科学效应和现象详解

10.4 科学效应和现象详解 E1. X射线（X-Rays）

波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。由德国物理学家W.K.伦琴与1895年发现，故又称伦琴射线。波长小于0.1埃的称超硬X 射线，在0.1~1埃范围内的称硬X射线，1~10埃范围内的称软X射线。

射线具有很强的穿透力，医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。长期受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和这种缺陷的重要手段。

E3. 安培力（Ampere's force）

它是指磁场对电流的作用力。一段通电直导线放在磁场中，通电导线所受力的大小和导线的长度（L）、导线中的电流强度（I）、磁感应强度（B）以及电流方向和磁场方向之间的夹角（θ）的正弦成正比。安培力（F）=KLIBsinθ。

E3. 巴克豪森效应（Barkhausen effect）

1919年，巴克豪森发现铁的磁化过程的不连续性，铁磁性物质在外场中磁化实质上是它的磁畴存在逐渐变化的过程，与外场同向的磁畴不断扩大，不同向的磁畴逐渐减小。在磁化曲线最陡区域，磁畴的移动会出现跃变，尤其硬磁材料更是如此。

当铁受到逐渐增强的磁场作用时，它的磁化强度不是平衡地而是以微小的跳跃的方式增大的。发生跳跃时，有噪声伴随着出现。如果

通过扩音器把它们放大，就会听到一连串的“咔嗒”声。这就是“巴克豪森效应”。后来，当人们认识到铁是由一系列小区域组成，而在每个小区域内，所有的微小原子磁体都是同向排列的，巴克豪森效应才最后的到说明。每个独立的小区域，都是一个很强的磁体，但由于各个磁畴的磁性彼此抵消，所以普通的铁显示不出磁性。但是当这些磁畴受到一个强磁场作用时，它们会同向排列起来，于是铁便成为磁体。在同向排列的过程中，相邻的两个磁畴彼此摩擦并发生振动，噪声就是这样产生的。只有所谓“铁磁物质”具有这种磁畴结构；也就是说，这些物质具有形成强磁体的能力，其中以铁表现的最为显著。

如一个铁磁棒在一个线圈子里，当线圈电流增加时，线圈磁场增大，此时铁中的磁力线开始会猛增，然后趋向饱和，这种现象也称为巴克豪森效应。

E4. 包辛格效应（Baushinger effect）

包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象，特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义。在理论上由于它是金属变形时长程内应力的度量（长程内应力的大小可用X光方法测量），包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。

包辛格逆效应分直接包辛格效应及包辛格逆效应。直接包辛格效应指拉伸后的钢材向压缩屈服强度小于纵向拉伸屈服强度；包辛格逆

效应在相反的方向产生相反的结果。

E5. 爆炸（explosion）

爆炸指一个化学反应能不断地自我加速而在瞬间完成，并伴随有光的发射，系统温度瞬时达极大值和气体的压力急骤变化，以致形成冲击波等现象。爆炸可通过化学反应、放电、激光束效应、核反应等方法获得。

爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及对爆炸的力学效应的利用和防护的学科。爆炸力学从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产的强冲击波、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。

爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科，在武器研制、交通运输和水利建设、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有广泛的应用。

E6. 标记物（markers）

在材料中引入标记质，可以简化混合物中包含成分的辨别工作，而且使有标记物的运动和过程的追踪更加容易。可当作标记物的物质类型有：铁磁物质、普通的和发光的油漆、有强烈气味的物质，等等。

E7. 表面（surface）

物体的表面：用面积和状态来描述物体的外表的性质或特性。表面状态确定了物体的大量特性和与其他物体交互作用时所呈现的本

性。

E8. 表面粗糙度(surface roughness)

零件表面无论加工得多么光滑，在放大镜或显微镜下进行观察，总会看到高低不平的状况,高起的部分称为峰，低凹的部分称为谷。加工表面上具有的较小间距峰谷所组成的微观几何形状特性称为“表面粗糙度”，又称表面光洁度。

表面粗糙度反映零件表面的光滑程度。零件各个表面的作用不同，所需的光滑程度也不一样。表面粗糙度是衡量零件质量的标准之一，对零件的配合、耐磨程度、抗疲劳强度、抗腐蚀性等及外观都有影响。

最常用的表面粗糙度参数是“轮廓算术平均偏差”记作Ra。 E9. 波的干涉(wave interference)

由2个或2个以上的波源发出的具有相同频率，相同振动方向和恒定的相位差的波在空间益加时，在益迭区的不同地方振动加强或减弱的现象，称为“波的干涉’。符合上列条件的波源叫做“相干波源”，它们发出的波叫做“相干波”。这是波的叠加中最简单的情况。

2相干波盈加后，在叠加区内每一位置有确定的振幅。在有的位置上，振幅等于2波分别引起的振动的振幅之和，这些位置的合振动最强，称为“相长干涉”;而有些位置的振幅等于2波分别引起的振动的振幅之差，这些位置上的合振动最弱，称为相消干涉。它是波的一个重要特性。在日常生活中最常见的是水波的干涉，利用电磁波的干涉，可作定向发射天线，利用光的干涉，可精确地进行长度测量等。

