物理学简史.说课讲解.ppt

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1、物理学简史.阿基米德u 杠杆原理：给我一个支点，我就能撬起地球。u 浮力定律：物体在浮体中所受的浮力，等于物体所排u 开的浮体的重量。u 反射定理：一光的反射角等于一光的射入角。u 杠杆原理杠杆内部的固定点称为“支点”。使杠杆旋转的力F叫做“动力”，是输入力。动力作用于杠杆的位置叫做“动力点”。阻碍杠杆旋转的力F叫做“阻力”，是输出力。阻力作用于杠杆的位置叫做“阻力点”。从支点到动力作用线的垂直距离D叫做“动力臂”。从支点到阻力作用线的垂直距离D叫做“阻力臂”。对于理想杠杆案例，输入杠杆的功率等于杠杆输出的功率。输出力与输入力之间的比率，等于这两个作用力分别与支点之间垂直距离的反比率，称这相等

2、式为“杠杆原理”，以方程表达：FD=FD浮力原理u国王请金匠用纯金打造了一顶纯金王冠，做好了以后，国王怀疑金匠不老实，可能造假掺了“银”在里面，但是又不能把王冠毁坏来鉴定。怎样才能检验王冠是不是纯金的呢？阿基米德想了好久，一直没有好方法。有一天，他在洗澡的时候发现，当他坐在浴盆里时水位上升了，这使得他想到了：“上升了的水位正好应该等于王冠的体积，所以只要拿与王冠等重量的金子，放到水里，测出它的体积，看看它的体积是否与王冠的体积相同，如果王冠体积更大，这就表示其中造了假，掺了银。”阿基米德想到这里，不禁高兴的从浴盆跳了出来，光着身体就跑了出去，还边跑边喊“尤里卡！尤里卡！”（希腊语：“我发现了！

3、”现代世界上最著名的发明博览会就是以“尤里卡”命名的）。果然经过证明之后，王冠中确实含有其他杂质，阿基米德成功的揭穿了金匠的诡计，国王对他当然是更加的信服了。亚里士多德u 亚里士多德：提出世间万物都是由水火土气，以太构u 构成的。认为一物需要不断的施力才会运动 认u 为物质下落速度与质量呈正比。认为不存在绝对u 空间填满物质，作为力的介质，不存在超距作用。u 赞成托勒密的地球（当时已提出地是球）是宇宙的中u 心理论等等五元素说u土：又冷又干燥，对应现代固体概念。u水：又冷又潮湿，对应现代液体概念。u火：又热又干燥，对应现代热量概念。u气：又热又潮湿，对应现代气体概念。u以太：构成天球和天体（恒

4、星和行星）的神圣物质。u地球上的四种元素都有其自然的地方；地球是宇宙的中心，接着是水、空气、然后是火。这些元素也会进行自然的运动，不需任何外界的动力。因此人的躯体会沉入水中、水会随着空气蒸发、蒸发后的水汽随着雨降下、火可以在空气中燃烧，这些元素有着永恒的运动循环。德谟克利特和毕达哥拉斯u 德谟克利特：提出原子假说，认为万物皆原子构成。u 亚里士多德反对其观点。u 毕达哥拉斯：发现勾股定理，无理数。本人不相信无u 理数的存在。其徒却宣布毕达哥拉斯发现2的平方根是u 无理数，毕达哥拉斯将其淹死。中世纪时期u013世纪，誉为黑暗时期，千余年久，整个世界竟然没有大的物理学研究成果，教会势力极大，压迫人

