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物理学范文1
Michel Peyrard, Institut Universitaire de France.
Physics of Solitons
2006, 422pp.
HardcoverUSD80.00
ISBN 978-0-521-85421-4
T.道夸尹斯 M.皮拉德 著
自从1834年第一次观察到孤波现象以来，除了相关的数学理论得到了迅速发展之外，在物理学的多个领域中，孤波的理论和应用都得到了广泛的和深入的研究。其中包括流体动力学、光纤通讯、固态物理以及生物大分子动力学等诸方面，都发展了全新的观点和新的思考方式，促进了非线性现象的深入研究和多个前沿研究领域的形成。
本书是在作者们从事研究生教学的讲义基础上发展而成的。为学过普通物理、经典力学和量子力学的学生们系统而且直观地介绍了关于孤波的全面的知识及有关的数学处理方法。
全书内容共分成16章，它们分别被归入四个部分中。第一部分为孤波的不同类型，它包括4章。各章的题目分别是：1.非拓扑孤波：K-dV方程；2.拓朴孤波：赛因―高登方程；3.色络孤波和非线性局域化：非线性薛定锷方程；4.模型化过程：等离子体中的离子声波。第二部分介绍研究孤波的一些数学方法。它包括第5~7章，其内容分别为：5.孤波周围的线性化；6.集团坐标方法；7.反散射变换。第三部分给出固体物理和原子物理中的一些实例，其内容包括8~14章，它们分别是：8.Fermi-Pasta-Ulam问题；9.晶体中位错的一个简单模型；10.铁电畴壁；11.无公度相；12.磁系统中的孤波；13.导电聚合物中的孤波；14.玻色―爱因斯坦凝聚中的孤波。第四部分讨论生物分子的非线性激发。其内容包括第15~16章，它们分别是：15.能量局域化与其在蛋白质中的传递；16.DNA的非线性动力学和统计物理学。本书的最后一部分是一个内容非常有用的数学与物理相关知识的附录。
对于理论物理、固体物理、光学及生物物理等专业的研究生，这是一本关于孤波的很好的教材。对相关领域的教师和研究人员，本书也很有参考价值。
丁亦兵，教授
(中国科学院研究生院)
物理学范文2
一、易学自然观
《周易》包括《易经》和《易传》两部分，实际上是上古巫文化化出的符号、周初时期占筮验词集锦和战国末年理性诠释的统合。作为《易传》的十篇释文已经完全脱离卜筮，建立起一套以阴阳为纲阐释变化的理论体系。汉兴，《周易》作为官学传习和研究的对象，被尊称为“五经”之首；汉易已经纳入阴阳五行学说，隋唐时期易学即以其理性向科学领域渗透；进而逐渐形成以符号系统与以阴阳为纲纪相结合的范畴体系和理论结构。
易学对宇宙的基本观点是：阴阳相涵相因、流变会通，构成一个合谐互补的有机整体。
张立文教授在《王船山易学思想略论》中指出：船山的本体哲学，统体会通于和合。所谓和合者，就是“阴阳未分，二气合一，氤氲太和之真体”。《易传》有言“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，作者认定道器是虚实范畴，虚与实的主要差异在于隐与显。“形而上者是隐也”，隐不是无，而是潜在，是形而下所以存在的根据。“形而下者是显也”，指有形质的东西，“即形之成乎物而可见可循者也”。即此可知，显指可见可循的事物和现象，隐指寓于“器”而起作用的现象背后更本质的东西；而隐又不是虚无，“道不虚生，则凡道皆实也”。从而推定道乃实存之体，得出道器交与为体、相涵相因、流变会通的两系统结构论。道和器的关系究竟如何？就逻辑上讲，“形上者乃形之所自生”，因为凡器皆有形，由“形”逻辑上得出对应于“形下”必然存在着“形上”。就二者的主从关系讲，“当其未形而隐然有不可喻之天则，天以之化”，依此概括二者的关系为：道是器存在的依据；道通过器而表现自己，一切显性的运动变化之因皆源之于道。再就孰先孰后的角度讲，是“理不先而气不后”，二者既不存在先后、本末之别，也就从根本上排除了天理、神创的观念。张教授立足于人文（兼及自然）阐述问题，认为“王船山道器、气关系，充分体现和贯彻了《周易》和合人文的精神”，本文专门讨论自然而不涉及人文。依据形上学本体哲学，自然界的物理客体应该分两类，即“形之已成乎物”和“未形”，二者的本质区别在于形下之“显”和形上之“隐”。
小结：易学自然观是两系统结构论。从静态角度讲，“万物（包括宇宙自身）负阴而抱阳，冲气以为和”；从动态角度讲，“阴变阳，阳变阴，其变无穷”。所谓的易，就是讲阴阳变化之理的学问，即“易以道阴阳”。
二、两种物理学理论
物理学范文3
英文名称：Chinese Journal of Low Temperature Physics
主管单位：
主办单位：中国科技大学
出版周期：
出版地址：
语
种：
开
本：
国际刊号：1000-3258
国内刊号：34-1053/O4
邮发代号：26-136
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1979
期刊收录：
CA 化学文摘(美)(2009)
SA 科学文摘(英)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