E10. 伯努利定律（Bernoulli's Law）

伯努利定律:理想液体作稳定流动时的能量守恒定律。在密封管道内流动的理想液体具有3种能量:压力能、动能和势能，它们可以互相转变，并且液体在管道内的任一处这3种能量总和是一定的。

由以上定律得出伯努利方程式:P?/r+v2/2g+h=恒定量 式中 P?/r-------压力能; v2/2g--------动能； h---------势能。 又由公式：

V=Q/A 式中 V-------流速； Q-------流量； A-------截面积。 A—截面积。

当流体的速度加快时，物体与流体接触的接口上的压力会减小，反之压力会增加。

E11. 超导热开关（superconducting beat switch）

超导热开关是一个用于低温(接近OK)下的装置，用于断开被冷却物体和冷源之间的连接。当工作温度远低于临界温度的时候，此装置充分发挥了超导体从常态到超导状态的转化过程中热导电率显著减少的特性(高达10000倍)。

热开关由一条连接样本和冷却器的细导线或钽丝组成(参见居里效应)。当电流通过缠绕线螺线管时会产生磁场，使超导性停止，让

热量通过导线，就相当于开关处于“打开”；当移开磁场的时候，超导性就得到恢复，电线的热阻快速增加；换句话说，相当于开关处子“关闭”。

E12. 超导性（conductivity）

超导体是指在温度和磁场都小于一定数值的条件下，许多导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的物体叫做“超导体”。1911年荷兰物理学家卡曼林一昂尼斯（1853—1926）首先发现汞在4.173K以下失去电阻的现象，并初次称之为“超导性”。现已知道，许多金属（如锢、锡、铝、铅、钽、铌等）、合金（如铌一锆、铌一钛等）和化合物（如Nb ?S n、N b ? A l等）都是可具有超导性的材料。物体从正常态过渡到超导态是一种相变，发生相变时的温度称为此超导体的“转变温度”（或“临界温度”）。现有的材料仅在很低的温度环境下才具有超导性，其中以Nb ?Ge薄膜的转变温度最高（23.2K）。1933年迈斯纳和奥森费耳德又共同发现金属处在超导态时其体内磁感应强度为零，即能把原来在其体内的磁场排挤出去，这个现象称之为迈斯纳效应。当磁场达到一定强度时，超导性就将破坏，这个磁场限值称为“临界磁场”。目前所发现的超导体有2类。第1类只有一个临界磁场（约几百高斯）；第2类超导体有下临界磁场（Hc ?）和上临界磁场（Hc ? ）。当外磁场达到Hc ?时，第2类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc ?时，其体内的混合状态消失而转化为正常导体。现在已制备上临界磁场很高的超导材料（如Nb ? Sn的Hc ?达22特斯拉，Nb ? Al 0.75 Ge0.25

的Hc2达30特斯拉），用以制造产生强磁场的超导磁体。超导体的应用目前正逐步发展为先进技术，用在加速器、发电机、电缆、贮能器和交通运输设备直到计算机方面。1962年发现了超导隧道效应即约瑟夫逊效应，并已用于制造高精度的磁强计、电压标准、微波探测器等。近年来，中国、美国、日本在提高超导材料的转变温度上都取得了很大的进展。1987年研制出YBCuO体材料转变温度达到90~100K，零电阻温度达78K，也就是说过去必须在昂贵的液氦温度下才能获得超导性，而现在已能在廉价的液氮温度下获得。1988年又研制出CaSrBiCuO体和CaSrTlCuO体，使转变温度提高到114~115K。近二三年来，超导方面的工作正在突飞猛进。

高温超导:从超导现象发现之后，科学家一直寻求在较高温度下具有超导电性的材料，然而到1985年所能达到的最高超导临界温度也不过23K，所用材料是Nb3Ge。1986年4月美国IBM公司的缪勒（K.A . Mullex)和柏诺兹（J.G.BednorZ)博士宣布钡钢铜氧化物在35K时出现超导现象。1987年超导材料的研究出现了划时代的进展。先是年初华裔美籍科学家朱经武、吴茂昆宣布制成了转变温度为98K的钇钡铜氧超导材料。其后在1987年2月4日中科院的新闻发布会上宜布，物理所赵忠贤、陈立泉等13位科技人员制成了主要成分为钡、钇、钢、氧4种元素的钡基氧化物超导材料，其零电阻的温度为78.5K。几乎同一时期，日、苏等科学家也获得了类似的成功。这样，科学家们就获得了液氮温区的超导体，从而把人们认为到2000年才能实现的目标大大提前了。这一突破性的成果可能带来许多学科领域

的革命，它将对电子工业和仪器设备发生重大影响，并为实现电能超导输送、数字电子学革命、大功率电磁铁和新一代粒子加速器的制造等提供实际的可能。目前，中、美、日、俄等国家都正在大力开发高温超导体的研究工作。

光电导性:假设在辐射作用下，由于吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为Δn及Δp，则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为：

