詩(shī)意物理——帶你領(lǐng)略物理學(xué)之美

本書采用人文知識(shí)與自然科學(xué)知識(shí)融合的方式闡述物理學(xué)研究的不同方面。每章都從詩(shī)詞中尋找對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律和物理定律，包括牛頓萬(wàn)有引力定律，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，平方反比定律，能量守恒定律，機(jī)械波、電磁波、物質(zhì)波、引力波，玻爾茲曼熵公式，麥克斯韋方程組，時(shí)間的相對(duì)性，黑洞，相對(duì)論，量子論，波的衍射，光的反射和折射，不確定原理等。各知識(shí)點(diǎn)的闡述不僅使讀者理解其中蘊(yùn)含的物理學(xué)道理，體會(huì)物理文化的簡(jiǎn)潔和深刻之美，同時(shí)有助于培養(yǎng)客觀看待世界的方式及科學(xué)創(chuàng)新精神和思維，提升讀者的綜合素養(yǎng)。
本書新穎獨(dú)特，視角創(chuàng)新，內(nèi)容由淺入深，邏輯嚴(yán)密，并配有微課視頻全面講解，旨在普及物理學(xué)教育，提升物理教學(xué)的藝術(shù)性。 
本書可供大學(xué)教師和學(xué)生閱讀，也可供中學(xué)生及對(duì)科學(xué)知識(shí)感興趣的讀者閱讀。

本書采用人文知識(shí)與自然科學(xué)知識(shí)融合的方式，以專題的形式闡述物理學(xué)研究的不同方面。每個(gè)專題都從詩(shī)詞中尋找對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律和物理定律。各知識(shí)點(diǎn)的闡述不僅可以使讀者理解其中蘊(yùn)含的物理學(xué)道理，體會(huì)物理學(xué)的簡(jiǎn)潔和深刻之美，同時(shí)有助于培養(yǎng)客觀看待世界的方式及科學(xué)創(chuàng)新精神和思維，提升讀者的綜合素養(yǎng)。 本書方式新穎獨(dú)特，視角創(chuàng)新，內(nèi)容由淺入深，邏輯嚴(yán)密，并配有微視頻全面講解，旨在普及物理學(xué)教育，提升物理教學(xué)的藝術(shù)性。

物理學(xué)是自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，研究對(duì)象大至宇宙，小至粒子，包含了一切物質(zhì)的最基本運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律。同時(shí)物理學(xué)既是一門科學(xué)，又是一種文化，還是人類“思想和方法”的寶庫(kù)，對(duì)人類的影響已廣泛滲透到社會(huì)科學(xué)的方方面面。
物理學(xué)大師楊振寧在“美與物理學(xué)”演講中提出，物理學(xué)存在三種美：現(xiàn)象之美、理論描述之美、理論結(jié)構(gòu)之美。物理學(xué)中包含的優(yōu)美、簡(jiǎn)潔、對(duì)稱的物理公式，科學(xué)思維的物理規(guī)律，物理學(xué)家研究問(wèn)題的科學(xué)方式等，無(wú)疑都體現(xiàn)著這三種美，因此物理課是一門天然的自然科學(xué)類思政課程。
然而，理科的課程一直充滿了邏輯推導(dǎo)和思維，內(nèi)容難免枯燥，學(xué)習(xí)難免有壓力，因此學(xué)習(xí)物理需要一種融會(huì)貫通的方式，使問(wèn)題講解變得生動(dòng)而有趣，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和樂(lè)趣，同時(shí)，將自然科學(xué)與人文科學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)，此為本書寫作的初衷。
在中華文明的燦爛長(zhǎng)河中，古詩(shī)詞一直是文化百花園中的一塊瑰寶，詩(shī)詞的魅力在于任憑時(shí)光流逝，歲月更迭，濃厚的詩(shī)情依舊在熠熠生輝。古詩(shī)詞中體現(xiàn)的物理現(xiàn)象、物理原理、物理規(guī)律，形象而生動(dòng)優(yōu)美的特點(diǎn)更容易吸引讀者，給讀者留下深刻記憶。中華文明的燦爛文化與自然科學(xué)相融合，自然而貼切，更好地詮釋了物理學(xué)之美。
《莊子?天下》中的“判天地之美，析萬(wàn)物之理”，闡明了“物理”科學(xué)的本質(zhì)。唐代詩(shī)人杜甫的名句“細(xì)推物理須行樂(lè)，何用浮名絆此身”，哲理性地講明物理學(xué)的客觀屬性。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼說(shuō)過(guò)：“我講授的主要目的，不是幫助你們應(yīng)付考試，也不是幫你們?yōu)楣I(yè)或國(guó)防服務(wù)。我最希望做到的是，讓你們欣賞這奇妙的世界以及物理學(xué)觀察它的方法?！睈?ài)因斯坦也認(rèn)為，科學(xué)家和藝術(shù)家都是以最適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)畫出一幅簡(jiǎn)化的和易于領(lǐng)悟的世界圖像。本書通過(guò)介紹物理學(xué)的成就、物理學(xué)家的理性思維等，帶領(lǐng)讀者認(rèn)識(shí)最完美的物理圖像，學(xué)習(xí)最簡(jiǎn)潔的物理理論，領(lǐng)略人類智慧的光芒，詩(shī)意地生存在客觀物質(zhì)世界中。
筆者從事理工科“大學(xué)物理”課程教學(xué)三十余年，致力于教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)研究，帶領(lǐng)“大學(xué)物理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)獲批國(guó)家一流本科課程和河南省高等學(xué)校課程思政教學(xué)團(tuán)隊(duì)。按照國(guó)家一流本科課程建設(shè)的要求，課程思政要與思政課程同向同行；按照黨的二十大精神“三進(jìn)”工作的要求，要著力推動(dòng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展，讓書寫在古籍里的文字都活起來(lái)，培養(yǎng)文化自信自強(qiáng)。本書結(jié)合古詩(shī)詞中的物理學(xué)、物理學(xué)的最新進(jìn)展等，以專題的形式闡述物理學(xué)研究的不同方面，注重培養(yǎng)科學(xué)精神與科學(xué)思維、人文與科學(xué)相結(jié)合的綜合素養(yǎng)。
本書由鞏曉陽(yáng)著，河南科技大學(xué)楊文豐老師協(xié)助完成配套視頻，同時(shí)其他老師和朋友也給予了很大幫助和支持，在此一并表示感謝。
因筆者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

