新编近代物理实验 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:南京大学出版社

作者:沙振舜

出品人:

页数:323

译者:

出版时间:2008-4

价格:38.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787305017735

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《探秘量子世界：从经典束缚到量子跃迁》 本书并非一本详述“新编近代物理实验”的教科书，而是旨在引领读者踏上一场跨越几个世纪的物理学思想之旅，深入理解人类如何从宏观的经典物理框架走向微观的奇妙量子领域，以及这个过程中所伴随的实验探索与理论突破。我们将聚焦那些奠定近代物理基石的关键概念、实验现象以及由此引发的深刻哲学思辨，而非具体实验仪器的操作指南或数据处理方法。 第一章：经典物理的辉煌与阴影——黑体辐射之谜 在近代物理的曙光尚未破晓之前，经典物理学，特别是牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，成功地解释了我们日常生活中观察到的绝大多数物理现象。从行星的运行到物体的运动，从光的传播到电磁波的产生，经典理论都展现出了惊人的统一性和预测能力。然而，在19世纪末，一些看似微不足道的“小麻烦”，却如同一丝裂痕，预示着旧有理论的局限性。 其中最著名、也最具革命性的挑战之一，便是“黑体辐射”问题。黑体，是一个理想化的概念，它能够吸收所有入射的电磁辐射，并且在加热时会发出辐射。根据经典电磁理论和热力学定律，人们预测黑体在不同温度下发出的辐射频谱应该呈现出某种规律。然而，实验测量结果却与理论预测大相径庭。具体来说，经典理论预测在短波长（高频率）区域，黑体辐射的能量会趋向于无穷大，这种令人费解的现象被称为“紫外灾难”。这不仅与实验数据严重不符，更在理论上构成了一个悖论，暗示着经典物理学在微观尺度上存在根本性的问题。 本章将详细剖析黑体辐射实验的由来，介绍经典理论在解释这一现象时的失败之处，以及这一难题是如何成为点燃量子革命导火索的。我们将着重探讨普朗克在1900年提出量子假说的历史性一步。为了解决紫外灾难，普朗克大胆假设，能量的发射和吸收并非连续的，而是以不连续的、离散的“能量子”为单位进行的，每个能量子的大小与辐射的频率成正比，即$E = h u$，其中$h$被称为普朗克常数。这一看似微小的修正，却颠覆了能量守恒的连续性观念，为理解微观世界的运行规律打开了一扇全新的大门。尽管普朗克本人最初也认为这只是一种数学上的“权宜之计”，但历史证明，这一假说具有划时代的意义。 第二章：光子假设的诞生——光电效应与康普顿散射 普朗克的量子概念虽然解决了黑体辐射问题，但其意义在当时并未被广泛理解和接受。直到1905年，爱因斯坦在解释“光电效应”时，才将普朗克的能量量子概念进一步深化，提出了革命性的“光子”概念。光电效应是指，当光照射到金属表面时，会激发出电子。经典波动理论无法解释这一现象的几个关键特征：光照强度越大，逸出电子数目越多，但电子的能量似乎与光强无关，而与光的颜色（频率）有关；存在一个“阈值频率”，低于此频率的光无论强度多大，都无法激发出电子。 爱因斯坦运用普朗克的能量子概念，将光本身也看作是由一份份不连续的能量粒子组成的，这些粒子被称为“光子”，每个光子的能量为$E = h u$。当光子照射到金属表面时，如果其能量足以克服金属对电子的束缚功，就能将电子击出。这意味着，逸出电子的能量与入射光子的能量有关，而与光的强度（即光子数目）无关，这与实验结果完美契合。光电效应的成功解释，为光具有粒子性的观点提供了强有力的证据，进一步巩固了量子论的根基。 紧随其后，1923年，阿瑟·康普顿通过对X射线与电子碰撞的实验研究，发现了“康普顿散射”现象。在散射过程中，X射线的波长会发生改变，并且改变的程度与散射角度有关。这一现象无法用经典电磁理论来解释，因为它暗示了X射线在碰撞中损失了能量和动量，表现出明显的粒子碰撞特征。康普顿巧妙地将这一过程看作是光子与电子之间的弹性碰撞，并通过动量和能量守恒定律，成功推导出了散射波长变化与散射角之间的关系，与实验结果精确吻合。康普顿散射的发现，进一步确立了光子作为一种基本粒子的地位，有力地证明了光的波粒二象性。 第三章：电子的波动性——德布罗意波与双缝干涉 光既具有波动性（如衍射、干涉），又具有粒子性（如光电效应、康普顿散射），这种“波粒二象性”是否只适用于光？1924年，法国物理学家路易·德布罗意在他的博士论文中提出了一个大胆的设想：不仅光子，包括其他一切微观粒子，如电子，也应该具有波动性。他提出，与粒子相关的波动（德布罗意波）的波长$lambda$与其动量$p$成反比，即$lambda = h/p$。 起初，德布罗意波只是一个理论上的推测，缺乏实验证据。然而，这一理论在1927年得到了实验的验证。戴维森和革末（Davisson and Germer）通过电子束轰击镍晶体，观察到了电子的衍射现象，其衍射图样与X射线通过晶体产生的衍射图样相似。