诗意物理——带你领略物理学之美

本书采用人文知识与自然科学知识融合的方式，以专题的形式阐述物理学研究的不同方面。每个专题都从诗词中寻找对应的物理现象、物理规律和物理定律。各知识点的阐述不仅可以使读者理解其中蕴含的物理学道理，体会物理学的简洁和深刻之美，同时有助于培养客观看待世界的方式及科学创新精神和思维，提升读者的综合素养。本书方式新颖独特，视角创新，内容由浅入深，逻辑严密，并配有微视频全面讲解，旨在普及物理学教育，提升物理教学的艺术性。

本书采用人文知识与自然科学知识融合的方式阐述物理学研究的不同方面。每章都从诗词中寻找对应的物理现象、物理规律和物理定律，包括牛顿万有引力定律，爱因斯坦广义相对论，平方反比定律，能量守恒定律，机械波、电磁波、物质波、引力波，玻尔兹曼熵公式，麦克斯韦方程组，时间的相对性，黑洞，相对论，量子论，波的衍射，光的反射和折射，不确定原理等。各知识点的阐述不仅使读者理解其中蕴含的物理学道理，体会物理文化的简洁和深刻之美，同时有助于培养客观看待世界的方式及科学创新精神和思维，提升读者的综合素养。本书新颖独特，视角创新，内容由浅入深，逻辑严密，并配有微课视频全面讲解，旨在普及物理学教育，提升物理教学的艺术性。 本书可供大学教师和学生阅读，也可供中学生及对科学知识感兴趣的读者阅读。

无

1 物理学的研究范围 001～014
1.1　物理学的研究对象 003
1.2　物理学研究的空间尺度 003
1.3　物理学研究的时间尺度 006
1.4　物理学研究的速率尺度 006
1.5　宇宙中的物质分布 007
1.5.1　宇宙中物质分布的规律 007
1.5.2　力的平衡 007
1.5.3　黑洞区 009
1.5.4　量子区 010
1.6　地球的大小 011

2 月轮绕地之理 015～030
2.1　牛顿的万有引力定律 017
2.1.1　牛顿的思考 017
2.1.2　万有引力定律的推导 017
2.1.3　万有引力定律的验证 019
2.1.4　现代航空航天的基础 021
2.2　爱因斯坦的相对论 022
2.2.1　广义相对论问世的三部曲 023
2.2.2　广义相对论场方程的意义 024
2.2.3　广义相对论与牛顿万有引力理论的差别 025
2.2.4　现代天体物理学与宇宙探索的基础 025
2.2.5　广义相对论在全球定位系统（GPS）中的应用 027
2.3　宇宙中最大的未解之谜 029

3 精妙的平方反比定律 031～044
3.1　控制宇宙自然力的宏观力 033
3.2　万有引力定律 034
3.2.1　给地球称重 034
3.2.2　卡文迪许测量万有引力常数 035
3.2.3　最新的测量结果 036
3.2.4　认识万有引力 037
3.3　库仑定律 037
3.3.1　库仑实验 038
3.3.2　认识库仑定律 039
3.3.3　实验验证 040
3.4　精妙的数量级之差 040
3.5　物质世界精妙的设计 042

4 卓尔不凡的能量守恒定律 045～056
4.1　功 047
4.2　能（能量） 047
4.3　能量守恒定律的推导 049
4.4　能量守恒定律的卓尔不凡 050
4.4.1　康普顿效应 050
4.4.2　中微子的发现 052
4.4.3　水力发电 054
4.5　宇宙的法则之一 055

5 感受波动之美 057～074
5.1　机械波 058
5.2　电磁波 061
5.3　物质波 064
5.4　引力波 065
5.5　波动之美 069
5.5.1　驻波之美 069
5.5.2　奇妙的多普勒效应 071
5.6　体会物理学之美 073

6 玻尔兹曼熵公式的忧郁美 075～086
6.1　热力学第二定律 077
6.2　玻尔兹曼熵公式 078
6.3　熵增原理及应用 082
6.4　定律的忧郁美 084

7 麦克斯韦方程组的科学美 087～104
7.1　电磁学的产生与发展 088
7.1.1　定性研究 088
7.1.2　定量研究 089
7.2　麦克斯韦方程组 090
7.3　电磁波的性质 092
7.4　电磁波的实验验证 093
7.5　电磁波的应用 094
7.5.1　可见光 095
7.5.2　红外线 096
7.5.3　无线电波 096
7.5.4　紫外线 098
7.5.5　X射线 100
7.5.6　伽马射线 101
7.6　最伟大的方程 102
7.6.1　麦克斯韦方程组的伟大意义 102
7.6.2　科学美的典范 103

8 时间的相对性——小明的时间和小红的时间 105～120
8.1　什么是时间 107
8.2　相对性时空观诞生 108
8.2.1　绝对时空观 108
8.2.2　两个基本假设 109
8.3　小明的时间与小红的时间 109
8.3.1　同时性的相对性 109
8.3.2　时间量度的相对性 111
8.3.3　钟慢效应 113
8.3.4　时间的属性 114
8.4　验证 115
8.5　应用 117
8.5.1　古人朴素的相对论思想 117
8.5.2　全球定位与导航系统 118
8.6　相对的人生意义 119

9 黑洞的前世 121～132
9.1　宇宙中最神秘的天体 122
9.2　科学家的预言 123
9.3　恒星的演化 124
9.3.1　赫罗图 124
9.3.2　恒星为什么会发光发热 126
9.3.3　恒星演化的最终产物 127
9.3.4　三种恒星演化产物的对比 129
9.4　太阳的演化 131