σ=e[(n0+Δn) μn+（p0+Δp）μp5] =e（n0un+p0up）+e(Δnun+Δpup) =σ0+Δσ

光电管：一种可以把光信号转变为电信号的器件。其应用在光电自动控制、有声电影还声、光纤通信等。

E13. 磁场（magnetic field）

在永磁体或电流周围所发生的力场，即凡是磁力所能达到的空间，或磁力作用的范围，叫做磁场；所以严格说来，磁场是没有一定界限的，只有强弱之分。与任何力场一样，磁场是能量的一种形式，它将一个物体的作用传递给另一个物体。磁场的存在表现在它的各个不同的作用中，最容易观察的是对场内所放置磁针的作用，力作用与磁针，使该针向一定方向旋转。自由旋转磁针在某一地方所处的方位表示磁场在该处的方向，即每一点的磁场方向都是朝着磁针的北极端所指的方向。如果我们想象有许许多多的小磁针，则这些小磁针将沿磁力线而排列，所谓的磁力线是在每一点的方向都与此点的磁场方向相同。

磁力线始于北极而终于南极，磁力线在磁极附近较密，故磁极附近的磁场最强。磁场的第2个作用便是对运动中的电荷所产生的力，此力恒与电荷的运动方向相垂直，与电荷的电量成正比。

磁场强度：表示磁场强弱的方向和矢量。由于磁场是电流或运动电荷引起的，而磁介质在磁场中发生的磁化对磁场也有影响。

磁力线：描述磁场分布情况的曲线。这些曲线上各点的切线方向。就是该点的磁场方向。曲线越密的地方表示磁场强，曲线稀的地方表示磁场弱。磁力线永远是闭合的曲线，永磁体的磁力线，可以认为是由N极开始，终止于S极。实际上永磁体的磁性起源于电子和原子核的运动，与电流的磁场没有本质上的区别，磁极只是一个抽象的概念，在考虑到永磁体内部的磁场时，磁力线仍然是闭合的。

E14. 磁弹性（magnetostriction）

磁弹性效应是指当弹性应力作用于铁磁材料时，铁磁体不但会产生弹性应变，还会产生磁致伸缩性质的应变，从而引起磁畴壁的位移，改变其自发磁化的方向。

E15. 磁力（magnetic force）

磁力是指磁场对电流、运动电荷和磁体的作用力。电流在磁场中所受的力由安培定律确定。运动电荷在磁场中所受的力就是洛伦磁力。但实际上磁体的磁性由分子电流所引起，所以磁极所受的磁力归根结底仍是磁场对电流的作用力。这时磁力作用的本质。

E16. 磁性材料（magnetic materials）

任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度

不同。根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为3类：顺磁性物质、抗磁性物质，铁磁性物质。

根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大。这反映了分子电流假说的局限性。实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因。

我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料是指强磁性物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可以分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去掉磁性的物质叫做硬磁性材料。一般来讲软磁材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。

磁性材料按化学成分分，常见的有2大类：金属磁性材料和铁氧体。铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。软磁性材料的剩磁弱，而且容易去磁。适用于需要反复磁化的场合，可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件，以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等。常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体。硬磁性材料的剩磁强，而且不易退磁，适合制成永磁铁，应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中。常见的金属磁性材料有碳钢、钨钢等，常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锯铁氧体。

E17.磁性液体（magnetic liquid）

磁性液体又称磁流体、铁磁流体或磁液，是由强磁性粒子、基液

近的反射率为50%，而对红外光的反射率可达96%以上。此外，反射率还与反射材料周围的介质及光的入射角有关。上面谈及的均是指光在各材料与空气分界面上的反射率，并限于正入射的情况。

E42. 放电（discharge）

气体放电:气体导电的现象，又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线)等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。在气体电离的同时，还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。这3个过程中，电离、复合二者与外电场无关，后者则与外电场有关。随着外电场的增强，离子定向速度加大，复合逐渐减少以致不起作用，因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上，于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。

当电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加，即使撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或点燃，相应的电压叫做击穿电压。撤去电离剂后，仍有许多带电粒子参与导电。首先，正负离子特别是电子在电场中已获得相当动能，它们与中性分子碰撞使之电离，这种过程连锁式地发展下去，形成簇射，产生大量 带电粒子。其次，获得较大动能的正离子轰击阴极产生二次电子发射。

此外，当气体中电流密度很大时，阴极会因温度升高产生热电子发射。

气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多因素有关，而且往往有发声、发光等现象伴随发生。自持放电因条件不同，而采取不同的形式。如辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电。

E43. 放射现象（radioactivity）

1896年，法国物理学家贝克勒耳发现铀及含铀矿物能发出某种看不见的射线，它可穿透黑纸使照相底片感光。在贝克勒耳工作的启发下，居里夫妇发现放射性更强的元素镭和钋。1903年，居里夫妇和贝克勒耳同获诺贝尔奖金。

放射性:物体向外发射某种看不见的射线的性质叫放射性。 放射性元素:具有放射性的元素。原子序数为82的铅后的许多元素都具有放射性，少数位于铅之前的元素也具有放射性。

