物理學第二部分 - 快速指南

---

---

物理學 - 緒論

緒論

• 物理學是自然科學中最重要的學科之一，它描述了物質的性質和特性。

• “物理學”一詞來源於古希臘語‘phusikḗ’，意為“自然知識”。

定義

• 物理學是研究物質和能量的性質和特性的一門自然科學分支。

• 物理學的重要研究內容包括力學、熱力學、光學、聲學、電學、磁學等。

• 物理學的發展也對技術領域做出了重大貢獻。例如，電視、計算機、手機、先進家用電器、核武器等新技術的問世。

物理學的發展

• 在古代，物理學的發展與天文學的發展同步進行。

• 然而，在中世紀時期，阿拉伯作家和科學家伊本·海賽姆的一項顯著工作徹底改變了物理學的概念。

• 伊本·海賽姆撰寫了一本七卷本的著作，名為“Kitāb al-Manāẓir”，也稱為“光學之書”。

• 在這本書中，伊本·海賽姆駁斥了古希臘的視覺概念，並提出了一個新的理論。

• 伊本·海賽姆還引入了針孔攝像機的概念。

• 在中世紀後期，物理學成為自然科學的一個獨立學科。

• 在使物理學成為一個獨立學科的過程中，歐洲科學家做出了重大貢獻。

• 這些現代歐洲科學家引入了不同的物理學概念，並發現了許多新技術。

• 例如，哥白尼取代了古代的地心模型，提出了日心說；伽利略發明瞭望遠鏡；牛頓發現了運動定律和萬有引力定律等等。

• 現代物理學的時代始於馬克斯·普朗克的量子理論和阿爾伯特·愛因斯坦的相對論的發現。

• 在現代物理學發展之後，應用物理學的時代開始了，它強調對特定用途的“研究”。

• 粒子物理學家一直在設計和開發高能加速器、探測器和計算機程式。

• 核物理學是現代物理學的另一個分支，它研究原子核的成分和相互作用。

• 核物理學最廣為人知的成果和應用是核能的產生和核武器技術的開發。

• 目前，物理學家正在研究高溫超導的概念。

物理學 - 各分支學科

下表列出了物理學的主要分支及其子分支：

物理學 - 聲學

緒論

• 聲學是一門跨學科的科學，研究不同型別的機械波在固體、液體和氣體中的傳播。

• 基本上，聲學是聲音的科學，描述聲音的產生、傳播和效應；它還包括聲音的生物學和心理學效應。

• 同樣，聲學研究振動、聲音、超聲波、次聲波。

• “聲學”一詞來源於希臘語‘akoustikos’，意思是“聽覺的，易於聽到的”。

• 如今，聲學技術在許多行業中得到了廣泛的應用，特別是用於降低噪聲水平。

聲學家

• 聲學領域的專家被稱為聲學家。

• 聲學研究領域多種多樣。例如，聲音的產生、聲音的控制、聲音的傳播、聲音的接收，或聲音對人類以及動物的影響。

聲學家的型別

• 以下是主要的聲學家型別：

• 生物聲學家 - 該領域的專家研究特定地理區域的鳥類，以確定人為噪聲是否改變了它們的習性。

• 生物醫學聲學家 - 該領域的專家研究和開發用於治療腎結石的醫療裝置。

• 水下聲學家 - 該領域的專家研究和設計用於探索海底的先進聲吶硬體。

• 聽力學家 - 該領域的專家診斷聽力障礙。

• 建築聲學家 - 該領域的專家設計歌劇院以管理高音（室內）。

聲學領域

• 以下是主要的聲學領域。

• 普通聲學 - 該聲學領域研究聲音和波。

• 動物生物聲學 - 該聲學領域研究動物如何產生、使用和聽到聲音。

• 建築聲學 - 該聲學領域研究建築設計，以獲得令人愉悅的音質和安全的聲級。

• 醫學聲學 - 該聲學領域研究和應用聲學來診斷和治療各種疾病。

• 考古聲學 - 該聲學領域研究考古遺址和文物的聲學系統。

• 心理聲學 - 該聲學領域研究人類如何對特定聲音做出反應。

物理學 - 生物物理學

緒論

• 生物物理學對於生物學研究人員和物理學研究人員來說都是一個引人入勝的術語，因為它架起了這兩門科學學科之間的橋樑。