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期刊简介
物理学范文4
一、激发学生兴趣
《引言》是物理学的开篇之作，是启蒙之篇。教材导图给孩子们展示了五彩缤纷、充满神奇的物理世界。引言中针对背景图中展示的物理现象提出了一系列问题：晴朗的天空为什么是蔚蓝色的？从树上掉下的苹果为什么总是落向地面？等。导图从我们身边熟悉的物理现象出发，激发学生的好奇心、求知欲，鼓励学生走进物理世界，像科学家那样去揭开物理世界的奥秘。通过《引言》学习让学生们能保持对自然界的好奇心，初步领略自然现象中的美妙与和谐；初步了解物理学的研究方法、物理学家的高尚情操以及物理学在生产生活实践中的重大作用等，以便使孩子们对物理世界有一种新奇感、求知欲，产生学习物理的浓厚兴趣。
二、教学设计
1.创设情境，借助媒体，导入新课
开场白：“成功并不像你想象的那么难，因为人世间的许多事情，只要想做，都能做到，该克服的困难，也都能克服，用不着什么钢铁般的意志，更用不着什么技巧或谋略。只要一个人还在朴实而饶有兴趣地生活着，他终究会发现，造物主对世事的安排，都是水到渠成的。”
接着多媒体展示几副画面：蔚蓝色的天空、从树上掉下的苹果、浮在水面的钢铁轮船、繁华的街市夜景、潜水艇发射导弹等，内容涉及力学、光学、热学、电学等。目的在于让学生明了生活即物理，物理来源于生活，物理是有用的，而且也是有趣的。
2.合作交流，观察实验，进行新课
（1）观察有趣的物理现象
本活动包括两个简单的演示实验。在整个活动中要让学生参与到对问题探究的过程中。要引导学生如何观察，观察的点都有哪些，实验前观察什么，实验进行中要注意观察什么，实验后要观察什么，要引导学生对实验结果做出猜想，并思考为何做出这样的猜想，再进行实验，不失时机地引导同学们讨论研究，启发学生对物理现象提出问题，对于有独到见解的学生要给予鼓励。
对于演示实验“水煮金鱼”教师实验前可提问：用水加热烧瓶的颈部，金鱼会不会被烫死呢？再继续追问：为什么上面的水烧开了，下面的水还是冷的？为什么对着烧瓶底部加热就会把金鱼烫死？等问题。实验前让学生猜一猜，实验后，使其感到惊奇，产生疑问，激发兴趣，引起思维。
（2）学生分组实验
教材中设计了两个简单、易做的探究活动，选择生活中常见的物品作为实验器材，让学生在实践中体验和感悟，培养了学生的探究能力。
关于“通过盛水的玻璃杯看书上的字”这个实验，先让学生明确实验目的：就是通过盛水的玻璃杯看书上的字，活动前请学生思考以下几个问题：透过盛水的玻璃杯看书本上的字，你发现了什么？请同学们做个小小科学家，实验前请先猜测结果，再做实验验证你的猜测是否正确。比赛哪一组做得又快又好、发现的物理现象最多。实验过程中，教师给学生留有足够的观察和思考时间，引导学生仔细观察物理现象并说出自己的各种发现。教师与学生一起归纳、总结，再请同学们将自己没有发现的物理现象做实验验证。
学生经历了这个分组实验，感到非常兴奋，都极愿意继续做实验，此时趁热打铁，做探究实验“隔着玻璃板、课本、搪瓷盘、塑料板等物品，磁铁对铁钉的吸引会变化吗？”通过这样的一个亲身体会，学生基本体验了物理研究过程中的实验很重要，也培养了学生在实验前、实验中、实验后如何观察的能力。
对于“物理学家进行科学探究的故事”，教师要引导学生阅读，重点使学生初步认识科学探究的大致过程，即要经历发现并提出问题、猜想和假设、制订计划与设计实验、通过观察实验等途径收集证据、得出结论或提出新问题等方式展开探究。同时了解科学研究事业的艰辛，体会科学家的求索精神。
3.阅读教材目录，树立学习的信心
物理学范文5
“学习兴趣” 是指学生对学习活动产生的心理爱好和追求的倾向， 它是影响学习效果的一个重要变量。在中学物理教学中， 培养学生学习物理的兴趣已成为教学大纲所要求的教学目的之一。
一、引入物理学史， 激起学习物理兴趣物理学史集中地体现了人类探索和认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程， 它告诉我们任何一个具体的物理知识和理论体系都是无数物理学家用他们毕生的心血乃至生命写成的。为了某一科学的真理， 他们执着追求，不畏权威， 不惜生命， 有的科学理论的建立或证明， 需要几十年乃至几代人的努力， 才能走出有意义的几步。每一科学理论的发现和创立都是包含着探索者的艰辛与悲欢，又体现着人类认识过程中理论和实践的继承和突破、理性与非理性、逻辑与非逻辑辨证统一进行物理教学就是物理学家认识世界本来面目的思想方法。通过科学史的教学再现科学家是如何进行研究和发现， 他们又是如何从困境中通过冥思苦想实现了“柳暗花明又一村”。让学生知道科研成果固然令人眩目， 但它与艰辛并存。这样对物理知识作出历史的叙述， 把物理知识的获得作为一种经验， 作为一个激动人心的知识奇遇来讲述， 以其中的欢乐、困惑、惊奇和哲理去感染学生， 一定会引发出学生的学习热情， 激起他们学习物理的兴趣， 引发他们巨大的学习动力。
