大課課件第01講

1、近代物理學(xué)2011年春光學(xué)近代物理大學(xué)物理通用，2002謀編著，改編版預(yù)計本學(xué)期物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)近代物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)：（Newton）絕對時空觀（Laplace）決定論因果關(guān)系研究對象：低速運動的宏觀物體物理學(xué)的發(fā)展順序力學(xué)相對論電磁學(xué)量子論熱學(xué)時間 t16001700180019005近代物理學(xué)基礎(chǔ)：（Einstein）相對論時空觀統(tǒng)計性因果關(guān)系研究對象：微觀（量子力學(xué)）高速（狹義相對論）宇觀（廣義相對論）為什么要學(xué)代物理學(xué)？影響深遠的物理學(xué)基本觀念的“在本世紀初，發(fā)生了三次概念上的，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是狹義相對論（1905年）、廣義相對論（ 1 9 1 6 年）

2、 和量子力學(xué)（ 1 9 2 5對理論物理學(xué)的影響，1979年）?！钡哪芰﹀憻挵l(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題第一部分近代物理基礎(chǔ)Lord (William Thomson) KelvinBritish Assotion for theAdvancementof Scienpeech 1900There is nothing new to be discoveredin physics now. Allt remains ismore and more precise measurement.Lord (William Thomson) Kelvin Royal Institution 1900 s

3、peech Philosophical Magazine 2(1901)1“The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured bytwo clouds.The involved the question, Howcould the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether?T

4、he second is the Maxwell-Boltzmanndoctrine of partition of energy.”第一章狹義相對論基礎(chǔ)1.1狹義相對論以前的力學(xué)和時空觀選擇不同的參考系，對事件的描述不同考慮火車上相對于火車的一位觀測者，將一個小球從手上作落體運動。落體運動，火車參考系地面參考系小球作小球作平拋運動。物理規(guī)律不因觀測者改變而改變問：前面的例子中所體現(xiàn)的物理規(guī)律是什么？在經(jīng)典力學(xué)中都學(xué)過哪些物理規(guī)律？第二定律慣性參考系關(guān)于和兩大世界體系的1632“和一些朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再讓帶幾只、蝴蝶和其他小飛蟲。艙內(nèi)放一只大水碗，其中放幾條魚。然后，掛上一個水

5、瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐里。船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內(nèi)各方向飛行，魚向各個方向隨便游動，水滴滴進下面的罐子中。你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相等當你仔細地觀察這些事情后，再使船以任何速度前進只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是停著不動即使船運動得相當快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠，雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動你把

6、不論什么東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也并不需要用的力。水滴將像先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾雖然水滴在空中時，船已行駛了許多柞魚在水中游向碗前部所用的力，不比游向水碗后部來得大；它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌最后蝴蝶和將繼續(xù)隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，并不因為它們可能長時間留在空中，脫離了船的運動，為趕上船的運動顯出累的樣子?！?.(Galileo)相對性原理（Classical Relativity）在一個慣性系的所作的任何力學(xué)實驗都不能確定這一慣性系本身是在在作勻速直線運動。狀態(tài)還是一切慣性系對于描寫運動的力學(xué)

7、定律來說是完全等價的，不存在任何一個比其他慣性系更為優(yōu)越的慣性系。一切慣性系中力學(xué)定律都取相同的形式。2.變換（Galilean Transformation）假設(shè)當兩個參考系的坐標原點O,O重合時，分別在兩個參考系中兩個同樣的時鐘都指在零點。且 S系相對于S系的速度為v vex變換及其逆變換 x x vtx x vt y y y yz zz zt tt t3.絕對時間絕對時空觀如果A，B兩個事件在S系看來同時發(fā)生，即 tBtA由變換有tAtB tA tB則tA tB tA tBS系中的時間間隔與S系中所觀察到的時間間隔完全一樣絕對空間如果剛才所說的A，B兩個事件在S系看來在 xA , xBx

8、A , xB處發(fā)生，由處發(fā)生，在S系看來在變換有xAxB xB vtB xA vtA,則若xB那么A4.定律、變換與略相對性原理三者之間的關(guān)系速度是坐標對時間的導(dǎo)數(shù)在S系中，u dx , u dy ,u dzxyzdtdtdt在S系中，u dx , u dy ,u dz xyzdt dt dt u dx dx vdt uvdx dx vdtdt dy dtxxdtdy dy dy uudz dzyydtdt dtuz uz即u u v經(jīng)典力學(xué)中，相對速度絕對速度牽連速度假定 v 不變時a a經(jīng)典力學(xué)認為不同慣性系中觀測到的力F 和質(zhì)量m也都相同，因此在不同的慣性系中力動基本定律都具有第二定律的

