初中物理校本教材《物理之窗》内容

初中物理校本教材《物理之窗》内容PAGE1PAGE1第一章物理学发展简史引言物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。一、古代物理学时期古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。二、近代物理学时期近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第1页。近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地亚里士多德球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第1页。亚里士多德无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。开普勒哥白尼公元15世纪，哥白尼经过多年关于天文学的研究，创立了科学的日心说，写出“自然科学的独立宣言”——《天体运行论》，对地心说发出了强有力的挑战。16世纪初，开普勒通过从第谷处获得的大量精确的天文学数据进行分析，先后提出了行星运动三定律。开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，开普勒哥白尼天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。伽利略近代物理学之父伽利略，用自制的望远镜观测天文现象，使日心说的观念深入人心。他提出落体定律和惯性运动概念，并用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。他提出惯性原理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的科学逐渐从哲学中分裂出建立奠定了基础。伽利略的发现以及他所用的科学推理伽利略方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第2页。牛顿16世纪，牛顿总结前人的研究成果，系统的提出了力学三大运动定律，完成了经典力学的大一统。16世纪后期创立万有引力定律，树立起了物理学发展史上一座伟大的里程碑。之后两个世纪，是电学的大发展时期，法拉第用实验的方法，完成了电与磁的相互转化，并创造性地提出了场的概念。19世纪，麦克斯韦在法拉第研究的基础上，凭借其高超的数学功底，创立了了电磁场方程组，在数学形式上完成了电与磁的完美统一，完成了电磁学的大一统。与此同时，热力学与光学也得到迅速发展，经典物理学逐渐趋于完善。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第2页。牛顿三、现代物理学时期现代物理学时期，即从19世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。19世纪末，当力学、热力学、统计物理学和电动力学等取得一系列成就后，许多物理学家都认为物理学的大厦已经建成，后辈们只要做一些零碎的修补工作就行了。然而，两朵乌云的出现，打破了物理学平静而晴朗的天空。第一朵乌云是迈克尔孙-莫雷实验：在实验中没测到预期的“以太风”，即不存在一个绝对参考系，也就是说光速与光源运动无关，光速各向同性。第二朵乌云是黑体辐射实验：用经典理论无法解释实验结果。这两朵在平静天空出现的乌云最终导致了物理学的天翻地覆的变革。爱因斯坦20世纪初，爱因斯坦大胆地抛弃了传统观念，创造性地提出了狭义相对论，永久性地解决了光速不变的难题。狭义相对论将物质、时间和空间紧密的联系在一起，揭示了三者之间的内在联系，提出了运动物质长度收缩，时间膨胀的观点，彻底颠覆了牛顿的绝对时空观，完成了人类历史上一次伟大的时空革命。十年之后，爱因斯坦提出等效原理和广义协变原理的假设，并在此基础上创立了广义相对论，揭示了万有引力的本质，即物质的存在导致时空弯曲。相对论的创立，为现代宇宙学的研究提供了强有力的武器。爱因斯坦初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第3页。卢瑟福物理学的第二朵乌云——黑体辐射难题，则是在普朗克，爱因斯坦，玻尔等一大批物理学家的努力下，最终导致了量子力学的产生与兴起。普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。爱因斯坦，对于新生“量子婴儿”，表现出热情支持的态度。并于1905年提出了“光量子”假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子论。随后玻尔在普朗克和爱因斯坦“量子化”概念和卢瑟福了“原子核核式结构”模型的影响下提出了氢原子的玻尔模型。德布罗意把光的“波粒二象性”推广到了所有物质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学——量子力学迈进了革命性的一步。他认为辐射与粒子应是对称的、平等的，辐射有波粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也赋予它们波动性。薛定谔则用波动方程完美解释了物质与波的内在联系，量子力学逐渐趋于完善。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第3页。卢瑟福量子力学与相对论力学的产生成为现代物理学发展的主要标志，其研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。其发展导致了整个物理学的巨大变革，奠定了现代物理学的基础。随后的几十年即从1927年至今，是现代物理学的飞速发展阶段，这一期间产生了量子场论、原子核物理学、粒子物理学、半导体物理学、现代宇宙学、现代物理技术等分支学科，物理学日渐趋于成熟。四、经典物理学发展史阿基米德古希腊时代的阿基米德已经在流体静力学和固体的平衡方面取得辉煌成就，但当时将这些归入应用数学，并没有将他的成果特别是他的精确实验和严格的数学论证方法汲入物理学中。从希腊、罗马到漫长的中世纪，自然哲学始终是亚里士多德的一统天下。到了文艺复兴时期，哥白尼、布鲁诺、开普勒和伽利略不顾宗教的迫害，向旧传统挑战，其中伽利略把物理理论和定律建立在严格的实验和科学的论证上，因此被尊称为物理学或科学之父。阿基米德初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第4页。伽利略的成就是多方面的，仅就力学而言，他以物体从光滑斜面下滑将在另一斜面上升到同一高度，推论出如另一斜面的倾角极小，为达到同一高度，物体将以匀速运动趋于无限远，从而得出如无外力作用，物体将运动不息的结论。他精确地测定不同重量的物体以同一加速度沿光滑斜面下滑，并推论出物体自由下落时的加速度及其运动方程，驳倒了亚里士多德重物下落比轻物快的结论，并综合水平方向的匀速运动和垂直地面方向的匀加速运动得出抛物线轨迹和45°的最大射程角，伽利略还分析“地常动移而人不知”，提出著名的“伽利略相对性原理”（中国的成书于1800年前的《尚书考灵曜》有类似结论）。但他对力和运动变化关系的分析仍是错误的。全面、正确地概括力和运动关系的是牛顿的三条运动定律，牛顿还把地面上的重力外推到月球和整个太阳系，建立了万有引力定律。牛顿以上述的四条定律并运用他创造的“流数法”(即今微积分初步)，解决了太阳系中的二体问题，推导出开普勒三定律，从理论上解决了地球上的潮汐问题。史称牛顿是第一个综合天上和地上的机械运动并取得伟大成就的物理学家。与此同时，几何光学也有很大发展，在16世纪末或17世纪初，先后发明了显微镜和望远镜，开普勒、伽利略和牛顿都对望远镜作很大的改进。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第4页。法国在大革命的前后，人才辈出，以P.S.M.