現(xiàn)代科技概論-物理學.ppt

現(xiàn)代科學技術概論 物理學AnIntroductiontoModernScienceandTechnology Physics 19世紀末20世紀初的物理學革命PhysicsRevolutionin19C 20C 古典物理學的頂峰與物理學危機Thezenithandcrisisofclassicalphysics 量子力學奠基人普朗克的老師約利就曾勸說普朗克不要學習物理 因為 這門科學中的一切都已經(jīng)被研究了 只有一些不重要的空白需要被填補 大部分人認為 物理學大廈已經(jīng)最終建成 剩下的工作只是把物理常數(shù)的測量弄得再準確一些 古典物理學的頂峰與物理學危機Thezenithandcrisisofclassicalphysics 19世紀末古典物理學大廈建成 物理學晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 1886年 美國物理學家邁克爾遜和莫雷進行探測光以太對于地球的漂移速度的實驗 在人們當時的觀念里 以太代表了一個絕對靜止的參考系 而地球穿過以太在空間中運動 就相當于一艘船在高速行駛 迎面會吹來強烈的 以太風 這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了 但是邁克爾遜和莫雷一連觀測了數(shù)天 沒有觀測到以太的飄移速度 以失敗告終 邁克爾遜 莫雷實驗的零結果Michelson Morleyexperiment 難以觀測到以太的絕對運動 這便動搖了經(jīng)典物理學和經(jīng)典時空觀的基礎 物理學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 不同 顏色深的物體吸收輻射的本領比較強 比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80 左右 所謂 黑體 是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射 吸收率是100 的理想物體 黑體輻射與紫外災難BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe 英國物理學家瑞利和物理學家 天文學家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量 建立起在波長比較長 溫度比較高的時候和實驗事實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) 隨著波長的變短 輻射強度可以無止境地增加 而實驗數(shù)據(jù)是趨于零 這部分的嚴重偏離 被稱為 紫外災難 物理學晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 黑體輻射與紫外災難BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe 物理學晴朗天空中的兩朵烏云Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds 邁克爾遜 莫雷實驗 相對論 黑體輻射與紫外災難 量子力學 世紀之交的物理學Physicsattheturnofcentury X射線 倫琴 WilhelmConradRoentgen 放射性 居里夫婦 MarieandPierreCurie 電子 湯姆孫 JosephJohnThomson 原子結構 盧瑟福 ErnestRutherford 量子 普朗克 MaxPlanck 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 早在16歲時愛因斯坦就在想一個問題 如果一個人以光速遠行 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呢 如果是那樣 電動力學就完了 看起來 電動力學的麥克斯韋方程只對一個絕對靜止不動的參考系即以太參考系是成立的 可是這與牛頓力學所遵從的慣性系等效原理相矛盾 所有的牛頓定律對于所有的慣性系都是成立的 伽利略恰當?shù)胤Q之為相對性原理 他的著名實驗是 一個坐在船艙里的人無論用什么物理實驗 也無法確定該船是否在相對于河流做均勻直線運動即慣性運動 可是 電動力學為什么不遵從伽利略的相對性原理呢 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 在伯爾尼專利局的歲月里 愛因斯坦廣泛關注著物理學界的前沿動態(tài) 在許多問題上深入思考 形成了自己獨特的見解 1905年是科學史上值得記取的一年 這一年中 愛因斯坦在德國 物理學年鑒 發(fā)表了五篇論文 其中的三篇每篇均屬劃時代的成就 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 第一篇論文發(fā)表在 物理學年鑒 第17卷132 148頁 是關于光電效應的 當時人們已經(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 光的強度只與電子的多少有關 而不能使電子的發(fā)射能量變大 對這一點古典物理學無法解釋 愛因斯坦將德國物理學家普朗克在此之前提出的量子觀點大膽推廣 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 由于這篇論文 愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理獎 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 第二篇論文發(fā)表在 物理學年鑒 第17卷549 