二、倡导“质疑”精神， 引发学习物理兴趣学习动机理论研究成果表明: 学生学习的主要动机集中在“成就动机”上(指个人愿意去完成自以为重要或有价值的工作， 并力求达到完美的一种内在推动力量)。而成就动机由三个组成部分: 认知内驱力、自我提高的内驱力和附属的内驱动力。其中认知内驱动力是一种掌握知识、技能、阐明和解决学业问题的需要， 即一种指向学习任务的动机──求知欲， 它表现为好奇的倾向(探究、操作及理解外界事物奥秘的欲求) 以及为应付环境而提出众多问题等。因此， 要使学生保持旺盛的好奇心， 经常在脑海中出现“为什么”三个字， 追问物理概念为什么要这样定义? 物理的规律是如何得来的? 发现某物理现象要常问产生的原因是什么? 为什么眼睛会看见东西? 雨后的天空为什么会出现彩虹? ⋯⋯在教师的启发指引下， 学生们独立思考、讨论或实践将问题一个个解决。旧的疑问解决了， 新的疑问又产生了， 这样不断爱护和激发学生的质疑动机， 努力并帮助学生完善大胆的想法， 把奇特的幻想变为符合科学的思维和行为， 将原始的猜想、假设加以理论和实验的验证使学生的求知欲得到满足， 增强学习兴趣， 保持强烈持续稳定的学习动机。
三、通过物理实验， 激发学习物理兴趣物理实验对中学生有很强的吸引力，极易唤起学生的直接兴趣。中学生天生好奇、好动， 让他们观察生动有趣的实验， 他们的注意力会高度集中， 新奇的实验现象常常出乎他们意料之外， 他们会兴趣盎然。通过加强课堂演示实验， 拓宽演示实验的时间和空间，通过多样化的演示， 创设生动的情景，从而产生强烈的感官刺激， 这样的实验具有真实、直观、形象和生动的特点，是用来引发学生学习的兴趣的最佳媒介。此时， 学生很容易被引导到学习的“激发态”。学生观察实验， 自然会产生自己动手的欲望， 我们通过积极创造条件， 设法让学生多动手做实验(边学边实验、分组实验、课外实验)， 充分运用学生的各种感官， 让学生进入实验环境， 在教师引导下， 通过观察、实验、操作、游戏等亲身实践体验， 主动去探索新知识， 获取知识， 从中得到学习物理的乐趣和产生掌握物理规律的愿望。因此，亲自动手最易产生追求和疑惑， 从而引入学习的“ 激发态”。通过设计性的实验， 让学生自己设计实验方案， 选择合适的实验器材， 安排合理的实验步骤， 设计数据处理的方法。设法让学生随时到实验室完成自己设计实验， 得出实验结论， 分析实验的误差， 改进实验的方案。这样使学生实验变得更加丰富， 使学生的思维活动与技能活动充分调动起来， 进入学习的落实阶段。让学生有更多的机会动手， 使其在动手的过程中多动脑， 手脑并用。并在实验过程中加深对基础知识的理解， 满足学生操作的愿望， 使学生不断体会和尝到“发现”和“克服困难解决问题获得成功”后的喜悦， 从而激发兴趣， 增强信心， 进而转化为一种热爱科学的素质和志向。
物理学范文6
关键词 微重力科学，基础物理，流体物理，燃烧学，材料科学，生物技术
Abstract In recent years fundamental physics in a microgravity environment has attracted much attention from theoreticians in the international community， and has been given the name of fundamental physics in space. Furthermore， microgravity science has gradually become known as physics in space amongst the space agencies of the chief space countries. However， physics in space has not changed the contents of microgravity science. As the International Space Station nears completion， its member countries are working hard to schedule the microgravity science missions， and important results should be obtained before 2016. On the other hand， plans for space tests on the theories of gravity and general relativity on board special satellites are under way. After the GP-B satellite experiment by NASA， the LISA program for space measurement of gravitational waves aroused broad interest. Physics in space will certainly make great strides in both promoting important scientific achievements and in developing high technology for applications.