拉普拉斯为首的法国科学家(史称拉普拉斯学派)将牛顿的力学理论发扬光大，把偏微分方程运用于天体力学，求出了太阳系内三体和多体问题的近似解，初步探讨并解决了太阳系的起源和稳定性问题，使天体力学达到相当完善的境界。在牛顿和拉普拉斯的太阳系内，主宰天体运动的已经不是造物主，而是万有引力，难怪拿破仑在听完拉普拉斯的太阳系介绍后就问：你把上帝放在什么地位？无神论者拉普拉斯则直率地回答：我不需要这个假设。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第5页。法拉第拉普拉斯学派还将力学规律广泛用于刚体、流体和固体，加上W.R.哈密顿、G.G.斯托克斯等的共同努力，完善了分析力学，把经典力学推进到更高阶段。该学派还将各种物理现象如热、光、电、磁甚至化学作用都归于粒子间的吸引和排斥，例如用光子受物质的排斥解释反射，光微粒受物质的吸引解释折射和衍射，用光子具有不同的外形以解释偏振，以及用热质粒子相互排斥来解释热膨胀、蒸发等等，都一度取得成功，从而使机械的唯物世界观统治了数十年。正当这学派声势煊赫、如日中天时，受到英国物理学家T.杨和这个学派的后院法兰西科学院及科学界的挑战，J.B.V.傅里叶从热传导方面，T.杨、D.F.J.阿拉戈、A.-J.菲涅耳从光学方面，特别是光的波动说和粒子说（见光的二象性）的论争在物理史上是一个重大的事件。为了驳倒微粒说，年轻的土木工程师菲涅耳在阿拉戈的支持下，制成了多种后以他的姓命名的干涉和衍射设备，并将光波的干涉性引入惠更斯的波阵面在介质中传播的理论，形成惠更斯-菲涅耳原理，还大胆地提出光是横波的假设，并用以研究各种光的偏振及偏振光的干涉，他创造了“菲涅耳波带”法，完满地说明了球面波的衍射，并假设光是以太的机械横波解决了光在不同介质界面上反射、折射的强度和偏振问题，从而完成了经典的波动光学理论。菲涅耳还提出地球自转使表面上的部分以太漂移的假设并给出曳引系数。也在阿拉戈的支持下，J.B.L.傅科和A.H.L.菲佐测定光速在水中确比空气中为小，从而确定了波动说的胜利，史称这个实验为光的判决性实验。此后，光的波动说及以太论统治了19世纪的后半世纪，著名物理学家如法拉第、麦克斯韦、开尔文等都对以太论坚信不疑。另一方面，利用干涉仪内干涉条纹的移动，可以精确地测定长度、速度、曲率的极微细的变化；利用棱镜和衍射光栅产生的光谱，可以确定地上和天上的物质的成分及原子内部的变化。因此这些光学仪器已成为物理学、分析化学、物理化学和天体物理学中的重要实验手段。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第5页。法拉第初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第6页。瓦特蒸汽机的发明推动了热学的发展，18世纪60年代在J.瓦特改进蒸汽机的同时，他的挚友J.布莱克区分了温度和热量，建立了比热容和潜热概念，发展了量温学和量热学，所形成的热质说和热质守恒概念统治了80多年。在此期间，尽管发现了气体定律，度量了不同物质的比热容和各类潜热，但对蒸汽机的改进帮助不大，蒸汽机始终以很低的效率运行。1755年法国科学院坚定地否决了永动机。1807年T.杨以“能”代替莱布尼兹的“活力”，1826年J.V.彭赛列创造了“功”这个词。1798年和1799年，朗福德和H.戴维分析了摩擦生热，向热质说挑战；J.P.焦耳从19世纪40年代起到1878年，花了近40年时间，用电热和机械功等各种方法精确地测定了热功当量；生理学家J.R.迈尔和H.von亥姆霍兹，更从机械能、电能、化学能、生物能和热的转换，全面地说明能量既不能产生也不会消失，确立了热力学第一定律即能量守恒定律。在此前后，1824年，S.卡诺根据他对蒸汽机效率的调查，据热质说推导出理想热机效率由热源和冷却源的温度确定的定律。文章发表后并未引起注意。后经R.克劳修斯和开尔文分别提出两种表述后，才确认为热力学第二定律。克劳修斯还引入新的态函数熵；以后，焓、亥姆霍兹函数、吉布斯函数等态函数相继引入，开创了物理化学中的重要分支——热化学。热力学指明了发明新热机、提高热机效率等的方向，开创了热工学；而且在物理学、化学、机械工程、化学工程、冶金学等方面也有广泛的指向和推动作用。这些使物理化学开创人之一W.奥斯特瓦尔德曾一度否认原子和分子的存在，而宣扬“唯能论”，视能量为世界的最终存在。但另一方面，J.C.麦克斯韦的分子速度分布率（见麦克斯韦分布）和L.玻耳兹曼的能量均分定理把热学和力学综合起来，并将概率规律引入物理学，用以研究大量分子的运动，创建了气体分子动力论（现称气体动理论），确立了气体的压强、内能、比热容等的统计性质，得到了与热力学协调一致的结论。玻耳兹曼还进一步认为热力学第二定律是统计规律，把熵同状态的概率联系起来，建立了统计热力学。任何实际物理现象都不可避免地涉及能量的转换和热量的传递，热力学定律就成为综合一切物理现象的基本规律。经过20世纪的物理学革命，这些定律仍然成立。而且平衡和不平衡、可逆和不可逆、有序和无序乃至涨落和混沌等概念，已经从有关的自然科学分支中移植到社会科学中。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第6页。瓦特初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第7页。麦克斯韦在19世纪20年代以前，电和磁始终认为是两种不同的物质，因此，尽管1600年W.吉伯发表《论磁性》，对磁和地磁现象有较深入的分析，1747年B.富兰克林提出电的单流质理论，阐明了正电和负电，但电学和磁学的发展是缓慢，1800年A.伏打发明伏打电堆，人类才有能长期供电的电源，电开始用于通信；但要使用一个电弧灯，就需联接2千个伏打电池，所以电的应用并不普及。1920年H.C.奥斯特的电流磁效应实验，开始了电和磁的综合，电磁学就迅猛发展，几个月内，通过实验A.-M.安培建立平行电流间的安培定律，并提出磁分子学说，J.-B.毕奥和F.萨伐尔建立载流导线对磁极的作用力（后称毕-萨-拉定律），阿拉戈发明电磁铁并发现磁阻尼效应，这些成就奠定了电磁学的基础。1831年M.法拉第发现电磁感应现象，磁的变化在闭合回路中产生了电流，完成了电和磁的综合，并使人类获得新的电源。1867年W.von西门子发明自激发电机，又用变压器完成长距离输电，这些基于电磁感应的设备，改变了世界面貌，创建了新的学科——电工学和电机工程。法拉第还把场的概念引入电磁学；1864年麦克斯韦进一步把场的概念数学化，提出位移电流和有旋电场等假设，建立了麦克斯韦方程组，完善了电磁理论，并预言了存在以光速传播的电磁波。但他的成就并没有即时被理解，直到H.R.赫兹完成这组方程的微分形式，并用实验证明麦克斯韦预言的电磁波，具有光波的传播速度和反射、折射干涉、衍射、偏振等一切性质，从而完成了电磁学和光学的综合，并使人类掌握了最快速的传递各种信息的工具，开创了电子学这门新学科。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第7页。麦克斯韦居里夫妇直到19世纪后半叶，电荷的本质是什么，仍没有搞清楚，盛极一时的以太论，认为电荷不过是以太海洋中的涡元。H.A.洛伦兹首先把光的电磁理论与物质的分子论结合起来，认为分子是带电的谐振子，1892年起，他陆续发表“电子论”的文章，认为1859年J.普吕克尔发现的阴极射线就是电子束；1895年提出洛伦兹力公式，它和麦克斯韦方程相结合，构成了经典电动力学的基础；并用电子论解释了正常色散、反常色散（见光的色散）和塞曼效应。1897年J.J.汤姆孙对不同稀薄气体、不同材料电极制成的阴极射线管施加电场和磁场，精确测定构成阴极射线的粒子有同一的荷质比，为电子论提供了确切的实验根据。电子就成了最先发现的亚原子粒子。1895年W.K.伦琴发现X射线，延伸了电磁波谱，它对物质的强穿透力，使它很快就成为诊断疾病和发现金属内部缺陷的工具。1896年A.-H.贝可勒尔发现铀的放射性，1898年居里夫妇发现了放射性更强的新元素——钋和镭，但这些发现一时尚未引起物理学界的广泛注意。居里夫妇20世纪的物理学到19世纪末期，经典物理学已经发展到很完满的阶段，许多物理学家认为物理学已接近尽头，以后的工作只是增加有效数字的位数。