物理学导论Word文档下载推荐.docx
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通过任意闭合表面的磁通量等于零。
（3）静电场的环路定理：
在静电场中，场强沿任意闭合路径的线积分等于0；
与静电场力作功和路径无关是一致的，这种力场也叫保守力场或势场.
（4）磁场的安培环路定理：
在稳恒磁场中，磁感强度H沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流之代数和。
5、请说明激光的原理和特点。
激光的原理
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。
除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。
他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率ν=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。
这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
激光的特点
（一）定向发光
普通光源是向四面八方发光。
要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。
激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。
1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。
若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
（二）亮度极高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。
若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。
激光亮度极高的主要原因是定向发光。
大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。
（三）颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。
一定的波长对应一定的颜色。
太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。
比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。
单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。
如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。
由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。
以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×
10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。
由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
此外，激光还有其它特点：
相干性好。
激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。
这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。
而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。
闪光时间可以极短。
由于技术上的原因，普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。
脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=10-15秒）。
闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。
6、你的研究方向和激光（光学）有什么联系，或是会有什么潜在应用？
我的研究方向是光学工程，研究的主要课题是关于数字图像分析处理，尤其是红外图像的处理。
某种程度上来说，我的专业主要工作就是对由光信号产生的电信号进行分析处理。
根据光的光学性质可以设计出相应的光路，实现对指定光信号的探测；
根据半导体的光电效应制造的CCD、CMOS以及红外成像器件实现了将光信号转换成电信号的过程，让图像处理变得可能；
根据光的性质提出的一些算法也在实际应用中被广泛采用。
可以说，我的研究方向和光学密不可分。
未来，图像处理将向着多光谱，尤其是红外、微光等融合、自适应、自动调节等方向发展，在监控、军事侦察、行车记录、火灾预警、生命探测等多个方面有着广泛的应用。
7、请详述诺奖百年历史中，哪个诺奖科学奖项目你印象最深（请详述诺奖内容和对你学科的影响）？
北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟（CharlesK.Kao）和两名科学家维拉·
博伊尔（WillardS.Boyle）和乔治·
史密斯（GeorgeE.Smith）。
科学家CharlesK.Kao因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD”获此殊荣。
CCD是于1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·
史密斯（GeorgeE.Smith）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge"
Bubble"
Devices）。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
到了70年代，贝尔实验室的研究员已引能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。
有几家公司接续此发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。
其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
电荷耦合元件（Charge-coupledDevice）简称CCD，作为一种集成电路，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术。
我的学科是光学工程，方向是图像分析处理。
电荷耦合器件（CCD）的出现实现了将图像信息转换为电信息的过程，让图像分析处理成为可能，在此基础上诞生的CMOS、红外焦平面等新的图像传感器使探测图像的范围进一步得到拓展。
正是有了这些图像传感器采集图像，我们才能在此基础上分析处理，提出各种图像算法，使数字图像处理这门学科得到高速的发展，CCD的不断发展和成本的降低更使我们的学术成果能够走出实验室，深刻地改变了人们的日常生活。
8、请介绍你所在的学科中受到现代物理的影响的内容（至少三项）。
