艾萨克·牛顿爵士、阿尔伯特·爱因斯坦和一个幼儿园孩子有什么共同之处？除了玩弄食物和都有凌乱的头发之外，他们都具备了提出看似简单的问题的能力：为什么物体会下落？为什么猴子有尾巴？有可能的最低温度是多少？没有黑板——这是我们的承诺！

到目前为止，对于物理学问题的理解总是蕴含在答案中。幸运的是，如果你拥有了这本“机敏问答·物理”，即使你不是一个天才(或者家长)、你也可以获得对物理学的基本理解。

P.埃里克·甘德森所著的这本书提供了800多个看似简单的问题，同时也提供了相对简单的答案。重力……磁力……物质……光——所何的这些事情——如果有了“机敏问答·物理”一书，你将觉得整个宇宙都易如反掌。

为什么猫在下落时总是爪子着地？为什么彩虹形成的颜色序列总是固定不变？目前世界上最新型的桥是什么样的？这些看似简单的现象实际上是深奥的物理学理论在现实生活中的体现。如何解释这些常见而又有趣的物理现象呢？P.埃里克·甘德森所著的机敏问答《物理》以通俗易懂的语言，采用问答的方式解释和说明大千世界的各种物理现象，机敏问答《物理》深入浅出地介绍了力、运动、声、光、电、核能等一系列主题，使读者在阅读的同时体会物理科学深奥的魅力与无穷的乐趣。

简介

鸣谢

概要

 基础物理……测量……物理学家(物理领域的职业生涯……著名的物理学家)……诺贝尔奖

运动

 速度、速率和加速度……牛顿三大运动定律(惯性……力……相互作用)……摩擦力……自由落体……压力……质量和重量……重力和引力相互作用……潮汐能……冲量和动量(安全气袋……动量守恒……火箭……反冲)……抛射体运动……轨道……圆周运动……旋转运动(转矩……转动惯性……角动量……陀螺仪)

功、能量和简单机械

 功(功率……能量守恒定律)……简单机械(斜面……杠杆……滑轮……轮轴……齿轮)……能量(能效……能源生产和消耗……非传统能源)

静物

 质心……静力学……桥梁和其他“静止”的建筑物

流体

 流体静力学(水压……血压……大气压力……浮力……水力学与气体力学)……流体动力学(空气动力学……音障……超音速飞行)

热和热力学

 热(测量法……绝对零度……物质的形态……热传递)……热力学(热力学第零定律……热力学第一定律……热力学第二定律……热力学第三定律)

波

 波的特性……海浪……电磁波(无线电波……调幅和调频……微波……短波无线电)……干扰、叠加和共振(叠加……共振……阻抗)……多普勒效应……雷达(下一代天气雷达多普勒系统……无线电天文学)

声音

 声波……听觉……声速……超音波学和次声学(超声波学……次声学)……声强(声障)……声学……噪音污染

光

 光的特性(可见光光谱……光的传播速度)……非透明、透明和半透明物体(影子……食)……光的偏振(三维)……颜色……彩虹……光学(反射……镜子……折射……透镜……纤维光学……衍射)……光学仪器(视力……照相机……望远镜)

电

 静电学(范德格拉夫发电机……莱顿瓶……电容器)……闪电(安全预防……避雷针)……电流(电阻……超导体……欧姆定律……瓦特和千瓦……电路……直流电和交流电……串联电路和并连电路……插座……电灯泡)

磁学、电磁学和电子学

 磁学(指南针)……电磁学(电磁学和技术学……生物磁体……范艾伦辐射带……极光)……电子学(电子计算机)

现代物理

 物质的基本要素(亚原子微粒……粒子加速……夸克……中微子……其他亚原子微粒)……量子物理学(混沌……激光)……放射现象……核物理(核反应……核裂变……核聚变)……核武器

深层理论

 大统一理论……万有理论……膨胀的宇宙……宇宙大爆炸(中微子)……相对论(狭义相对论……广义相对论……爱因斯坦环……黑洞)

译者感言

牛顿三大运动定律

惯性

牛顿第一运动定律是什么？

惯性定律是牛顿三大运动定律的第—个定律。惯性使物体具有抵抗、改变其运动的力量。惯性定律描述了当物体处于静止状态时，它有保持静止状态的倾向。而—个处在运动状态的物体则保持不断的速率，直到外界施加的力量作用在物体上从而改变物体的运动。物体具有多大的惯性由物体的质量决定，人们可以通过物体的质量人工测量该物体的惯性。