• 生物物理學（也稱為生物物理）基本上是一種研究生物系統的方法。它利用物理技術來了解生物系統。

• 同樣，生物物理學整合了生物組織的所有層次，即從分子水平到有機體和種群水平。

• 1892年，卡爾·皮爾遜首次使用了“生物物理學”這一術語。

生物物理學的研究內容

• 生物物理學家研究生命（基本上是人類生命）；從細胞器（如核糖體、線粒體、細胞核等）到生物體及其環境。

• 隨著技術的進步，這兩個學科（即生物學和物理學）的科學家和研究人員開始探索生命不同的層次，以瞭解生物系統實際上是如何運作的。

• 生物物理學家主要研究以下型別的問題：

  • 神經系統的細胞是如何交流的？

  • 病毒是如何以及為什麼侵入細胞的？

  • 蛋白質合成的功能是什麼？

  • 植物如何利用陽光製造食物？

生物物理學的優勢

• 在分子水平上對生命的研究有助於瞭解人體許多現象，包括各種疾病及其治療。

• 生物物理學有助於瞭解DNA的結構和功能。

• 生物物理學的研究有助於瞭解生物化學的各個方面。

• 生物物理學也有助於瞭解蛋白質的結構和各種功能。

生物物理學的子分支

• 以下是生物物理學的主要子分支：

  • 生物化學

  • 物理化學

  • 奈米技術

  • 生物工程

  • 計算生物學

  • 生物力學

  • 生物資訊學

  • 醫學

  • 神經科學

  • 生理學

  • 量子生物學

  • 結構生物學

生物物理學技術

• 以下是生物物理學中使用的一些主要技術：

  • 電子顯微鏡

  • X射線晶體學

  • 核磁共振波譜學

• 原子力顯微鏡 (AFM)

• 小角散射 (SAS) 技術

物理學 - 經濟物理學

緒論

• 經濟物理學是一門跨學科的科學，研究金融和經濟市場的動態行為。

• 為了解決經濟學問題，並瞭解市場的動態行為，經濟物理學家發展了應用理論。

• 經濟物理學有時也被稱為金融物理學。

• 它將統計力學應用於經濟分析。

經濟物理學問題

• 經濟物理學問題包括：

  • 如何準確測量和解釋市場動態的重要特性？

  • 如何穩定市場？

  • 不同市場中的行為有何不同？

經濟物理學的工具

• 經濟物理學的根本工具是：

  • 機率方法

  • 統計方法

  • 這兩種方法都借鑑於統計物理學。

• 從物理學中借鑑的其他工具

  • 流體力學

  • 經典力學

  • 量子力學

經濟物理學模型

• 以下是經濟物理學中使用的一些主要模型：

  • 滲流模型

  

  • 市場的動力學交換模型

  • 混沌模型

  • 資訊理論

  • 隨機矩陣理論

  • 擴散理論

物理學 - 地球物理學

緒論

• 地球物理學是地球科學的一個專門分支，研究地球的物理特性和物理過程。

• 地球物理學家使用一些定量方法和先進技術來分析地球的特性和過程。

• 地球物理學技術用於探測礦產資源、減輕自然災害和環境保護。

• 地球物理學是從不同學科中發展而來的一個獨立學科，例如地質學、自然地理學、天文學、氣象學和物理學。

地球物理學的要素

• 地球物理學研究的主要要素包括：

  • 地球的形狀

  • 地球的萬有引力

  • 地球的磁場

  • 地球的內部結構

  • 地球構成

  • 地球板塊運動（板塊構造學）

  • 火山活動

  • 岩石形成

  • 水迴圈

  • 流體動力學等

地球物理學家解決的問題

• 以下是地球物理學家研究的問題領域：

  • 公路和橋樑建設

  • 礦產資源的測繪與勘探

  • 水資源的測繪與勘探

  • 地震和火山地區的測繪

  • 地質測繪

  