开尔文在19世纪最后一个除夕夜的新年祝词中说：“物理大厦已经落成，……动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空出现两朵乌云，一朵出现在光的波动理论，另一朵出现在麦克斯韦和玻耳兹曼的能量均分理论。”前者指的是以太漂移和迈克耳孙-莫雷测量地球对（绝对静止的）以太速度的实验，后者指用能量均分原理不能解释黑体辐射谱和低温下固体的比热。恰恰是这两个基本问题和开尔文所忽略的放射性，孕育了20世纪的物理学革命。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第8页。1905年A.爱因斯坦为了解决电动力学应用于动体的不对称(后称为电动力学与伽利略相对性原理的不协调)，创建了狭义相对论，即适用于一切惯性参考系的相对论。他从真空光速不变性出发，即在一切惯性系中，运动光源所射出的光的速度都是同一值，推出了同时的相对性和动系中尺缩、钟慢的结论，完满地解释了洛伦兹为说明迈克耳孙-莫雷实验提出的洛伦兹变换公式，从而完成了力学和电动力学的综合。另一方面，狭义相对论还否定了绝对的空间和时间，把时间和空间结合起来，提出统一的相对的时空观构成了四度时空；并彻底否定以太的存在，从根本上动摇了经典力学和经典电磁学的哲学基础，而把伽利略的相对性原理提高到新的阶段，适用于一切动体的力学和电磁学现象。但在动体或动系的速度远小于光速时，相对论力学就和经典力学相一致了。经典力学中的质量、能量和动量在相对论中也有新的定义，所导出的质能关系为核能的释放和利用提供了理论准备。1915年，爱因斯坦又创建广义相对论，把相对论推广到非惯性系，认为引力场同具有相当加速度的非惯性系在物理上是完全等价的，而且在引力场中时空是弯曲的，其曲率取决于引力场的强度，革新了宇宙空间都是平直的欧几里得空间的旧概念。但对于范围和强度都不很大的引力场如地球引力场，可以完全不考虑空间的曲率，而对引力场较强的空间如太阳等恒星的周围和范围很大的空间如整个可观测的宇宙空间，就必须考虑空间曲率。因此广义相对论解释了用牛顿引力理论不能解释的一些天文现象，如水星近日点反常进动、光线的引力偏析等。以广义相对论为基础的宇宙学已成为天文学的发展最快的一个分支。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第8页。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第9页。普朗克另一方面，1900年M.普朗克提出了符合全波长范围的黑体辐射公式，并用能量量子化假设从理论上导出，首次提出物理量的不连续性。1905年爱因斯坦发表光量子假设，以光的波粒二象性，解释了光电效应；1906年又发表固体热容的量子理论；1913年N.玻尔（见玻尔父子）发表玻尔氢原子理论，用量子概念准确地地计算出氢原子光谱的巴耳末公式，并预言氢原子存在其他线光谱，后获证实。1918年玻尔又提出对应原理，建立了经典理论通向量子理论的桥梁；1924年L.V.德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，预言电子束的衍射作用；1925年W.泡利发表泡利不相容原理，W.K.海森伯在M.玻恩和数学家E.P.约旦的帮助下创立矩阵力学，P.A.M.狄拉克提出非对易代数理论；1926年E.薛定谔根据波粒二象性发表波动力学的一系列论文，建立了波函数，并证明波动力学和矩阵力学是等价的，遂即统称为量子力学。同年6月玻恩提出了波函数的统计解释，表明单个粒子所遵循的是统计性规律而非经典的确定性规律；1927年海森伯发表不确定性关系；1928年发表相对论电子波动方程，奠定了相对论性量子理论的基础。由于一切微观粒子的运动都遵循量子力学规律，因此它成了研究粒子物理学、原子核物理学、原子物理学、分子物理学和固体物理学的理论基础，也是研究分子结构的重要手段，从而发展了量子化学这个化学新分支。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第9页。普朗克差不多同时，研究由大量粒子组成的粒子系统的量子统计法也发展起来了，包括1924年建立的玻色-爱因斯坦分布和1926年建立的费米-狄拉克分布，它们分别适应于自旋为整数和半整数的粒子系统。稍后，量子场论也逐渐发展起来了。1927年，狄拉克首先提出将电磁场作为一个具有无穷维自由度的系统进行量子化的方案，以处理原子中光的自发辐射和吸收问题。1929年海森伯和泡利建立了量子场论的普遍形式，奠定了量子电动力学的基础。通过重正化解决了发散困难，并计算各阶的辐射修正，所得的电子磁矩数值与实验值只相差2.5×10-10，其准确度在物理学中是空前的。量子场论还正向统一场论的方向发展，即把电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用统一在一个规范理论中，已取得若干成就的有电弱统一理论、量子色动力学和大统一理论等。“实践是真理的唯一标准”，物理学也同样遵循这一标准。一切假说都必须以实验为基础，必须经受住实验的验证。但物理学也是思辨性很强的科学，从诞生之日起就和哲学建立了不解之缘。无论是伽利略的相对性原理、牛顿运动定律、动量和能量守恒定律、麦克斯韦方程乃至相对论、量子力学，无不带有强烈的、科学的思辨性。有些科学家例如在19世纪中主编《物理学与化学》杂志的J.C.波根多夫曾经想把思辨性逐出物理学，先后两次以具有思辨性内容为由，拒绝刊登迈尔和亥姆霍兹的论能量守恒的文章，终为后世所诟病。要发现隐藏在实验事实后面的规律，需要深刻的洞察力和丰富的想像力。多少物理学家关注θ-τ之谜，唯有华裔美国物理学家李政道和杨振宁，经过缜密的思辨，检查大量文献，发现谜后隐藏着未经实验鉴定的弱相互作用的宇称守恒的假设。而从物理学发展史来看，每一次大综合都促使物理学本身和有关学科的很大发展，而每一次综合既以建立在大量精确的观察、实验事实为基础，也有深刻的思辨内容。因此一般的物理工作者和物理教师，为了更好地应用和传授物理知识，也应从物理学的整个体系出发，理解其中的重要概念和规律。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第10页。五、应用物理学初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第10页。应用物理学是广泛应用于生产各部门的一门科学，有人曾经说过，优秀的工程师应是一位好物理学家。物理学某些方面的发展，确实是由生产和生活的需要推动的。在前几个世纪中，卡诺因提高蒸汽机的效率而发现热力学第二定律，阿贝为了改进显微镜而建立光学系统理论，开尔文为了更有效地使用大西洋电缆发明了许多灵敏电学仪器；在20世纪内，核物理学、电子学和半导体物理、等离子体物理乃至超声学、水声学、建筑声学、噪声研究等的迅速发展，显然和生产、生活的需要有关。因此，大力开展应用物理学的研究是十分必要的。另一方面，许多推动社会进步，大大促进生产的物理学成就却肇始于基本理论的探求，例如：法拉第从电的磁效应得到启发而研究磁的电效应，促进电的时代的诞生；麦克斯韦为了完善电磁场理论，预言了电磁波，带来了电子学世纪；X射线、放射性乃至电子、中子的发现，都来自对物质的基本结构的研究。从重视知识、重视人才考虑，尤应注重基础理论的研究。因此为使科学技术达到世界前列，基础理论研究是绝不能忽视的。六、展望未来展望21世纪的前夕，科学家将从本学科出发考虑百年前景。物理学是否将如前两三个世纪那样，处于领先地位，会有一番争议，但不会再有一位科学家像开尔文那样，断言物理学已接近发展的终端了。能源和矿藏的日渐匮乏，环境的日渐恶化，向物理学提出解决新能源、新的材料加工、新的测试手段的物理原理和技术。对粒子的深层次探索，解决物质的最基本的结构和相互作用，将为人类提供新的认识和改造世界的手段，这需要有新的粒子加速原理，更高能量的加速器和更灵敏、更可靠的探测器。实现受控热核聚变，需要综合等离子体物理、激光物理、超导物理、表面物理、中子物理等方面知识，以解决有关的一系列理论技术问题。