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出版者:

作者:钟鼎

出品人:

页数:381

译者:

出版时间:1970-1

价格:40.00元

装帧:

isbn号码:9787561822319

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• 大学物理
• 物理实验
• 实验教学
• 高等教育
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• 物理学
• 实验报告
• 教学参考书
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• 实践教学

现代材料科学导论 第一章 引言：材料的本质与重要性 材料是人类文明进步的基石。从远古的石器时代到如今的纳米技术时代，人类对材料的认知和应用水平直接决定了社会的发展速度。本章将深入探讨材料科学的定义、范畴及其在现代工程、能源、生物医学等前沿领域中的核心地位。 我们将首先界定“材料”的广义概念，它不仅仅包括我们日常接触的金属、陶瓷和聚合物，还涵盖了半导体、复合材料、智能材料乃至生物材料。随后，我们会简要回顾材料科学与工程学科的诞生与发展历程，重点分析20世纪中叶以来，以晶体结构、相变理论和缺陷物理为核心的“三大支柱”如何支撑起现代材料学的宏伟蓝图。 材料的选择、设计与性能优化是工程实践中的关键。本章将建立一个框架，说明为什么同一种化学组分在不同微观结构下会展现出迥异的宏观力学、电学、热学和光学性能。理解材料的内在规律是解决实际工程问题的先决条件。 第二章 原子结构与化学键合 材料的宏观特性源于其微观尺度的原子排列和相互作用。本章将详尽阐述原子结构的基础理论，包括玻尔模型、量子力学导论中对电子轨道的描述，以及周期表背后蕴含的电子排布规律。 重点内容包括： 1. 电子构型与价态： 如何通过电子排布预测元素的化学活性和潜在键合类型。 2. 化学键的分类与特点： 深入分析离子键、共价键、金属键和范德华力。每种键合类型如何决定了材料的基本性质，例如离子晶体的硬度和高熔点，以及金属的导电性。 3. 晶体结构基础： 介绍晶体结构的概念，包括晶格、基矢、晶胞。详述体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）等常见金属晶体结构的几何特征、原子堆积密度及其对延展性的影响。 第三章 晶体缺陷与微观结构 理想晶体在理论上是完美无瑕的，但现实中的材料性能往往由缺陷所决定。本章是理解材料力学行为和扩散过程的关键。 我们将系统介绍四大类晶体缺陷： 1. 点缺陷： 空位、间隙原子、取代原子和施主/受主杂质。重点探讨它们如何影响材料的电学性能（如半导体的掺杂）和扩散速率。 2. 线缺陷（位错）： 详细阐述边缘位错和螺型位错的几何结构、滑移系以及它们在塑性变形中的核心作用。引入位错密度、 Burgers 矢量等关键概念，解释金属的加工硬化机制。 3. 面缺陷： 晶界、外表面、孪晶界和堆垛层错。分析晶界在材料腐蚀、晶粒尺寸效应和力学性能（如Hall-Petch关系）中的控制作用。 4. 体缺陷： 孔隙和第二相粒子。 第四章 材料的热力学与相图 材料的稳定性和相变过程受热力学原理支配。本章从统计热力学和吉布斯自由能角度出发，构建材料科学的宏观理论基础。 关键议题包括： 1. 热力学基础： 焓、熵和吉布斯自由能的定义及其在相平衡中的判据。 2. 相图的解读与应用： 详细分析单组元系统（如水的相图）和双组元系统（如二元合金相图）。