（1）集成电路的发明，打破了电路与原件分离的传统做法，使电子设备朝微型化方向扩展，经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展，而计算机就是由这些物理元件组成的通用信息处理工具，为我们实验研究提供了便利。
（2）爱因斯坦从玻尔的原子结构理论出发,给出了自发辐射和受激辐射的概念,用统计的方法导出了普朗克的辐射定律。
爱因斯坦的这一成就导致激光技术的发展，以激光器发明为诞生标志的光电子技术使信息技术上了一个新台阶。
光电传感器正是运用了这一点，将光信号转化为电信号，再进行后续实验处理。
（3）因光照引起半导体的电学性质发生变化，即光电效应的发现和科学解释促进了半导体成像器件的产生与发展，以CCD、CMOS为代表的成像器件使图像处理变得可能和容易实现，宽禁带宽度半导体制成的红外成像器件更是帮助人们拓宽了视觉范围，图像处理正是在此基础上不断发展完善，并逐步影响人们的日常生活。
9、请介绍你所在的学科在普通生活中的体现（至少三项）。
随着经济的发展和人们生活水平的提高，现代生活中，数字图像处理在许多方面影响了人们的生活。
（1）红外探测在火灾报警、生命探测等方面发挥了巨大的作用，根据高温下红外辐射显著增强这一特点制作的火灾报警装置，生命的体温制成的生命探测仪、车载红外夜视仪等装置很大程度上保护了人们的生命财产安全。
（2）医学影像处理中使用到的图像处理能够帮助医生快速、高效识别病人的病灶，辅助医生诊断，提高了诊断成功率，也能帮助及时发现病症，以便及时就医治疗。
（3）交通图像识别（闯红灯检测，车牌识别，道路识别，行人检测）等技术也使用到了图像处理，据此能够进一步保障交通安全。
简述一下普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡在量子力学中的贡献。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。
1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。
按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。
原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。
这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。
玻尔提出互补原理（一个哲学原理），即宏观与微观理论，以及不同领域相似问题之间的对应关系。
互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似，而且按照互补原理指出的方向，可以由就理论推导出新理论。
互补原理试图解释量子理论中一些明显的矛盾，特别是波粒二象性，这在后来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。
1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学，提出了“测不准原理”和S矩阵理论等。
他的《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作。
他为原子核物理学做出了重要贡献，为基本粒子理论引入了内部对称量子数。
1926年，薛定谔提出了著名的薛定谔方程，为量子力学奠定了坚实的基础，此方程至今仍被认为是绝对的标准。
他基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。
11、你对量子物理最感兴趣、最好奇或是最疑惑的方面是什么？
请说明。
量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。
真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。
微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。
量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。
关于远隔粒子关联实验的结论，也定量地支持了量子态不可分离.不确定性指经济行为者在事先不能准确地知道自己的某种决策的结果。
或者说，只要经济行为者的一种决策的可能结果不止一种，就会产生不确定性。
不确定性也指量子力学中量子运动的不确定性。
由于观测对某些量的干扰,使得与它关联的量（共轭量）不准确。
这是不确定性的起源。
在量子力学中，不确定性指测量物理量的不确定性，由于在一定条件下，一些力学量只能处在它的本征态上，所表现出来的值是分立的，因此在不同的时间测量，就有可能得到不同的值，就会出现不确定值，也就是说，当你测量它时，可能得到这个值，可能得到那个值，得到的值是不确定的。
只有在这个力学量的本征态上测量它，才能得到确切的值。
在经典物理学中，可以用质点的位置和动量精确地描述它的运动。
同时知道了加速度，甚至可以预言质点接下来任意时刻的位置和动量，从而描绘出轨迹。
但在微观物理学中，不确定性告诉我们，如果要更准确地测量质点的位置，那么测得的动量就更不准确。
也就是说，不可能同时准确地测得一个粒子的位置和动量，因而也就不能用轨迹来描述粒子的运动。
这就是不确定性原理的具体解释。
12、请调研并说明量子物理的前沿，并简述（一项即可）
量子信息学：
用量子力学的理论来解决信息理论与技术中的问题。
量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。
量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。
1、量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的
物理装置。
当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。
研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。
那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？
问题的答案是：
所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。
早期量子计算机实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。
与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。
因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。
量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。
除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。
迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。
但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。
如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。
目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。