总之，随着新的技术革命的深入发展，物理学也将无限延伸。七、结论初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第11页。物理学的发展史，也是人类从愚昧走向成熟，从低级走向高级的历史。物理学的每一次大发展，都使人类的思想境界上升到了一个新的高度。相对于整个宇宙范围来说，当今人类的文明尚处于一个较低的层次，并处于正在向第一文明等级发展的历程中。在这个发展的历程中，科学无疑是第一推动力，而在科学的众多分支中，物理学无疑是这一推动力的最先进的代表。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第11页。第二章生产和生活中的物理一、生活中的物理·生活中的物理小常识（一）生活小常识跳高运动员为什么要助跑?跳高运动员能腾起越过横杆，靠的是助跑的惯性力和起跳蹬地的支撑反作用力。由于惯性力的方向是水平向前的，而支撑反作用力是垂直（或近似垂直）向上的，所以起跳后的身体重心沿着一个抛物线轨迹运动。这个抛物线轨迹的高度，取决于起跳时腾起初速度和腾起角的大小，也就是说，腾起初速度和腾起角是增加跳高高度的关键。一般说来，应该尽可能增大这两项数值。最大腾起角为90度。然而，由于跳高不是单纯的垂直向上运动，越过横杆还必须有一个向前的力量；再则，还须充分利用水平速度来增大腾起初速度，因此，腾起角应小于90度。至于腾起初速度，则和运动员的素质和技术的熟练程度密切相关。腾起初速度越大，跳得就越高。当腾起角一定时，腾起初速度是起决定作用的。2、为什么可以用吸管“喝”汽水?这是生活中常见的现象，在嘴还没有从管内吸气时，管内外液面是相平的。这时，管内外液面上的气体压强相等；在嘴从管内吸气时，管内气体减少，管内液面上的压强也减少，这时管子内液面上的气体压强小于管外作用的液面上的大气压。所以，我们说这个现象的原因是大气压作用的结果。喝汽水时，首先要将管子插入汽水里，当嘴吸气里，管内便有一部分气体被吸进嘴里，便造成了管内剩余气体体积变大，压强变小，且小于管外的大气压，因而在管外大气压的作用下，汽水便沿管子上升，被吸进嘴里。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第12页。暖水瓶为什么能保温?初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第12页。热的传递方式有三种：热对流，热传导，热辐射。热的对流主要发生在液体和气体之间，热流上升，冷流下降，通过不断循环达到动态平衡，热的传导发生在热的导体上，热从高温的一端向低温一端传导，热的辐射不需要媒介，它通过辐射的方式向低温处传热。暖水瓶的瓶胆与外壳之间是空气，空气是热的不良导体，热传导降低了许多，瓶胆内部光滑如镜，降低了辐射，所以暖水瓶能保温。熟鸡蛋在冷水里浸一下就容易剥壳？要弄清这个问题，我们首先必须知道水在这一过程中起什么作用?在我们所遇到物质中，除少数几种以外，大多数都有“热胀冷缩”这样一种物理特性。但是，各种物质的伸缩程度又各不相同。鸡蛋是由于硬的蛋壳和软的蛋白、蛋黄组成的，它们的伸缩情况也不一样。在温度变化不大或温度变化均匀时，还显不出什么，但一到温度剧烈变化时，蛋白和蛋壳的步调就不一致了，当煮得滚热的鸡蛋骤然浸到冷水里时，冷水使它的温度发生很大的变化。蛋壳猛然收缩。蛋白还处在原有温度没缩小体积，这时候就有一部分蛋白被蛋壳挤压进蛋的空头处，随后，蛋白又因温度渐渐降低，也逐渐收缩，由于蛋白、蛋壳和蛋黄的收缩程度不同，这就形成了蛋白与蛋黄的脱离。因此，剥起来就不会连蛋壳带肉一起下来了。5、电梯上的特殊感觉？“超重”和“失重”是两种物理现象，地球上任何事物都受重力的作用。如果有力使物体克服重力作向上加速运动，那么就会呈现超重现象。如果物体沿着重力作向下加速运动，就会呈现失重现象。6、触电的人是被电"吸"住了吗？初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第13页。常听人们有这种说法：触电时人被电吸住了，抽不开。实际上这个说法是错误的。我们知道，不论是否存在电流，在一般情况正导线中，电器中的正、负电荷的电量是相等的，对外的静电作用是相互抵消。即使局部地方偶尔出现少许正、负电荷但不相等，其静电引力也是微不足道的。但是问题出现了，人手触电时，为什么有时不把手抽回来？难道不想抽回来？显然是被吸住了抽不回来。对这一提问可用电流的生理效应来解释。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第13页。人手触电时，由于电流的刺激，手会由痉挛到麻痹。即使发出抽回手的指令，无奈手已无法执行这一指令了。调查表明，绝大多数触电死亡者，都是手的掌心或手指与掌心的同侧部位触电。刚触电时，手因条件反射而弯曲，而弯曲的方向恰使手不自觉地握住了导线。这样，加长了触电时间，手很快地痉挛以致麻痹。这时即使想到应松开手指、抽回手臂，已不可能，形似被"吸住"了。如若触电时间再长一点，人的中枢神经都已麻痹，此时更不会抽手了。这些过程都是在较短的时间内发生的。如手的背面触电，对一般的民用电，则不容易导致死亡，有经验的电工为了判断用电器是否漏电而手边又无验电笔，有时就用食指指甲一面去轻触用电器外壳。若漏电，则食指将因条件反向而弯曲，弯曲的方向又恰是脱离用电器的方向。这样，触电时间很短，不致有危险。当然，电压很高，这样作也会发生危险。7、空气和太阳光为了解释这种物理现象，首先简单了解一些空气和太阳光的知识。空气是在地球外面包裹着的一层“防弹衣”，保护着地球上生物不受紫外线的照射。空气并不是空的，是由很多的微粒组成。其中99％是氮气和氧气，其余则是别的气体(如二氧化碳、惰性气体等)、小水滴和来源于工厂的粉尘、风中的扬沙、火山爆发的岩灰等漂浮微粒。但是空气的成分并不是固定的，这依赖于所在的位置、天气和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆发和污染的严重与否)。光是能量以电磁波传播的一种方式，在真空中的传播速度为每秒30万千米。光和其他波(比如声波)不同的是具有波粒二象性。这是因为光是由一种无质量的粒子——光子组成，所以光不但具有波的特性，还有粒子的特性。光传递能量的大小与光的频率成正比，而光的频率正好决定其颜色。但我们的眼睛只能看到其中特定频率范围内的光，称之为可见光，频率过高(紫外线)和过低(红外线)，我们都看不见。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第14页。对于太阳光，牛顿首先用三棱镜发现其中包含着赤、橙、黄、绿、蓝、靛和紫7种颜色。可以用一个小实验即可观察到“七彩阳光”。取装入水的玻璃缸放在房子中阳光入射的地方，然后在水中放一面小镜子，用一张白纸接收从盆中小镜子反射的光，根据光的折射原理，即可从白纸上看到一个漂亮的人造彩虹。在7种不同的光中，红光波长最长(频率最低)，紫光波长最短(频率最高)。我们肉眼所看到的是它们的混合结果。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第14页。8、天空为什么是蓝色的？除非有外界干扰，光都是以直线传播的。当光在空气中传播时，不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒。这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用，正是这些物理作用使得晴日里天空成为蔚蓝色。正确解释天空为什么是蓝色始于1859年。科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多，这就是“泰多尔效应”。几年之后，科学家瑞利更详细地研究了这种现象，他发现散射强度与波长的4次方成反比。后来，更多科学家称这种现象为“瑞利散射”。瑞利散射很容易通过下面一个小实验来验证：用一个盛满水的水杯，然后往水杯中滴入几滴牛奶，用手电筒做光源，从水杯的一侧照射，从水杯的另一侧看到的是红光，而从垂直于光线的方向看到的却是蓝色(在黑暗处的效果更明显)。