α射线:是速度约为光速1/10的氦核流。其电离本领大，穿透力小。

β射线;是速度接近光速的高速电子流。其电离本领较小，穿透力较大。

γ射线:是波长极短的光子流。其电离作用小，具有极强的穿透能力。

α，β，γ射线带来了核内信息，揭示了原子核内部还应有更基本的结构。

天然存在的放射性同位素能自发放出射线的特性，称为“天然放

射性”。而通过核反应，由人工制造出来的放射性，称为“工人放射性”。

E44. 浮力（buoyancy）

漂浮于流体表面或浸没于流体之中的物体，受到各方向流体静压力的向上合力。其大小等于被物体排开流体的重力。例如石块的重力大于其同体积水的重量，则下沉到水底。木料或船体的重力等于其浸人水中部分所排开的水重，所以浮于水面。气球的重量比它同体积空气的重力小，即浮力大于重力，所以会上升。这种浸在水中或空气中，受到水或空气将物体向上托的力叫“浮力”。例如，从井里提一桶水，在未离开水面之前比离开水面之后要轻些，这是因为桶受到水的浮力。不仅是水，例如酒精、煤油或水银等所有的液体，对浸在它里面的物体都有浮力。

浸在液体(或气体)里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体(或气体)的重力。这就是著名的“阿基米德定律”。该定律是公元前200年以前阿基米德所发现的，又称阿基米德原理。

气体的浮力

气体与液体一样，对浸在其中的物体也具有浮力的作用。实验证明，阿基米德原理对气体同样适用，即:浸在气体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于被物体排开的气体受到的重力的大小。

E45. 感光材料（photosensitive material）

感光材料是指一种具有光敏特性的半导体材料，因此又称之为光导材料或是光敏半导体。它的特点就是在无光的状态下呈绝缘性，在

有光的状态下呈导电性。复印机的工作原理正是利用了这种特性。

E46. 耿氏效应（Gunn effect）

n型砷化镓两端电极上加以电压。当电压高到某一值时，半导体电流便以很高频率振荡，这个效应称为耿氏效应。

耿氏效应与半导体的能带结构有关:砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心，在布里渊区边界L处还有一个能谷2，它比能谷1高出0.29 eV。当温度不太高时，电场不太强时，导带电子大部分位于能谷1。能谷1曲率大，电子有效质量小。能谷2曲率小，电子有效质量大（m1*=0.067m0，m2*=0.55m0）。由于能谷2有效质量大，所以能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小，即u2＜u1。当电场很弱时，电子位于能谷1，平均漂移速度为当电场很强时u1E。电子从电场获得较大能量由能谷1跃迁到能谷2，平均漂移速度为u2E，由于u2＜u1,所以在速场特性上表现为不同的变化速率(实际上u2和u1是速场特性的两个斜率。即低电场时dνd /dE= u1，高电场时dνd /dE= u2。在迁移率由u1变化到u2的过程中经过一个负阻区。在负阻区，迁移率为负值。这一特性也称为负阻效应。其意义是随着电场强度增大而电流密度减小。

E47. 共振（resonance）

共振:在物体做受迫振动的过程中，当驱动力的频率与物体的固有频率接近或相等时，物体的振幅增大的现象叫做共振。

固有频率:它是系统本身所具有的一种振动性质。当系统作固有振动时，它的振动频率就是“固有频率”。一个力学体系的固有频率

由系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定。

在许多情况下要利用共振现象，例如，收音机的调谐就是利用共振来接收某一频率的电台广播，又如弦乐器的琴身和琴筒，就是用来增强声音的共鸣器。但在不少情况下要防止共振的发生，例如，机器在运转中可能会因共振而降低精密度。20世纪中叶，法国昂热市附近一座长102米的桥，因一队士兵在桥上齐步走的步伐周期与桥的固有周期相近，引起桥梁共振，振幅超过桥身的安全限度，而造成桥塌人亡事故(死亡226人)。

E48. 固体（的场致发光、电致）发光（electroluminescence of solids）

固体吸收外界能量后部分能量以发光形式发射出来的现象。外界能量可来源于电磁波(可见光、紫外线、χ 射线和，γ 射线等)或带电粒子束，也可来自电场、机械作用或化学反应。当外界激发源的作用停止后，固体发光仍能维持一段时间，称为余辉。历史上曾根据发光持续时间的长短把固体发光区分为荧光和磷光两种，发光持续时间小于10-8秒的称荧光，大于10-8秒的称磷光，相应的发光体分别称为荧光 体和磷光体。

固体发光的种类根据激发方式的不同，固体发光主要分为如下几种：

光致发光:发光材料在可见光、紫外线或χ射线照射下产生的发光。发光波长比所吸收的光波波长要长。这种发光材料常用来使看不

见的紫外线或χ射线转变为可见光，例如日光灯管内壁的荧光物质把紫外线转换为可见光，对χ射线或γ射线也常借助于荧光物质进行探测。另一种具有电子陷阱(由杂质或缺陷形成的类似亚稳态的能级，位于禁带上方)的发光材料在被激发后，只有在受热或红外线照射下才能发光，可利用来制造红外探测仪。

场致发光:又称电致发光，是利用直流或交流电场能量来激发发光。场致发光实际上包括几种不同类型的电子过程，一种是物质中的电子从外电场吸收能量，与晶格相碰时使晶格离化，产生电子一空穴对，复合时产生辐射;也可以是外电场使发光中心激发，回到基态时发光，这种发光称为本征场致发光。还有一种类型是在半导体的P结上加正向电压，P区中的空穴和N区中的电子分别向对方区域注人后成为少数载流子，复合时产生光辐射，此称为载流子注人发光，亦称结型场致发光。用电磁辐射调制场致发光称为光控场致发光。把ZnS,Mn，Cl等发光材料制成薄膜，加直流或交流电场，再用紫外线或χ射线照射时可产生显著的光放大。利用场致发光现象可提供特殊照明、制造发光管、用来实现光放大和储存影像等。

