高等物理教材物質與物體運動篇

第1章 物質與物體運動

在自然科學中，宇宙萬物的存在形式分爲兩類：物質和能量。物質是萬物的存在形式，能量是物質相互作用與轉化的量度，物質與能量是相互依存的。物理學就是研究自然界物質存在的基本形式、物質的性質、物質的運動規律、物質之間相互作用與轉化、各種物質形態內部結構等基本規律的學科。在自然界中，沒有不運動的物質，也沒有脫離物質的運動。運動是物質的固有屬性。運動的形式是多種多樣的，物理學研究的物質運動形式是自然界最基本和最普遍的，它的基本研究方法和內容滲透在社會科學和自然科學所涉及的一切領域，應用於科學研究和生產技術的各個方面。

本章簡要討論物質形態及質點力學的基本概念和基本定律。

本章基本要求：

1.理解物質與場的概念。

2.瞭解物質形態。

3.理解動量守恆定律、機械能守恆定律；瞭解角動量守恆定律。

1.1 物質與物質形態

1.1.1 物質存在的基本形式

物質存在的基本形式是實物和場。實物不僅是指由大量原子、分子所組成的宏觀實體，也包括原子、分子、離子和靜止質量不爲零的基本粒子（如電子、質子、中子、夸克等）。實物是實實在在佔據於自然界的一定空間，並以一定的方式存在於時段的。場是物質存在的另一種形式，雖然它看不見摸不着，但具有力和能量等物理特性，是傳遞物體間相互作用的介質。每一種實物都會在自己周圍激發與之相應的場，如靜止電荷激發靜電場，運動電荷除激發電場外還激發磁場，一定質量的實物激發引力場。實物粒子之間的.相互作用是由場來傳遞的，例如傳遞引力的介質爲引力場，傳遞電磁相互作用的介質爲電磁場等等。場對處於其中的物質產生力的作用，並具有做功的特性。不同的場在空間可同時存在，具有疊加性。場沒有確定的空間界限，連續不斷地瀰漫在一定的空間中。

1.1.2 物質形態

物態是指實物在一定條件下所處的相對穩定的狀態，它表現爲大量實物粒子作爲一個大的整體而存在的集聚狀態。固態、液態和氣態是我們熟悉的物態。20世紀中期，科學家確認物質第四態，即“等離子體態”。1995年，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組，首次創造出物質的第五態，即“玻色愛因斯坦凝聚態”。隨着科學的發展，在某些特定條件下發現了一些超態（如超高壓下的超固態、中子態和超低溫下的超導態、超流態等）。

1.固體

固體中分子的熱運動佔次要地位，組成物質的粒子（分子、原子或離子）在各自的平衡位置做微弱的熱運動，所以固體具有一定的形狀和體積。人們常將固體分爲晶體（如食鹽、雲母、金剛石等）和非晶體（玻璃、瀝青、塑料等）兩大類。從外觀上看，晶體具有規則的幾何形狀，在晶體內的粒子是按一定規則週期性重複排列的。而非晶體內的粒子排列卻是完全不規則的。實際上，在晶體與非晶體之間還存在一種準晶體。1984年底，美國科學家薛切特曼（htman）等宣佈，他們在急冷凝固的Al-Mn合金中發現了具有五重旋轉對稱但並無平移週期性的合金相，在晶體學及相關的學術界引起了很大的震動。不久，這種無平移週期性但有位置序的晶體就被稱爲準晶體。準晶體最明顯的特徵是存在長程有序性而無週期性。準晶體已被開發爲有用的材料。例如，人們發現由鋁、銅、鐵、鉻組成的準晶體具有低摩擦係數、高硬度、低表面能以及低傳熱性，被開發爲炒菜鍋的鍍層。

2.液體和氣體

液體和氣體都具有流動性，故統稱爲流體。流體是一種連續介質，在其運動過程中將會表現出特定的規律和性質。液體中分子熱運動動能和分子間引力相互作用勢能相當，分子有較大的活動餘

地，分子間作用力能夠建立起暫時穩定的局部結構。儘管液體內的分子力較固體有所減弱，但還是大到足以使液體有一個自由表面而且有一定體積。液體具有流動性，形狀隨容器形狀而改變。氣體中分子熱運動遠大於分子間的相互作用，分子處於完全無序狀態，所以沒有固定的形狀和體積。在沒有電磁場、重力場等外界作用時，氣體分子向空間任意方向運動概率相等，自動形成空間穩定均勻的平衡狀態。