当时，泰多尔和瑞利都认为天空的蓝色是由于空气中有小的粉尘微粒和小水滴所致，这些小的粉尘微粒和小水滴就类似于水中的牛奶悬浮颗粒。即便今天，也有许多人这样认为。事实上并非如此，如果天空完全是由于小的粉尘微粒和小水滴引起的，那么天空的颜色将随着湿度而变，事实上天空的颜色随着湿度的变化非常小，除非下雨或者乌云密布。后来科学家猜测用空气中的氮气和氧气分子足以解释天空中的“泰多尔效应”。这种猜测最终被爱因斯坦所证实，他对这种散射效应作了详细的计算，并且计算结果与实验相符合。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第15页。我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射强度与微粒的大小有关。当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，不同波长的光被散射的比例不同，此亦成为选择性散射。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径比可见光波长大得多，选择性散射的效应不再存在，不同波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第15页。如果说短波长的光散射得更强，你一定会问为什么天空不是紫色的。其中一个原因就是在太阳光透过大气层时，空气分子对紫色光的吸收比较强，所以我们所观测到的太阳光中的紫色光较少，但并不是绝对没有，在雨后彩虹中我们很容易观察到紫色的光。另外一个原因和我们的眼睛本身有关。在我们的眼睛中，有3种类型的接收器，分别称之为红、绿和蓝锥体，它们只对相应的颜色敏感。当它们受到外界的光刺激时，视觉系统会根据不同接受器受到刺激的强弱重建这些光的颜色，也就是我们所看到物体的颜色。事实上，红色锥体和绿色锥体对蓝色和紫色的刺激也有反映，红锥体和绿锥体同时接受到阳光的刺激，此时蓝锥体接收到蓝光的刺激较强，最后它们联合的结果是蓝色的，而不是紫色的。9、家电节能（1）照明节电日光灯具有发光效率高、光线柔和、寿命长、耗电少的特点，一盏14瓦节能日光灯的亮度相当于75瓦白炽灯的亮度，所以用日光灯代替白炽灯可以使耗电量大大降低。在走廊和卫生间可以安装小功率的日光灯。看电视时，只开1瓦节电日光灯，既节约用电，收看效果又理想。还要做到人走灯灭，消灭“长明灯”。（2）电视机节电电视机的最亮状态比最暗状态多耗电50～60%；音量开得越大，耗电量也越大。所以看电视时，亮度和音量应调在人感觉最佳的状态，不要过亮，音量也不要太大。这样不仅能节电，而且有助于延长电视机的使用寿命。有些电视机只要插上电源插头，显像管就预热，耗电量为6～8瓦。所以电视机关上后，应把插头从电源插座上拔下来。（3）电冰箱节电电冰箱应放置在阴凉通风处，决不能靠近热源，以保证散热片很好地散热。使用时，尽量减少开门次数和时间。电冰箱内的食物不要塞得太满，食物之间要留有空隙，以便冷气对流。准备食用的冷冻食物，要提前在冷藏室里慢慢融化，这样可以降低冷藏室温度，节省电能消耗。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第16页。（4）洗衣机节电洗衣机的耗电量取决于电动机的额定功率和使用时间的长短。电动机的功率是固定的，所以恰当地减少洗涤时间，就能节约用电。洗涤时间的长短，要根据衣物的种类和脏污程度来决定。一般洗涤丝绸等精细衣物的时间可短些，洗涤棉、麻等粗厚织物的时间可稍长些。如果用洗衣机漂洗，可以先把衣物上的肥皂水或洗衣粉泡沫拧干，再进行漂洗，既可以节约用电，也减少了漂清次数，达到节电的目的。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第16页。（5）电风扇节电一般扇叶大的电风扇，电功率就大，消耗的电能也多。同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相差约40%，在快档上使用1小时的耗电量可在慢档上使用将近2小时。所以，常用慢速度，可减少电风扇的耗电量。10、为什么虾片用油一炸就会胀大?虾片是用熟淀粉制作的。制作时在里面形成的许多微孔中都封闭进一些空气。由于这些微孔非常细小，所以我们用肉眼看不出来。把虾片放进热油锅里，一方面熟淀粉遇热就要软化，另一方面微孔中的空气受热就要急剧膨胀。里面的空气要向外挤，外面的熟淀粉又软化了，于是虾片立刻被胀大了。等到温度一降低，外面的淀粉又硬化后，虾片就变得又松又脆，胖乎乎的了。11、为什么通常女人比男人更容易仰浮在水面上？夏天，我们一起去游泳，几个男同学试着仰浮在水面上不动，他们发现，总是脚向下沉。而旁边的几个女同学却可以仰浮在水面上。这是为什么呢？我们知道，人的平均密度是在1.0×l03kg/m3左右变化，当人憋住一口气，人的密度小于水的密度，人应当能漂在水面上；但是男人的密度比女人的密度大，这是因为女人身体内脂肪所占的比率高于男人，女人体内脂肪约占体重的20％，而男人体内脂肪约占体重的15％左右。这样女人比男人更容易被水托起来。此外，从体形上看，男、女差别也决定了女人比男人更容易浮在水面。男人的整个身体中体积最大的是胸部，因此，水对男人的浮力的作用点在靠近肺部的附近，而由于脚的重力，男人的重心在偏离肺部的臀部附近，这一对力不作用在一条直线上，产生了转动的效果脚向下沉。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第17页。女人整个身体中体积最大的部位是臀部，浮力对女人的作用点在臀部附近，其重心在臀部稍上一点的地方，两个力的作用线离得很近，稍加调整人的姿态，就可以便浮力与重力在同一条直线上，达到二力平衡，使女人浮在水面上比男人要稳得多。男人若想平稳地仰浮在水面，可将两臂举过头顶平伸出去，使重心上移可减少脚下沉的趋势。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第17页。12、为什么泡菜坛子的上方要有一个环状水槽？有一种制做泡菜的坛子，陶制的容器上方有环状水槽。把泡菜汤和需泡制的莱放进坛后，将碗倒扣在环状水槽上，并在水槽内加适量的水，就可以泡制泡菜了。泡制泡菜是乳酸菌对菜进行加工的过程，乳酸菌是厌氧菌，也就是说腌制泡菜应在隔绝空气的条件下进行。环状水槽上倒扣一个碗，加适量水后，水槽被碗边分成了两个底都相通的容器，即连通器，根据连通器原理，碗边内外的水面相平。这样坛内外的空气被水隔开。空气不能进入坛内，保证了坛内的化学变化正常进行。另外，坛内发生化学变化产生了气体，当坛内气压大于坛外大气压强时，这部分气体还可以通过环状水槽的底部的水排出坛外。可见环状水槽起着隔绝空气和单向阀门两个作用，在泡制泡菜的过程中起着关键的作用。如果你家正在用泡菜坛子泡制泡菜的话，千万别忘了给环状水槽添水，因为水槽浅，盛不了多少水，很容易蒸发完，使泡菜坛内外气体相通，使泡菜汤发生霉变，长了一层白毛，只好将其全部倒掉，那多可惜呀!13、湿袜子为什么粘脚?袜子穿在脚上，脚踩在水中，袜子湿透了，这时要把袜子脱下来可费劲了，就好像粘在脚上一样。有人说，这是水有粘性，是水把袜子和脚粘在了一起，这种说法不准。是空气把袜子和脚粘在了一起，同时水分子之间的引力也起了作用。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第18页。干袜子和脚之间原来有一层空气，袜子的内外层都受到大气压的作用，脱袜不必克服大气压的压力。袜子湿透了，袜子和脚之间的空气都排掉了，袜子的空隙充满了水以后成了一个封闭的整体，外面的空气进不到袜子和脚之间，大气压从袜子外面把袜子紧紧地压在脚上，所以脱湿袜子还要克服大气压力很不容易。不是袜子粘在了脚上，而是被压在脚上。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第18页。另外，袜子和脚上都有水，水分子之间有引力，脱袜子时还要多克服水分子间的吸引。由于上述两个原因，脱湿袜子比脱干袜子困难一些。