Keywords microgravity science， fundamental physics， fluid physics， combustion， materials sciences， biotechnology
1 引言
当一个空间飞行器环绕地球以第一宇宙速度自主飞行时，我们可以选择一个(局部)惯性参考系，其原点位于空间飞行器的质心位置.如果不考虑大气阻力､光辐射压力､质心偏离引起的各种扰动力，则空间飞行器中物体受到的地球引力与运动离心力抵消，物体处于“失重”状态，或者说物体处于微重力水平中.所谓“微重力”是指该处的有效重力水平为地球表面重力水平的10-6.在实际的绕地球飞行器中，有效重力水平与频率相关，低频时达到10-3，高频时优于10-6.除了地面的落塔､抛物线飞行的失重飞机和可达十几分钟的微重力火箭外，用于微重力实验的空间飞行器有返回式卫星和不返回卫星､载人飞船､航天飞机和空间站.各种载人空间飞行器不可避免人的干扰，飞行器中的有效重力很难达到微重力水平;而验证引力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞 (femto，亳微微)重力至阿(atto，微微微)重力环境，一般需要发射专门的基础物理卫星.
随着载人空间活动的发展，人们需要进一步认识微重力环境中的物质运动规律，从而发展了微小重力这种极端环境下的学术领域——微重力科学.在微重力环境中，地球重力的影响极大地减弱，控制地面过程的浮力对流､沉淀和分层以及由重力引起的静压梯度都极大地降低，表面张力和润湿等作用变得突出.从上世纪七八十年代以来，微重力科学主要研究微重力流体物理､微重力燃烧､空间材料科学和空间生物技术.近十余年来，微重力条件提供的高精度物理环境吸引了一批理论物理学家，他们希望利用空间的微重力环境能更好地检验广义相对论和引力理论以及低温原子物理和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题.这样就形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理.近来，人们常常把这些微重力科学的领域统称为空间的物理学，它是利用微重力环境来研究物理学规律，以区别于在地面重力环境中的物理学.要指出的是，中文的 “空间的物理学”和 “空间物理”是两个不同的概念，后者主要研究太阳系等离子体的运动规律和行星科学，而不涉及基础物理的前沿问题.
2 空间基础物理
2.1 广义相对论验证和引力理论[1]
引力质量mg和惯性质量mi相等的(弱)等效原理是广义相对论爱因斯坦强等效原理假设的基础[12].有文献记载的弱等效原理验证始于牛顿的摆实验，Eotvos的扭称实验更为精确;现代的月-地激光测距实验则检验了强等效原理[12].到目前为止[12]，弱等效原理的实验精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已达10-13，在地基实验中已再难提高.现在的一些引力理论认为，将测量精度提高到10-15以上有可能揭示广义相对论的问题，具有很大的学术价值，这只能在空间微重力条件下才能实现[2].国际上蕴酿多年的“等效原理的卫星检验”(STEP)计划，试图将弱等效原理的实验精度提高到10-18.STEP计划一直没有获得美国的立项经费支持，现在的立项经费就更加困难了.目前欧洲一些国家正在争取安排Mini STEP计划，其实验精度为10-15;法国的小型卫星(MicroScope)计划于2010年发射，拟在10-15精度上检验弱等效原理[13].引力探测-乙(Gravity Probe-B， GP-B)计划是美国空间局主持的计划，由美国斯坦福大学GP-B小组负责.该计划的主要任务是验证广义相对论的空间弯曲和拖曳效应，即验证时间和空间因地球大质量物体存在而弯曲(测地效应)，和大质量物体的旋转拖动周围时空结构发生扭曲(惯性系拖曳效应).用4个旋转球体作为陀螺仪，地球引力拖曳会影响球体的转轴.用飞马星座中的一颗恒星校准陀螺自旋轴的方向，用望远镜测量“测地效应”.通过球体转轴进动0.000011度，探测“惯性系拖曳效应”.GP-B卫星于2004年4月发射，2005年9月终止数据采集.原预计2006年夏公布结果，但是，由于电场等因素影响了球体的方位，仍需对其他影响进行研究.现正在加紧分析真正有效的时空信号数据，并尽快宣布观测结论.初步结果显示，较显著的‘测地效应’从数据中完全可见，正在完全证实广义相对论的道路上前进;刚刚看到 “惯性系拖曳效应”的端倪.实验结果似乎验证了广义相对论的理论，人们正在期待着最后宣布的科学结果[3].
