物理與人類文明

物理與人類文明第1頁/共48頁本課程說明:

國家精品課程網(wǎng)站:/k/411/index.html本課程與葉高翔教授共同開設,葉教授主講經(jīng)典物理和量子物理部分,由我主講相對論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙學等等。葉高翔教授:凝聚態(tài)物理專業(yè),從事實驗研究為主盛正卯教授:理論物理和等離子體物理專業(yè),主要從事量子場論和聚變理論與模擬的研究,承擔了多項國家自然科學基金、國家重大專項,"973"項目和高技術(shù)"863"項目等的研究.聚變理論與模擬中心：辦公地點：玉泉校區(qū)教11-412第2頁/共48頁課程的目標：

通過本課程的學習，使同學們對現(xiàn)代科學的基礎(chǔ)——物理學（包括經(jīng)典物理學、量子物理學、相對論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代宇宙學、非線性物理學等以及由此而產(chǎn)生的現(xiàn)代高科技的重大突破）總體上有初步而宏觀的了解；

通過具體實際例子和討論，使同學們了解科學發(fā)展規(guī)律、哲學觀念、思維方式及研究方法；

培養(yǎng)同學們嚴謹?shù)倪壿嫼屯蒲莸壤硇运季S能力；包括用物理學的原理來理解社會科學領(lǐng)域的問題的方法介紹在人類長期科學實踐活動中所逐漸形成的一種文化----科學精神；培養(yǎng)同學們的科學精神。第3頁/共48頁什么是LHC?ITER?

LargeHadronCollider

建造的目標是什么?進展如何？時空是幾維的?第4頁/共48頁是否存在黑洞?

黑洞是否只長大,不會變小?第5頁/共48頁距離地球最近的黑洞在2.4萬光年以外。是V4641Sagitarii雙星之一，它正在慢慢吞噬一顆伴星。當它在1999年噴射狂暴的X射線時，無意中泄露了自己的藏身之地。天文學家原以為這個雙星系統(tǒng)距地球只有1600光年遠，但在2001年的后續(xù)觀測中，發(fā)現(xiàn)它其實距地球2.4萬光年之遙。第6頁/共48頁第7頁/共48頁第四章相對論與現(xiàn)代時空觀

第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)宇宙之磚第六章宇宙的起源及演化第七章非線性物理、科學認識論第八章物理學的未來及其與社會的關(guān)系8第8頁/共48頁AlbertEinsteinin19169第9頁/共48頁第四章相對論與現(xiàn)代時空觀什么是相對論？什么是空間和時間？什么是參照系？什么慣性參照系？相對論有哪些主要結(jié)論？

相對論有實際應用嗎？10第10頁/共48頁第九講

狹義相對論的基本原理及主要結(jié)論11第11頁/共48頁4.1狹義相對論的創(chuàng)立牛頓認為光是由微粒構(gòu)成的，18世紀人們普遍接受了他的結(jié)論。19世紀卻積累了大量的證據(jù)支持光是一種波的說法。1873年麥克斯韋建立的電磁理論指出光是一種電磁波。光波是靠什么作為傳播媒介的呢？它是無孔不入、無處不在的傳播媒質(zhì)──“以太”嗎？12第12頁/共48頁速度迭加13第13頁/共48頁“以太”的漂移A點接收到的光速為B點接收到的光速為邁克爾遜-莫雷實驗始終得到否定的結(jié)論14第14頁/共48頁邁克爾遜-莫雷實驗15第15頁/共48頁4.2狹義相對論的基本原理4.2.1光速不變原理

光在真空中的傳播速度，在所有慣性參照系中均相同。但光在不同介質(zhì)中的傳播速度是可以不一樣的16第16頁/共48頁4.2狹義相對論的基本原理4.2.2

相對性原理

所有的物理規(guī)律在不同的慣性參照系中均一樣乘坐的火車仃在車站上時，有一列原仃靠在相鄰鐵軌上的火車向后駛離車站，您卻覺得自己所乘坐的列車向前開動了17第17頁/共48頁相對性原理伽利略在《關(guān)于兩個世界體系的對話》一書中，借主人翁塞爾維亞蒂之口闡述道：“你和你的朋友被關(guān)進大船甲板下的主艙里，里面還有幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，魚缸里還有幾條魚。然后，將一只水瓶倒掛，讓瓶里的水一滴一滴地滴進下邊的水罐里。船不動時，小飛蟲向著艙內(nèi)各個方向自由飛行，魚向各個方向自由游動，水滴滴進罐子。你扔東西給你的朋友，只要18第18頁/共48頁距離相等，向這個方向不比向另外一個方向用更多的力。你雙腳齊跳，不論向哪個方向跳的距離都一樣。當船以任何速度向任何方向勻速前進，你會發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象沒有絲毫變化。你無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是靜止不動。即使船開得很快，你向船尾跳也不會比向船頭跳得更遠；不論你的朋友在船尾還是在船頭，扔東西給他所用的力還是相同；水滴仍然進下面的罐子，盡管水滴在空中時，船已向前運動了……”19第19頁/共48頁4.3狹義相對論的主要結(jié)論4.3.1