现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。
将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。
研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。
量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。
量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。
2、量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。
量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。
量子通信主要涉及：
量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。
高效安全的信息传输日益受到人们的关注。
基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。
光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。
根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：
事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收放根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。
安全性-量子通信绝不会“泄密”，其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；
其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。
高效，被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：
0~127。
光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。
可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。
1、请写出普朗克黑体辐射公式以及极限情况下的维恩公式和瑞利—金斯辐射公式，解释各参数的含义。
1900年普朗克获得一个和实验结果一致的纯粹经验公式，1901年他提出了能量量子化假设：
辐射中心是
辐射场能量密度按波长的分布曲线
带电的线性谐振子，它能够同周围的电磁场交换能量，谐振子的能量不连续，是一个量子能量的整数倍：
式中v是振子的振动频率，h是普朗克常数，它是量子论中最基本的常数。
根据这个假设，可以导出普朗克公式：
它给出辐射场能量密度按频率的分布，式中T是热力学温度,k是玻耳兹曼常数。
如图表示辐射场能量密度随波长变化的曲线，它同实验结果完全一致。
普朗克公式在高频范围hvkT的极限条件下，过渡到维恩公式
此式表明,w（v,T）随着v的增加很快地趋近于零,也就是说在热平衡状态下，几乎不存在高频光子，这是因为高频光子的能量远大于kT，而腔壁发射这样高能量的光子的几率是极小的。
普朗克公式在低频hv<
<
kT的极限条件下，过渡到瑞利－金斯公式，这正是以经典统计理论为基础的能量均分的结果。
在瑞利-金斯公式中不出现普朗克常数h。
可见，把h看作很小乃至零时，量子理论就过渡到经典理论。
瑞利-金斯公式，是根据经典统计力学导出的辐射公式。
瑞利（1900）和J.H.金斯（1905）根据经典统计理论，研究密封空腔中的电磁场，得到了空腔辐射的能量密度w（v，T）按频率v分布的瑞利-金斯公式。
式中k是玻耳兹曼常数，с是真空中光速，T是热力学温度。
2、请写出在势垒V（r）中运动的粒子的薛定谔方程，并解释量子力学与经典波动说的本质区别
3、激光的特点
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：
即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1单色性好：
普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。
而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。
此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
2相干性好：
由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。
激光为我们提供了最好的相干光源。
正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3方向性好：
激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。
而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。
激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。
另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。
4亮度高：
激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。
利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。
1．牛顿（英）：
牛顿三定律和万有引力定律，光的色散，光的微粒说
卡文迪许（英）：
利用卡文迪许扭秤首测万有引力恒量
库仑（法）：
库仑定律，利用库仑扭秤测定静电力常量
奥斯特（丹麦）：
发现电流周围存在磁场
安培（法）：
磁体的分子电流假说，电流间的相互作用
法拉第（英）：
研究电磁感应（磁生电）现象，法拉第电磁感应定律,首先提出电场的概念，而且提出了用电场线来表示电场的方法。
楞次（俄）：
楞次定律
麦克斯韦（英）：
电磁场理论，光的电磁说,预言电磁波的存在
赫兹（德）：
发现电磁波
惠更斯（荷兰）：
光的波动说
托马斯·
扬（英）：
光的双缝干涉实验
爱因斯坦（德、美）：
用光子说解释光电效应现象，质能方程
汤姆生（英）：
发现电子
卢瑟福（英）：
α粒子散射实验，原子的核式结构模型，发现质子
玻尔（丹麦）：
关于原子模型的三个假设，氢光谱理论
贝克勒尔（法）：
发现天然放射现象
皮埃尔·
居里（法）和玛丽·
居里（法）:
发现放射性元素钋、镭
查德威克（英）：
发现中子
约里奥·
居里（法）和伊丽英·
居里（法）：
发现人工放射性同位素
1.亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，牛顿认为力是改变物体运动状态的原因，伽利略对落体运动进行系统的研究，爱因斯坦曾高度赞扬了伽利略的成就以及获得成就的方法，并指出“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端”。
伽利略第一次提出力不是维持物体运动的原因，用科学的实验方法即理想实验改变了人类对物体运动的认识
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