14、风筝为什么能升上天?每年的春天，北京的风筝会一下多起来，无论是天安门广场，还是新建的立交桥边的空地上，都有不少的大人小孩兴致勃勃地把五颜六色、各式各样的风筝放上天空。这些风筝在蓝天上翩翩起舞，十分壮观。但是你知道风筝为什么会飞上天吗?有人说风筝是风吹上天的，说的不全对，纸片被风吹上天不一会儿就自己落到地面来。风筝被线拉着与风吹来的方向有一定的角度，当风刮到风筝上的时候，由于风筝的阻挡风的方向发生改变，风筝给风一股力量，使风转变了方向。根据牛顿第三定律，作用力与反作用力的大小相等，方向相反，分别作用在相互作用的两个物体。风也就给风筝一个反作用力，这个力使风筝向上，向远方飘去，这时只要适当地放开拉住风筝的细线，风就把风筝送上了天空。当人拉紧细线，细线对风筝的拉力与风对风筝的作用力方向相反，不让风筝远去。风筝在这两个力的作用下，悬在半空中。如果风速太小，风对风筝的作用力不足以支持风筝的重力和细线的拉力，风筝就会从高处向下跌落。一般靠近地面的风力较小，必须设法使风筝达到一定的高度，才能自动上升到更高处，线在空中飘浮。因此人们往往拉着风筝迎着风跑，或登到高处使吹到风筝上的风速大一些，使风筝飞升上天。15、乘飞机时，乘务员为什么要发给乘客口香糖？当你乘飞机旅行时，乘务员总是要在飞机起飞前发给你口香糖，这是不是为了给你的旅行增加甜蜜的味道？不是，而是为了减轻你在飞行中的不适。我们知道大气层空气的密度是变化的，大气压强随着高度的增加而减少。虽然我们的大型民航客机的机舱是密封的，但是在飞机起飞、降落和航行中，机舱内空气的压强还是会有较大的变化。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第19页。人在地面时，地面的大气压强为1个大气压左右，人的耳咽管及内耳道内空气的压强也是一个大气压左右，当飞机升入高空之后，机舱内的空气压强降低，而内耳及耳咽管封闭着一个大气压的气体，造成鼓膜内外有个压强差，使鼓膜受到从内耳向外耳的压力作用，使人感到头晕、恶心，甚至于出现呕吐等不舒服的症状。这时只要张开嘴，作咀嚼、吞咽动作，耳咽管就会开启与空气相通，使内耳中的空气压强与机舱内的气压相同，使加在鼓膜上的压强差消失。为了帮助你能打开你的耳咽管减轻乃至消除由于气压变化给你带来的不适，乘务员发给你口香糖，是为了让你轻松地、甜蜜地渡过这个难关。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第19页。我们从这个实例中可以知道，当你周围环境的气压作较剧烈变化的时候，主动张嘴，使内、外耳压强保持一致，是保护耳朵的好办法之一。16、为什么公共汽车后面的窗子是不打开的?当你坐在疾驰的公共汽车中的时候，是否发现，汽车的后窗总是关闭的，这是怎么回事，为什么在很热的夏季，都不打开车的后窗呢?如果有一条小鱼在茫茫的大海里游泳，水面是不会产生什么波浪的。如果大鲸鱼游来就会激起滚滚的浪花。这是由于鲸的身体很大，它要占据很大的体积，当他往前游的时候，它离开的地方就会有水补充进来，因此，鲸的尾部常常出现巨大的浪头。公共汽车也是这样的，在车身刚经过的地方，就要有空气来补充，因此，空气就由两旁和后面这些地方涌来，形成一股涡流。空气的涡流卷起地上的尘土，紧跟在汽车后面，卷起一个大灰柱；这就是我们看到的汽车后面的飞扬的尘土。如果我们把公共汽车的后面的窗子打开，那么空气必然夹带着尘土，一个劲地往车里挤。因此，公共汽车后面的窗子，大多是不打开的。17、公共厕所里的自动冲水水箱为什么能定时冲水？在公共厕所里常见到定时自动放水冲洗的装置，它是根据虹吸现象制造的卫生设备。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第20页。虹吸现象在日常生活中常见。拿一根装满水的长橡皮管，两头用手捏住，把它的一头插入放在桌子上的水桶里，让橡皮管另一端挂在水桶的外边，挂在外边的橡皮管较长。松开捏着皮管里两端的手，水桶里的水就会源源不断地流出来，直到水桶里的水位降到管子口的下方为止。这是因为橡皮管里灌满了水，大气压初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第20页。打开水龙头，向高悬于厕所房顶的水箱内注水。当注进的水的水位，低于虹吸管上端弯曲的部分因为管内有空气不会发生虹吸现象。当注进水位高于水管上方弯曲部分时，水管内灌满了水，发生虹吸现象，水箱的水自动地冲出来冲洗下水道，直到水位下降到弯管进水口之下。接着又开始第二次储水的过程。水储满了之后又发生虹吸现象，只要进水量调得合理，就能保证水槽定时，定量冲水。18、为什么下水管要穿出楼顶?现在的楼房里的厨房和厕所都要安装较粗的下水管，这是因为下水道的空管里有空气，空气要占据空间，水管里的废水如果不能把空气挤出去，废水就会堵在下水管的上端，流不下去，下水管的上端穿出屋顶，就给下水道里的空气留了出路。废水往下流把空气往上挤，让空气流到楼顶的大气中去，废水才会顺顺当当地往下流。生活中也有这样的实例。我们用漏斗向瓶中灌油时，若漏斗紧压在瓶口，瓶中的空气排不出去，油就停在漏斗中不漏到瓶子里。当我们把漏斗从瓶中提起，使漏斗与瓶口之间出现空隙，漏斗中的油就会顺利地流到瓶中。这是因为瓶中的空气从瓶口和漏斗之间排出瓶外，不再堵住漏斗的油向下流。19、夏天冰棍会什么会冒汽？夏天，由于外面的气温比冰棍的温度高得多，冰棍一旦遇到空气就要融化，融化时要从周围的空气中吸收大量的热，使空气的温度下降。平时空气里含有一定量的水蒸气，由于温度突然降低，就达到饱和或过饱和状态。也就是说，冰棍周围的空气由于温度降低，便容纳不下原来所含的那么多水蒸气了。在这种情况下，多余的水蒸气就结成微小的水珠，形成一团团飘浮着的雾状水滴，经光线照射，就成了白色的水汽。20、服装的颜色初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第21页。“冬不穿白，夏不穿黑。”这是人们从生活实践中总结出来的经验，你知道它包含的科学道理吗？太阳不仅给人们送来光明，而且还送来了大量的辐射热。对于辐射热来说，黑色也是只吸收，不反射，而白色正好相反。白色的东西能够反射所有颜色的光线，因此看起来就是白色的；而黑色的东西却能吸收所有颜色的光线，没有光线反射回来，所以看起来就是黑色的了。一般说来，深色的东西，对太阳光和辐射热，吸收多，反射少；而浅色的东西，则反射多，吸收少。因此，夏天人们都喜欢穿浅色衣服，像白色、灰色、浅蓝、淡黄等，这些颜色能把大量的光线和辐射热反射掉，使人感到凉爽；冬季穿黑色和深蓝色的衣服最好，它们能够大量地吸收光和辐射热，人自然就感到暖和了。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第21页。21、多孔的冻豆腐豆腐本来是光滑细嫩的，冰冻以后，它的模样为什么会变得象泡沫塑料呢？豆腐的内部有无数的小孔，这些小孔大小不一，有的互相连通，有的闭合成一个个小“容器”，这些小孔里面都充满了水分。我们知道，水有一种奇异的特性：在4℃时，它的密度最大，体积最小；到0℃时，结成了冰，它的体积不是缩小而是胀大了，比常温时水的体积要大10%左右。当豆腐的温度降到0℃以下时，里面的水分结成冰，原来的小孔便被冰撑大了，整块豆腐就被挤压成网络形状。等到冰融化成水从豆腐里跑掉以22、爆米花为什么会膨胀？“砰！”随着一声巨响，爆米花的香气便飘散开来。爆米花个大粒圆，酥脆芳香，是很受欢迎的一种膨体食品。大米经过爆米机一加工，体积陡然胀大好多倍，难怪人们风趣地把爆米机称作“粮食扩大器”哩！那么，米粒是怎样被扩大的呢？初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第22页。我们知道，密封在容器中的气体，都有一个特别的脾气：温度增高，压强就增大。给爆米机加热的时候，密封在罐里的空气的压强逐渐增大；同时，装在里面的大米逐渐被加热，贮存在米里的水分也逐渐蒸发出来，聚积在铁罐内。罐的温度不断升高，罐内的气压越来越大，这种高压阻止米中水分继续蒸发，使残存在米中的水分也逐渐升温升压，一个个米粒象憋足了气的小气球，只因为受到罐内气压的约束，它们才不能爆开。