比如说在气悬冰球桌上，冰球会以恒速做直线运动，直到有外力作用在它上面。这个外力可能来自冰球桌壁、人，或者是空气阻力的摩擦。然而，直到外力推动或拉动冰球前，它都将以恒定的速率运动。

为什么足球比赛的中后卫体重应该稍大一些？

惯性取决于质量，所以中后卫的体重越大，他就越难被推开。而后卫队员就恰恰相反，他们需要很快地加速，所以后卫队员的体重应该轻些，这样跑动起来就会快些。足球比赛的模式需要运动的多种变化。

为什么交通工具中需要车座枕头？

车座枕头与安全带的作用是一样的：增加安全性。车座枕头并不是为了休息和舒适设计的，而是在车辆被后方力量冲击时，防止头部向后撞击。当交通工具后部被冲击时，汽车和车座产生了作用在人体上的力量，使其向前加速。然而，汽车座位并没有向前推人的头部，根据惯性定律，头部应该保持相对于地面的最初运动模式。这意味着相对于加速的交通工具来说，人的头部会向后撞去。而装有车座枕头的交通工具可以将头部和身体一起向前推，这就能防止因碰撞而产生严重的颈部伤害。

力

力是什么？

艾萨克·牛顿将力定义为作用在物体上使其加速的拉力或推力。公式：力=质量×加速度，即F＝ma。

如果物体的质量不变，那么施加的力越大，加速度就越大。比如，一辆小型汽车如果装备了一个功率较小的发动机，发动机产生的较小的力量只能产生较小的加速度。然而，如果这辆小型汽车装备了较为强大的发动机，这个发动机就会产生较大的作用力，因此汽车的加速度就会增加。当物体的质量不变时，力和加速度成正比。

在力固定不变时，物体的质量及惯性越大，物体的加速度就越小。我们还是以小型汽车为例，当发动机产生固定的力时，由于汽车的质量较小，因此发动机产生的力可以使其加速行驶。然而，如果同一个发动机被装在卡车上，卡车的惯性使其产生了比小型汽车小的加速度。当力恒定不变时，质量和加速度成反比。

相互作用

为什么每个力都有一个相等的反作用力？

牛顿第三运动定律阐述了当两个或两个以上物体相互作用时会产生相等的反作用力。比如，当垒球击打球拍时，球拍也同样击打垒球。牛顿意识到，对于每一个作用力(垒球击打球拍)都会产生一个相等的反作用力(球拍击打垒球)。产生的力是相等的。然而，根据牛顿第二定律，质量小的物体(惯性也小)会产生更大的加速度。垒球比球拍和拿着球拍的人质量要小得多，因此也比球拍产生了更大的加速度。

牛顿第三运动定律是如何解释人行走的？

牛顿第三运动定律阐述了力发生在两个相对的物体之间。当人行走时，脚作用于地球，地球也产生了—个反作用于脚的力量。人和地球所用的力量是相同的，但因为地球的质量远远超过了人的质量，人比地球的惯性小得多，因此步行者比地球移动及加速快。  摩擦力

摩擦力是什么？

当两个或多个物体相互作用时，它们不规则的表面相互滑动摩擦，阻止了物体的运动。摩擦力就是一种阻止物体运动的力。两个物体之间摩擦力的大小取决于物体表面的光滑和粗糙程度以及物体之间的压力。既然没有任何物体的表面是绝对光滑的，因此所有物体在与其他物体相互作用时，都会产生摩擦力。

为什么赛车的轮胎没有胎面花纹？

因为赛车只在晴天比赛，所以没有必要减少轮胎底面的水并改变其方向。但是，如果轮胎没有胎面花纹，就会有更多的橡胶接触到路面，增加的摩擦力会产生更强的抓地力从而提供更加安全的操纵性能。