阴极射线致发光：以电子束使磷光物质激发发光，普遍用于示波管和显像管，前者用来显示交流电波形，后者用来显示影像。

E49. 惯性力（inertial force）

牛顿运动定律只适用于惯性系。在非惯性系中，为使牛顿运动定律仍然有效，常引人一个假想的力，用以解释物体在非惯性系中的运动。这个由于物体的惯性而引入的假想力称为“惯性力”。它是物体

的惯性在非惯性系中的一种表现，并不反映物体间的相互作用。它也不服从牛顿第三定律，于是惯性力没有施力物，也没有反作用力。例如，前进的汽车突然刹车时，车内乘客就感觉到自己受到一个向前的力，使自己向前倾倒，这个力就是惯性力。又如，汽车在转弯时，乘客也会感到有一个使他离开弯道中心的力，这个力即称“惯性离心力”。

E50. 光谱（radiation spectrum）

复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。例如，太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色，相应于波长由7700～3900埃的区域，是为人眼能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光，紫端之外则为波长更短的紫外光，都不能为肉眼所觉察，但能用仪器记录。因此，按波长区域不同，光谱可分为红外光谱，可见光谱和紫外光谱；按产生的本质不同，可分为原子光谱、分子光谱；按产生的方式不同，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱：按光谱表观形态不同，可分为线光谱、带光谱和连续光谱。光谱的研究已成为一门专门的学科，即光谱学。光谱学是研究原子和分子结构的重要学科。

E51. 光生伏打效应（photovoltaic effect）

1893年，法国物理学家A. E.贝克勒尔意外地发现，用2片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。

1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。

后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。

由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳能电池又称光电池、光生伏打电池，是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。现主要有硅、硫化锡、砷化稼太阳能电池。

随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电源且有光照的场合。目前，光伏发电主要用于3大方面：（1）是为无电场合提供电源;(2)是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；(3)是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。

E52. 混合物分离（separation of mixtures）

波的折射:波在传播过程中，由一种媒质进入另一种媒质时，传播方向发生偏折的现象，称波的折射。在同类媒质中，由于媒质本身不均匀，亦会使波的传播方向改变。此种现象也叫波的折射。

透射系数(传递系数)：对于两个空间中间的界面隔层来说，当声波从一空间入射到界面上时，声波激发隔层的振动，以振动向另二面空间辐射声波，此为透射声。通过一定面积的透射声波能量与入射声波能量之比称透射系数。对于开启的窗户，透射系数可近似为1。

E53. 火花放电（spark discharge）

在电势差较高的正负带电区域之间，发出闪光并发出声响的短时间气体放电现象。在放电空间内，气体分子发生电离，气体迅速而剧烈发热，发出闪光和声响。例如，当2个带电导体互相靠近到一定距离时，就会在其间发生火花和声响(它们的电势差愈大，则这种现象

愈显著)，结果2个导体所带的电荷几乎全部消失。实质上分立的异性电聚积至足够量时，电荷突破它们之间的绝缘体而中和的现象就是放电。而中和时发生火花的就叫“火花放电”。在阴雨天气，带电的云接近地面，由于感应作用，在云和地之间发生火花放电即为“落雷”。由于它们之间电势差非常之大，所以这种放电的危害特别大，它可以破坏建筑物，打死人和牲畜。高大建筑物均装有避雷针就是为了对落雷的防范。在日常生活中，我们往往看到运送汽油的汽车，在它的尾部，总是有一根铁链在地上拖着走。这根铁链不是多余的而是起着很重要的作用。运汽油的车中装载的是汽油，汽车在开动的时候，里面装着汽油也不停地晃动，晃动的结果，会使汽油跟油槽的壁发生碰撞和摩擦，这样就会使油槽带电。因为汽车的轮胎是橡胶，是绝缘体，油槽里发生的电荷不可能通过轮胎传到地下，这样电荷就会积聚起来，甚至有时会发生电火花。遇到火花，汽油很容易发生爆炸。为了防止这一危险，采用拖在汽车后面的铁链来作导电工具，使产生的电荷不能积聚。

E54. 霍耳效应（Hall effect）

通有电流的金属或半导体放置在与电流方向垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场方向上的两个侧面间产生电势差的现象，1879年由E.H霍耳首先发现。

霍耳效应可用载流子受洛伦兹力作用来解释。当载流子带正电时，所受洛伦兹力(f)使正电荷向A面偏转，造成A、A，两面上的电荷积累，从而形成电势差，在体内产生一横向电场(E)，称霍耳电场。若