9、形式。在經(jīng)典力學(xué)中，第二定律、變換與相對性原理三者是自洽的，相容的，它們之間沒有。1.2電磁場理論建立后呈現(xiàn)的新局面1.(Maxwell)方程組適合于什么參考系？由Maxwell方程組可以導(dǎo)出電場強度滿足波動方程，了光是電磁波，真空中的光速1c 3.0108 m/s0 0但在經(jīng)典力學(xué)中光速可以測出任何值！電磁場只在某個特定的參考系中才滿足這個特定參考系稱為絕對慣性系，又叫以太系方程組，2.邁實驗原理-(Michelson-Morley)實驗設(shè)地球相對以太以 v 運動，以太風(fēng)從右邊吹來。M 21. 在S系觀察光從G1M1：光速 c v 頂風(fēng)光從M1G1 ：光速 c + v 順風(fēng)來回時間M1GG1

10、2llt 12lv2vc 1以太風(fēng)2c v2. 在S系觀察cv 2cc2光從G M ：光速v 2c212v2c2光從M G ：光速2來回時間1 vM 22lt2v2c2M 1G1G2 2l1 2v2c 12cv以太風(fēng)兩束光到望遠鏡的時間差2l2lt t t121/ 2v2v2c 1c 12c2cv cM 2l 2vv2211tc22c2Mc21GG12 lvc3v以太風(fēng)M 2lv 2t c3M1G1G2 光的光程差2 ct lvc2光的光程差3. 將儀器旋轉(zhuǎn)90，變化為v2lv22 c2以太風(fēng)儀的臂長為米，取v在年等于地球繞的實驗中，的軌道速度km/s，光波波長. -7米，干涉條紋移動數(shù)目應(yīng)為

11、N 22 2lv 0.4條c2邁實驗的結(jié)果和影響實驗觀測的結(jié)果沒有觀測到條紋的明顯移動。-邁實驗的零結(jié)果使當時的科學(xué)家處于左右為難的境地：不接受地球不是絕對慣性系地球相對于絕對慣性系在運動，實驗明明又沒有測到這個相對運動！接受地球就是絕對慣性系回到之前的“地心說”若地球確實相對于絕對慣性系在運動，如何解釋實驗沒有測到這個相對運動呢？拖曳理論假設(shè)地球運動帶動附近的以太運動，因此干涉儀相對于以太是的。(Fizeau)實驗及光行差現(xiàn)象但這與。光行差現(xiàn)象光行差現(xiàn)象就是由于地球公轉(zhuǎn)，恒星的表觀位置在一年內(nèi)會發(fā)生變化。如圖a所示,A點是地球, 如果地球不動, 則地球看在S點, 地球以速度v在運行, 則地球

12、看到的在N點,到的NS對A點的為, 在天文學(xué)上稱= arctan (v / c ) = 20.496（角秒）為光行差常數(shù)。光行差現(xiàn)象是由于光速c和地球運行速度v所造成的。(FitzGerald)-收縮和分別在1889年和1892年各自獨立地提出了所謂的“收縮假設(shè)”來解釋“以太漂移”實驗的零結(jié)果。假設(shè)運動物體在運動方向上收縮倍。那1 v2/ c2么 t1中平行于運動方向的臂長l要乘以因子則，1 v2/ c22l2lt t12112v2 2v2c1 c1 22cc顯然：t1 t2所以，條紋與系統(tǒng)相對于以太的運動速度無關(guān)，不論在何種情況下條紋不會移動。因而，孫-實驗的結(jié)論還有一種可能，那就是：以太存

13、在，但該實驗不能檢驗以太的存在；也就是說，以太不存在不是唯一的結(jié)論。為了從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上來解釋長度收縮的原因，認為這種收縮是由物體的分子力引起的。他假定分子力像電力和磁力一樣通過以太而傳遞，平移很可能影響兩個分子或兩個原子之間的作用，其方式有點類似于荷電粒子之間的吸引與排斥。既然固體的形狀和大小最終取決于分子作用的強度，因此物體大小的變化也就會存在。長度收縮假說實驗驗證：按照的長度收縮假說，物體的密度在不同的方向上會有所不同，這樣光通過它時會產(chǎn)生雙折射。1902年瑞利、1904年先后進行了實驗，未發(fā)現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。根據(jù)理論，若電容器的極板與地球的運動方向成一夾角，當電容器充電時，其極板會受到一轉(zhuǎn)動力偶矩的作用，1903勞頓和諾作了實驗，結(jié)果也是否定的。這些實驗都是二階效應(yīng)，說明在二階近似的條件下，也發(fā)現(xiàn)不了地球運動對電磁現(xiàn)象的影響，僅用“長度收縮”假說難以說明問題。雖然提出了變換方程，但是他是先驗地提出這組方程，而且把變換方程作為一種純粹的數(shù)學(xué)，他把變換出來的坐標x, y, z,t 中的 t叫做“地方時”，并認為它只不過是個數(shù)學(xué)的輔助量，而不是真正的時間，他認為真實的、普遍的空間和時間坐標