  • 考古發現

  • 大壩建設及其安全

  • 法醫勘探（尋找埋藏的屍體）

地球物理學的技術和方法

• 以下是地球物理學的主要技術和方法：

  • 地磁學

  • 電磁法

  • 極化法

  • 地震技術

  • 探地雷達（GPR）等

地球物理學的益處

• 以下是地球物理學的主要益處：

  • 在不破壞考古遺址的情況下對其進行研究

  • 設計環保的城市建築

  • 尋找和合理開發自然資源

  • 幫助減輕自然災害，如滑坡、地震等

物理學 - 奈米技術

緒論

• 奈米技術是利用和操縱原子和分子來設計新技術的科學。

• 奈米技術是超分子技術，這意味著它是在分子或超分子尺度上進行功能系統的工程。

• 有趣的是，一奈米（nm）等於十億分之一米，或10⁻⁹米。

• 奈米技術的概念和思想最初是由著名物理學家理查德·費曼在1959年提出的。

• 理查德·費曼在他的演講“底部有足夠的空間”中，描述了透過直接操縱原子進行合成的可行性。

• 然而，1974年，丹尼古芝紀夫首次使用了“奈米技術”一詞。

主要研究領域

• 以下是奈米技術正在研究的主要領域：

  • 先進計算——開發超級計算機

  • 電子學——開發導體和半導體

  • 醫學——開發治療癌症（尤其是乳腺癌）的技術

  • 紡織工程——納米制造等

奈米技術的應用

• 以下是奈米技術的主要應用：

  • 製造救命的醫療機器人

  • 讓世界上的每個人都能使用聯網計算機

  • 安裝聯網攝像頭來監視每個人的行動（這對行政服務和維護社會治安非常有幫助）。

  • 製造無法追蹤的大規模殺傷性武器。

  • 迅速發明許多在日常生活中有用的奇妙產品。

• 同樣，分子技術具有造福人類的巨大潛力；然而，與此同時，它也帶來了嚴重的危險。無法追蹤的大規模殺傷性武器就是其致命性的一個理想例子。

奈米技術的主要分支

• 以下是奈米技術的主要分支：

  • 奈米電子學

  • 奈米力學

  • 奈米光子學

  • 奈米離子學

奈米技術的貢獻學科

• 以下是奈米技術科學發展中融合的主要學科：

  • 表面科學

  • 有機化學

  • 分子生物學

  • 半導體物理學

  • 微細加工

  • 分子工程

奈米技術的意義

• 任何事物都有兩面性，同樣，工業規模上奈米技術的應用，即奈米材料的製造，可能會對人類健康和環境產生負面影響。

• 尤其是在使用奈米材料的行業工作的工人更容易受到傷害，因為他們會吸入空氣中的奈米顆粒和奈米纖維。這些奈米材料可能導致多種肺部疾病，包括纖維化等。

物理學 - 神經物理學

緒論

• 研究神經系統（如大腦、脊髓和神經）的醫學物理學分支稱為神經物理學。

• 神經物理學的研究人員研究大腦的基本物理基礎，以瞭解其不同的功能。

• 神經物理學家還研究人類的認知過程。

• “神經物理學”一詞最初來自希臘語，即“neuron”意為“神經”，而“physis”意為“自然”或“起源”。因此，神經物理學基本上關注的是對神經系統工作機制的研究。