重点学习杠杆原理和冷却曲线的绘制与分析，理解固溶体、共晶、共熔等关键点的意义。 3. 扩散现象： 基于菲克定律，探讨原子在固态材料中的扩散机制（空位机制和间隙机制），并分析温度和晶体缺陷对扩散速率的影响。 第五章 机械性能与变形 本章聚焦于材料如何响应外加机械载荷，这是结构工程设计的基础。 内容涵盖： 1. 应力和应变分析： 弹性形变、胡克定律、杨氏模量、剪切模量和泊松比。 2. 塑性变形： 深入讨论位错运动如何导致宏观塑性流动，介绍加工硬化、应变时效和加工过程（冷加工与热加工）。 3. 强度、韧性与断裂： 屈服强度、抗拉强度、硬度。区分韧性与脆性断裂，引入Griffith裂纹扩展理论和应力强度因子（$K_{IC}$），讲解断裂韧性的概念。 4. 疲劳与蠕变： 分析交变应力下的疲劳失效机制，以及高温下材料的蠕变行为。 第六章 电学、磁学与光学材料 现代电子技术依赖于对材料电磁学和光学特性的精确控制。 1. 电学性能： 深入区分导体、半导体和绝缘体。重点讲解半导体物理，包括费米能级、本征激发、载流子迁移率，以及P型和N型掺杂的原理。 2. 磁性材料： 介绍磁畴、磁化强度、磁滞回线。分类讨论抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性材料及其在存储和传感中的应用。 3. 光学性质： 讨论光与物质的相互作用，包括吸收、发射和散射。重点介绍介电常数、折射率，以及透明材料和光电器件（如LED和太阳能电池）的工作原理。 第七章 结构材料：金属与陶瓷 本章将前述理论应用于两大传统工程材料类别。 1. 金属合金设计： 讨论纯金属的局限性，重点分析钢、铝合金和钛合金的微观结构演变（如奥氏体/铁素体转变），以及如何通过热处理（退火、正火、淬火、回火）来调控性能。 2. 陶瓷材料： 阐述陶瓷的离子/共价键特征导致的高硬度、耐高温性、耐化学腐蚀性和固有脆性。分类介绍氧化物、碳化物和氮化物陶瓷，以及先进结构陶瓷（如SiC, $ ext{ZrO}_2$）在极端环境中的应用。 第八章 有机与高分子材料 高分子材料以其轻质、可加工性和独特弹性占据了材料应用的重要地位。 1. 高分子结构： 介绍单体、聚合反应类型（加聚与缩聚）、分子量及其分布对性能的影响。 2. 构象与形变： 解释链段的自由旋转、缠结以及对弹性行为的贡献。区分粘弹性行为。 3. 主要类型： 塑料（热塑性与热固性）、弹性体和纤维的结构与典型应用。简述高分子材料的老化与降解。 第九章 复合材料与纳米材料 本章探讨如何通过集成策略和尺度效应来创造超越传统单相材料的性能。 1. 复合材料： 定义纤维增强和颗粒增强复合材料。重点分析界面在载荷传递中的作用，讲解混合律在预测性能中的局限性。讨论层状复合材料（如层压板）的设计原则。 2. 纳米材料： 探讨尺寸效应（Size Effect）如何改变材料的电子、光学和催化性能。简要介绍碳纳米管、石墨烯和量子点等前沿纳米材料的合成与特性。 第十章 材料的制备、加工与性能表征 本章概述将理论转化为实际产品的过程，并介绍科学研究中常用的分析技术。 1. 材料加工基础： 熔炼、铸造、粉末冶金的基本流程。介绍薄膜沉积技术（如CVD, PVD）。 2. 性能表征技术： 介绍关键的微观结构分析手段： 显微镜技术： 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）在形貌观察和晶体结构分析中的应用。 衍射技术： X射线衍射（XRD）在确定晶相、晶格常数和晶粒尺寸上的精确性。 光谱技术： 能量色散谱（EDS）和电子能量损失谱（EELS）用于元素分析。 通过对这些基本原理的系统学习，读者将能够掌握从原子尺度到宏观应用分析材料的综合能力。

