上恢復到原來的狀態(tài)。對于價格昂貴的重要零件，尤應注意修復，不能只靠更換配件。特別是進口汽車，由于零件品種多，標準不統(tǒng)一，組織配件生產(chǎn)困難較多，有些零件少量配制經(jīng)濟上也不盡合理，因而修復強化的意義更大。

2、實施方法

通常采用耐磨蝕材料覆蓋磨蝕表面，修復舊件，這樣不但可以使失效零件迅速恢復使用，而且可以成倍提高壽命。一般金屬材料經(jīng)過表面強化處理以后，在很多場合可以代替貴重的優(yōu)質材料，甚至性能和工藝性方面較后者更優(yōu)越?，F(xiàn)代汽車日益向高速、高壓、大功率發(fā)展，汽車零件的使用工況更加惡劣，在此情況下，只有更多的利用各種表面強化技術，提高零件的表面性能才能解決這一問題。

熱噴涂技術（熱噴涂加工）正是適應這種需要的一種金屬表面強化技術。應用熱噴涂技術在零件表面噴敷各種性能的材料(例如鎳基、鐵基、銅基合金以及鋁、鉬、鋅等金屬、或陶瓷等材料)，就可以使零件表面其有一些特殊性能如耐磨、耐蝕、擾氧化、絕熱、導電、絕緣、密封等。這樣可以簡便地、大幅度地改善零件表面的工作性能。例如曲軸是汽車發(fā)動機的重要零件，當曲軸主軸頸及連桿軸頸磨損超過允許的極限時，就不能再用修理尺寸法修復了，此時如果采用噴涂法修復，不僅可以恢復原來的尺寸，而且其耐磨性還遠遠大于新曲軸。這不僅可以為國家節(jié)約大量鋼材，井能提高社會的經(jīng)濟效益，特別是對于某些進口車輛的曲軸，經(jīng)濟效益就更為顯著。汽車發(fā)動機排氣門是一種用量大、易損耗的零件，也是保證發(fā)動機工作的可靠性和耐久性的零件之一。其失效形式是磨損、斑腐蝕和局部燒傷等，致使氣門關閉不嚴，發(fā)動機動力性下降，油耗增加。目前國產(chǎn)汽車發(fā)動機的排氣門多采用等鋼材制作，這些耐熱鋼材、有些是要靠進口來供給的。為此，排氣門的修復是很重要的。排氣門的密封面采用氧乙炔焰噴焊后，其表面就可以獲得一層耐高溫，耐氧化、耐腐蝕的性能，使用壽命將大大超過新件，根據(jù)我們試驗，經(jīng)噴焊、修復后的排氣門，裝車使用行駛90000km的里程后，閥面仍然完好。

實踐證明，熱噴涂技術具有獨特的優(yōu)越性，在汽車修理方面有廣闊的應用前景。除上述所例舉的曲軸、排氣門的修復之外，還有象汽車上的軸類零件、汽缸體、齒輪、鍵槽等都可以用熱噴涂(焊)技術修復，以提高零件的使用壽命[5]。

三、結論與展望

表面工程技術對汽車制造修復意義重大，不但可以提高汽車的性能還能提高使用年限，節(jié)約資源，保護環(huán)境，而噴丸技術與熱噴涂技術在汽車制造業(yè)中起到舉足輕重的作用，我們應該予以重視，另外中國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，更離不開表面工程技術。

表面工程技術在未來會有很大發(fā)展，近年來國內(nèi)汽車市場的快速增長引起廣泛關注，由此帶來的汽車回收利用領域面臨的問題日益突出。數(shù)據(jù)顯示，作為世界汽車第一產(chǎn)銷大國，我國2011年民用汽車保有量已突破1億輛，汽車報廢量超過400萬輛，預計2020年報廢量將超過1400萬輛。

隨著汽車報廢數(shù)量增長，由此帶來的環(huán)境資源問題日益嚴峻。在汽車報廢后，如果不能及時拆解和回收，汽車產(chǎn)品中的有害物質如鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴二苯醚等將對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴重危害；而報廢汽車在回收拆解、材料分離和再利用等環(huán)節(jié)，由于缺少相關的規(guī)范監(jiān)管和引導，也使得報廢汽車有可能造成二次污染。

然而，與歐美日等汽車發(fā)達國家相比較，我國在汽車回收利用方面還有著明顯的差距，目前在我國還沒有任何一部關于報廢汽車回收利用的完整規(guī)范，另一方面，長期以來，由于報廢汽車回收拆解行業(yè)采取粗放式經(jīng)營，從而導致該行業(yè)技術手段落后，作業(yè)流程不規(guī)范，環(huán)境保護和資源利用水平低。

另外，報廢廠不按規(guī)定交售報廢車輛，非法回收拆解倒賣報廢汽車的現(xiàn)象依然存在。據(jù)不完全統(tǒng)計，由于法定報廢回收標準過低，我國每年近八成報廢汽車流入了黑市，這不僅對正規(guī)的回收拆解企業(yè)造成了沖擊，擾亂了回收拆解的正常秩序，更給道路交通安全、環(huán)境保護和資源利用帶來了嚴重隱患。

事實上，對于報廢汽車帶來的危害，我國并非沒有關注，只是相關政策早已不適應快速發(fā)展的形勢。2001年國務院頒布了報廢汽車回收利用辦法；2006年，國家發(fā)改委等部門聯(lián)合頒布了《汽車產(chǎn)品回收利用技術政策》，但缺乏具體要求和實施細則，可操作性不強。過時政策難以滿足現(xiàn)狀，并將嚴重制約中國汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，強化汽車回收利用管理已刻不容緩。

為改變行業(yè)現(xiàn)狀，國家有關部門正組織力量對2001年頒布的《報廢汽車回收管理辦法》進行修訂。近日，工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司副司長高東升透露，國家有關部門將采取多項措施加強汽車回收利用，其中包括制定強制性的汽車回收利用標準和法規(guī)，回收拆解的市場準入制度亟須健全。

據(jù)了解，目前國家相關主管部門一方面在大力推動修訂后的《報廢機動車回收拆解管理條例》盡快出臺，另一方面要強化汽車制造商的責任，鼓勵汽車制造商加強與回收拆解企業(yè)的合作和交流，要求汽車制造商為回收拆解企業(yè)提供必要的技術支持，同時要抓緊出臺機動車強制報廢標準，進一步明確報廢條件，嚴格車輛年檢和轉移登記制度，從源頭上防止報廢汽車流向社會。而表面工程技術正可以解決此些難題，所以我們應予以重視，發(fā)展前景良好[6]。

四、參考文獻

[1] 表面噴丸強化技術 航空航天部621研究所 王仁智 [2] 表面工程技術在汽車零部件生產(chǎn)中的應用 維爾貝萊特集團 [3] 杭州余杭永偉電器有限公司

[4] 熱噴涂技術極其典型應用 錢強 俞韶華 徐林剛

[5] 陜西新興熱噴涂技術有限責任公司

[6] 騰迅網(wǎng)·騰訊汽車