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2005年 17卷 05期 刊出日期 2005-10-18 论文 论文 3 物理学与生物学——生命的结构和生命的基本过程 施昌勇 一、物理学与生物学:历史上的一对姐妹物理学和生物学有许多共同起源,它们相互促进、共同发展。物理学新方法的发展常常导致生物学的跳跃式进步;相应地,也有许多生物学的新发现促使物理学新规律建立的生动例子。物理学促进生物学发展的一个例子是高分辨率显微镜的建造。1670年前后,荷兰德福特市的商人兼博物学家列文虎克建造了世界上第一台高分辨率显微镜。他用这台显微镜第一次观察并逼真地绘制了细胞。他的观察结果否定了亚里士多德的理论,亚里士多德认为生命起源于有机物的简单混合。值得注意的是,在列文虎克发现细胞200年以后,生命的细胞理论才被普遍接受。 2005 Vol. 17 (05): 3-10 [摘要] ( 2391 ) [HTML 1KB] [PDF 2185KB] ( 1895 ) 10 时空的对称性 宫自强 时空的对称性是大自然的奇妙特性之一,这种特性几乎是无处不在。例如,从宏观的角度看,人和动物的形体结构是左右对称的,植物的结构也是左右对称的,飘落的雪花的结构也是对称的。从微观的角度看,所有晶体都是对称排列的,水分子的排列也是具有严格的对称性。对称性无论在人们的日常生活中,还是在科学研究和应用技术领域,都具有非常重要的作用和地位;它潜移默化地影响着人类的观念和思维,这点可以从人类建筑的对称结构和人的对称审美观来说明;尤其在物理科学的研究中,例如基本粒子的研究、半导体物理的研究等等,时空对称性都是处于核心地位的重要概念。 2005 Vol. 17 (05): 10-12 [摘要] ( 2448 ) [HTML 1KB] [PDF 877KB] ( 1689 ) 12 狭义相对论的创立与爱因斯坦的创新思维 乔灵爱,魏全香 1905年,爱因斯坦(A.Eindtein,1879～1955)发表了具有划时代意义的论文《论动体的电动力学》,创立了狭义相对论。他把力学现象和电磁现象的规律平等统一在相对性原理之下,得到一系列不同于牛顿力学的重要结论,解释了与牛顿理论相矛盾的全部实验现象,从根本上改变了传统的时空观念,解决了许多重要的物理问题。不仅如此,他思考问题、研究问题的创新思维带给人们更多的思考。追溯爱因斯坦狭义相对论思想的发展线索,透视其科学创新思维方法,将有助于我们深入理解他的科学思想,并从认识论、方法论的高度得到提升。 2005 Vol. 17 (05): 12-15 [摘要] ( 2586 ) [HTML 1KB] [PDF 1260KB] ( 1553 ) 16 霍耳效应与磁流体发电 郑好望,任文辉,肖胜利,朱峰 1879年,霍耳(E.H.Hall)发现,将一导电板放在垂直于板面的磁场中(见图1),当有电流通过时,在导电板的A和A′两侧会产生一个电势差UAA',这种现象称为霍耳效应。实验表明,霍耳电压UAA'与电流强度I和磁感应强度B成正比,而与导电板的厚度d成反比,即UAA'=KIdB式中比例系数K称为霍耳系数。霍耳效应是因外加磁场使漂移运动的电子或别的载流子发生横向偏转而形成的,运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力。磁流体发电是利用热离子气体(或液态金属)等导电流体与磁场相互作用,把热能直接转换成为电能的发电方式,它所依据的就是等离子体的霍耳效应。 2005 Vol. 17 (05): 16-17 [摘要] ( 2070 ) [HTML 1KB] [PDF 540KB] ( 1473 ) 17 DomeA冰盖获取全球信息的驱动力 赵喜梅 地球的南北两极,是全球变化的驱动器,是全球气候变化的冷源,也是人类居住的地球与外界联系的重要窗口。尤其是南极,是地球上至今未被开发、未被污染的洁净大陆,那里蕴藏着无数的科学之谜和信息。在全球变化,特别是全球气候变化研究中,起着不可替代的关键作用。对南极科考是当前各国争相进行的热点课题。在南极,尤其是在DomeA冰盖中蕴藏着无数科学之谜和全球气候、环境变化的信息,这些信息是如何由地球的不同地区汇聚到DomeA冰盖的?下面就从DomeA冰盖的地理特征、大气的壳层结构和大气环流等方面进行简要介绍。 2005 Vol. 17 (05): 17-18 [摘要] ( 2236 ) [HTML 1KB] [PDF 552KB] ( 1592 ) 19 激光对潜通信原理及发展 柳树要,何焰蓝 带有核弹头的战略核潜艇是现代化军事强国军事力量的重要组成部分。