现代物理知识
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2006年 18卷 02期 刊出日期 2006-04-18
论文
论文
3
神经信号运作和组构原理
林奕斌,赵同军,展永,卓益忠
科学发展到今天,人类已经能够上天、入地、下海。世界的每一个角落都印上了人类的足迹。然而创造了这一切奇迹的最大功臣———大脑,却因其复杂的系统、扑朔迷离的网络而依然是处女地。揭示人脑的奥秘是当今科学研究的迫切任务。20世纪分子和细胞神经生物学快速发展,使人们窥视到了上帝的部分隐私。许许多多的离子通路、成千上万个突触,复杂的网络、整齐的层次、快速而协调的运作,让人不禁感叹生命的神奇!人们试图用上千个方程来描述单个神经元的生物物理过程。然而单个神经元对人脑的信息处理过程的作用是微不足道的,只有大量神经元群体的活动才能反映脑内的信息处理过程。
2006 Vol. 18 (02): 3-7 [
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半导体低维结构及应用
王良
信息产业是国民经济最主要的支柱之一,驱动信息产业高速发展的两个动力分别是它的器件制造和软件开发,而信息产业中最具有新原理、新功能的器件制造又完全依赖于半导体物理的研究与发展,各个发达国家和地区无不在半导体物理研究领域投入大量人力和物力,以满足社会发展、人们生活和国防安全的需求。随着人类社会对信息量需求的不断增加,微电子技术正向它的“极限”挑战,基于低维材料量子力学效应的纳米电子学、光电子学、量子计算和量子通信等正受到广泛的重视,低维材料已成为当前材料学研究的热点之一。
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近红外光谱分析技术及发展前景
陈丽菊,刘巍
近红外光(nearinfrared,NIR)是介于可见光(VLS)和中红外光(MIR)之间的电磁波,美国材料检测协会(ASTM)将波长780~2526nm的光谱区定义为近红外光谱区。近红外光谱主要应用两种技术获得:透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱波长一般在780~1l00nm范围内;反射光谱波长在1100~2526nm范围内。近红外光谱区(NIR)是由赫歇尔(Herschel)在1800年发现的。卡尔·诺里斯(KarlNorris)等人首先用近红外光谱区测定谷物中的水分、蛋白质。低谷
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光电效应与光电器件的应用
郑冬梅,闫迎利
一、光电效应及其理论解释著名物理学家赫兹为了验证麦克斯韦预言的电磁波,于1887年发现当光照射在金属表面时,电子可以从金属中脱出这一物理现象。这一现象叫做光电效应,可以从金属中脱出的电子叫光电子。光电效应可以分为两类。一类是当光照射在金属表面时,电子从金属中脱出,叫做外光电效应。另一类是当光照射在某些半导体材料上时,被半导体材料吸收,并在其内部激发出导电的载流子(电子-空穴对),从而使得材料的导电率显著增加(所谓“光电导”);或者由于这种光生载流子的运动造成的电荷积累,使得材料两面产生一定的电位差(所谓“光生伏特”),这两种情况叫做内光电效应。光电效应的实验规律是光的波动理论无法解释的。
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从量子力学到信息技术
眭平
提到量子力学,现代人们都知道它是现代物理学中重要的基础理论,也是现代科学技术中的两大重要基石之一,它是一门能使人类把握宏观物体的各种性能,并能深入认识物体微观结构的科学。提到信息技术,人们都知道它同样是现代高新技术,也是20世纪五大尖端技术之一。然而,谈到两者是否存在关系、是何种关系时,则鲜为人知。当我们翻开科技发展的史册,对信息技术进行追源探因,就可以发现:量子力学是信息技术的源泉,是信息技术的原创理论基础;信息技术是量子力学理论的技术应用和技术开发。下面我们不妨从科学技术发展的历程中追源探因。
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燃料电池的应用和发展
石新军