载流子带负电，则霍耳电场反向。当载流子

所受的霍耳电场力与洛伦兹力达到平衡时，载流子不再偏转，霍耳电场具有恒定的值。霍耳电场（E）与电流密度(J)和磁感应强度(B)的乘积成正比，即E=RJB，比例系数R称为霍耳系数。当只有一种载流子时，霍耳系数的大小与载流子的浓度成反比，其正负决定于载流子是带正电还是带负电。金属中的载流子是带负电的电子，霍耳系数一般为负值（也有例外，需用能带理论解释）。N型半导体和P型半导体的载流子分别是电子和带正电的空穴(见半导体)，所以霍耳系数分别为负值和正值。半导体中载流子的浓度与温度有明显的依赖关系，故其霍耳系数与温度有关。因半导体中的载流子浓度比金属中自由电子的浓度低，故半导体的霍耳系数比金属的要大，霍耳效应也比金属要明显得多。电子（或空穴）的实际速度有一定分布，速度较小的电子所受洛伦兹力小于横向电场力，速度较大的电子则相反，它们都要产生偏转，这等效于电阻增大，这种由于存在磁场而使电阻增加的现象称为磁阻效应。20世纪80年代发现，在强磁场作用下，随着磁场的变化，半导体结的霍耳系数作阶梯式变化，即式中n为整数或有理分数，h为普朗克常数，e为电子电量，此现象称为量子霍耳效应。 霍耳效应常用来鉴定半导体的导电类型，用半导体材料制成的霍耳元件已应用于许多技术领域，如测定磁场、电流强度和电功率；把直流电流转换成交流电流或对电流进行调制；把各种物理量转换成电流信号后进行运算，等等。

利用霍耳效应制成的霍耳器件，如磁强计、安培计、瓦特计、磁

罗盘等，可以测量各种物理量，如已知试件尺寸、磁场强度和电流，测量霍耳电动势即可求得试件的载流子浓度，简单迅速。利用霍耳效应还可测量磁场强度、几千安培以上的大电流，制作使信号沿单一方向传输的旋转器、单向器和环行器等。制造霍耳器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。用硅外延或离子注入方法 制作的薄膜霍耳器件可以和集成电路工艺相容。将霍耳器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上，可缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压，便于大量生产。

E55. 霍普金森效应（Hopkinson effect）

霍普金森效应是由霍普金森于1889年发现的。霍普金森效应可在铁和镍的单晶、多晶样本中观察到，也可在很多铁磁合金中观察到。

霍普金森效应由以下3点组成:

l)将铁磁物质放人弱磁场，导磁性会在居里点附近出现急剧增大； 2)导磁率对温度的最大依赖关系，是由于处于居里点附近的铁磁物质的磁各向异性的戏剧性减少而导致的；

3)在居里点附近，因为铁磁物质自然磁化的消失，将使导磁性减小。

E56. 加热（heating）

增加物体温度的过程称为加热，也就是将能量转化为物体或物体系统的热的形式。

E57. 焦耳-楞次定律（Joule-Ienz Law）

1840年，焦耳把环形线圈放人装水的试管内，测量不同电流强

度和电阻时的水温。通过这一实验，他发现:导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。同年12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律，该定律也称为焦耳-楞次定律。

E58. 焦耳-汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）

气体经过绝热节流过程后温度发生变化的现象，称为“焦耳-汤姆逊效应”。当气流达到稳定状态时，实验指出，对于一切临界温度不太低的气体(如氮、氧、空气等)，经节流膨胀后温度都要降低；而对于临界温度很低的气体(如氢)经节流膨胀后温度反而会升高。气体经过节流膨胀过程而发生温度改变的现象，称为焦耳-汤姆逊效应。在通常温度下，许多气体都可以通过节流膨胀过程使温度降低，冷却而成为液体。工业上就利用这种效应制备液化气体。

正焦耳-汤姆逊效应：在焦耳-汤姆逊系数α>0时，气体通过节流，凡膨胀后温度降低者，称“正焦耳-汤姆逊效应”，亦称致冷效应。

负焦耳一汤姆逊效应:在焦耳-汤姆逊系数α

E59. 金属覆层润滑剂（Metal-cladding lubricants） 金属有机化合物中的金属会在高温下获得释放。金属覆层滑润剂中含有金属有机化合物，这种润滑剂是依靠零件间的摩擦力来进行加热的，然后，金属有机化合物将产生分解，释放出金属，释放的金属会填充到零件表面的不平整部位，以此来减少零件间的摩擦力。

E60. 居里效应（Curie effect）

比埃尔·居里(1859-1906年)法国物理学家。早期的主要贡献为确定磁性物质的转变温度(居里点)，对于铁磁物质来说，由于有磁畴的存在，因此在外加的交变磁场的作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度，由于金属点阵中的热运动的加剧，磁畴遭到破坏时，铁磁物质将转变为顺磁物质，磁滞现象消失，铁磁物质这一转变温度称为居里点温度。

0

不同的铁磁质，居里点不同。铁的居里点为7690C ；钻是1131 C；

镍的居里点较低，为3580C。锰锌铁氧体的居里点只有215 0C，比较低，磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化，除正常温度25℃而外，还要给出60 0C ，80 0C 100 0C时的各种参数数据。因此，锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下，也就是环境温度为

00

4O℃时，温升必须低于60 C。钴基非晶合金的居里点为205 C,也低，

使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370 0C，可以在150 0C～1800C以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为4600℃至4800C，可以在200℃～250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600℃，取向硅钢居里点为730℃，可以在300℃～400℃下使用。