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我必须承认，这本书在装帧设计上是下了一番功夫的，纸张质量摸起来很舒服，排版也算清晰。但问题在于，内容本身给我的感觉是极其过时且缺乏创新的。仿佛是上个世纪八十年代的实验记录被原封不动地搬了过来，里面的实验项目设置非常传统，诸如验证牛顿第二定律、测量光速等，这些都是我们每年都在做的“规定动作”。我更希望看到一些与现代科技前沿沾点边的实验内容，比如涉及到半导体器件的初步测量、或者一些基于微控制器的数据采集应用。现在这个时代，连最基础的电子元件性能测试，我们都在用更先进的仪器了，这本书里的很多操作流程显得异常繁琐和低效。阅读过程中，我不断地在脑海中将书上的描述与我们实验室里实际使用的精密仪器进行对比，结果发现这本书里的描述往往跟不上设备迭代的速度，让读者有一种“学了也白学”的无力感。它更像是一个历史文献，而不是一本指导当今学生进行科学探究的工具书。

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我希望一本好的实验教材能激发我们对物理现象的兴趣，引导我们提出问题、设计探究路径。然而，这本书的叙事方式却像是在给一道已经写好答案的考题做注释。所有的实验目的都已经被框定得死死的，实验步骤也像是被精确地锁死在某个框架内，几乎没有留给读者任何发挥空间去思考“如果我改变这个变量会怎样？”或者“有没有更巧妙的方法来测量这个量？”的余地。它传递给读者的潜台词似乎是：“按照我说的做，得到我期望的结果就好。”这种僵化的教学方式，极大地扼杀了实验科学中最宝贵的品质——批判性思维和创新探索精神。读完之后，我并没有觉得我对物理实验有了更深的理解，反而有一种被束缚住手脚的感觉，仿佛学习物理实验的最终目的只是为了完成一个既定的、缺乏个性化色彩的任务，而不是去探索自然界未知的奥秘。

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这本书，说实话，刚拿到手的时候我还有点期待。毕竟“大学物理实验”这个名字听起来就挺硬核的，我本来想着能从中找到一些扎实的、能够直接在实验室里用得上的操作指南或者数据分析的窍门。结果翻开目录，我的心就凉了半截。它似乎更像是一本理论的复述，而不是实践的宝典。里面的文字描述非常学术化，充满了各种我们高中阶段就接触过的概念，但缺乏那种能让人茅塞顿开的实验设计思路。比如，讲到误差分析时，只是简单地罗列了几种误差类型，却没有给出足够多的、生动具体的例子来说明在实际操作中如何规避或者最小化它们。我期待的是那种“当你遇到这个情况时，应该这样做”的实用建议，而不是教科书式的定义堆砌。如果我只是想复习一遍物理定律，我完全可以直接去看我的大学物理教材，那可能还更直观一些。这本书在连接理论与实践的桥梁上，建得实在是太薄弱了，让人感觉像是翻阅了一本标注了“实验”字样的纯理论笔记。

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说实话，作为一本实验指导用书，它在“指导”这个核心功能上做得非常不到位。每一章的开头都有一大段背景理论介绍，这我可以理解，但关键的实验步骤描述，却写得含糊不清，经常需要反复阅读才能理清顺序。更令人抓狂的是，图示的缺乏或者说图示的质量简直是一场灾难。很多复杂的仪器连接或者装置搭建过程，仅仅依靠几张质量低劣、标识模糊的示意图来辅助说明，这对于初次接触实验的新手来说，简直是灾难性的。我记得有一次我试图按照书上的描述搭建一个简单的电路模拟，结果光是弄明白图上那个符号代表什么元件，就花了快半个小时。如果这本书的作者是希望读者通过阅读就能独立完成实验，那他们显然低估了实际操作中视觉信息的极端重要性。如果我需要不断地跑去问助教或者请教同学才能看懂一个实验步骤，那么这本书的阅读价值也就大打折扣了。

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这本书的“理论深度”与“实验操作”之间存在着一种令人不安的脱节感。它花了大量的篇幅去推导那些复杂的数学公式，这些公式本身可能在理论课上已经讲得滚瓜烂熟了，但当需要将这些公式应用于实际数据处理时，书中却鲜有具体的案例展示。例如，当我们收集到一组带有明显噪声的测量数据后，如何选择合适的拟合函数、如何进行有效的数据平滑处理，书中几乎没有提及任何实用技巧。它似乎假设读者已经拥有了非常成熟的计算能力和数据处理经验，可以直接从理论跳跃到最终结果的分析。对于大多数需要通过实验来巩固计算技能的学生来说，这种“黑箱式”的处理方法是极其不友好的。它更像是为那些已经掌握了所有技能的专家准备的参考手册，而不是为我们这些还在摸索中的学习者准备的入门读物。

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