当罐内气压升高到2—3个大气压的时候，便停止加热。这时，爆米花的师傅拿一条长布袋套在爆米机的口上，然后打开盖子。说时迟，那时快，在一声巨响中，大米喷到布袋里了。高温高压的米粒突然进入气压较低的环境中，憋在米粒中的高温高压水分，失去了约束力，便急骤膨胀，使米粒迅速胀大，变成了爆米花。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第22页。透过爆米花，使我们看到了“高温高压”的巨大力量。节日的焰火、鞭炮，工地上的爆破，工厂里的蒸汽锤，大力士蒸汽火车头……它们那种有声有色的表演，都是“高温高压”导演出来的。随着科学技术的发展，它已成为生产上的强大动力。23、接地放电地球是良好的导体，由于它特别大，所以能够接受大量电荷而不明显地改变地球的电势，这就如同从海洋中抽水或向海洋中放水，并不能明显改变海平面的高度一样。如果用导线将带电导体与地球相连，电荷将从带电体流向地球，直到导体带电特别少，可以认为它不再带电。生产中和生活实际中往往要避免电荷的积累，这时接地是一项有效施。24、为什么尖端会放电？通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。由于同种电荷相互排斥，导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来分布是不均匀的，导体尖端的电荷特别密集，所以尖端附近空气中的电场特别强，使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现象。25、爆炸时寂静区是怎样形成的？初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第23页。在离爆炸地点往北远隔160km的地方，人们却很清楚地听到了这次爆炸声。声音怎么会跳跃到这么远的地方去？中间的寂静区是怎样形成的呢？

声音传播的速度与温度有关，温度越高声速越大。在大气下层，温度随高度的升高而降低；在较高的气层中气温又随高度的增加而升高。在这种情况下，声波的射线开始向上弯曲，随后发生全反射现象而射回地面。到地面又可发生反射。发生反射的地方均可听到声音。如反射很强，则此过程还可继续进行下去。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第23页。沿着地面传播，声音是传不远的。因为地面上到处都有树木、山丘、建筑物以及其它许多凹凸不平的东西，声波遇到这些障碍物就会发生反射或吸收。阿尔卑斯山隧道里的爆炸声，则经过隧道弧形壁反射而形成声音的聚焦；声音被集中起来后，传播出去：它沿地面只传播了30km；这强大的声流又向空中传播，声音的射线不断弯工，恰又矿碰到了北方约80km处浓厚的云；变反射到远隔160km的地区去。这样，在30km和160km之间变出现了寂静区。在战争中，如果发生这种奇异现象，指挥员不容易听到寂静区背后的枪炮声，就会造成重大的伤亡。26、为什么汽车大都用后轮驱动？同学们可能会发现：我们常见的汽车中大都是用发动机通过一根长长的传动轴带动后轮转动，来使汽车前进的，这叫做后轮驱动。为什么不用发动机直接驱动前轮，这样不更方便吗？其实汽车大都用后轮驱动有两个方面的原因：第一，汽车的最大牵引力从实质上来说就是地面对汽车的最大静摩擦力。通过对摩擦力的学习我们知道：最大静摩擦力比滑动摩擦力稍大一点，而滑动摩擦力除了与车轮、路面之间的情况（即接触面的粗糙程度）有关之外，还与车轮对路面的压力成正比；另一方面，车轮对路面压力的大小既与载重量大小有关，还与货物在车上的位置有关。而我们知道，货物和人一般都在汽车的后半部。一般地，汽车前轮的压力占汽车载重量的1／4，后轮的压力占汽车载重量的3／4。另外，即使将货物放在靠近前轮的地方，车上的货物由于惯性一般也会向后移，使后轮对地面的压力自动增加。所以要把汽车设计为后轮驱动。因此，汽车用后轮驱动可以增大汽车的牵引力。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第24页。第二，如果汽车用前轮驱动，前轮既要转向又要驱动，将汽车的传动和方向机构合并在一起很复杂，驾驶员操纵方向盘比较麻烦也很费力，也不方便。所以，通常少见前轮驱动的载货车。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第24页。但是，货物装载机一般却用前轮驱动、后轮转向，这是因为装载机的载货斗在前边，前轮对地面的压力比后轮大得多。有些为获更大牵引力的汽车，如越野汽车、轮式拖拉机等用前后轮同时驱动的装置，但是这些车辆在道路不是特别坎坷、泥泞的情况，还是用后轮驱动，这样可以提高行驶的速度。27、为什么熟鸡蛋能竖立旋转？把一只煮熟的鸡蛋放在桌上旋转，如果用力合适，它转着转着就会竖立起来，而生鸡蛋就不会这样。英国和日本科学家对这一现象作出了物理学解释。熟鸡蛋在旋转过程中竖立起来，这看上去是违反物理规律的，因为它的重心升高，整个系统的能量似乎增加了。科学家在28日出版的英国《自然》杂志上报告说，事实上是熟鸡蛋的部分旋转能量在蛋壳与桌面之间的摩擦力作用下转换成了一个水平方向的推力，使熟鸡蛋的长轴方向改变，在一系列的摇晃震荡中由水平变为垂直。而生鸡蛋的内核是液态，会吸收旋转能量，使它不能转化为推力，因此生鸡蛋在旋转时不会竖立起来。科学家说，产生这一现象的关键是蛋壳与桌面间的摩擦力要恰到好处。在完全光滑的桌子上，旋转的鸡蛋不会竖立起来。而桌面太粗糙了也不行。此外，鸡蛋的旋转速度也要合适，在大约每秒10转的临界速度以下，鸡蛋不会竖立起来。科学家还发现，鸡蛋能否竖立起来与其旋转的初始方向没有关系，而且鸡蛋也能以任一端立着旋转。28、滑翔翼是怎样上升的？在自然界中，除了有水平方向的风外，还有从地面吹往天空、竖直方向的风。滑翔翼如果遇到了这种上升气流，就会同它一起上升。滑翔翼(及任何其它使用上升气流的飞行器)翱翔的基本规则是寻找上升气流，并飞到里面去。上升气流有多种成因，最常见的是山脊气流和热气流。当水平方向的风吹到障碍物(在这里是山脊)上时，它被迫冲往上方，这就是山脊气流。当某处地面(水面)被太阳晒热，并将热量传导给附近的空气时，热空气上升，就形成热气流。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第25页。一般而言，山脊气流沿山脉呈带状分布，飞行员在其中来回穿梭。而热气流则始于地面上的某一点，呈柱状或热气泡状上升，飞行员在该区内盘旋上升。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第25页。29、飞行当中的温度变化情况怎样？滑翔翼可在温度低至零下数度的冬季飞行，也可在赤日炎炎的沙漠地区飞行。高度每升高300米，空气温度将下跌4华氏度。因此，飞行员在高空飞行中必须经受较低的气温。夏季，如果你计划飞到3600-4200米以上，就需要穿着能保暖的衣服，以免受冻。30、玩滑翔翼对体格有特殊要求吗？对飞行员的年龄、性别、体重和身高有无限制？几乎人人都可以飞滑翔翼。如果您能肩扛23-32公斤的东西慢跑，您就能够学会飞滑翔翼。当然飞行并不需要您特别大力，因为您的体重是由吊带、而不是您的双臂负担的。但在恶劣天气下的长时间飞行就需要有较稳健的耐力。飞行员在循序渐进的学习中，可以逐步地提高这种耐力。飞滑翔翼的人从十几岁到八十几岁的人都有。这项运动对心理的要求大过对生理的要求。如果一个人的心智足够成熟，能够对关乎其生命安全的事件做出正确的判断，并能有适当的反应，就可以说他到了适合飞行的年龄了。飞行主要靠的是平衡感和耐力，而不是李元霸那样的蛮力。所以无论男女都可以成为优秀的飞行员。当然，性别比例因地而异。在美国，约有10%-15%的滑翔翼飞行员是女性。飞行员的体重也不太重要，关键是他们必须使用适合他们尺寸的伞具。较重的飞行员需要大号伞具，较轻的飞行员则需要较小号的伞具。一般滑翔翼飞行员的体重约在40到110公斤之间。体重不在本范围内的人就不容易找到适合他们使用的伞具了。当然，特别胖的人可以使用特别设计的双人伞。