燃料电池(fuelcells,FCs)是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。它是一种将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)中的化学能,通过电化学反应过程直接转化为电能的电化学发电装置。它是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化的动力装置,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。
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电晕放电与介质阻挡放电等离子体简介
尹淑慧
等离子体(Plasma)是在宏观尺度内维持电中性的非凝聚系统,又被称为物质第四态。Plasma源于希腊语πλασμα,原意是能够成型的东西,生物学上作原生质讲。1927年,朗缪尔(I.Langmuir)最先引入等离子体(Plasma)这个术语,并在两年后与唐克斯(L.Tonks)一起给等离子体赋予电离气体的涵义。其主要特征是:体系内除了单个分子间的弹性碰撞外,还发生大量的使分子处于激发量子态的非弹性碰撞;粒子间存在长程库仑力,导致带电粒子群的集体效应;等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合。按其体系温度,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类。
2006 Vol. 18 (02): 21-22 [
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超声波的生物物理学效应及其作用机理
袁琼
超声波是指频率高于20kHz的机械波。超声波的应用,在世界上仍然是一个较新的研究领域。19世纪末,科学家逐渐知道了超声波的某些基本性质,直至本世纪初,法国物理学家朗之万(P.Langevin)才开始将超声波应用于实际。他于1917~1918年,用超声技术探测德国潜水艇,获得成功。1927年,德国的一些科学家开始致力于超声波的生物学作用研究,其后一年,即试验用超声波治疗慢性耳聋;1938年起,德国医生逐渐用超声波治疗坐骨神经痛、神经丛炎、肌肉痛等,取得效果;1942年,还试用超声波作脑部探查。1949年召开了第一次国际医学超声会议,超声波从此在医药学的各个领域都有应用,并取得飞速发展,产生了超声
2006 Vol. 18 (02): 23-24 [
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铁路提速与弯道向心力
吴雁平,刘朝英
2004年4月,全国铁路实现了自1994年以来的第五次大面积提速,时速160千米及其以上的线路达到7700千米。今年还将实施第六次大面积提速,部分提速干线列车时速可以提高到200千米,相当于F1赛车多数情况下的平均速度。速度,就是效益,就是竞争力,是交通运输现代化最重要的表现。发展高速铁路是当今世界各国铁路交通发展的潮流与主导趋势。但是制约铁路提速的众多因素中,最重要的一条竟是“弯道”。据郑州铁路局报道:为了列车的安全和平稳,需对7000多千米铁路线上的弯道一一进行调整,将小半径曲线线路全部改造成大半径曲线或直线线路,同时调高曲线外轨。
2006 Vol. 18 (02): 24-26 [
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黑洞及其视界附近的物理规律
刘晓军
人类对黑洞的认识过程在1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的著作《宇宙体系论》中就预言:如果它引力足够强,光速也不足以成为逃逸速度的话,我们可能会看不见它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的,这种观点是建立在牛顿引力理论基础上的,当时没有任何办法能够验证他的想法。直到100年后,爱因斯坦发表了广义相对论,它在基本概念上与牛顿引力理论完全不同。在广义相对论中,空间和时间构成了一个四维时空,时空的几何性质与物质,通过爱因斯坦引力方程联系起来,物质是引力的源,也决定了时空的弯曲。广义相对论发表后不久,德国天文学家史瓦西立即对球对称的情况求出了爱因斯坦引力方程的解。
2006 Vol. 18 (02): 26-28 [
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传感器技术在汽车上的应用
