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作者:义务教育物理课程标准实验教科书编写组

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页数:159

译者:

出版时间:2003-8

价格:27.00元

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isbn号码:9787532371754

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探索宇宙的奥秘：现代天体物理学导论 本书聚焦于21世纪天体物理学的前沿进展与核心理论，旨在为具有一定基础科学知识的读者提供一个深入、系统且与时俱进的宇宙图景。我们完全避开了中学及大学初级阶段的力学、光学基础知识的重复讲解，直接切入现代天体物理学的核心问题与观测工具。 第一部分：引力与时空——从牛顿到爱因斯坦的飞跃 本部分将彻底颠覆读者对经典引力概念的理解，将读者带入广义相对论的宏大框架之中。我们不会赘述万有引力定律的推导，而是直接探讨其局限性及其被更精妙理论取代的历史必然性。 1. 狭义相对论的残留影响与光速极限的物理意义： 深入解析洛伦兹变换在极端环境（如接近黑洞的视界）下的实际体现。讨论时间膨胀和长度收缩如何成为理解高能天体现象的必要前提，而非仅仅是课堂上的数学练习。 2. 黎曼几何与时空曲率： 以微分几何的视角，阐释物质如何决定时空的几何结构。重点解析爱因斯坦场方程（Einstein Field Equations, EFE）的内在含义，特别是其张量形式如何优雅地统一了能量、动量与时空曲率之间的关系。我们将使用基要的张量分析工具，但避免冗长的代数展开，专注于物理图像的构建。 3. 经典解的现代解读： 对史瓦西解（Schwarzschild Solution）进行深度剖析，聚焦于事件视界（Event Horizon）的物理性质，包括视界内外的时空拖曳效应。随后，我们将过渡到克尔解（Kerr Solution），详细讨论旋转黑洞的奇点结构、能层（Ergosphere）的能量提取机制（彭罗斯过程），及其对吸积盘辐射的贡献。 4. 引力波天文学的诞生与基础理论： 探讨引力波的产生机制——非球对称质量分布的剧烈加速。从四极矩公式出发，推导引力波的功率和波形特征。重点分析LIGO/Virgo/KAGRA探测器捕捉到的双中子星并合（GW170817）信号，如何为“重离子物理学”提供了新的观测窗口，以及它对宇宙膨胀率（哈勃常数）测量的独立贡献。 第二部分：恒星的生命周期——核聚变、失稳与死亡 本章聚焦于恒星演化的驱动力与终极命运，跳过对主序星内部对流与辐射平衡的初级描述，直接聚焦于重元素合成与极端质量天体的形成。 1. 核心的突破：从氢到铁的能量来源： 详述质子-质子链和CNO循环的效率差异及其在不同质量恒星中的主导地位。更重要的是，详细分析氦闪（Helium Flash）和三阿尔法过程（Triple-Alpha Process）的条件，以及碳聚变到硅聚变序列的能量释放曲线。 2. 质量极限与失稳：钱德拉塞卡与奥本海默-沃尔科夫极限： 深入探讨白矮星的电子简并压力极限（$1.4 M_{odot}$）的量子力学根源。对于大质量恒星，着重分析核心坍缩的动态过程，包括电子俘获（Electron Capture）如何急剧降低核心的简并压力，引发灾难性的引力坍缩。 3. 超新星的物理学： 将超新星爆发（特别是II型和Ia型）视为对核物理和极端流体动力学的检验场。详细描述冲击波的建立、反弹和对流不稳定性（如浮力驱动的对流不稳定性，BDI）如何将能量传递到包层，实现元素的快速核合成（r-过程）。 4. 中子星的内部结构： 探讨中子星的物质状态，从“意大利面酱”外壳到超流体核心的可能组分，包括夸克物质（Quark Matter）或奇异物质（Strange Matter）存在的理论推测。分析脉冲星的磁场结构、拉莫尔辐射和高能粒子加速机制。 第三部分：星系形成与宇宙学——从结构形成到暗物质的证据 本部分关注宇宙学的宏观结构，重点在于观测到的不均匀性如何导向对未知组分的推断。 1. 宇宙微波背景辐射（CMB）的非均匀性： 不只是介绍CMB的发现，而是深入解读其角功率谱（Angular Power Spectrum）。分析声子峰（Acoustic Peaks）的高度与形状如何精确地确定宇宙的几何形状（平坦性）、物质密度（重子和暗物质）以及暴胀模型的参数。 2. 暗物质的动力学证据： 侧重于间接证据的量化分析。详细阐述星系旋转曲线的“平坦性”如何要求中心晕中存在大量非重子物质。深入探讨星系团尺度的罗森塔尔-扎威基（Zwicky）效应，以及引力透镜效应（弱透镜和强透镜）如何精确绘制出暗物质晕的分布图。 3. 大尺度结构的形成与模拟： 介绍冷暗物质（Cold Dark Matter, $Lambda$CDM）模型的成功之处。探讨由初始的量子涨落如何通过引力作用，在暗物质的“骨架”上，吸积重子物质，最终形成丝状结构、空洞和星系。分析诸如“半人马座座（Halos）”的形成与合并过程。 4. 宇宙加速膨胀与暗能量： 聚焦于Ia型超新星（SN Ia）作为标准烛光（Standard Candle）的使用及其导致暗能量发现的过程。探讨当前暗能量模型的候选者——宇宙学常数（Vacuum Energy）的物理起源问题，以及其与量子场论预测的巨大差异（“精细调节问题”）。 第四部分：极端天体物理现象与高能辐射源 本章探讨宇宙中最剧烈、能量最高的物理过程。 1. 活动星系核（AGN）与吸积盘的物理： 详细描述布莱德-琼斯光度（Eddington Luminosity）的物理限制，以及黑洞周围吸积盘的温度、辐射谱（从X射线到红外）的形成机制。解析不同类型的AGN（如蝎虎座天体、类星体）的统一模型，即“视线效应”。 2. 伽马射线暴（GRBs）： 分类探讨长暴（恒星坍缩形成黑洞，Collapsar模型）与短暴（双中子星并合）的物理机制。重点分析Jet（相对论性喷流）的形成、准粒子模型以及冲击波辐射产生的剧烈光变曲线。 3. 宇宙射线：起源与传播： 讨论银河系内外的宇宙射线（从MeV到PeV能级）的加速机制，包括费米加速（Fermi Acceleration）的一、二型过程。分析高能宇宙射线与星际介质相互作用产生的弥散背景。 本书力求在理论的严谨性和观测的前沿性之间取得平衡，为读者提供一套理解当前天体物理研究热点的工具和深度视角。