测量物体摩擦性质的单位是什么？

物体的摩擦力系数“μ”是物理学家和工程师衡量材料之间的光滑度和粗糙度的单位。μ值越大，粗糙度越大。

静摩擦与动摩擦的区别是什么？

静摩擦是两个静止的物体之间的摩擦，动摩擦是两个运动着的物体之间的摩擦。物体在静止时比在运动时产生更多的摩擦。比如挪动静止在混凝土地面上的一个又大又重的板条箱。挪板条箱的人就必须使用很大的力气来克服板条箱与地面之间的静摩擦。当板条箱开始滑动时，根据惯性定律，板条箱有保持运动的倾向。既然它已经处于运动状态，需要克服运动摩擦的力要小于克服静态摩擦的力。

怎样减少摩擦力？

减少摩擦力可以通过使两个物体表面光滑，或减少两个物体之间的压力这两种方式实现。有时减少摩擦的更为实用的方式是使用润滑剂。润滑剂这种液体状物质可以填充到擦痕、凸起和凹处，从而减少物体表面的刮擦。因此，润滑剂可以使相互作用的物体减少摩擦。

滚球轴承是如何减少摩擦的？

滚球轴承是将小的钢球安装在轴和轮子之间的循环轨道上。当轮子转动时，滚球轴承通过在循环轨道上绕轴旋转来减少部分摩擦。如果轮子以滑行和旋转运行，会与轴产生摩擦，因此以旋转方式运行就会产生较小的摩擦力。因为在旋转过程中，物体之间相互接触的面积达到了最小值。其次，比起轮子和轴，滚球轴承和轨道的表面更加光滑、坚固。最后，滚球轴承还会被涂上厚厚的润滑油。这种滚球轴承、光滑表面和润滑油的结合大大地减少了摩擦。

摩擦力是如何减少机器的效率的？

当两个物体相互摩擦时，会将动能转化为热能。运动中的物体的部分能量被转化成热能，这势必会减少机器所能做的功，并增加了机器破损和报废的几率。最好的机器是通过摩擦力将零能量转化为热能。尽管有很多方法可以减少机器问的摩擦力，但是无摩擦的完美的机器是不存在的。

有没有不存在摩擦力的地方？

摩擦力存在于整个宇宙之间。尽管减少摩擦力的方法有很多，但是摩擦力是不能被消除的。最接近无摩擦的环境是太空。既然太空是真空环境，就没有空气阻力阻碍物体的运动。只要在邻近区域没有大的引力，两个物体的表面就不会形成自然压力。然而，如果物体相互碰撞，表面的接触就会产生摩擦力，因此只要恒星、行星、灰尘和气体之间没有接触，太空就可以被认为是一个接近无摩擦力的环境。

P23-27

物理学家——那些真正优秀的物理学家，比如阿尔伯特·爱因斯坦——以问简单的问题而闻名于世。爱因斯坦关于光的最初的思考是在5岁时产生的。他问道：“如果能骑在一束光波上，世界将会是什么样的？”爱因斯坦终其一生不断地提出关于宇宙运行的最基本问题并寻求这些问题的答案。哈佛教授谢尔顿‘格拉肖是一位曾获得诺贝尔奖的物理学家，他说物理学家就像是孩子。孩子对任何事物都感到好奇，会问许多成年人觉得过于简单的问题。既然人文科学和物理科学包括对宇宙基本原则提出质疑，因此物理学家的主要特点就是不断地提出质疑。出于这个想法，机敏问答《物理》提出并解释了关于物理学和物理学家的825个基本问题，包括从物理学在日常生活中的应用到亚原子物理学领域的最新探索。

为什么从帝国大厦上扔下一枚硬币是危险的？什么使曲线球沿曲线运动？冰鞋是怎样起作用的？哪里能形成最大的潮汐？为什么物体可以沿某一轨道绕地球旋转？如果使棒球绕地球旋转，需要多快的击打速度？什么是流体动力学？什么是冲击波？有可能的最低温度是多少？频率、波长和速度之间有怎样的关系？立体电影是如何产生的？当发生闪电时，为什么汽车总是最好的躲避地点？(提示：这并不是因为汽车有橡胶轮胎。)

机敏问答《物理》并没有采用与物理相关的数学解释法，而是采用了’更具概念性的方式——用日常的语言进行描述。本书的开头介绍了物理学的概要，比如“什么是物理学”和“物理学家做什么”，然后用一系列的与诺贝尔奖相关的问题为读者展现出一些著名物理学家所作出的杰出贡献。