引力波是广义相对论理论预言的现象，40年前声称在地面测量到高频引力波，激起引力探测的热潮.低频引力波只能在空间探测.欧洲空间局和美国空间局联合推进空间探测引力波的“激光干涉全球天线”(LISA)计划，它的探测源是108太阳质量的黑洞，相应的频率是10-3—10-1Hz.LISA计划由相距500万公里等边近三角形的三颗卫星组成，每颗卫星分别有2个悬浮的试验质量，位于激光器平台的前端.引力波传到卫星环境中，将引起试验质量微小的位移，通过激光干涉方法测量小于纳米量级的位移，推演出引力波的存在.为了验证LISA计划的关键技术，将于2010年发射LISA Pathfinder卫星，而LISA计划预计在2019年以后发射.引力波探测的成功不仅可以验证广义相对论理论的预言，还将开辟引力波天文学，具有极大的重要性.欧洲空间局将LISA计划列为中､远期的首选项目，美国空间局“超越爱因斯坦”计划两大卫星之一的“大爆炸观测台”卫星也是探讨测量中频(0.1—1.0Hz)引力波.空间引力波探测的学术重要性由此可见一斑.
我国空间科学的发展需要研讨引力理论，研究卫星实验的方案，大家正在集思广益.中国科学院理论物理研究所张元仲及其他专家联合提出TEPO计划，建议在10-16精度内验证弱等效原理和在10-14精度内验证新型的二维等效原理;华中科技大学罗俊等人提出TISS计划，希望利用高精度空间静电悬浮加速度计将检验牛顿引力的反比定律精度提高3个数量级.中国科学院紫金山天文台倪维斗的计划是希望探测低频(5×10-6 — 5×10-3Hz)引力波;中国科学院应用数学研究所刘润球则关注空间的中频(10-2 — 100Hz)引力波探测.这些方案都还在蕴酿过程中.
2.2 空间冷原子物理和原子钟研究
激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)曾分别于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖，它们是当代物理学最活跃的前沿领域之一.BEC有时也称为物质的第五态，它是1925年爱因斯坦预言的物质状态，即当气体温度低于其极限温度时，所有冷原子都聚集在最低量子能态上，表现出玻色子的特证.作为一种新的物质状态，它包含着许多新的基本物理规律，等待人们去探索，诸如物质波及其相干性､低温极限(10-15 K)､量子相变等.另一方面，它蕴育着许多重大的应用前景，诸如原子激光､高精度时标等.微重力环境可以更好地降低气体的温度，改进谱线的宽度和稳定性，提高系统的信噪比，从而为研究提供更好的条件.欧洲空间局的空间BEC研究也正在安排当中.
作为该领域的一个重要应用项目，空间冷气体原子钟的研制受到重视.地面通过激光冷却和冷原子喷泉效应，可以使冷气体原子钟的精度达到10-16.而在微重力环境中，则可以使冷气体原子钟的精度提高一个数量级，从而在军事和民用上产生极大的价值.欧洲空间局和美国国家航空和空间署都将空间冷原子钟研究作为国际空间站的重要研究项目.
中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4]，正在准备研制空间的超高精度冷原子微波钟，精度可达10-17;华东师范大学马龙生提出进行空间高精度光钟研究的建议，精度可达10-18.