通过测量衍射角，他们计算出的电子波长与德布罗意公式的预测值高度一致。几乎同时，乔治·帕森斯（George Paget Thomson）也独立地通过电子束通过薄金属箔片进行衍射实验，同样观察到了电子的波动性。 电子衍射实验的成功，标志着微观粒子的波粒二象性得到了无可辩驳的证明。这一发现极大地拓展了我们对物质本质的理解，也为量子力学的发展奠定了坚实的基础。当我们将电子想象成一种“波”时，它就可以像水波一样发生干涉和衍射。著名的“电子双缝干涉实验”，虽然在本书中不会详细描述其操作过程，但其背后蕴含的意义却是深远的。即使每次只发射一个电子，当大量的电子通过双缝后，屏幕上仍然会形成干涉条纹，仿佛电子在通过缝隙时“知道”另一条缝隙的存在，并与之发生干涉。这与我们日常理解的粒子碰撞行为截然不同，深刻地揭示了量子世界中概率性和非局域性等反直觉的特性。 第四章：量子力学的建立与不确定性原理 德布罗意提出的物质波概念，以及光电效应、康普顿散射、电子衍射等一系列实验证据，共同催生了量子力学的建立。20世纪20年代，以薛定谔、海森堡、玻尔、狄拉克等为代表的科学家们，在各自独立发展起来的理论框架——薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学——的基础上，逐渐发展出了一套统一的、描述微观粒子行为的数学理论——量子力学。 量子力学最核心的数学工具之一是“波函数” ($psi$)。波函数并非直接描述粒子的实际位置或动量，而是包含了粒子在特定状态下所有可能的信息。波函数的模平方（$|psi|^2$）代表了在某个位置找到粒子的概率密度。这种概率性的描述，与经典物理学中确定性的描述方式形成了鲜明的对比。 在这个量子框架下，海森堡在1927年提出了“不确定性原理”（Heisenberg Uncertainty Principle）。该原理指出，我们不可能同时精确地测量一个粒子的某些成对的物理量，例如位置和动量。也就是说，对粒子位置测量得越精确，对其动量的测量就越不确定，反之亦然。更严谨地说，位置的测量不确定度（$Delta x$）与动量的测量不确定度（$Delta p$）的乘积，总是大于或等于一个基本常数（$hbar/2$），即$Delta x Delta p geq hbar/2$。 不确定性原理并非由于测量仪器的精度不足，而是微观粒子本身固有的性质。它揭示了经典物理学中“一切皆可精确测量”的观念在微观世界失效。这并不是说粒子没有确定的位置和动量，而是说我们无法同时获得关于它们的最精确信息。这一原理不仅是量子力学的一个基本定律，也深刻地影响了我们对因果律和决定论的认识。它表明，在量子层面上，我们只能预测事件发生的概率，而无法像经典物理那样精确地预测未来的状态。 第五章：原子模型演进与原子核的发现 在量子力学建立之前，物理学家们就已经开始探索原子的结构。拉塞福在1911年通过α粒子散射实验，发现了原子核的存在，并将原子模型修正为“行星模型”，即原子中心有一个带正电的、体积很小的原子核，电子像行星一样围绕原子核运动。然而，经典电磁理论预言，绕核运动的电子会不断辐射电磁波，从而损失能量，最终螺旋式地坠入原子核，导致原子不稳定。这与原子普遍存在的稳定性相矛盾，是拉塞福模型面临的困境。 波尔在1913年将量子概念引入原子模型，提出了著名的“玻尔原子模型”。他假设电子在绕核运动时，只能存在于一些特定的、不辐射能量的“定态轨道”上，这些轨道的能量是量子化的。当电子从一个高能级轨道跃迁到低能级轨道时，就会辐射出一个光子，其能量等于两个能级之差。反之，吸收一个光子，电子就能从低能级跃迁到高能级。玻尔模型成功地解释了氢原子的线状光谱，这是经典物理学无法解释的。 然而，玻尔模型也存在局限性，它主要适用于单电子原子，并且其理论基础并不完全严谨。随着量子力学的发展，原子结构理论得到了更深刻的理解。量子力学中的“原子轨道”概念取代了玻尔模型中的“轨道”，它描述的是电子在原子核周围概率分布的区域，而不是一个精确的运行轨迹。原子核本身也并非不可分割的，卢瑟福在1919年发现了质子，而查德威克在1932年发现了中子，揭示了原子核是由质子和中子组成的。这些发现，共同构成了我们对原子结构和物质基本组成部分的认知。 结论：量子世界的深邃与未来 《探秘量子世界》一书，通过回顾从黑体辐射到原子核发现，再到量子力学建立的历程，并非为读者提供一套实验操作手册，而是期望勾勒出近代物理学思想演进的宏大图景。我们看到，正是那些无法用经典理论解释的“异常”现象，成为了推动科学进步的强大动力。人类对微观世界的探索，不仅颠覆了我们对物质、能量和时空的直观认识，更催生了众多划时代的科技发明，如激光、半导体、核能、核磁共振成像等，深刻地改变着我们的生活。 本书无意于详述“新编近代物理实验”的具体操作，而是希望读者能够体会到，每一个科学发现的背后，都凝结着无数科学家们的智慧、勇气与不懈努力，以及实验与理论之间相互促进、相互验证的辩证关系。理解量子世界，或许比掌握某一个具体的实验步骤更为重要，因为它关乎我们如何理解自然最基本的规律，以及如何在这个充满未知与可能的宇宙中，继续探索和前行。量子世界的奥秘远未穷尽，未来的科学探索，将继续在这些奠定的基础上，谱写新的篇章。