由于其具有极高的隐蔽性,可以在300～400米深水中活动数月之久,带有的核弹头足以摧毁一个国家的主要军事目标,是未来核战争中遭受第一次核打击之后保存的重要反击力量。发展核潜艇具有战略威慑意义,是各国军方竞相发展的重要装备。潜艇与基地的通信联系是关系到潜艇能否正常发挥作用的重要问题。对潜通信问题是各潜艇强国研究的热点和重点。在水下进行通信,和陆上常规的通信相比有着明显的特点,主要原因是传播媒介的不同。现代的通信技术已经相当成熟,但是在水下实现远距离的通信如果仍然采用超短波、微波等手段,将面临很大的衰减问题。 2005 Vol. 17 (05): 19-21 [摘要] ( 2811 ) [HTML 1KB] [PDF 899KB] ( 1858 ) 22 爱因斯坦与相对论体系 郭汉英 一、爱因斯坦和他的奇迹爱因斯坦取得巨大成功,是自然科学史上最伟大的学者。1879年诞生在德国的一个小城的爱因斯坦,儿时几乎令家人失望。4岁才咿呀学语,几年后还是磕磕绊绊、举止迟钝,因而深受母爱,自幼练习小提琴,与其结为“终身伴侣”。在学校,他的“笨拙”倍受讥讽;他对死记硬背的形式课程毫无兴趣,甚至被学校除名。他喜爱数学和物理,不断在书海中寻求、思索,深受智慧和哲理的熏陶。18岁高考落榜,一年后才被录取,主修物理。他落拓不羁、独立思考、蔑视权威,几乎把精力全花在阅读和实验室。1900年,在教授不满中毕业;一毕业就失业的他,虽然张贴广告试图靠讲授数学与物理谋生,却开始进行科研。 2005 Vol. 17 (05): 22-32 [摘要] ( 2413 ) [HTML 1KB] [PDF 3551KB] ( 1800 ) 32 原子与原子核的新形态——介子原子和介子核 王景丹,钟显辉,宁平治 普通原子核由质子和中子组成。随着实验和理论研究的发展,人们认识到还存在着另外一类奇特的原子和原子核——介子原子和介子核。这些新形态的原子和原子核在自然界中是很难找到的,原因是它们的寿命很短。只有在实验室中才能观测到这些奇特的原子和原子核,所以一直不太被人们了解。然而近年来,新的实验现象和新的理论分析使人们对介子原子和介子核有了新的认识。我们在介绍介子原子和介子核之前,首先对介子作一个简单的介绍。介子跟核子一样都是参与强相互作用的粒子,各种介子都是由一个正夸克和一个反夸克组成的两夸克系统。不同的介子由不同的夸克组成。 2005 Vol. 17 (05): 32-34 [摘要] ( 2437 ) [HTML 1KB] [PDF 846KB] ( 1762 ) 35 神经电信号和运动肌细胞之间的桥梁——烟碱型乙酰胆碱受体通道(NAChR) 谢宁,展永,安海龙,卓益忠 烟碱型乙酰胆碱受体(NAChR)是通过打开或关闭一个跨膜生成孔的门来控制神经和肌肉细胞间的电信号。这个通道是由两部分组成的:直接面向通道的内环(innerring)是由5个α螺旋互相缠绕形成的,它们成放射状地排列,这样就为离子形成了一个逐渐变窄的通道。这个通道的外环(outerring)是由15个α螺旋互相缠绕形成的,它们的作用是将内环和外部的油脂层隔离开来。通道的“门”是一个位于细胞膜中间的一个压缩的疏水性区域(constrictinghydrophobicgirdle),它是靠内环相邻的螺旋之间的微弱作用力而形成。 2005 Vol. 17 (05): 35-40 [摘要] ( 2332 ) [HTML 1KB] [PDF 1862KB] ( 1864 ) 40 太赫兹技术的研究进展 程兆华,祝大军,刘盛纲 在波长范围跨越高达10个数量级的电磁波段中,波长介于30μm～1mm的太赫兹(Terahertz,THz)辐射,这一曾被称为“THz空白”的电磁波段领域,引起科学家越来越多的兴趣。太,是兆兆的英译音,所以太赫兹辐射又称为T射线,属于远红外、亚毫米波范畴。早在上个世纪初,科学家就对该波段产生了浓厚的兴趣,“Terahertz”一词首次由弗莱明(Fleming)于1974年提出,以用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。但在过去相当长的时间里,由于缺乏有效的产生和检测方法,相对成熟的微波和光学技术,对该波段的研究进展相当缓慢。 2005 Vol. 17 (05): 40-44 [摘要] ( 2593 ) [HTML 1KB] [PDF 1455KB] ( 1608 ) 45 磁光效应及其应用 周静,王选章,谢文广 19世纪中至20世纪初是科学发现的黄金时期,各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出,若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现,但至20世纪60年代末,对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来,当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景,并引起了人们浓厚的兴趣。