2.3 低温凝聚态物理
凝聚态物质在极低温条件下会表现出许多特异的性质，成为物理学的新热点.微重力条件可以实现极小的静压梯度，可以提供更高精度的物理学实验条件，从而在更高精度下验证理论和揭示新的规律.美国喷气推进实验室在航天飞机上完成了液氦在临界温度附近(纳度的精度内)的比热奇异性实验，初步验证了二阶相变的重整化群理论[1].科学家们提出了一批空间实验课题，诸如超流氦相变动力学，连续相变的普适性，气-液临界点的尺度规律，约束于不同几何形状和尺度的液氦性质，相图特殊点附近氦混合物的性质，约束和边界效应，非平衡相变，分形结构和图样形式，临界现象，超流体的流体动力学，量子固体等.这些课题大都需要超低温条件，因而需要空间大型制冷设备，耗资巨大.美国已暂停这方面的研究，中国在短期内还难于安排相关的空间实验条件.
3 微重力流体物理
微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体物理的研究.在基础研究方面，微重力环境为研究新力学体系内的运动规律提供了极好的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面力驱动的流动，失重条件下的多相流和沸腾传热，以及复杂流体力学等.可以引入静Bond数Bo=ρgl2/σ或动Bond数Bd=ρg l2 /(∣σ′T∣ ΔT)来分析重力作用和表向张力作用的相对重要性，其中 ρ，σ， g， l 分别是流体密度､界面的表面张力､有效重力加速度和特证尺度，∣σ′T∣和ΔT分别是表面张力梯度和特征温差.Bond数小于1时，表面张力的作用会大于重力的作用，这要求小的尺度､或小的重力加速度､或小的密度差，对应于小尺度过程､微重力过程､或中性悬浮过程[5].
3.1 简单流体的对流和传热
具有界面的流体体系普遍存在于自然科学和工程应用中.研究热毛细对流的规律，对于空间材料加工､生物技术､燃烧等过程中热毛细对流控制都有重要意义，并对地面电子装置的热控制，食品加工过程，化学工程微电子机械系统(MEMS)，薄膜等小尺度的流动问题也有指导作用.微重力环境中流体的晃动､流体的运动与固体结构的相互耦合是航天工程中经常遇到的问题.对微重力环境中简单流体的传热和传质过程，人们主要研究毛细系统中临界现象和浸润现象，热毛细对流的转捩过程和振荡机理，液滴热毛细迁移及相互作用规律等方面.流体管理研究也是微重力工程中的重要课题.
3.2 多相流的传质和传热
微重力气/液两相流动与传热研究的主要对象包括两相流动的流型､沸腾与冷凝传热､混合与分离等现象，对我国载人航天技术(如航天器热与流体管理系统､空间站与深空探测器等大型航天器动力系统､载人航天器环控生保系统以及空间材料制备与空间生物技术实验等)的发展有直接的应用价值.在微重力环境中，重力作用被极大地抑制甚至完全消除，更能凸显气､液､固相间的传递机制，便于更深刻地揭示其流动与传热机理.借助于微重力气液两相流动与传热的深入研究，对我国实现能源战略需求和地面常重力环境中的石油､化工､制造等相关技术开发与应用也有重要指导意义.3.3 复杂流体
复杂流体是一种分散体系，它指的是具有一种或几种分散相的物质体系，也有人称之为软物质.在重力条件下，复杂流体的许多行为特征会受对流､沉降､分层等干扰，而微重力条件则有助于研究在地面上被重力作用所掩盖的过程，特别是分子间的相互作用力.微重力复杂流体研究包括:胶体的聚集和相变研究;悬浮液和乳状液的稳定性研究;复杂等离子体的结晶研究;气溶胶的稳定性和聚集行为研究;对颗粒体系本征运动行为的研究;临界点现象的研究;以及材料制备､石油开采和生物流体的相关问题研究.随着人类深空探测活动的展开，对不同重力场中分散体系物质的操作与输运的要求，以及对其运动规律认知的需求十分迫切.空间科学实验不仅能够使我们获得新的科学知识，而且其科学成果对于地面材料及器件制备工艺的创新具有重要指导意义.对复杂流动现象的研究在材料设计中起到了切实的作用，如对复杂流体自组织现象的研究成果已经应用于纳米结构材料和器件的研制.近年来，复杂流体(软物质)的力学和物理学，接触角､接触线和浸润现象等与物理化学密切相关的领域也越来越受到关注[6].
3.4 近期的空间实验
随着国际空间站的逐步安装，国外微重力空间实验的项目将逐步进行.目前己经纳入计划中的项目有:
毛细流动:不同形状､介质､浸润性､流体管理;
热毛细对流;
流体的梯度涨落;
Soret 系数测量;
近临界和超临界流体;
蒸发和冷凝过程:流体的热管理;
沸腾传热;
颗粒材料行为;
胶体和乳剂聚集和稳定性;
泡沫稳定性.