周芳
不同用途的传感器装置在汽车的相关部位上,可有效监测车辆各个部位的工作状况。它们能够发现车辆的异常情况,以电信号方式向计算机报告,以便及时排除车辆故障,确保行车安全。目前传感器在汽车上的应用主要在以下几个方面。一、空气温度传感器(ACT)空气温度传感器(ACT)感测进入发动机进气歧管的空气温度。这种装置有一个热感电阻的触头,装置在空气滤清器或汽缸进气歧管的进气口。其电阻值随周围空气温度的变化而变化,从而发出不同电流值信号。如果进入发动机的空气温度低(或高)时,空气密度,即重量,会相应变大(或变小),传感器的这个信号将帮助电子计算机控制燃油喷射量,把空气-燃油混合的混合比调控到理想值。
2006 Vol. 18 (02): 28-29 [
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光压与光压推进
郑好望,肖胜利,梁红军
2005年6月21日,美、俄科学家向太空发射了人类历史上第一艘太阳帆飞船———“宇宙一号”(由于搭载的火箭引擎故障,在发射后不久失踪)。这艘耗资400万美元、总重量为50千克的飞船,由8片各15米长的超薄三角形聚酯薄膜帆板组成,呈风车状,总面积达600多平方米,帆板表面上涂满了反射物质;它利用光压推进,无须携带任何燃料,只要有阳光存在,它就能获得动力加速飞行。光子与光压光子是静止质量为零的中性粒子,是光和电磁波能量、动量的携带者,其能量E=hυ、动量p=hλ=hυ/c(h为普朗克常数,υ为光的频率,λ为光的波长)。真空中,每个光子都以光速c=3×10
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米秒-1运动。
2006 Vol. 18 (02): 31-31 [
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光梳与光钟
李文胜
2005年10月4日,在光学领域的理论和应用方面做出卓越贡献的3位科学家荣获诺贝尔物理学奖。美国的罗伊·格劳伯因为对光学相干的量子理论的贡献而获得奖金的一半,美国约翰·霍尔和德国的特奥多尔·亨施因为对激光精密光谱学发展做出的重要贡献而分享另一半奖金。格劳伯早在1963年就通过自己先驱性的工作,提出了“相干性的量子理论”,不仅解决了一些基础性问题,而且也为一门全新的学科———量子光学的创立奠定了基础,他也因此被誉为“量子光学之父”。而霍尔和亨施则在利用激光进行超精密光谱学测量方面成就斐然,尤其是为完善“光梳”技术做出了重要贡献。
2006 Vol. 18 (02): 32-33 [
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超导磁体及其应用
须磊
1911年,荷兰物理学家昂纳斯(Onnes)观察到水银在4K下出现超导现象,随后又发现铅、锡等元素也属于超导物质,但是这些元素的超导状态极易因磁场影响而被破坏,例如铅在550Gs的磁场下就会失去超导状态,因此无法用它们绕制磁体。直到60年代发现铌锆等合金材料具有超导性后,实用超导磁体才得以实现。但是,早期的超导磁体容易受到一些因素(如力、热等)的影响而转变为正常态,从而使磁体损坏;尤其是大型超导磁体,由于储能增加,当磁体失去超导态后极易将磁体烧损,加上冷却磁体的液氦不易获得且比较昂贵,因此它的实际应用受到限制。
2006 Vol. 18 (02): 34-35 [
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隐形飞机与波的吸收和反射的关系
周红中
美国在伊拉克战争中出动了B-52等几种型号的隐形飞机,这是因为隐形飞机不易被雷达发现,有出其不意的攻击效果。隐形飞机是庞然大物,如B-52,长20多米、翼展50多米、高5米多,那么它是怎样“隐形”的呢?从物理学方面来看,隐形飞机实际上是利用波的反射和吸收的原理,达到雷达隐形、红外隐形、可见光隐形和声波隐形的目的。蝙蝠飞行和捕食,是由于它不断发出超声波,然后利用它敏锐的耳朵接收和分析回声,判断物体的性质、方向和距离,这使它能够在漆黑的夜晚自由飞行和捕食。雷达探测空中物体的原理与蝙蝠相同,雷达发射的不是超声波而是电磁波。
2006 Vol. 18 (02): 36-37 [
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对我国汽车信息化技术发展的探讨
吴琳丽,郭雪松