3.等離子體

等離子體是由部分電子被剝奪後的原子及原子被電離後產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質，它是除去固、液、氣態外，物質存在的第四態。相關內容將在本章物理科技中進行詳細介紹。

4.玻色愛因斯坦凝聚態

玻色愛因斯坦凝聚是20世紀20年代玻色和阿爾伯特?愛因斯坦在玻色的關於光子的統計力學研究基礎上預言的一種新物態。這裏的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態），即處於不同狀態的原子“凝聚”到了同一種狀態。 在正常溫度下，原子可以處於任何一個能級（能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處於這種狀態的大量原子的行爲像一個大超級原子。打個比方，練兵場上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，於是他們迅速集合起來，像一個士兵一樣整齊地向前走去。後來物理界將物質的這一狀態稱爲玻色愛因斯坦凝聚態（BEC）。

然而，實現玻愛凝聚態的條件極爲苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處於氣態。極低溫下的物質如何能保持氣態呢？物理學家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個很好的特性：不會因製冷出現液態，更不會高度聚集形成常規的固體。實驗對象找到了，下一步就是創造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由於激光冷卻技術的發展，人們可以製造出與絕對零度僅僅相差10-9K的低溫。並且利用電磁操縱的磁阱技術可以對任意金屬物體實行無觸移動。這樣的實驗系統經過不斷改進，終於在玻色愛因斯坦凝聚理論提出71年之後的1995年6月，兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻色愛因斯坦凝聚態。這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎。

5.超態

在某些特定條件下，物質的某些物理性質發生突變，表現出完全不同於常溫常壓下的性質，成爲一種超常態。目前研究比較多的有超導態、超流態、超固態和中子態等。當溫度下降到臨界溫度以下時，某些金屬或金屬化合物的電阻爲零，產生完全抗磁性等特殊性質，稱爲超導態。超導詳細內容將在第5章物理科技中進行詳細介紹。在超低溫下液體的黏滯係數爲零，稱爲超流態。1937年，前蘇聯物理學家彼得?列奧尼多維奇?卡皮察驚奇地發現，當液態氦的溫度降到2.17K的時候，它就由原來液體的一般流動性突然變化爲“超流動性”：它可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的極微小的孔或狹縫（線度約10-7m），還可以沿着杯壁“爬”出杯口外。這是在我們日常生活中沒有碰到過的現象，只有在低溫世界纔會發生。在超高壓下，物質的原子就可能被“壓碎”，電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質密度極大，這就是超固態。一塊乒乓球大小的超固態物質，其質量至少在103t以上。已有充分的根據說明，質量較小的恆星發展到後期階段的白矮星就處於這種超固態。它的平均密度是水的幾萬到一億倍。在超固態物質上再加上巨大的壓力，原來已經壓得緊緊的原子核和電子，就不可能再緊了，這時候原子核解散，從裏面釋放出質子和中子。從原子核中放出的質子，在極大的壓力下會和電子結合成爲中子，這樣的狀態稱爲中子態。這種形態大部分存在於一種稱爲“中子星”的星體中，它是由大質量恆星晚年發生收縮而造成的，所以，中子星是小得可憐的、沒有生機的星球。實際上把物態劃分爲固態和液態不是很準確、很科學的。例如非晶體沒有確定的熔點，而是有一個從固態軟化爲液態的溫度範圍（稱爲軟化溫度）。當非晶體處在它的軟化溫度範圍內時，無法說出物質是處於固態還是液態。此外，膠體也是介於固態和液態之間的一種中間狀態。於是人們又把固態、

液態和介於兩者之間的各種狀態，以及只有在低溫下才存在的特殊量子態（如：超流態、玻色愛因斯坦凝聚），還包括稠密氣體的物態統稱爲物質的凝聚態。物質的氣態則專指稀薄氣體的物態。凝聚態和氣態的基本區別是：凝聚態物質中的粒子（原子、離子、分子）間存在相互作用；氣態物質分子間的相互作用非常小，近似地可以忽略不計。