10 黑洞的今生 133～146
10.1　广义相对论的建立 134
10.2　时空弯曲 138
10.3　广义相对论预言的黑洞 140
10.4　走进黑洞 141
10.5　黑洞的性质与观测 142

11 相对论诞生的前夜——山雨欲来风满楼 147～158
11.1　两朵乌云 148
11.2　“以太”的假定 149
11.3　科学史上最成功的失败 150
11.4　经典物理学的困难 152
11.5　头脑风暴——追光实验 153
11.6　新理论建立 155

12 量子论诞生的前夜——黑云压城城欲摧 159～174
12.1　另一朵乌云——黑体辐射实验 160
12.1.1　实验的历史背景 161
12.1.2　黑体 161
12.1.3　黑体辐射的实验规律 162
12.1.4　经典物理学的解释和困难 164
12.2　量子萌芽 165
12.3　发现电子 167
12.3.1　探索物质的微观结构 167
12.3.2　电子的发现与物质微观结构理论的提出 168
12.4　玻尔原子理论 169
12.4.1　定态假设 170
12.4.2　跃迁假设 170
12.4.3　量子化条件 171
12.5　男孩物理学 171

13 波的衍射——人未到声先到 175～188
13.1　波的衍射 176
13.1.1　惠更斯原理 177
13.1.2　菲涅耳原理 177
13.2　光波的衍射形式 178
13.2.1　狭缝衍射 179
13.2.2　圆孔衍射 180
13.2.3　圆盘衍射 180
13.2.4　边沿衍射 181
13.3　夫琅禾费单缝衍射 181
13.4　圆孔衍射与光学仪器的分辨本领 183
13.5　衍射的应用 185

14 光的反射和折射——眼见为虚的海市蜃楼 189～202
14.1　光的反射和折射 191
14.2　全反射 192
14.3　光的折射程度 192
14.4　光的折射的应用 194
14.4.1　光在水中的折射 194
14.4.2　海市蜃楼 194
14.4.3　虹与霓 196
14.4.4　星光闪烁 198
14.4.5　光导纤维 198
14.4.6　毛玻璃 200
14.4.7　灯泡 201

15 不确定原理——深情地活在不确定的世界里 203～215
15.1　两个问题 204
15.2　实验的迷茫 205
15.2.1　子弹实验 205
15.2.2　电子实验 206
15.2.3　跟踪电子实验 207
15.3　海森堡不确定原理 208
15.3.1　不确定性 208
15.3.2　海森堡不确定原理建立 209
15.3.3　揭开实验的迷茫 210
15.4　不确定原理的应用 211
15.4.1　核能 211
15.4.2　激光的特性 212
15.4.3　“墨子号”的科学目标 212
15.5　不确定的世界里自主的人生意义 214

参考文献216

物理学是自然科学的带头学科，研究对象大至宇宙，小至粒子，包含了一切物质的最基本运动形式和规律。同时物理学既是一门科学，又是一种文化，还是人类“思想和方法”的宝库，对人类的影响已广泛渗透到社会科学的方方面面。
物理学大师杨振宁在“美与物理学”演讲中提出，物理学存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美。物理学中包含的优美、简洁、对称的物理公式，科学思维的物理规律，物理学家研究问题的科学方式等，无疑都体现着这三种美，因此物理课是一门天然的自然科学类思政课程。
然而，理科的课程一直充满了逻辑推导和思维，内容难免枯燥，学习难免有压力，因此学习物理需要一种融会贯通的方式，使问题讲解变得生动而有趣，从而激发学习的兴趣和乐趣，同时，将自然科学与人文科学相结合，提高学生的综合素养，此为本书写作的初衷。
在中华文明的灿烂长河中，古诗词一直是文化百花园中的一块瑰宝，诗词的魅力在于任凭时光流逝，岁月更迭，浓厚的诗情依旧在熠熠生辉。古诗词中体现的物理现象、物理原理、物理规律，形象而生动优美的特点更容易吸引读者，给读者留下深刻记忆。中华文明的灿烂文化与自然科学相融合，自然而贴切，更好地诠释了物理学之美。
《庄子?天下》中的“判天地之美，析万物之理”，阐明了“物理”科学的本质。唐代诗人杜甫的名句“细推物理须行乐，何用浮名绊此身”，哲理性地讲明物理学的客观属性。诺贝尔奖获得者费曼说过：“我讲授的主要目的，不是帮助你们应付考试，也不是帮你们为工业或国防服务。我最希望做到的是，让你们欣赏这奇妙的世界以及物理学观察它的方法。”爱因斯坦也认为，科学家和艺术家都是以最适当的方式来画出一幅简化的和易于领悟的世界图像。本书通过介绍物理学的成就、物理学家的理性思维等，带领读者认识最完美的物理图像，学习最简洁的物理理论，领略人类智慧的光芒，诗意地生存在客观物质世界中。
笔者从事理工科“大学物理”课程教学三十余年，致力于教学实践和教学研究，带领“大学物理”教学团队获批国家一流本科课程和河南省高等学校课程思政教学团队。按照国家一流本科课程建设的要求，课程思政要与思政课程同向同行；按照党的二十大精神“三进”工作的要求，要着力推动中华优秀传统文化创造性转化、创新性发展，让书写在古籍里的文字都活起来，培养文化自信自强。本书结合古诗词中的物理学、物理学的最新进展等，以专题的形式阐述物理学研究的不同方面，注重培养科学精神与科学思维、人文与科学相结合的综合素养。
本书由巩晓阳著，河南科技大学杨文丰老师协助完成配套视频，同时其他老师和朋友也给予了很大帮助和支持，在此一并表示感谢。
因笔者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正！

巩晓阳
2024年1月于河南科技大学