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这本《新编近代物理实验》的出版，无疑为物理实验教学领域注入了一股新的活力。它不像某些老旧的教材那样，只停留在教科书上的理论复述，而是真正地将我们带入了现代物理的实验前沿。我特别欣赏作者在选择实验项目上的独到眼光。他们没有局限于那些陈词滥调的经典实验，而是大胆地引入了许多与当前科技发展紧密相关的课题，比如量子隧穿效应的演示、霍尔效应的精确测量，乃至一些涉及半导体器件特性的探究。这些实验不仅拓宽了我们的视野，更重要的是，它们极大地激发了我们动手实践的兴趣。书中的每一个实验步骤都描述得极其详尽，图文并茂，即便是初次接触这些复杂仪器的学生，也能在清晰的指导下顺利完成。而且，它非常注重对实验误差的分析和讨论，引导我们去思考“为什么”和“如何改进”，而不是简单地记录一个数据了事。这种培养批判性思维的方式，远比单纯的技能训练更有价值。每次实验结束后，我都感觉自己不仅仅是完成了一个任务，而是真正地理解了背后的物理原理，那种成就感是无与伦比的。对于任何希望在物理实验能力上实现质的飞跃的师生来说，这本书都是一本不可多得的宝典，它架起了理论与实践之间坚实而富有启发性的桥梁。