放眼全球,虽然汽车技术日益完善和成熟,但随着互联网的深度介入和电子商务的兴起,给汽车业找到了新的发展机遇。在互联网日益普及的今天,各种新型的信息技术以前所未有的速度进入汽车领域,给汽车产业带来巨大的变化。信息技术的广泛应用和电子商务的发展,将使汽车企业降低采购、营销成本,减少库存、优化库存结构,拓展销售渠道、提高服务效率。汽车信息技术当前已成为汽车发展的重要方向。一、信息技术对汽车技术发展的影响大约从20世纪60年代开始,电子技术的进步成为汽车工业发展的最大动力。进入21世纪后,建立在电子技术和计算机技术基础上的信息技术的应用,成为汽车工业发展新的方向。
2006 Vol. 18 (02): 37-39 [
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分布式光纤传感器在预应力结构健康监测中的应用
孙光东
光纤传感器是近年来随着光导纤维技术的发展而出现的新型传感器,它具有抗电磁干扰能力强、安全性能高、灵巧便捷、使用方便等特点。光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。随着交通运输的发展而发展起来的近代桥梁,至今已有200多年的历史。1989年,美国首次提出将光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中以后,英国、加拿大、日本、西班牙、韩国等一些国家相继在这一领域投入大量精力进行光纤传感器在混凝土结构中的应用研究。
2006 Vol. 18 (02): 39-40 [
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激光与冠心病
唐震,章雯雯
美国的梅曼(Maiman)在1960年研制出世界上第一台激光器后,激光技术不久就在医学中开始广泛应用。冠心病一直是困扰人类的“恶魔”,随着社会的不断发展、生活水平的不断提高,老龄化问题日益突出,冠心病的患者数不断攀升。激光技术及其相关技术的不断发展与完善,使其在冠心病的治疗中发挥了重要作用。一、冠心病及其治疗方法心脏是人体血液循环系统的动力中心。由于心脏持久而有节律地收缩,使得血液在血管中流动不息,体内各器官和组织得到充分血液和养分的供应。如同身体其他部位的器官和组织一样,心脏自身也需要氧气和营养成份,供养心脏的血液由冠状动脉输送。
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关注乙醇 联想汽油
石荣彦,黄思良
乙醇俗称酒精,这种液体是大家非常熟悉的一种有机物,其分子由烃基(-C
2<,/sub>H
5)和官能团羟基(-OH)两部分构成,其物性(熔沸点、溶解性)与此有关。乙醇是无色、透明、有香味、易挥发的液体,熔点-117·3℃,沸点78·5℃,比相应的乙烷、乙烯、乙炔高得多,主要原因是分子中存在极性官能团羟基(-OH)。密度0·7893g/cm
3
,能与水及大多数有机溶剂以任意比例混溶。但乙醇的介电常数远小于水,乙醇水溶液的体积分数称为“度”,用来表示乙醇水溶液的组成。
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45
数字化X射线成像技术
刘东华,于勉
医学影像技术的起源要追溯到1895年11月8日伦琴发现X射线。传统的X射线照相是让通过人体的X射线打在胶片上,图1为胶片X光骨盆像。图1X光骨盆像随着物理学、电子学、计算机科学的飞速发展,放射影像领域先后出现了一系列新的成像技术和设备,构成了当代新的影像技术,这些新技术的应用,不仅极大丰富了形态学诊断信息和图像层次,更为重要的是实现了图像信息的数字化。其中,CR和DR是目前大中型医院放射科对常规X线机进行升级换代时的主要考虑对象之一,它们都以形成数字化图像为诊断依据,能实现医院X射线设备从模拟到数字的飞跃,但它们又有各自的成像方式和成像特点。
2006 Vol. 18 (02): 45-46 [
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封三照片说明
李博文
为倡导和推动自主创新、建设创新国家、提高全民科学意识、普及科学知识,由科学技术部、财政部主办,国家发展和改革委员会、国防科学技术工业委员会、中国科学院、中国工程院等多家单位参加的“科技创新重大成就展”于2006年1月在北京展览馆隆重举行。展览会展出了近年来我国各行各业涌现的优秀自主创新科研成果,其中有从事基础科研的中国科学院高能物理研究所研制的北京正负电子对撞机/北京谱仪,还有量子信息方面的量子通信和量子信息技术、清华大学研制的人脸识别系统、被国外专业人士称赞为世界最好的高温气冷堆、北京理工大学研制的会武术的机器人,以及智能住宅、中国芯等许多国际国内领先的科研成果。