560頁 是關于布朗運動的 布朗運動是1827年英國植物學家布朗發(fā)現(xiàn)的顯微鏡下花粉顆垃的無規(guī)則運動 長期以來得不到解釋 分子運動論建立之后 曾有人從大量分子無規(guī)則運動的觀點解釋布朗運動 但愛因斯坦第一個從數(shù)學上詳盡地解決了這一問題 最偉大的成就是第三篇論文 論動體的電動力學 刊于 物理學年鑒 第17卷第89l 921頁 在這篇論文中 愛因斯坦提出了他舉世聞名的相對性理論即相對論 這是他多年來思考以太與電動力學問題的結果 他以同時性的相對性這一點作為突破口 建立了全新的時間和空間理論 并在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式 論動體的電動力學 刊于 物理學年鑒 第17卷第89l 921頁 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 慣性參照系等價 同時性的相對性光速不變廣義相對論 1913 GeneralRelativity 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 等效原理火箭實驗 升降機實驗 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 鐘慢 發(fā)生在運動物體上的過程 在靜止的觀察者看來都變慢了 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 3 雙生子佯謬 Twinparadox 有一對雙生兄弟 其中一個跨上一宇宙飛船作長程太空旅行 而另一個則留在地球 結果當旅行者回到地球后 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問題 我們似乎會得出矛盾的結果 旅行者在宇宙飛船中會看到地球以高速離他而去 然后又高速回來 他可以認為他在地球上的兄弟才是移動時鐘 所以是他的兄弟才會受時間膨脹所影響 而不是他自己 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 4 四維時空 4Dspace time 經(jīng)典力學中 時間和空間是互不相干的兩種實在 而在相對論中 時間坐標和空間坐標由洛倫茲變換緊密聯(lián)系在一起 時間和空間實際上構成了一個存在緊密聯(lián)系的不可分割的統(tǒng)一體 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 狹義相對論 1905 SpecialRelativity 6 質(zhì)能方程 Mass energyequivalence 物體的質(zhì)量隨其運動速度增加而增加 根據(jù)質(zhì)量是動量與速度之比 可以建立質(zhì)量與能量之間的內(nèi)在聯(lián)系 即質(zhì)能關系式 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對論 1913 GeneralRelativity 1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論后 他開始著眼于如何將引力納入狹義相對論框架的思考 以一個處在自由落體狀態(tài)的觀察者的理想實驗為出發(fā)點 他從1907年開始了長達八年的對引力的相對性理論的探索 在歷經(jīng)多次彎路和錯誤之后 他于1915年11月在普魯士科學院上做了發(fā)言 其內(nèi)容正是著名的愛因斯坦引力場方程 這個方程描述了處于時空中的物質(zhì)是如何影響其周圍的時空幾何 并成為了愛因斯坦的廣義相對論的核心 廣義相對論是愛因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論 它代表了現(xiàn)代物理學中引力理論研究的最高水平 廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中 并在此基礎上應用等效原理而建立 在廣義相對論中 引力被描述為時空的一種幾何屬性 曲率 而這種時空曲率與處于時空中的物質(zhì)與輻射的能量 動量張量直接相聯(lián)系 其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程 一個二階非線性偏微分方程組 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對論 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認為這兩種情形下小球的運動軌跡沒有什么區(qū)別 相對論 世界圖景的重建Theoryofrelativity reconstructingthepictureoftheworld 廣義相對論 1913 GeneralRelativity 6 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 等效原理 Mass energyequivalence 廣義相對論是愛因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論 它代表了現(xiàn)代物理學中引力理論研究的最高水平 廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中 并在此基礎上應用等效原理而建立 在廣義相對論中 引力被描述為時空的一種幾何屬性 曲率 而這種時空曲率與處于時空中的物質(zhì)與輻射的能量 動量張量直接相聯(lián)系 其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程 一個二階非線性偏微分方程