同時的相對性

在車廂上同時發(fā)生的兩件事，在地面上看來并不同時發(fā)生。同時性具有相對性。20第20頁/共48頁4.3.2時間延緩既然同時性是相對的，為什么時間一定是絕對的呢？斜邊為21第21頁/共48頁4.3.2時間延緩民間有一種說法，天上一天人間一年乘坐0.99996247倍光速宇宙飛船航行,則宇航員的一天,在地球上的人們看來就相當于一年。為什么我們在乘坐飛機、火車時沒有感覺到時間延緩？因為速度相對于光速來說太小了乘3倍聲速的超音速飛機，一百年后，時間也只延長了0.015秒22第22頁/共48頁4.3.3長度縮短

23第23頁/共48頁24第24頁/共48頁表明空間也是相對的，在不同參照系有不同的空間結(jié)構(gòu)。在一個參照系看物體是一個正方體，在另一個參照系可能是長方體；在一個參照系是球形，在另一個參照系卻是扁球形的。表明物體的形狀是相對的。25第25頁/共48頁

SPF所化時間為，F(xiàn)D所化時間4.3.4相對論的速度疊加關(guān)系：26第26頁/共48頁27第27頁/共48頁完整的相對論速度變換關(guān)系為:28第28頁/共48頁四維時空中的不變量狹義相對論中，距離和時間在不同的參照系是不同的。然而

是四維時空中的不變量。表明時間和空間不是獨立的，相互間存在聯(lián)系！29第29頁/共48頁

例如前面的離子：在列車看來，發(fā)射到接收發(fā)生在同一地點，在地面看來30第30頁/共48頁4.3.5質(zhì)能關(guān)系在化學反應中，例如氫與氧結(jié)合生成水，水的質(zhì)量等于參加反應的氫和氧的質(zhì)量之和。在反應中放出的熱量，被認為是氫和氧原子中儲存的化學能，在整個反應過程中，能量和質(zhì)量分別守恒。愛因斯坦要使物體運動定律既滿足光速不變和相對性原理，又要求低速下與牛頓定律一致，得到了一個令人意外的結(jié)果：物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為運動能量，能量也可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。31第31頁/共48頁

質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運動質(zhì)量：如正負粒子相互湮滅成光子，而光子只有運動質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量.反之亦然。更多的推論物質(zhì)與能量相互等價質(zhì)能關(guān)系32第32頁/共48頁質(zhì)能轉(zhuǎn)化氫與氧結(jié)合生成水時放出的熱量來源于氫與氧的質(zhì)量和與水的質(zhì)量之差（也稱質(zhì)量虧損）?；瘜W反應的質(zhì)量虧損比例約為一千億分之一到十億分之一。核反應的比例約為一萬分之一到一千分之一。50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。33第33頁/共48頁第一顆原子彈于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆34第34頁/共48頁美國的“小男孩”（左）和“胖子”（右）原子彈35第35頁/共48頁中國核爆炸用塔，高102米中國第一顆原子彈試驗準備上塔36第36頁/共48頁37第37頁/共48頁中國首次核試驗爆心38第38頁/共48頁

當時海外評論：香港評論“新晚報”（1964.10.18）標題“石破天驚是此聲”、“這是幾千年來中國人最值得自豪的一天之一”、“1964年10月16日這幾個字應該用金字記載在中國的歷史上”；香港文匯報說“亞洲有核武器，歷史大翻新”；新加坡報紙說“中國核爆炸是改變世界形勢的壯舉”；法國原總統(tǒng)蓬皮杜說“中國第一顆原子彈爆炸，改變了世界的形勢和中國的地位”。廣大僑胞說“這是所有中國人都值得驕傲的一回事，因為中國人一向為外國人所小看”、“站起來做中國人吧！”。39第39頁/共48頁

香港報紙說，“中華民族不是次等民族，白種人第一的時代已經(jīng)過去”、“中國之月亮原來也是園的”。……“這些知識分子以他們一絲不茍、持之以恒的工作，證明了中華民族是不可低估的?！?/p>

中國人民用最快速度掌握了鎮(zhèn)國之寶－核武器，打破了當時美蘇核壟斷，讓蘇聯(lián)赫魯曉夫下臺，其意義怎么說也不過分。有了它，香港、澳門才能順利回歸；有了它，即使在十分困難時期，也保持了國泰民安、安居樂業(yè)。這標志著一個國家的綜合國力！40第40頁/共48頁靜止質(zhì)量不為零的物體以光速為速度極限,因為將靜止質(zhì)量不為零的物體加速到光速需要無窮大的能量。運動質(zhì)量隨物體的運動狀態(tài)而變化一個物體的運動狀態(tài)在不同的參照系看來是不一樣的，所以物體的質(zhì)量隨參照系而變化：41第41頁/共48頁一些貌似超光速的現(xiàn)象并不是真正的超光速現(xiàn)象42第42頁/共48頁43第43頁/共48頁問題：

什么時候兩個磁鐵構(gòu)成的系統(tǒng)能量更多？答案：(a)合在一起的時候.(b)分開的時候(c)能量不變44第44頁/共48