2006 Vol. 18 (02): 46-46 [
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47
加强农业院校大学物理课程地位的思考和实践
李海,熊万杰,旷卫民
近年来,随着高等教育大众化趋势日益明显,我国高等教育面临着全面挑战和全新的发展机遇。如何培养高素质的劳动者、建设者和管理者,如何成为科学家、企业家和政治家的摇篮,是摆在每一所负责任的高校面前的重要课题。在高等教育的这场深刻变革中,农业院校要有所作为,要在激烈的竞争中拥有一席之地,就需要进行全方位改革。充分发挥每一门课程的教育教学功能,挖掘其蕴藏的丰富教育内涵,是高校教育改革的一个组成部分。物理学的发展历史、基本理论、思想方法和实际运用决定了它在科学发展进程中的重要地位,也决定了它在高等教育中的育人功能。
2006 Vol. 18 (02): 47-49 [
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工科院校设计性物理实验的开发与实施
马予芳,胡亚范
长期以来,各高等工科院校大学物理实验都是以测量性、验证性实验为主要内容,所采用的教学模式多是让学生按部就班地完成教师准备好的实验项目,这些实验对培养学生的基本实验技能、基本实验方法、常用仪器的使用及数据处理的一般方法无疑是十分必要和重要的。然而,知识经济时代对人才培养提出了更高的要求,为了培养高素质的、有创新能力的学生,目前的教学模式过于死板、缺乏活力,制约了学生做实验的积极性和主动性,对培养新型人才是不利的。设计性物理实验恰好弥补了这方面的不足,但在工科院校大规模开设设计性物理实验目前还有一定的难度。
2006 Vol. 18 (02): 49-50 [
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51
浅谈物理的教学信息属性与迁移教学策略
徐敬标
信息论认为:人们研究问题不但要研究控制系统中的计量、传递、贮存和使用,还要研究信息变换的规律。信息变换,主要是指信息形态变化、信息内涵的转换变化、信息扩展拓宽、衍化派生新信息的过程。在教学信息的传递过程中,教学信息属性受学生旧知识水平、概括水平和心理品质等因素的参与制约,从而影响新旧知识信息的变换。有些教学信息被学生接受后,在变换过程中产生正迁移,获得新知识;有些信息由于其属性在变换中产生负迁移,引起知识紊乱,影响学生的知识驾驭能力;还有的信息则不能或不适合产生任何迁移。因此,学生在学习过程中,所接受的信息产生怎样的迁移,与其信息属性有着非常密切的关系。
2006 Vol. 18 (02): 51-52 [
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52
自组织理论对物理教学中批判性思维的启示
叶海智,梁玉珍
传统教育往往强调知识的记忆和掌握,教育的普遍法则并不要求人们进行批判性的思考和阅读。但从上个世纪末,信息和知识的飞速增长,使教育无法面面俱到。为了使学生成功地适应现代生活的复杂性,批判性思维是必不可少的一项基本技能。钟启泉教授也曾说过:“‘素质教育’所强调的创新精神与实践能力,倘若离开了‘批评性思维’的教学,将是一句空话”。在大力推进素质教育和提倡创新教育的今天,培养和发展学生的批评性思维便具有更加特殊的意义。人的思维系统是一个自组织系统,自组织理论为我们在物理教学中批判性思维的培养提供了一个崭新的视角。自组织理论简介自组织理论是研究客观世界中自组织现象产生、演化等的理论。
2006 Vol. 18 (02): 52-54 [
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55
物理教学中多元智能理论的应用
周珍斐
发展每个学生的智能优势,挖掘每个学生的智能潜力,使每个学生都能得到全面发展,这是学校教育的目标。哈佛大学心理学教授加德纳,在多年研究大脑科学和进化的基础上,提出了多元智能理论,对中小学教育教学产生了深远的影响。加德纳教授在2004年华东师范大学一场题为《以多元智能理论观看教育》的报告中指出:人的大脑至少由八种以上智能构成,它们是语言智能、数理逻辑智能、音乐智能、空间智能、肢体运动智能、人际交往智能、自省智能、自然观察智能以及生存智能。传统的智力理论所指的“智能”主要就是第一、第二种智能,而这两方面恰恰是现在教学中特别突出和关注的智能。
