現(xiàn)代科技概論-物理學(xué).ppt

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論 物理學(xué)AnIntroductiontoModernScienceandTechnology Physics 19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理學(xué)革命PhysicsRevolutionin19C 20C 古典物理學(xué)的頂峰與物理學(xué)危機(jī)Thezenithandcrisisofclassicalphysics 量子力學(xué)奠基人普朗克的老師約利就曾勸說(shuō)普朗克不要學(xué)習(xí)物理 因?yàn)?這門科學(xué)中的一切都已經(jīng)被研究了 只有一些不重要的空白需要被填補(bǔ) 大部分人認(rèn)為 物理學(xué)大廈已經(jīng)最終建成 剩下的工作只是把物理常數(shù)的測(cè)量弄得再準(zhǔn)確一些 古典物理學(xué)的頂峰與物理學(xué)危機(jī)Thezenithandcrisisofclassicalphysics 19世紀(jì)末古典物理學(xué)大廈建成 物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 1886年 美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷進(jìn)行探測(cè)光以太對(duì)于地球的漂移速度的實(shí)驗(yàn) 在人們當(dāng)時(shí)的觀念里 以太代表了一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系 而地球穿過(guò)以太在空間中運(yùn)動(dòng) 就相當(dāng)于一艘船在高速行駛 迎面會(huì)吹來(lái)強(qiáng)烈的 以太風(fēng) 這可能是當(dāng)時(shí)物理史上進(jìn)行過(guò)的最精密的實(shí)驗(yàn)了 但是邁克爾遜和莫雷一連觀測(cè)了數(shù)天 沒(méi)有觀測(cè)到以太的飄移速度 以失敗告終 邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果Michelson Morleyexperiment 難以觀測(cè)到以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng) 這便動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ) 物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 在同樣的溫度下 不同物體的發(fā)光亮度和顏色 波長(zhǎng) 不同 顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng) 比如煤炭對(duì)電磁波的吸收率可達(dá)到80 左右 所謂 黑體 是指能夠全部吸收外來(lái)的輻射而毫無(wú)任何反射和透射 吸收率是100 的理想物體 黑體輻射與紫外災(zāi)難BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe 英國(guó)物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家 天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量 建立起在波長(zhǎng)比較長(zhǎng) 溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式 但是 從瑞利一金斯公式推出 在短波區(qū) 紫外光區(qū) 隨著波長(zhǎng)的變短 輻射強(qiáng)度可以無(wú)止境地增加 而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是趨于零 這部分的嚴(yán)重偏離 被稱為 紫外災(zāi)難 物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 黑體輻射與紫外災(zāi)難BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe 物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn) 相對(duì)論 黑體輻射與紫外災(zāi)難 量子力學(xué) 世紀(jì)之交的物理學(xué)Physicsattheturnofcentury X射線 倫琴 WilhelmConradRoentgen 放射性 居里夫婦 MarieandPierreCurie 電子 湯姆孫 JosephJohnThomson 原子結(jié)構(gòu) 盧瑟福 ErnestRutherford 量子 普朗克 MaxPlanck 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 早在16歲時(shí)愛(ài)因斯坦就在想一個(gè)問(wèn)題 如果一個(gè)人以光速遠(yuǎn)行 他將看到一幅什么樣的世界景象呢 電磁波是不是就像凝固了那樣靜止不動(dòng)呢 如果是那樣 電動(dòng)力學(xué)就完了 看起來(lái) 電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程只對(duì)一個(gè)絕對(duì)靜止不動(dòng)的參考系即以太參考系是成立的 可是這與牛頓力學(xué)所遵從的慣性系等效原理相矛盾 所有的牛頓定律對(duì)于所有的慣性系都是成立的 伽利略恰當(dāng)?shù)胤Q之為相對(duì)性原理 他的著名實(shí)驗(yàn)是 一個(gè)坐在船艙里的人無(wú)論用什么物理實(shí)驗(yàn) 也無(wú)法確定該船是否在相對(duì)于河流做均勻直線運(yùn)動(dòng)即慣性運(yùn)動(dòng) 可是 電動(dòng)力學(xué)為什么不遵從伽利略的相對(duì)性原理呢 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 在伯爾尼專利局的歲月里 愛(ài)因斯坦廣泛關(guān)注著物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài) 在許多問(wèn)題上深入思考 形成了自己獨(dú)特的見(jiàn)解 1905年是科學(xué)史上值得記取的一年 這一年中 愛(ài)因斯坦在德國(guó) 物理學(xué)年鑒 發(fā)表了五篇論文 其中的三篇每篇均屬劃時(shí)代的成就 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 第一篇論文發(fā)表在 物理學(xué)年鑒 第17卷132 148頁(yè) 是關(guān)于光電效應(yīng)的 當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 金屬在光的照射下可以發(fā)射出電子 但奇怪的是 光的強(qiáng)度只與電子的多少有關(guān) 而不能使電子的發(fā)射能量變大 對(duì)這一點(diǎn)古典物理學(xué)無(wú)法解釋 愛(ài)因斯坦將德國(guó)物理學(xué)家普朗克在此之前提出的量子觀點(diǎn)大膽推廣 指出光是由一定能量的光量子組成 正是這些光量子激發(fā)了金屬內(nèi)部的電子 而且 只有一定能量的光量子能被金屬所吸收 并激發(fā)一定能量的電子 這就解釋了光電效應(yīng) 由于這篇論文 愛(ài)因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理獎(jiǎng) 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 第二篇論文發(fā)表在 物理學(xué)年鑒 第17卷549 560頁(yè) 是關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的 布朗運(yùn)動(dòng)是1827年英國(guó)植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的顯微鏡下花粉顆垃的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 