鞏曉陽(yáng)
2024年1月于河南科技大學(xué)

1 物理學(xué)的研究范圍 001～014
1.1　物理學(xué)的研究對(duì)象	003
1.2　物理學(xué)研究的空間尺度	003
1.3　物理學(xué)研究的時(shí)間尺度	006
1.4　物理學(xué)研究的速率尺度	006
1.5　宇宙中的物質(zhì)分布	007
1.5.1　宇宙中物質(zhì)分布的規(guī)律	007
1.5.2　力的平衡	007
1.5.3　黑洞區(qū)	009
1.5.4　量子區(qū)	010
1.6　地球的大小	011

2 月輪繞地之理 015～030
2.1　牛頓的萬(wàn)有引力定律	017
2.1.1　牛頓的思考	017
2.1.2　萬(wàn)有引力定律的推導(dǎo)	017
2.1.3　萬(wàn)有引力定律的驗(yàn)證	019
2.1.4　現(xiàn)代航空航天的基礎(chǔ)	021
2.2　愛(ài)因斯坦的相對(duì)論	022
2.2.1　廣義相對(duì)論問(wèn)世的三部曲	023
2.2.2　廣義相對(duì)論場(chǎng)方程的意義	024
2.2.3　廣義相對(duì)論與牛頓萬(wàn)有引力理論的差別	025
2.2.4　現(xiàn)代天體物理學(xué)與宇宙探索的基礎(chǔ)	025
2.2.5　廣義相對(duì)論在全球定位系統(tǒng)（GPS）中的應(yīng)用	027
2.3　宇宙中最大的未解之謎	029

3 精妙的平方反比定律 031～044
3.1　控制宇宙自然力的宏觀力	033
3.2　萬(wàn)有引力定律	034
3.2.1　給地球稱重	034
3.2.2　卡文迪許測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)	035
3.2.3　最新的測(cè)量結(jié)果	036
3.2.4　認(rèn)識(shí)萬(wàn)有引力	037
3.3　庫(kù)侖定律	037
3.3.1　庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)	038
3.3.2　認(rèn)識(shí)庫(kù)侖定律	039
3.3.3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證	040
3.4　精妙的數(shù)量級(jí)之差	040
3.5　物質(zhì)世界精妙的設(shè)計(jì)	042

4 卓爾不凡的能量守恒定律 045～056
4.1　功	047
4.2　能（能量）	047
4.3　能量守恒定律的推導(dǎo)	049
4.4　能量守恒定律的卓爾不凡	050
4.4.1　康普頓效應(yīng)	050
4.4.2　中微子的發(fā)現(xiàn)	052
4.4.3　水力發(fā)電	054
4.5　宇宙的法則之一	055

5 感受波動(dòng)之美 057～074
5.1　機(jī)械波	058
5.2　電磁波	061
5.3　物質(zhì)波	064
5.4　引力波	065
5.5　波動(dòng)之美	069
5.5.1　駐波之美	069
5.5.2　奇妙的多普勒效應(yīng)	071
5.6　體會(huì)物理學(xué)之美	073

6 玻爾茲曼熵公式的憂郁美 075～086
6.1　熱力學(xué)第二定律	077
6.2　玻爾茲曼熵公式	078
6.3　熵增原理及應(yīng)用	082
6.4　定律的憂郁美	084

