正文 第3節 新生的學科(3 / 3)

從振幅上看,有振幅足夠小的一般聲學,也可稱為“線性(化)聲學”,有大振幅的“非線性聲學”。

從傳聲的媒質上看,有以空氣為媒質的“空氣聲學”;還有“大氣聲學”,它與空氣聲學不同的是,它主要研究大範圍內開闊大氣中的聲現象;有以海水和地殼為媒質的“水聲學”和“地聲學”;在物質第四態的等離子體中,同樣存在聲現象,為此,一門尚未成型的新分支“等離子體聲學”正應運而生。

從聲與其他運動形式的關係來看,還有“電聲學”等等。

聲學的分支雖然很多,但它們都是研究聲波的產生、傳播、接收和效應的,這是它們的共性。隻不過是與不同的領域相結合,研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質,適用於不同的範圍,這就是它們的特殊性。

熱學

熱學是研究物質處於熱狀態時的有關性質和規律的物理學分支,它起源於人類對冷熱現象的探索。人類生存在季節交替、氣候變幻的自然界中,冷熱現象是他們最早觀察和認識的自然現象之一。

對中國山西芮城西侯度舊石器時代遺址的考古研究,說明大約180萬年前人類已開始使用火;約在公元前二千年中國已有氣溫反常的記載;在公元前,東西方都出現了熱學領域的早期學說。中國戰國時代的鄒衍創立了五行學說,他把水、火、金、木、土稱為五行,認為這是萬事萬物的根本。古希臘時期,赫拉克利特提出:火、水、土、氣是自然界的四種獨立元素。這些都是人們對自然界的早期認識。

1714年,華倫海特改良水銀溫度計,定出華氏溫標,建立了溫度測量的一個共同的標準,使熱學走上了實驗科學的道路。經過許多科學家兩百年的努力,到1912年,能斯脫提出熱力學第三定律後,人們對熱的本質才有了正確的認識,並逐步建立起熱學的科學理論。

曆史上對熱的認識,出現過兩種對立的觀點。18世紀出現過熱質說,把熱看成是一種不生不滅的流質,一個物體含有的熱質多,就具有較高的溫度。與此相對立的是把熱看成物質的一種運動的形式的觀點,俄國科學家羅蒙諾索夫指出熱是分子運動的表現。

針對熱質說不能解釋摩擦生熱的困難,許多科學家進行了各種摩擦生熱的實驗,特別是朗福德的實驗,他用鈍鑽頭鑽炮筒,因鑽頭與炮筒內壁摩擦,在幾乎沒產生碎屑的情況下使水沸騰;1840年以後,焦耳做了一係列的實驗,證明熱是同大量分子的無規則運動相聯係的。

焦耳的實驗以精確的數據證實了邁爾熱功當量概念的正確性,使人們擯棄了熱質說,並為能量守恒定律奠定了實驗基礎。與此同時,熱學的兩類實驗技術——測溫術和量熱術也得到了發展。

熱學理論有兩個方麵,一是宏觀理論,即熱力學;一是微觀理論,即統計物理學。這兩個方麵相輔相成,構成了熱學的理論基礎。

電磁學

電磁學是研究電、磁和電磁的相互作用現象,及其規律和應用的物理學分支學科。根據近代物理學的觀點,磁的現象是由運動電荷所產生的,因而在電學的範圍內必然不同程度地包含磁學的內容。所以,電磁學和電學的內容很難截然劃分,而“電學”有時也就作為“電磁學”的簡稱。

早期,由於磁現象曾被認為是與電現象獨立無關的,同時也由於磁學本身的發展和應用,如近代磁性材料和磁學技術的發展,新的磁效應和磁現象的發現和應用等等,使得磁學的內容不斷擴大,所以磁學在實際上也就作為一門和電學相平行的學科來研究了。

電磁學從原來互相獨立的兩門科學(電學、磁學)發展成為物理學中一個完整的分支學科,主要是基於兩個重要的實驗發現,即電流的磁效應和變化的磁場的電效應。這兩個實驗現象,加上麥克斯韋關於變化電場產生磁場的假設,奠定了電磁學的整個理論體係,發展了對現代文明起重大影響的電工和電子技術。

麥克斯韋電磁理論的重大意義,不僅在於這個理論支配著一切宏觀電磁現象(包括靜電、穩恒磁場、電磁感應、電路、電磁波等等),而且在於它將光學現象統一在這個理論框架之內,深刻地影響著人們認識物質世界的思想。

電子的發現,使電磁學和原子與物質結構的理論結合了起來,洛倫茲的電子論把物質的宏觀電磁性質歸結為原子中電子的效應,統一地解釋了電、磁、光現象。

和電磁學密切相關的是經典電動力學,兩者在內容上並沒有原則的區別。一般說來,電磁學偏重於電磁現象的實驗研究,從廣泛的電磁現象研究中歸納出電磁學的基本規律;經典電動力學則偏重於理論方麵,它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎,研究電磁場分布,電磁波的激發、輻射和傳播,以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題,也可以說,廣義的電磁學包含了經典電動力學。