身高与能不能飞行之间也没有必然的关系。当然，一般伞具是为1.5-2.0米高的人设计的。对于身高不在本范围内的人，伞具和鞍具都要做适当的修改。31、静脉输液中的物理知识静脉输液时，要求在输液过程中，保持滴点的速度几乎不变。通过观察封闭式静脉输液用的部分装置，结合气体压强、液体压强的知识我们不难说明其道理。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第26页。输液时，医生先将葡萄糖液瓶倒挂，然后将通气管上的通气针插入，这时通气管与葡萄糖液瓶内部连通，葡萄糖液有一部分进入通气管内。但我们注意到进入的量并不多，通气管内的液面远比葡萄糖液瓶内的液面要低。接着医生就把点滴玻璃管和输液管连好，然后将输液管通过针头与葡萄糖液瓶内部相连。调节橡皮管上的夹子，葡萄糖水就开始均匀地一滴一滴在点滴玻璃管内下落了。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第26页。首先，当插入通气管后，为什么通气管内的液面远低于葡萄糖液瓶内的液面。由于葡萄糖液瓶内的空气是密闭的。当通气管和葡萄糖液瓶内接通时，部分葡萄糖液已进入通气管，这样葡萄糖液瓶内部的液面就有所下降，瓶内空气的体积就会增大，压强就要减小。正是由于瓶内空气压强减小，小于外界大气压，所以导致了通气管内的液面与葡萄糖液瓶内液面之间出现了上述的高度差。其次，我们来分析输液时葡萄糖液瓶内的压强情况：我们知道，液体压强是随深度增加而增大的。液体越深压强越大，这样液流速度就越快。在输液开始后，葡萄糖液瓶内的液面持续下降，瓶内空气压强减小，因而通气管内的液体由于受到外界稳定的大气压强的作用，很快被压回到葡萄糖液瓶内。当通气管（包括针头）内没有了葡萄糖液后，其针头顶端开口处的小液片就刚好在上下都是一个大气压强的作用下平衡。小液片的上部受到向下的压强是瓶内空气压强以及葡萄糖液产生的压强。小液片的下部受到向上的压强是外界大气压强。当瓶内液面继续下降而导致瓶内空气压强略有下降时，小液片就不再平衡，它让开一个“缺口”，气泡就冒上了瓶内空气之中。瓶内空气量增多，压强就稍有增大，通气管针头顶端开口处的小液片又在上下都是一个压强的作用下重新平衡。这佯，在整个输液过程中，通气管针头顶端开口处的小液片受到的向下的压强基本保持在一个大气压强的水平，不会因瓶内液面的下降而变化。由于图中通气管针头顶端所处水平面液体的压强基本保持不变，因而在它下面一定距离的点滴玻璃管上端口液体的压强也基本保持不变。这样，就对稳定滴点速度起到了积极作用。32、公路标志牌、线、车牌为什么反光很强？初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第27页。反光涂料是运用微棱镜晶体回归反射原理，在其它远距离的光源照射下也能产生强烈的反光效果并反射回发光处,无需外加电源，就达到了在黑暗中如同灯光的功效。汽车牌照以及道路指示牌采用高折射率玻璃微珠后半表面镀铝作为后向反射器，具有极强的逆向回归反射性能，能将85％的光线直接反射回光源处，回归反射所造成的反光亮度，可使驾驶人员和带光源的夜间或视野不佳的情况下清楚地看见行人或障碍目标，确保双方安全。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第27页。汽车牌照的反光原理就是平时所说的回归反射，道路上的交通标、志警示牌也是同一类产品，它是通过内藏的玻璃微珠（也有裸露型）来实现的。根据反射强度一般可分为几大类：高强级，车牌级，工程级和广告级。这些标志牌很多都是用反光的涂料做的。这些涂料用到了反光膜。反光膜产品是一种用途广泛的新型光学材料。它是根据薄透镜成象原理，将玻璃微珠均匀单层镶嵌在有机树脂中作为光学原件，用树脂多层层叠而成的贴膜。用其制作的反光标志牌能将入射光线按原路回归反射，其反光亮度比一般油漆标志牌亮几十至几百倍。产品广泛应用于公路、铁路、港航、机场、矿山，消防、车辆牌照、环保、广告等领域制作反光标志、标牌。该产品的使用，能使人于夜间在数百米以外看清标志，很大程度地提高了人们夜间对标志的识别能力，达到增强安全意识和宣传的作用。该产品是近期问世的高科技产品，随即被广泛采用，现到处可见本产品制作的反光标志标牌，已与人们的生产生活密切相关，该产品的应用是人类文明进步的又一家征。33、伽利略望远镜的原理及光路图物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第28页。你可以用很低的费用制作一架伽利略式望远镜。从文化用品商店买一块直径、焦距大一些的眼镜片作为物镜和一块焦距、直径较小的透镜作为目镜。用胶水和小槽把两块镜片装在硬纸筒内，再做一个简单的台座，于是一架能够看到月亮上的群山、银河中的繁星和木星的卫星的初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第28页。611年，另一位天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式。但是“假色”问题仍然未能解决。利珀希不是天文学家，从未想过把自己的新装置对准天空。但是没过多久，关于他的发现的消息传开了。幸运地是，意大利的帕多瓦大学教授伽利略得知了此事。伽利略很快就制造了一台折射望远镜。他以平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜。从待研究的物体发出的光照射到望远镜物镜的一个玻璃透镜上，物镜使光线折射并把它集中于称为焦点的一点上，在那里便形成了发光体的像。这个像被目镜的透镜放大，进入人眼。34、车窗中的物理知识汽车作为重要的交通工具，已经成为了人类生活中不可或缺的一部分.细心观察一下，各种式样的汽车车窗，涉及到的物理知识还真不少呢！（一）轿车前边的车窗玻璃为何要做成倾斜的？不少学生可能一下子会认为：做成这样还不是为了减小车子行驶过程中的阻力呗！那也许又有学生要追问：那大型汽车（如长途客车、公共汽车、大型卡车）驾驶室的前窗玻璃可是竖直的呀？显然这种解答是不科学的！这可要从光学角度来分析：挡风玻璃是透明的，但不是绝对没有反射。坐在驾驶员后面的乘客会由于反射成像在驾驶员的前方。小轿车较矮，坐在里面的乘客经挡风玻璃成像在前方，若挡风玻璃是竖直的，则所成的像与车前方行人的高度差不多，这就会干扰驾驶员的视觉判断，容易出事故.而当挡风玻璃为倾斜时，所成的像就会在车前的上方，驾驶员看不到车内人的像，就不会影响视觉判断，保证行车安全.大型汽车一般很高，驾驶员的位置（视线）比路面行人要高些，这时虽然车内乘客经挡风玻璃反射成的像在车前方，但位置比路上行人高得多，且比较暗淡，因而不会影响驾驶员的视觉判断。初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第29页。（二）装有空调的汽车在夏、冬季节，车窗上都有水珠出现，这是怎么回事？初中物理校本教材《物理之窗》内容全文共66页，当前为第29页。你首先要知道:小水珠在不同季节小水珠在不同季节可是出现在车窗玻璃不同的表面上的哟！原因是夏天车外气温高，车内气温低，故车子外面的水蒸气遇冷在窗户玻璃的外表面上液化形成了小水珠；而冬天则相反，车内气温高于车外气温，所以车子内的水蒸气遇冷在车窗玻璃的内表面上液化形成了小水珠。（三）为何夜间行车时，车内不能亮灯呢？在晚上乘车或在路边行走时，我们会发现夜晚行驶的汽车，车内的灯都是关闭的。因为当车内开灯时，汽车的挡风玻璃相当于一个平面镜，车内人、物在玻璃的反射下会在车前方形成虚像，由于车内光线比外面强，所以可能比车前行人还要明显，结果使司机看不清或发生混淆，造成判断失误酿成交通事故。因此，夜间行车，为了避免车前出现车内景物的像，保证司机看清路面上的景物，必须关掉车内的。（四）奥运开幕式:巨大地坑暗藏画轴、地球在地面系统上，雅典的创意是用一个大水池移植了“爱琴海”，而北京则用地下舞台浮出“画轴”，徐徐展开中华五千年历史。演出核心的中心舞台，是一个直径20米的升降台，藏在体育场中央的巨大“地坑”中，“地坑”顶端的盖板可以平移。卷轴和“地球”都是从这个“地坑”升起。其中卷轴