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我用了好几周时间来研读这本《新编近代物理实验》，最大的感受就是其体系结构的精妙布局。它的编排逻辑简直是一气呵成，让人在阅读时几乎感觉不到任何阻碍。它不是简单地把一堆实验堆砌在一起，而是遵循着从基础到深入、从宏观到微观的递进路线图。初期的章节，比如对基本测量仪器的校准和误差分析，处理得极为细致入微，为后续复杂实验打下了坚实的基础。接着，内容自然而然地过渡到了光学和电磁学中的近代现象演示，比如傅里叶变换光谱仪的应用示例，展示了现代数据处理技术在实验中的核心地位。最让我眼前一亮的是对不确定性原理在实验中体现的讨论部分，作者用非常巧妙的方式，将抽象的量子力学概念具象化为可操作的实验限制。这本书的叙述风格是严谨中不失灵动，术语的解释恰到好处，不会让人因为生疏的专业名词而望而却步。它仿佛是一位经验丰富的导师，手把手地引领我们探索物理世界的深层奥秘。我曾尝试用它来指导我的毕业设计中一个涉及光电效应的辅助实验，结果发现书中的建议甚至比我导师给出的初步方案更加贴合我们实验室的实际设备配置，这充分证明了其内容的实用性和前瞻性。

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说实话，市面上的实验书很多，但大多都流于表面，读起来枯燥乏味，看完一遍也记不住什么。然而，《新编近代物理实验》却有着一种独特的“可读性魅力”。它最大的成功之处在于，它成功地将实验操作的“SOP”（标准操作程序）与背后的物理学哲学深度结合了起来。例如，在介绍介电常数测量实验时，它不仅详细描述了如何搭建惠斯通电桥，更用一整段篇幅探讨了“测量本身对系统造成的影响”这一深刻的哲学问题，这在理工科教材中是相当少见的。这种跨学科的思辨能力培养，是现代教育所极力倡导的。而且，本书在设计实验时，充分考虑了不同层次学生的接受能力。对于初学者，有详尽的图示和关键步骤提示；对于进阶者，则提供了“拓展研究课题”供他们挑战，比如利用拉曼散射验证分子振动能级。这种分层设计极大地提升了教材的适用范围和生命力。我个人认为，这本书的价值已经超越了“实验指导手册”的范畴，它更像是一本引导年轻人进行科学探索的“方法论指南”，让人在操作中学会思考，在思考中深化认知，构建起一个完整而稳固的科学认知框架。

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这本书的编撰者显然是深谙教学之道的行家，他们深知如何用最经济、最有效的方式，将复杂的近代物理概念传递给学习者。《新编近代物理实验》的语言风格非常平实、流畅，没有过多的学术腔调，读起来非常“顺口”。在描述例如“光电倍增管”的工作原理和操作时，作者采用了一种类比叙事的手法，将复杂的电子学过程比喻成信息传递的链条，一下子就让原本晦涩的机制变得直观可感。更值得称道的是，它对实验装置的搭建过程进行了大量的流程图和分步骤的结构分解，这对于动手能力相对较弱的学习者来说，简直是雪中送炭。我所在的实验室条件相对有限，但通过参考这本书中提供的“低成本替代方案”章节，我们成功地用现有的普通示波器和分光计完成了几个原计划需要昂贵专业设备才能进行的测量，极大地降低了实验成本，提高了教学的可及性。这本书不仅是知识的载体，更是一种解决实际问题的工具箱，它体现了作者对教学资源分配不均这一现实问题的深刻关怀与务实态度。

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翻开这本《新编近代物理实验》，我立刻被它那极具现代感的排版和清晰的逻辑结构所吸引。这本书在细节处理上简直是教科书级别的典范。首先，它对所需仪器的规格参数和安全注意事项的说明异常精确，这一点对于保障实验顺利进行至关重要，很多旧教材往往在这方面含糊带过，导致实验中途出现不必要的麻烦。其次，它创新性地引入了数据可视化和初步分析的环节。在每一个实验结束后，书中都附带有关于如何使用常见的科学计算软件（如Origin或MATLAB）进行数据拟合和图表生成的简要教程，这在很大程度上弥补了传统实验课中对数据处理能力培养的缺失。我特别喜欢它在介绍“黑体辐射”实验时，对瑞利-金斯定律和维恩位移定律的失败原因的对比分析，这种“错误引导——分析失败原因——得出正确结论”的教学路径，远比直接给出正确公式来得深刻和令人难忘。它教会我们，科学的进步往往建立在无数次失败和修正的基础之上，这对于培养学生的科学素养至关重要。这本书的出现，标志着国内物理实验教学正朝着更系统化、更贴近前沿科研的方向迈进。

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