長(zhǎng)期以來(lái)得不到解釋 分子運(yùn)動(dòng)論建立之后 曾有人從大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋布朗運(yùn)動(dòng) 但愛(ài)因斯坦第一個(gè)從數(shù)學(xué)上詳盡地解決了這一問(wèn)題 最偉大的成就是第三篇論文 論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué) 刊于 物理學(xué)年鑒 第17卷第89l 921頁(yè) 在這篇論文中 愛(ài)因斯坦提出了他舉世聞名的相對(duì)性理論即相對(duì)論 這是他多年來(lái)思考以太與電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的結(jié)果 他以同時(shí)性的相對(duì)性這一點(diǎn)作為突破口 建立了全新的時(shí)間和空間理論 并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)以完整的形式 論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué) 刊于 物理學(xué)年鑒 第17卷第89l 921頁(yè) 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 慣性參照系等價(jià) 同時(shí)性的相對(duì)性光速不變廣義相對(duì)論 1913 GeneralRelativity 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 等效原理火箭實(shí)驗(yàn) 升降機(jī)實(shí)驗(yàn) 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 鐘慢 發(fā)生在運(yùn)動(dòng)物體上的過(guò)程 在靜止的觀察者看來(lái)都變慢了 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 3 雙生子佯謬 Twinparadox 有一對(duì)雙生兄弟 其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作長(zhǎng)程太空旅行 而另一個(gè)則留在地球 結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后 我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年青 但如果我們從宇宙飛船上的兄弟的角度去想這個(gè)問(wèn)題 我們似乎會(huì)得出矛盾的結(jié)果 旅行者在宇宙飛船中會(huì)看到地球以高速離他而去 然后又高速回來(lái) 他可以認(rèn)為他在地球上的兄弟才是移動(dòng)時(shí)鐘 所以是他的兄弟才會(huì)受時(shí)間膨脹所影響 而不是他自己 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 4 四維時(shí)空 4Dspace time 經(jīng)典力學(xué)中 時(shí)間和空間是互不相干的兩種實(shí)在 而在相對(duì)論中 時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)由洛倫茲變換緊密聯(lián)系在一起 時(shí)間和空間實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)存在緊密聯(lián)系的不可分割的統(tǒng)一體 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對(duì)論 1905 SpecialRelativity 6 質(zhì)能方程 Mass energyequivalence 物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度增加而增加 根據(jù)質(zhì)量是動(dòng)量與速度之比 可以建立質(zhì)量與能量之間的內(nèi)在聯(lián)系 即質(zhì)能關(guān)系式 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對(duì)論 1913 GeneralRelativity 1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論后 他開(kāi)始著眼于如何將引力納入狹義相對(duì)論框架的思考 以一個(gè)處在自由落體狀態(tài)的觀察者的理想實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn) 他從1907年開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)八年的對(duì)引力的相對(duì)性理論的探索 在歷經(jīng)多次彎路和錯(cuò)誤之后 他于1915年11月在普魯士科學(xué)院上做了發(fā)言 其內(nèi)容正是著名的愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程 這個(gè)方程描述了處于時(shí)空中的物質(zhì)是如何影響其周圍的時(shí)空幾何 并成為了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的核心 廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語(yǔ)言描述的引力理論 它代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平 廣義相對(duì)論將經(jīng)典的牛頓萬(wàn)有引力定律包含在狹義相對(duì)論的框架中 并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用等效原理而建立 在廣義相對(duì)論中 引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性 曲率 而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量 動(dòng)量張量直接相聯(lián)系 其聯(lián)系方式即是愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程 一個(gè)二階非線性偏微分方程組 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對(duì)論 1913 GeneralRelativity 小球落到正在加速的火箭的地板上 左 和落到地球上 右 處在其中的觀察者會(huì)認(rèn)為這兩種情形下小球的運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有什么區(qū)別 相對(duì)論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對(duì)論 1913 GeneralRelativity 6 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 等效原理 Mass energyequivalence 廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語(yǔ)言描述的引力理論 它代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平 廣義相對(duì)論將經(jīng)典的牛頓萬(wàn)有引力定律包含在狹義相對(duì)論的框架中 并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用等效原理而建立 在廣義相對(duì)論中 引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性 曲率 而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量 動(dòng)量張量直接相聯(lián)系 其聯(lián)系方式即是愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程 一個(gè)二階非線性偏微分方程