从宏观到微观谈转动与汽车运输

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1、从宏观到微观谈转动与自旋尚仁成，清华大学物理系，北京，100084丁海兵，中国科学院电子学研究所，北京，100190本文先通俗地介绍我们日常生活中遇到的转动运动及其主要特征。进一步转向微观粒子运动，介绍其不同于宏观物体运动的特点。在此基础上，再介绍微观粒子的转动运动及其自旋。并介绍自旋在若干方面的应用。最后再简要介绍清华大学研究的我国第一台极化电子源及其主要性能。1.在高速转动的世界中生活“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。如果你对你的朋友说我们无时不刻不处在一个高速转动的世界中，你的朋友一定会认为你神经系统出了毛病。其实是你的朋友出了毛病。首先说，我们都住在地球

2、上，日复一日，年复一年地跟着地球以每小时1674公里的速度(赤道附近)绕地球自转轴转动着。这比最快的汽车速度还要快十倍以上。恰好是诗人说的“坐地日行八万里”。地球还要绕太阳一年转一大圈，这一圈是九亿多公里，每小时差不多要跑十万公里，和孙悟空一个跟斗差不多远。现代的小学生都知道，每天的日出日落，可以说明地球在自转。但如果不是伟大的科学家哥白尼的贡献，这种日出日落，也曾长期被解释为太阳绕地球转动。在没有太阳的阴天和夜间怎么知道我们和地球在一起转动呢？聪明的人们曾设计了各种物理实验来观察和证明地球自转。例如，在一座精心设计的完全垂直于地面高矗的高塔顶上，选一个风和日丽的

3、天，从塔顶沿塔的东西墙面中线垂直落下一个很重的铅球。结果发现，铅球落地时，总不落在塔基的正中，而是像比萨铁塔那样，球落点总要和塔基中心线偏一点（例如，200米高的塔，大概偏移为5厘米）。这是因为塔和地球一起在由西向东自转，塔尖离过地心的转轴的距离比地面离转轴的距离更大，因此塔尖（以及放在塔尖的铅球）绕转轴转动的线速度比地面转动的线速度大。当铅球脱手下落时，除了受地心引力（严格说这个引力也不是正好指向地心的，我们暂考虑这一点）垂直下落外，还要带着这一点线速度的差别，总要向东偏一点。这个实验比较直观地证明了地球在自转。另外的试验，像大学物理都要讲的、并在天文馆展出的傅

4、科摆，也能很形象地说明地球的自转。我们在高速转动的地球上会受到多种力的作用，你可能首先会想到，因为随地球高速转动，可能会受到惯性离心力作用。我们在夏天能稳坐在树荫下的沙发椅上乘凉，说明圆周运动产生的离心力和地球对我们的吸引力及地面对我们的反作用力互相平衡。因此，我们既没有离心力将我们向外抛的感觉，也感觉不到地球的向心力将我们向里吸。除此以外，如果我们在高速转动的世界中运动，还会受到一种特有的力，这种力叫做科利奥里力。在北半球，从西向东运动的物体会受到一个向北偏转的力，这就使从西向东流的河流北岸会受到更严重的冲刷。一水盆装满水，若在盆底开一个口，水迅速往外泄漏时,会

5、在水面上产生一个漩涡，而且在南半球和北半球漩涡旋转方向不一样，这也是由于科利奥里力的作用。其实，我们前面举的从塔顶掉下铅球向东偏移的例子，也可理解为铅球在塔尖和在地面的转动角动量（见PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.cn下文）发生了变化，只有铅球受到一个力矩的作用才能发生这样的变化，这个力矩正是由西向东的科利奥里力提供的。一个物体作直线运动具有动量，若物体做曲线运动或绕某一点或一个轴作圆周运动,或者说转动，它就具有动量矩，或者叫角动量。物体绕着自身的轴转动，我们就称它具有的角动量为自旋角动量，常常简称为自旋。本文中

6、我们将反复地和自旋打交道。物体运动的角动量可以规定为一个向量（矢量），他的大小由转动物体的转动惯量（作直线运动物体有惯性，也可叫做惯量）及转动速度决定。如果用右手伸开，四个手指微微顺着转动方向弯曲，那么，大姆指所指的方向就是角动量矢量的方向。角动量的大小和方向都不会轻易改变，只有受到一定的外力矩时才会改变。没有外力矩时角动量是不变的，这就叫角动量守恒。轮船在大海中长期航行时怎么知道它自身的位置和方位呢？怎么对他导航呢？什么参照物都没有了，“大海航行靠舵手”也不灵了。若是明亮的夜空还可以靠特定的一组星星的方位来确定方向，但看不见星空的天气或潜入水下的潜艇就毫无办法了

7、。长期使用的办法是陀螺导航仪，就是依靠高速旋转的陀螺在船只航行过程中始终保持角动量方向不变，由它来确定轮船前进的方向。2.离经叛道的微观粒子：著名球星麦克尔.乔丹能够以很高的成功率将对方掷出篮球阻断，因为他牛顿力学“学得好”，只要他准确知道篮球此时此刻的位置和速度（及方向），就可以知道下一秒钟篮球应在什么位置，准时地跳到那个位置就可以抓个正着。将篮球换成足球、垒球或换成更小的乒乓球，它们还是有同样的运动规律，都服从牛顿力学。如果我们将球不断地小下去，会发生什么变化呢？会不会出现哲学家说的量变到质变呢？黑格尔举过一个著名的例子说，给一头毛驴背上的袋子内添加谷子。一粒

8、一粒的加上