“十一·五”期间，国家安排了进行空间微重力科学和空间生命科学研究的“实践-10”卫星，将完成10项微重力科学的空间实验.这些实验包括空间热毛细对流､具有蒸发界面的对流､颗粒材料物理､沸腾传热､复杂流体的结晶等流体物理空间实验项目.同对，在载人航天工程第二阶段中，还要安排半浮区液桥､多液滴相互作用､复杂流体稳定性､多相流传热等空间实验项目.我国的微重力流体物理已有较好基础，将会做出较大贡献.
微重力流体物理所涉及的许多过程与微尺度流动中的过程有许多相似性，引起人们的兴趣.以中国科学院力学研究所国家微重力实验室为主的流体物理研究有不少建树，获得国际同行的好评.
4 燃烧科学
燃烧是一门古老的学科，而地面的燃烧过程都是和浮力对流密切耦合在一起的，给模型化研究增加了难度.微重力条件下基本上没有浮力对流的影响，为研究燃烧的化学反应过程提供了极好的机遇.1957年，东京大学Kumagai教授的0.5s落塔实验研究了乙醇棉球的微重力燃烧过程，开创了微重力燃烧的实验研究和利用落塔进行微重力实验的时代.落塔设施己成为进行微重力燃烧实验的有力工具.
微重力燃烧涉及了地面燃烧学的主要领域，美国国家航空和空间署将微重力燃烧作为重要的研究方向，欧洲和日本空间局也十分重视.几乎地面主要的燃烧过程都进行了空间微重力实验，诸如预混气体燃烧､气体扩散燃烧､液滴燃烧､颗粒和粉尘燃烧等，并研究了典型气体环境中燃料表面的点火和传播，流动过程与燃烧的耦合等，发现了一些新现象，例如燃烧的分散球状分布等.在许多微重力燃烧过程中，除了通常的吹熄极限，还有辐射损失引起的冷熄极限，这只能在微重力环境中才能观测到.微重力燃烧的研究除了具有重大的机理意义以外，还在于:利用对燃烧过程的深刻理解，改进地面燃烧过程的效益;利用对燃烧产物的进一步分析，改进地面燃烧产物污染环境.中国的能源将在较长时间内以煤作为主要燃料，应加强微重力煤燃烧的研究[7].
载人飞行器的安全防火是微重力燃烧的重大课题，自从阿波罗1号飞船在地面着火，烧死3名宇航员后，美国国家航空和空间署就把防火安全作为载人航天的首要问题.特别是今后的长期载人飞行任务，使防火任务更加严重.需要研究典型气体氛围下沿固体表面的着火条件､火焰传播过程和熄火条件;还要研究闷烧的各种条件.除进行相应的模拟研究外，还要进行大量的落塔实验，对逐个上天的非金属材料和某些金属材料进行典型气体环境下的燃烧实验.同时，还需要制订载人飞行器的防火规范.美国和俄罗斯各自建立了他们的载人航天材料筛选和防火规范，但载人航天器中的着火事件仍有发生.因为载人航天器内存在着火的条件，问题不可能完全解决.特别是在载人探索火星等长时间飞行任务中，防火规范还是一个需要进一步探讨和研究的课题[8].
中国科学院工程热物理研究所和力学研究所进行了一些微重力燃烧的研究工作.近年来，清华大学和华中科技大学等煤燃烧重点实验室开始关注微重力的煤燃烧研究.在“十一·五”期间，非金属材科燃烧､导线的烧燃､煤的燃烧等项目己列入空间实验计划，应能取得好的结果.
5 材料科学
空间材料科学曾是微重力科学中耗资最大的领域，材料科学各分支领域的学者都希望在空间微重力环境中去研究凝固过程的机理和制备高质量的材科.空间微重力环境是制备､研究多元均匀块体材料的最佳场所，其主要特征就是消除了因重力而产生的沉降､浮力对流和静压力梯度.由于浮力减弱，密度分层效应的消失，可以使不同密度的介质均匀地混合.由于空间微重力环境中静压力梯度几乎趋于零，因而能提供更加均匀的热力学状态.这种条件更有利于研究物质的热力学本质和流体力学本质，探索､研制新型的材料和发现材料的新功能.目前空间材料科学研究的重点是利用空间实验的成果改进地面材料制备技术，以及利用空间微重力环境测量高温熔体的输运系数.在国际空间站的欧洲､美国和日本压力舱中，都有材料研究的专柜.