一、磁光效应(Magnetic-opticalEffect)磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。 2005 Vol. 17 (05): 45-47 [摘要] ( 5056 ) [HTML 1KB] [PDF 829KB] ( 1776 ) 48 浅谈微波辐射对人体的危害效应及防护 刘伟 现在科学和技术的发展改变着人们的生活环境,也带来了由于电信系统、无线电、广播、电视传真和雷达设备等的迅速增加而产生的“电磁污染”,给人们的生活带来不同程度的危害。人们有意识地利用电磁场(波)为生活服务,又无意识地暴露其中而受到伤害。电磁辐射好似带刺的玫瑰,它所奉献的物质文明绚丽多彩、日新月异,但人类在享用的同时,也必须提防被刺扎着。随着社会的发展,环境中的电磁辐射量(能量密度)会呈几何级数式增长。有人把电磁污染称为除空气、水、噪声污染以外的第四类污染。 2005 Vol. 17 (05): 48-49 [摘要] ( 2276 ) [HTML 1KB] [PDF 655KB] ( 1400 ) 50 核磁共振原理及其应用 王逗 1946年以美国物理学家布洛赫(F.Bloch)和普舍尔(E.M.Purcell)为首的两个小组几乎在同一时间,用不同的方法各自独立地发现了物质的核磁共振(NMR)现象,后来两人合作制造了世界上第一台核磁共振谱仪。1952年他们二人因此获得了诺贝尔物理奖。所谓核磁共振是根据处在某个静磁场中的物质原子核系统受到相应频率的电磁波作用时,在它们的磁能级间产生共振跃迁的原理而采取的一种新技术。核磁共振技术自创始以来经过了60年代连续波谱仪的大发展时代,以及70年代的脉冲傅里叶变换核磁共振和核磁双共振时代,近年来发展的多核NMR,多脉冲NMR,二维NMR和固体NMR在理论和实践上都取得了迅速发展。 2005 Vol. 17 (05): 50-51 [摘要] ( 3919 ) [HTML 1KB] [PDF 554KB] ( 1842 ) 52 超导简史 廖湘彧 超导现象最初是1911年由荷兰物理学家昂内斯(Onnes)发现的。1908年,昂内斯首次获得液化的氦,并且在液氦温度(4.2K)下研究各种物质的电学特性。他发现,在温度为4.2K时,汞的电阻突然消失。1933年,迈斯纳(Meissner)和奥森菲尔德(Os-chenfeld)发现,处于弱磁场中的超导体会将磁场从内部排斥出来(见图1),这就是迈斯纳效应。1945年,俄罗斯物理学家阿卡迪也夫(Arkadiev)利用这一特性首次演示了将一块小的条形磁铁悬浮于超导体的上方的实验(见图2)。随后而来的几十年,其他超导材料——金属、合金、化合物的超导材料相继找到。 2005 Vol. 17 (05): 52-54 [摘要] ( 2594 ) [HTML 1KB] [PDF 883KB] ( 1626 ) 55 学生经常问到的一个有关相位的问题 杨占营,姚尚锋 一、问题的提出相位、初相位是振动和波动中较重要的物理量,已知相位,可以确定振动的状态,而已知状态,如何用相位来表示时,教材上所得出的值常常是单一值,对相位、初相位的取值没有明确的说明。而在有关振动和波动的合成时,却有“当两谐振动的相位差!2-!1=2k",k=0,±1,±2,…时,合振动的振幅最大…”的说法,很多学生对这种前后不同的叙述提出疑问,笔者就此谈谈自己的看法。二、已知初始条件,初相位可以在一系列值中任选一个相位、初相位都是与状态有关的量,初相位与初始条件有关,相位与任意时刻的状态有关。初相位是“特殊时刻”的相位,是描述振动状态的参考点。 2005 Vol. 17 (05): 55-55 [摘要] ( 2225 ) [HTML 1KB] [PDF 253KB] ( 1354 ) 56 天文望远镜史话 徐红,李树春 望远镜的问世,延长了人们的视线,开阔了眼界。随着科学技术的发展,特别是近年来望远镜与电子技术、X射线技术、γ射线技术、计算机技术的紧密结合,使望远镜的聚光能力、分辨率、观测距离、放大本领增大,极大地提高了望远镜的观测水准。根据不同的需要,出现了大地望远镜、测量望远镜、军事望远镜、观赏望远镜、天文望远镜等。望远镜已成为人们从事科学研究和经济建设的有力助手,广泛应用于天文、导航、科学考察等领域,成为一项高科技产品,尤其天文望远镜已是反映一个国家经济实力和高科技水平的重要指标。我们浅略地追述望远镜的发展,特别是天文望远镜的发展,从中看出望远镜在科学发展中的重要作用和深远意义。 