7 麥克斯韋方程組的科學(xué)美 087～104
7.1　電磁學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展	088
7.1.1　定性研究	088
7.1.2　定量研究	089
7.2　麥克斯韋方程組	090
7.3　電磁波的性質(zhì)	092
7.4　電磁波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證	093
7.5　電磁波的應(yīng)用	094
7.5.1　可見(jiàn)光	095
7.5.2　紅外線	096
7.5.3　無(wú)線電波	096
7.5.4　紫外線	098
7.5.5　X射線	100
7.5.6　伽馬射線	101
7.6　最偉大的方程	102
7.6.1　麥克斯韋方程組的偉大意義	102
7.6.2　科學(xué)美的典范	103

8 時(shí)間的相對(duì)性——小明的時(shí)間和小紅的時(shí)間 105～120
8.1　什么是時(shí)間	107
8.2　相對(duì)性時(shí)空觀誕生	108
8.2.1　絕對(duì)時(shí)空觀	108
8.2.2　兩個(gè)基本假設(shè)	109
8.3　小明的時(shí)間與小紅的時(shí)間	109
8.3.1　同時(shí)性的相對(duì)性	109
8.3.2　時(shí)間量度的相對(duì)性	111
8.3.3　鐘慢效應(yīng)	113
8.3.4　時(shí)間的屬性	114
8.4　驗(yàn)證	115
8.5　應(yīng)用	117
8.5.1　古人樸素的相對(duì)論思想	117
8.5.2　全球定位與導(dǎo)航系統(tǒng)	118
8.6　相對(duì)的人生意義	119

9 黑洞的前世 121～132
9.1　宇宙中最神秘的天體	122
9.2　科學(xué)家的預(yù)言	123
9.3　恒星的演化	124
9.3.1　赫羅圖	124
9.3.2　恒星為什么會(huì)發(fā)光發(fā)熱	126
9.3.3　恒星演化的最終產(chǎn)物	127
9.3.4　三種恒星演化產(chǎn)物的對(duì)比	129
9.4　太陽(yáng)的演化	131

10 黑洞的今生 133～146
10.1　廣義相對(duì)論的建立	134
10.2　時(shí)空彎曲	138
10.3　廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞	140
10.4　走進(jìn)黑洞	141
10.5　黑洞的性質(zhì)與觀測(cè)	142

11 相對(duì)論誕生的前夜——山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓 147～158
11.1　兩朵烏云	148
11.2　“以太”的假定	149
11.3　科學(xué)史上最成功的失敗	150
11.4　經(jīng)典物理學(xué)的困難	152
11.5　頭腦風(fēng)暴——追光實(shí)驗(yàn)	153
11.6　新理論建立	155

12 量子論誕生的前夜——黑云壓城城欲摧 159～174
12.1　另一朵烏云——黑體輻射實(shí)驗(yàn)	160
12.1.1　實(shí)驗(yàn)的歷史背景	161
12.1.2　黑體	161
12.1.3　黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律	162
12.1.4　經(jīng)典物理學(xué)的解釋和困難	164
12.2　量子萌芽	165
12.3　發(fā)現(xiàn)電子	167
12.3.1　探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)	167
12.3.2　電子的發(fā)現(xiàn)與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)理論的提出	168
12.4　玻爾原子理論	169
12.4.1　定態(tài)假設(shè)	170
12.4.2　躍遷假設(shè)	170
12.4.3　量子化條件	171
12.5　男孩物理學(xué)	171

13 波的衍射——人未到聲先到 175～188
13.1　波的衍射	176
13.1.1　惠更斯原理	177
13.1.2　菲涅耳原理	177
13.2　光波的衍射形式	178
13.2.1　狹縫衍射	179
13.2.2　圓孔衍射	180
13.2.3　圓盤衍射	180
13.2.4　邊沿衍射	181
13.3　夫瑯禾費(fèi)單縫衍射	181
13.4　圓孔衍射與光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)	183
13.5　衍射的應(yīng)用	185

14 光的反射和折射——眼見(jiàn)為虛的海市蜃樓 189～202
14.1　光的反射和折射	191
14.2　全反射	192
14.3　光的折射程度	192
14.4　光的折射的應(yīng)用	194
14.4.1　光在水中的折射	194
14.4.2　海市蜃樓	194
14.4.3　虹與霓	196
14.4.4　星光閃爍	198
14.4.5　光導(dǎo)纖維	198
14.4.6　毛玻璃	200
14.4.7　燈泡	201

15 不確定原理——深情地活在不確定的世界里 203～215
15.1　兩個(gè)問(wèn)題	204
15.2　實(shí)驗(yàn)的迷茫	205
15.2.1　子彈實(shí)驗(yàn)	205
15.2.2　電子實(shí)驗(yàn)	206
15.2.3　跟蹤電子實(shí)驗(yàn)	207
15.3　海森堡不確定原理	208
15.3.1　不確定性	208
15.3.2　海森堡不確定原理建立	209
15.3.3　揭開(kāi)實(shí)驗(yàn)的迷茫	210
15.4　不確定原理的應(yīng)用	211
15.4.1　核能	211
15.4.2　激光的特性	212
15.4.3　“墨子號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)	212
15.5　不確定的世界里自主的人生意義	214

參考文獻(xiàn)216