利用微重力环境进行材料科学研究，不仅可以发展材料科学理论，还可以发展新型材料和新型加工工艺.微重力环境可以制备出一些比地面更好的高品质材料，空间材料科学的进展及空间材料制备的技术可以改进空间和地面的材料加工，特别是为地面的晶体生长和铸造技术提供帮助.空间材料科学涉及的领域有金属材料､半导体材料､光学晶体材料､纳米材料和高分子与生物医学材料等[9].
我国空间材料科学目前面临相当大的困难.克服这些困难，目前一方面可充分利用国际合作(俄罗斯､日本)，另一方面，我们需要面对现实，以地基实验为主，在加强国际合作的同时，扩大该领域的研究团队，同时该学科需要进一步凝炼学科方向和科学问题，今后应该创造条件开展空间材料科学研究.我国空间材料科学在林兰英先生的倡导和指导下，一批学者积极参与，取得了重要学术成果.“十一·五”期间，我国的SJ-10卫星计划和载人航天工程(第二阶段)计划中都分别安排了多功位材料实验炉的空间实验，应能做出一批较好结果.
6 生物技术
空间生物技术促进了生物技术的定量化和模型化研究，促进了新的实验方法和仪器设备的发展，具有重要学科意义.另一方面，空间生物技术有很强的应用背景，可以改善人类的健康和发展生物产业，是空间商业计划的新方向.目前，空间生物技术的主要研究方向是蛋白质单晶生长和细胞/组织的三维培养.
晶体衍射法仍然是当今研究生物大分子结构和功能的主要方法，获得高质量的大尺寸蛋白质单晶就是一项艰难的任务.溶液法生长蛋白质晶体受到许多因素的影响，微重力环境可以更有效地提供扩散为主的输运环境以及实现失重条件下的无容器过程和较好的界面控制，使空间的蛋白质单晶生长显示出许多优点.各国空间局都安排了大量的空间蛋白质单晶生长实验，而且取得很大进展.但并不是所有空间实验都取得好结果，也有不少不成功的实验.机理研究表明，蛋白质晶体生长过程取决于溶质的输运过程和非线性的界面动力学过程;对于不同的生长条件，可以从实验和理论上具体分析这两个过程的作用.由于蛋白质晶体生长过程的复杂性，重力因素只是生长过程中诸多因素之一，机理研究还有待进一步完善.国际上有人认为液/液体系较好，也有人认为液/气体系较好.大家都在争取更多的空间实验，以取得更多的积累.空间蛋白质单晶生长己成为有重要应用前景的商业计划项目[10].在微重力环境中实现了三维的细胞/组织培养，开创了一片新天地.地球表面的重力作用，使细胞培养器中的附壁效应十分显著，一般都需要外加旋转效应.旋转效应引起的剪切力作用于被培养的细胞，将改变其性能，使被培养细胞或组织的性能发生较大变化.人们在地面利用三维旋转器来模拟某些微重力效应的同时，还进行了大量空间细胞/组织培养的实验，包括从细菌到哺乳动植物广泛类群的细胞.空间的生物反应器实验的结果表明，失重条件下的三维细胞培养极大地改善了地面细胞的培养条件，并己获得了一些很好的成果.随着空间生物反应器实验工作的进展，空间细胞/组识培养己经显示出重要的商业应用前景[11].
中国科学院生物物理研究所是我国从事空间蛋白质单晶生长研究的主要单位，动物研究所和力学研究所在细胞三维培养方面做了许多研究工作.
目前，国际空间活动正在调整探索方向，微重力研究遇到经费紧缺的困难.今后十余年的基础物理大型探测集中于LISA计划，一些中､小型计划正在考虑之中.国际空间站将于2010年完全建成，欧洲空间局的哥伦布舱和日本的希望舱段己分别与国际空间站主体对接.今后十年将是国际空间站出成果的时期，预计会完成一大批空间微重力实验.我国空间科学规划将微重力科学列为持续发展领域;我国载人航天工程第二步将建空间实验室，第三步将建空间站.今后15年将是我国微重力科学发展的好时期，我们要抓紧机遇，安排好计划，努力做出好成绩.
参考文献
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[8] 张夏.力学进展，2005，35:100[Zhang X. Advances in Mechanics，2005，35:100(in Chinese)]
[9] Regel L L. Materials Processing in Space， New York & London， Consultants Bureau， 1990
[10] 毕汝昌.空间科学学报，1999，19(增刊):9[Bi R C. Chin. J. Space Sci.， 1999，19(supplement):9(in Chinese)]
[11] 丰美福.空间科学学报，1999，19(增刊):17[Feng M F. Chin. J. Space Sci.， 1999，19(supplement):9(in Chinese)]