• 此外，神經物理學的完整性還假定整個宇宙是活的，但其方式超出了對生物體的概念。

神經物理療法

• 神經物理療法是一種高度複雜的基於運動的治療方法。這種技術可以治療多種疾病，其成功率也很高。

• 以下是可以透過神經物理療法治療的一些重要疾病：

  • 關節炎

  • 運動表現

  • 代謝紊亂

  • 康復

  • 雙相情感障礙

  • 偏頭痛

  • 慢性疼痛

  • 運動神經元疾病

  • 退行性疾病

  • 抑鬱症（臨床性；反應性）

  • 肌營養不良症

  • 藥物成癮

  • 癲癇

  • 骨關節炎

  • 帕金森病

  • 前庭疾病

  • 遺傳性痙攣性截癱等。

• 此外，神經物理學的實踐使我們能夠保持健康並在日常生活中更好地發揮作用，因為它提供了技術，即如何均勻地分散體內的壓力，而不讓它變得孤立。

物理學 - 心理物理學

緒論

• 心理物理學基本上是心理學和物理學的一個跨學科分支；它研究物理刺激與感覺及其產生的知覺之間的關係。

• 心理物理學家透過研究行為的影響來分析感知過程；此外，他們還研究系統地改變一個或多個物理維度的刺激特性。

• 心理物理學的概念最早由德國萊比錫的古斯塔夫·特奧多爾·費希納於1860年提出。

• 費希納發表了他的研究成果，即《心理物理學原理》（即《心理物理學基礎》）。

心理物理學的術語

• 以下是心理物理學中常用的術語：

  • **訊號檢測理論**——它解釋了感覺能力和決策要素在檢測刺激中的相互作用。

  • **“理想觀察者分析”**——這是一種研究資訊如何在感知系統中處理的技術。

  • **差別閾限**——它有助於區分兩種刺激。這一點被稱為剛好能覺察的差別。

  • **絕對閾限**——一個人首次檢測到刺激強度（即刺激的存在）的點。

  • **量表**——它使用等級量表來分配相對值。

現代心理物理學家的方法

• 現代心理物理學家研究：

  • 視覺

  • 聽覺

  • 觸覺（或感覺）

• 基於這些，心理物理學家測量感知者從刺激中提取出的決策結果。

心理物理學的應用

• 在當今世界，心理物理學通常被用來治療許多心理問題。

物理學 - 天體物理學

緒論

• 天體物理學是自然科學或天文學中最古老的分支之一。

• 天體物理學被用作製作日曆和導航的基礎。

• 天體物理學也被用作宗教的重要輸入，因為從一開始，占星家就在他們的占星工作中藉助這門科學。

• 現代天體物理學分支，即“理論天體物理學”，描述了天體的功能和行為。

• 理論天體物理學使用各種各樣的工具，例如分析模型（例如，多方體來近似恆星的行為）和計算數值模擬。

天體物理學主題

• 以下是天體物理學（現代）的主要主題：

  • 太陽系（形成和演化）；

  • 恆星動力學和演化；

  • 星系形成和演化；

  • 磁流體力學；

  • 宇宙射線的起源；

  • 廣義相對論和物理宇宙學。

天體物理學的主要成就

• 以下是天體物理學的主要發展：

  • 伽利略於1609年使用望遠鏡進行了首次天文研究。伽利略發現了太陽黑子和土星的四顆衛星。

  • 基於對第谷·布拉赫的觀測，開普勒發展了行星運動的三大定律。

  • 1687年，牛頓提出了運動定律和萬有引力定律。

  • 愛因斯坦在1916年提出相對論，為研究宇宙學提供了第一個一致的基礎。

  • 1926年，哈勃發現星系正在後退，它們的速度隨著距離的增加而增加。這意味著宇宙正在膨脹，並將這種膨脹追溯到過去，導致了“大爆炸”的概念。

  • 1974年，赫爾斯和泰勒發現了一個由兩個脈衝星組成的雙星系統，這證明了引力波的存在。

天文學

• 天文學是最古老的分支之一，它是一門研究天體及其功能現象的自然科學。

• 為了解釋天體的起源、演化和現象，應用了物理學、化學、數學等不同的科學學科。

• 研究的物件是：

  • 行星

  • 衛星或月球

  • 恆星

  • 星系

  • 彗星等。

• 一些被研究的重要現象是：

  • 超新星爆發

  • 伽馬射線暴，以及

  • 宇宙微波背景輻射等。

• 在20世紀，根據研究方法，天文學被分為：

  • **觀測天文學**——基於方法和手段，觀測天文學家觀測、收集和分析天體資料。為了分析資料，他們使用物理學的基本原理。

  • **理論天文學**——理論天文學家試圖開發計算機或分析模型來描述天體及其功能。

• 同樣，天文學包含了諸如天體導航、天體測量學、觀測天文學等多種學科；這就是天體物理學與天文學密切相關的原因。

物理學 - 測量單位

下表列出了物理學中的主要測量單位：

單位換算

物理學 - 主要儀器及其用途

下表列出了主要的科學儀器及其用途：

物理學中的發明與發明家

下表列出了物理學中的一些主要發明及其發明家：

物理學 - 時間軸

下表列出了物理學中發生的主要事件（以及可能的時間段）：

物理學 - 未解之謎

緒論

• 未解問題的含義是——已發展的理論和模型無法解釋某些正在發生的現象，或者科學實驗無法糾正相關現象。

• 下表列出了物理學中一些主要的未解問題：

物理學術語

下表列出了物理學中的主要“術語”——

物理學中的主要理論和定律

下表列出了物理學中的主要理論及其各自的領域——

諾貝爾物理學獎

緒論

• 諾貝爾物理學獎是瑞典皇家科學院每年頒發的最負盛名的獎項。

• 諾貝爾獎授予為人類做出最傑出貢獻（在物理學領域）的物理學家。

• 德國/荷蘭物理學家威廉·倫琴是第一位獲得1901年諾貝爾獎的人。

• 威廉·倫琴因發現非凡的X射線而獲得諾貝爾獎。

• 在物理學領域（當時），只有兩位女性獲得過諾貝爾獎，即瑪麗·居里（1903年）和瑪麗亞·格佩特·梅耶（1963年）。

• 下表列出了一些獲得諾貝爾獎的重要物理學家及其傑出作品——

物理學獎項

以下是物理學領域的一些重要獎項：

以發明家名字命名的科學單位

下表列出了一些以發明者/發現者命名的科學單位：

物理學 - 頂尖研究機構

以下是世界知名的頂尖物理學研究機構：