2006 Vol. 18 (02): 55-56 [
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物理实在的演化
方玉田,邢永忠,张其林
诺斯劳普(F.S.C.Northrop)认为,“科学知识的对象决不是通过观察和实验去直接认识的,而是通过思辨地提出理论结构或公理假设才能认识的,这些理论结构或公理假设只有通过由它推演出来的结论间接地在实验上加以检验。因此,为了探知科学知识的对象,我们必须走向它的理论假设。”这种“理论假设”包括了认识论和本体论假设。本体论是一种关于研究对象存在性和可知性的假设。本体实在即外部世界、物理世界和存在的实在等等。物理实在是物理学理论中概念化的实在,是一种理论实在。物理实在是通过物理学理论中的一组基本概念来表征的。
2006 Vol. 18 (02): 57-59 [
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60
迈耶夫人
赵继军,陈岗,刘树勇
对于居里夫人,绝大多数读者是很熟悉的。然而,继居里夫人之后半个世纪,又有一位女科学家获得诺贝尔物理学奖———她就是玛丽亚·戈佩特·迈耶。2006年恰逢迈耶夫人诞生100周年,我们回顾她的生平和她对科学事业的贡献是很有意义的。迈耶夫人生平玛丽亚·戈佩特·迈耶(MariaGoeppertMayer,1906
1
972,即迈耶夫人,原名玛丽亚·戈佩特)出生于德国的上西里西亚地区(第一次世界大战后归属波兰)卡托维兹市的教授世家,前六代都是德国大学教授。她是父母的独生女。
2006 Vol. 18 (02): 60-63 [
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64
百年回顾——纪念优秀的实验物理学家勒纳德
刘晓燕
勒纳德是德国杰出的实验物理学家。由于他在阴极射线方面所做出的突出贡献,获1905年诺贝尔物理学奖。勒纳德生平菲利普·勒纳德(P.E.A.Lenard,1862~1947)1862年出生在捷克的普雷斯布格,曾先后在布达佩斯大学、维也纳大学、柏林大学和海德堡大学学习物理,得到本生、赫兹、亥姆霍兹和昆开等人的指导。1892年起任波恩大学讲师,并担任赫兹的助手,1894年被聘为布雷斯劳大学教授。1895年任埃克斯-夏佩勒大学物理教授,1896年任海德堡大学理论物理教授,1898年成为基尔大学教授。勒纳德曾于1886年获海德堡大学博士学位,1911年获克里斯蒂安尼亚(现奥斯陆)大学博士学位,1922年获
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比约肯谈实验数据的重要性
周顺忠,邢志忠
詹姆斯·比约肯(JamesBjorken),当代著名理论物理学家,对基本粒子物理学的学位发展做出过若干影响深远的重要贡献。他1956年在麻省理工学院获得理学学士学位,1959年在斯坦福大学获得理学博士学位,1962~1979年在SLAC(美国斯坦福直线加速器中心)先后任副教授和教授,1979~1989年担任费米实验室理论部副主任,1989年后重返SLAC,1998年至今为斯坦福大学荣誉教授。比约肯教授2004年荣获国际理论物理中心颁发的狄拉克奖章。
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殊途同归的光本性之争
闫晓星,王洪鹏
很久以来,人们对光就进行了各种各样的研究。光的本性到底是什么,这个问题长久以来困扰了很多有智之士。光的波动说笛卡儿(R.Descartes,1596~1650)就光的本性问题,在1637年提出两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用,但他的这两种假说为17世纪的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。17世纪中期,意大利的格里马第(F.Grimaldi,1618~1663)首先注意到衍射现象,这是光的波动理论的萌芽。
2006 Vol. 18 (02): 68-70 [
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