E91. 液/气体的压力（pressure force of liquid/gas）

液体的压力：液体受到重力作用，而向下流动，因受容器壁及底的阻止，故器壁及底受到液体压力的作用。液体因为重力的作用和它的流动特性，当液体静止时液体内以及其接触面上各点所受的压力，都遵守下列各条规律：

l)静止液体的压力必定与接触面垂直；

2)静止液体内同一水平面上各点，所受压强完全相等； 3)肺止液体内某一点的压强，对任何方向都相等；

4)静止液体内上下2点的压强差，等于以2点间的垂直距离为高度，单位面积为底的液柱重。

地球表面覆盖有一层厚厚的由空气组成的大气层。在大气层中的物体，都要受到空气分子撞击产生的压力，这个压力称为大气压力。也可以认为，大气压力是大气层中的物体受大气层自身重力产生的作用于物体上的压力。

E92. 液体动力（hydrodynamic force）

流体力学：研究流体的运动规律以及流体与流体中物体之间的相互作用。在流体力学中一般不考虑流体的分子、原子结构而把它看做连续介质。它处理流体的压强、速度及加速度等问题，包括流体的形变、压缩及膨胀。因此流体力学也是以牛顿运动三定律为基础的，并遵循质量守恒，能量守恒和功能原理等力学规律。流体力学又分为流体静力学和流体动力学。

流体静力学：流体处于不流动的静止状态，称为流体处于平衡状

态。研究流体静止条件及关于物体在流动中受力情况的力学称为“流体静力学”。其研究的主要内容有：密度、压强、液体内部压强、大气压强、帕斯卡定律、浮力及阿基米德定律等。

流体动力学：研究运动流体的宏观状态和规律的学科。主要研究对象包括流体的速度、压强、密度等的变化规律，粘滞流体的运动规律及粘滞流体中运动物体所受的阻力，以及其他热力学性质。

E93. 液体和气体压强（liquid or gas pressure）

由于液体有重量，因此在液体的内部就存在由液体本身的重量而引起的压强，这个压强等于液体单位体积的质量和液体所在处的深度的乘积，即P=ρgh（式中g=9.8牛顿/千克）。由公式知，液体内部的压强与深度有关，深度增加，压强亦随着增加。

因为液体具有流动性，所以液体内部的压强又表现出另外一些特点：液体对容器的底部和侧壁都有压强的作用，而且压强一定与底面或侧壁垂直；液体内部的压强是向各个方向的，而且在同一深度的地方向各个方向的压强都相等。在解决问题时应注意下列几点：

1）液体内部某处的深度(h)，应当取该处至液面的垂直距离，它与容器的形状无关。

2）深度与高度是有区别的，深度是从液面向下至某一点的垂直距离，而高度是从容器或液体的底部起向上到液面的竖直高度。

3）液体内部某处至液面之间有几层密度不同的液体，则该处的压强等子几层液体各自产生的压强之和。在考虑大气压的情况下，还应当加上液面上受到的大气压强。

4）连通器中的液体在平衡时左管中液体的压强一定与右管中液体的压强相等。

大气压强：由于从地球表面延伸至高空的空气重量，使地球表面附近的物体单位面积上所受的力称为“大气压强”。大气压强的测量通常以水银气压计的水银柱的高来表示。地面上标准大气压约等于76厘米高水银柱产生的压强。由于测量地区等条件的影响，所测数值不同。根据液体压强的公式P=ρgh，水银的密度是13.6×103千克/米3，因此76厘米高水银柱产生的压强是P=13.6×103千克/米3×9.8牛顿/千克×0.76=1.013×105牛顿/米2=1.013×105帕斯卡。

E94. 一级相变（phase transition-type Ⅰ）

相变：（物态变化）不同相之间的相互转变，称为“相变”或称“物态变化”。自然界中存在的各种各样的物质，绝大多数都是以固、液、气3种聚集态存在着。为了描述物质的不同聚集态，而用“相”来表示物质的固、液、气3种形态的“相貌”。从广义上来说，所谓相，指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分，它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。例如，在由水和冰组成的系统中，冰是一个相，水是另一个相。α铁、β铁、γ铁和δ铁是铁晶体的4个相。不同相之间相互转变一般包括2类，即一级相变和二级相变。相变总是在一定的压强和一定的温度下发生的。相变是很普遍的物理过程，它广泛涉及到生产及科技工作。在物质形态的互相转换过程中必然要有热量的吸入或放出。物质3种状态的主要区别在于它们分子间的距离，分子间相互作用力的大小，和热运动的方式不同。因此在

适当的条件下，物体能从一种状态转变为另一种状态，其转换过程是从量变到质变。例如，物质从固态转变为液态的过程中，固态物质不断吸收热量，温度逐渐升高，这是量变的过程；当温度升高到一定程度，即达到熔点时，再继续供给热量，固态就开始向液态转变，这时就发生了质的变化。虽然继续供热，但温度并不升高，而是固液并存，直至完全熔解。

在发生相变时，有休积的变化同时有热量的吸收或释放，这类相变即称为“一级相变”。例如，在1个大气压0℃的情况下，1千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收334.32焦耳的热量，与此同时体积亦收缩。所以，冰与水之间的转换属一级相变。