接下来，机敏问答《物理》介绍了运动，提供了关于速度、重力、动量等方面的问题。比如“月球是如何影响潮汐的”以及“安全气袋如何挽救生命”等问题。之后是“功、能量和简单机械”一章。与“静物”一章相关的问题有“为什么足球运动员和摔跤运动员在阻止对手移动或采取进攻时要将重心下移”“最新型的桥是什么,样的”。而“为什么对飞机来说，下击暴流是非常危险的”则是“流体”一章典型的问题。“热和热力学”一章涉及了“玻璃杯外壁为什么会积聚小水滴”和“冰箱怎样对食物进行制冷”等问题。

在接下来的“波”、“声”和“光”的章节中，将解决“波动”、“我们如何能听到声音”和“彩虹是如何形成的”等问题。在“电”这一章，问题将会涉及电击伤害和电路等方面。而在“磁力”、“电磁学”和“电子学”章节中，我们将会讨论磁悬浮、金属探测器和指南针原理等。

“现代物理”一章中介绍了物理学领域新的发现和突破。从量子到核反应等任何关于亚原子微粒的最新发现都会在这一章进行阐述。机敏问答《物理》的最后一章介绍了阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金等物理学家提出的卓越的、超乎寻常的理论。“深层理论”这一章的问题包括“在中微子的观测方面有哪些重要的突破”、“科学家认为宇宙最终会发生什么”以及关于爱因斯坦时空旅行概念的各种问题。

作为新泽西州希尔斯代尔市帕斯卡克谷中学的物理老师，我深知使物理有趣、令人兴奋并贴近学生的生活是非常重要的。我也试图通过机敏问答《物理》实现这一点。无论您是连续地阅读这本书，还是简单地浏览几页，书中的问题和答案都会帮助你用物理学的方法对世界进行思考。或许某天当你在街上散步时，你会突然开始观察你周围所有的物理现象。当你看到正在行驶的汽车时，你可能会感到好奇，“是车在移动？是我在移动？还是汽车和我在做相对的移动？”当发现天空中出现的令人讨厌的雷雨云时，你会想“我最好躲进汽车里，因为它起到一个法拉第屏蔽的作用”。或者在一个晴朗天气里，你可能觉得有必要向他人解释为什么天空是蓝色的，云是白色的，为什么彩虹的颜色总是呈现出相同的次序。对于物理爱好者来说，这本书包含了许多知识和信息。  我们应该铭记物理学家说过的一句话：“物理是其乐无穷的。”

物理学家与孩子的共同特点是，他们都爱问一些看似简单的问题。猴子为什么有尾巴？雷雨天为什么不能躲在树下？高尔夫球上面为什么有小凹槽？这些看似简单的物理现象是深奥的物理学原理在现实生活中的体现。而生活中出现的物理现象又为物理学家提供了新的研究素材，促使他们提出并发展新的物理学理论。在科技高度发达的今天，物理不仅仅是一门学科，它存在于我们生活的各个领域。更好地了解并运用物理会使我们的生活更加安全、方便和快捷。这本书的作者是一位物理教师，他以简单的问答形式为读者展开了一幅丰富的物理画卷，在介绍物理原理的同时，解释了各种常见、有趣的物理现象。我们在翻译此书的过程中，好似与作者进行了一次倾心的交流，在交流中我们更加深刻地了解了身边存在的物理现象，也感慨于人类集体智慧的伟大。

这本书的翻译工作由刘淑华和李哲承担。上海科学技术文献出版社选定了这样一本优秀的著作并对译稿做了大量的编辑工作。在翻译过程中，我们作为译者得到了众多朋友的帮助，在这里我们要向他们致以深深的谢意。王东风、刘会学、陈明兰、李天荣为我们提出了宝贵的建议。赵丽丽、张莹、周丹承担了大量的资料收集和查阅工作。辛兆爽，刘阳、王健、杨清源、秦欣等好朋友也不断地给予我们鼓励与支持。相信有了上海科学技术文献出版社独具慧眼的选材、作者的深入写作和译者的精彩呈现，各位读者一定会在阅读过程中对物理学理论和各种物理现象获得更加深入的了解。我们向为这本书的出版而辛勤工作的所有人员再次表示衷心的感谢！

李哲 刘淑华

2008年9月20日