2005 Vol. 17 (05): 56-58 [摘要] ( 2404 ) [HTML 1KB] [PDF 934KB] ( 1624 ) 59 漫话朗道——全能物理学家朗道的传奇一生 王洪鹏 有一次,爱因斯坦演讲,当主持人请听众对演讲者提问时,一位年轻人从座位上站起来说道:“爱因斯坦教授告诉我们的东西并不是那么愚蠢,但是第二个方程不能从第一个方程严格推出。它需要一个未经证明的假设,而且它也不是按照应有的方式为不变的”。与会者都惊讶地回过头来注视这位似乎不知天高地厚的年轻人。爱因斯坦用心地听着,对着黑板思索片刻后对大家说:“后面那位年轻人说得完全正确,诸位可以把我今天讲的完全忘掉。”这位敢于提出爱因斯坦错误的年轻人,就是被人们誉为“科学怪杰”的前苏联物理学家朗道。一个天才的成长朗道1908年1月22日出生于里海之滨巴库的一个知识分子家庭里。 2005 Vol. 17 (05): 59-63 [摘要] ( 2984 ) [HTML 1KB] [PDF 1532KB] ( 1735 ) 60 电磁理论大厦的缔造者——麦克斯韦 崔英敏,关荣华,吕刚 在科学史上,一些重大的理论的创立,往往是一场接力跑。他要靠许多英才前赴后继、不辞劳苦的努力,才能达到成熟的境界。19世纪物理学爆发的电磁理论革命也是如此。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始,经过法拉第的奠基直到最后理论的完成前后共经历了半个多世纪,其中集这一理论之大成者,是英国杰出的数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。1831年6月麦克斯韦出生于英国苏格兰古都爱丁堡,与电话发明家贝尔算是同乡。那一年,恰好法拉第发现电磁感应,是电学史上值得纪念的一年麦克斯韦的父亲约翰·克拉克·麦克斯韦原是律师但他的主要兴趣是在制作各种机械和研究科学问题。 2005 Vol. 17 (05): 60-65 [摘要] ( 2456 ) [HTML 1KB] [PDF 1894KB] ( 1741 ) 64 中国的居里夫人——吴健雄 柴天虎 对于为中国人拿回了第一个诺贝尔奖的华人——杨振宁和李政道,大多数人已经很熟悉了,但对于那个促使他们获奖的“幕后功臣”——吴健雄,很多人对她却知之甚少。吴健雄(1912.5.31￣1997.2.16),20世纪最杰出的物理学家之一,在实验物理学研究上取得了伟大的成就,对当代物理学的发展起了极重要的推进作用。她在实验中首次证明了李政道和杨振宁关于弱相互作用中宇称不守恒的理论推测,推翻了宇称守恒定律,曾获得除诺贝尔奖以外的很多大奖。 2005 Vol. 17 (05): 64-68 [摘要] ( 2133 ) [HTML 1KB] [PDF 1556KB] ( 1498 ) 69 爱因斯坦的另一面 罗舒,邢志忠 提到爱因斯坦,总是使人联想到一个前无古人、后无来者的科学巨匠,一个充满传奇色彩的和平主义者和人道主义者。但是提姆·查普曼(TimChapman)在专为纪念世界物理年而出版的PhysicsWorld——Einstein2005特刊上撰文指出,爱因斯坦曾被贴上剽窃者的标签,也有人说他玩弄女性,还是个不负责任的父亲。诸如此类的争议或多或少地反映了爱因斯坦作为普通人的另一面。科学天才和文明使者一直是爱因斯坦留给大众的最深刻印象。他对物理学的杰出贡献以及他那广博的智慧和人文关怀给他带来数不清的荣誉。 2005 Vol. 17 (05): 69-70 [摘要] ( 1959 ) [HTML 1KB] [PDF 614KB] ( 1356 ) 58 如何确定每天的日照时间 徐晓洁 夏天日照长、冬天日照短,是众所周知的,但每天日照时间有多长,很少有人能确切地回答这个问题。而这个问题对农作物的生长,某些特殊的工作,如北京天安门前每天升降国旗时间的确定和野外遥感技术的应用等均有很大的联系。我们曾从一个电视广告上得知,某公司在新疆种植的番茄品质优良,是由于它在生长季节每天享有16小时的日照。就广告中16小时的日照时间而言,如何判断它的真实性呢?要回答上述一类的问题,需要利用到太阳高度角的计算公式sinα=sinδsinφ+cosδco-sφcost(1)式中α为太阳高度角,δ为太阳赤道纬度,φ为地理纬度,t为太阳时角。 2005 Vol. 17 (05): 58-60 [摘要] ( 3153 ) [HTML 0KB] [PDF 872KB] ( 1103 ) 编辑部公告 2018年全国物理科普大会通知 更多... 物理科普信息 更多...

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