E95. 永久磁铁（permanent magnets）

磁铁：磁铁不是人发明的，有天然的磁铁矿，至于成分那就是铁、钴、镍等。其原子结构特殊，原子本身具有磁矩。一般的这些矿物分子排列混乱，磁区互相影响就显不出磁性，但是在外力（如磁场）导引下分子排列方向趋向一致，就显出磁性，也就是俗称的磁铁。铁、钴、镍是最常用的磁性物质，基本上磁铁分永久磁铁与软铁，永久磁铁是加上强磁使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方向排列；软磁则是加上电流（也是一种加上磁力的方法），等电流去掉，软铁会慢慢失去磁性。磁铁只是一个通称，是泛指具有磁性的东西，实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性，只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性。一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素（例如碳）来使磁性稳定下来，但是这样会使电子的自由性降低而不

易导电，所以电流通过的时候灯泡亮不起来。铁是常见的带磁性元素，但是许多其他元素具有更强的磁性，像强力磁铁很多就是铷铁硼混合而成的。

抗磁力（矫顽力）：矫顽力是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。

E96. 约翰逊-拉别克效应（Johnson-Ranbec effect）

1920年，约翰逊和拉别克发现，抛光镜面的弱导电物质(玛瑙，石板，等)的平板，会被一对连接着200伏电源的、邻接的金属板稳固地拿住。而在断电情况下，金属板可以很轻易地移开。

对此现象的解释如下：金属和弱导电物质，两者是通过少数的几个点相互接触的，这就导致了过渡区中的大电阻系数、金属板间接触的弱导电物质与金属板自己本身的小电阻系数（由于大的横截面），所以，在金属和物质间的如此狭小的一个转换空间内，存在着电场，将会发生巨大的压降，由于金属和物质之间(大约1nm)的微小距离，此空间就产生了很高的电位差。

E97. 折射（refraction）

波的折射：波在传播过程中，由一种媒质进入另一种媒质时，传播方向发生偏折的现象，称波的折射。在同类媒质中，由于媒质本身不均匀，亦会使波的传播方向改变。此种现象也叫波的折射。

绝对折射率：任何介质相对于真空的折射率，称为该介质的绝对折射率，简称折射率（index of refraction）。对于一般光学玻璃，可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。

E98. 振动（vibration）

振动：是一种很常见的运动形式。在力学中，指一个物体在某一位置附近做周期性的往复运动，常叫机械振动，也称振荡。一个物理量在某一恒定值附近往复变化的过程也称振动，如交流电电压、电流随时间的变化。

机械振动：物体在某一位置附近来回往复地运动，称为“机械振动”。例如，弹簧振子、摆轮、音叉、琴弦以及蒸汽机活塞的往复运动等等。凡有摇摆、晃动、打击、发声的地方都存在机械振动。振动是自然界最常见的一种运动形式，波动是振动的传播过程。振动远不止于机械运动范围，热运动、电磁运动中相应物理量的往复变化也是一种振动。产生振动的必要条件之一是物体离开平衡位置就会受到回复力的作用;另一条件是阻力要足够小。当然物体只有惯性，而物体的惯性使物体经过平衡位置时不会立即静止下来，每经过一定时间后，振动体总是回复到原来的状态(或位置)的振动称为周期性振动。不具有上述周期性规律的振动称为非周期性振动。

E99. 驻波（standing waves）

在同一媒质里，2个频率相同、振幅相等、振动方向相同、沿相反方向传播的波叠加而成的波叫“驻波”。驻波是波的一种干涉现象，在声学和光学中都有重要的应用。

E100. 驻极体（electrets）

将电介质放在电场中就会被极化。许多电介质的极化是与外电场同时存在同时消失的。也有一些电介质，受强外电场作用后其极化现

象不随外电场去除而完全消失，出现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。这种在强外电场等因素作用下，极化并能“水久”保持极化状态的电介质，称为驻极体。

驻极体具有体电荷特性，即它的电荷不同于摩擦起电，既出现在驻极体表面，也存在于其内部。若把驻极体表面去掉一层，新表面仍有电荷存在；若把它切成两半，就成为2块驻极体。这一点可与永久磁体相类比，因此驻极体又称永电体。

驻极体的发现不是太晚，但至今对它的研究仍不够深入，它的生成理论也不完善，应用也只是开始。虽然如此，驻极体已逐渐显示出它作为一种电子材料的潜力。

驻极体可以提供一个稳定的电压，因此是一个很好的直流电压源。这在制造电子器件和电工测量仪表等方面是大有用处的。高分子聚合物驻极体的发现和使用，是电声换能材料一次巨大变革，利用它可以制成质量很高、具有很多优点的电声器件。另外还可制成电机、高压发生器、引爆装里、空气过滤器，以及电话拨号盘、逻辑电路中的寻址选择开关、声全息照相用换能器等。随着对驻极体研究的深人和新材料的连续发现，它会像永磁体一样，被广泛应用。

能制成驻极体的有天然蜡、树脂、松香、磁化物、某些陶瓷、有机玻璃及许多高分子聚合物(例如K-1聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酯)等。根据驻极体极化时所采用的物理方法，有热驻极体、光驻极体、电驻极体和磁驻极体等之分。

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