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这本书的封面设计着实吸引人，那种沉稳的深蓝色调，配上烫金的字体，透露出一种专业和严谨的气息。我原本以为这会是一本内容枯燥的理论汇编，但翻开目录后，我发现里面囊括了从基础力学到现代物理的多个分支，更令人惊喜的是，它似乎在尝试用一种全新的视角来组织这些知识点。我尤其关注了其中关于“实验设计与误差分析”的那一章节，作者似乎在这部分投入了大量的精力，不仅仅是罗列公式，更像是手把手地教你如何像一个真正的物理学家那样去思考和操作。比如，对于一个简单的斜面摩擦力实验，它没有停留在简单的 $f = mu N$，而是深入探讨了温度、湿度甚至接触面微观结构对测量结果的系统性影响，并提供了多种修正模型。这种深度和广度让我对后续的阅读充满了期待，它似乎不仅仅是“参考”，更像是一本能够激发深度思考的“引路灯”。我希望能从中挖掘出更多教学上的“黑科技”，那些能让我在课堂上瞬间抓住学生注意力的精妙案例。

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我这次拿到这本书，主要目的在于寻找提升高中物理课堂互动性和趣味性的“活水”。过去我总觉得物理学科的“硬核”属性让很多学生望而却步，而这本书的其中一个特点是，它在每一个重要知识点后，都附带了一系列“思维拓展”的栏目。这些拓展内容并非简单的习题，而是设计精巧的微型案例研究。例如，在讲授电磁感应定律时，它没有止步于发电机和变压器，而是详细分析了如何利用感应加热技术来处理特定材料的烧结问题，甚至还牵扯到了感应加热设备的设计中的散热优化，这简直就是一本微缩版的工程应用手册。这些鲜活的、与现代技术紧密相关的案例，极大地丰富了我备课的内容库，我计划下学期就将其中关于“超导磁体冷却系统”的简化模型引入到我的选修课中，相信能有效提升学生的学习动力。

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这本书的行文风格，坦率地说，初看之下有些晦涩，它不像市面上那些畅销的科普读物那样追求流畅的叙事性，而是更倾向于一种严密的逻辑推演。我花了好大力气才啃下第一章关于热力学第二定律的阐述，因为它大量引用了信息论中的概念来解释熵增，这种跨学科的结合虽然极富洞察力，但对于习惯了传统物理教材的读者来说，需要一个适应期。不过，一旦你跟上了作者的思路，你会发现它带来的那种“豁然开朗”的感觉是无与伦比的。特别是它对于“测量不确定性”的哲学探讨，超越了教科书上的简单公式传递，直指物理学本质的局限性与精确性的辩证关系。这种对基础概念的深挖，对于我们这些长期站在教学第一线的老师来说，是极其宝贵的。它能帮助我们回答学生那些看似简单却直击灵魂的“为什么”，而不是仅仅给出“因为公式是这样定义的”这种敷衍的答案。

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这本书的排版和装帧质量确实达到了一个相当高的水准，这在参考资料中并不多见。纸张的选取非常考究，反光度适中，长时间阅读下来眼睛的疲劳感明显减轻。更值得称赞的是图表的绘制精度。在涉及复杂矢量分析和场强分布图示时，作者坚持使用了高分辨率的矢量图形，线条清晰锐利，即便是打印成黑白讲义，关键的箭头方向和梯度变化也一目了然。这对于讲解空间关系复杂的电磁场问题至关重要。我对比了以往使用的几本参考资料，它们在处理三维空间中的场叠加问题时，图示往往模糊不清，容易造成读者的空间定位障碍，而这本书则完全规避了这个问题。这种对细节的极致追求，体现了出版方对学术质量的尊重，也使得这本书成为了我个人案头工作台上的首选工具书。

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这本书的价值，我认为更多体现在它对于“物理思维链条重构”的尝试上。它不像传统的参考书那样，将力学、电磁学、光学等板块视为相对独立的知识模块，而是努力在它们之间建立起深刻的内在联系。举例来说，它在讲解波的干涉与衍射时，巧妙地引入了量子力学中的概率波概念作为类比工具，虽然这在高中教学中可能过于超前，但作为教师的自我提升材料，它极大地拓宽了我对“波”这一基本物理图像的理解深度。它让我意识到，很多看似不相关的现象，背后可能共享着同一套深层次的数学结构和规律。通过研读这本书，我感觉自己对整个物理学的知识体系有了一个更宏大、更具整体性的把握，这对于指导学生进行高阶思维训练，是非常有启发性的。

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