5、们相信古希腊的学说，尤其是亚里士多德的学说，而他的学说恰恰是错的。推翻托勒密！u 哥白尼认为地球，及其他行星是围着太阳转的！u 太阳是宇宙的中心。u 为了纪念这位伟大的科学家，将112号元素命名为u 鎶。推翻亚里士多德！u伽利略发现在忽略空气阻力的情况下，物质的下u落速度与质量无关！并且用望远镜发现地球u围绕太阳转。u霍金：“如果我能回到过去，我会去看伽利略，当他将望远镜对向夜空时。”u伽利略发现，自由落体时，物质呈加速度下坠。u发现惯性。u发现伽利略变换约翰内斯开普勒u发现开普勒三大定律，以及开普勒定律，成为证u明宇宙大爆炸的最佳证据。u施影响于牛顿开普勒三大定律u开普勒第一定律，也称椭圆定

6、律、轨道定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。u开普勒第二定律，也称等面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。u开普勒第三定律，也称周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是艾萨克牛顿的万有引力定律的一个重要基础。u自然和自然的法则隐藏在黑暗之中。u上帝说：让牛顿出世吧，u于是一切豁然开朗。u 亚历山大蒲柏艾萨克牛顿u万有引力的发现者，三大运动定律发现者。u阐明动量与角动量守恒，认为时

7、空间是绝对u的。认为力是瞬时作用。发现白光是由可见u光谱叠加而成的。认为光是粒子牛顿三大运动定律u牛顿第一运动定律（Newtons first law of motion）表明，除非有外力施加，物体的运动速度不会改变。根据这定律，假设没有任何外力施加或所施加的外力之和为零，则运动中物体总保持匀速直线运动状态，静止物体总保持静止状态。物体所显示出的维持运动状态不变的这性质称为惯性。所以，这定律又称为惯性定律。物体的惯性与其质量有关。u牛顿第二运动定律（Newtons second law of motion）说明了物体的加速度与物体所受的净力成正比，并和物体的质量成反比。而物体加速度的方向与净力

8、的方向相同。以物理学的观点来看，牛顿第二定律亦可以表述为“物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比”。即动量对时间的一阶导数等于外力之和。u牛顿第三定律（Newtons third law）表明，当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反。力必会成双结对地出现：其中一道力称为“作用力”；而另一道力则称为“反作用力”，又称“抗力”；两道力的大小相等、方向相反。它们之间的分辨，是纯然任意的；任何一道力都可以被认为是作用力，而其对应的力自然地成为伴随的反作用力。这成对的作用力与反作用力称为“配对力”。托马斯杨u通过双缝实验，证明光的波性，推翻了牛顿的u观点。夏尔奥古斯丁德库

9、仑u发现库伦定律：u在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距u离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方u向在它们的连线上，同号电荷相斥，异号电荷相u吸。安德烈马里安培u提出了安培定则即右手螺旋定则。随后很快在几个月之内连续发表了3篇论文，并设计了9个著名的实验，总结了载流回路中电流元在电磁场中的运动规律，即安培定律。1821年安培提出分子电流假设，第一次提出了电动力学这一说法。u 安培是电动力学中的牛顿。u 詹姆斯麦克斯韦热力学u开尔文勋爵：发明绝对温标。发现且公式化热u力学一，二定律。u鲁道夫克劳修斯：创造熵的概念，对热力学和黑洞u的研究有极其深远的影响。热力学四大定律u热力学第零定律：

10、在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态。这个定律说明，互相处于热平衡的物体之间必然具有相等的温度。u热力学第一定律：能量守恒定律对非孤立系统的扩展。此时能量可以以功W或热量Q的形式传入或传出系统。u热力学第二定律：熵增定理：孤立系统熵不会减少简言之，热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其他变化。任何高温的物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。u热力学第三定律：完整晶体于绝对温度零度时（即摄氏-273.15度），熵皆为零。詹姆斯克拉克麦克斯韦u创建麦克斯韦方程组，统一光电磁。麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组的解释迈克尔法拉第u制造了世界上最简

11、单的电池之一的电池。u发现了磁力线。u创造了场的概念。是经典场论的创始人。u爱因斯坦的房间里挂着三幅人物像：麦克斯韦、u牛顿、法拉第玛丽居里u发现放射性，找出了核迁变的原因。u唯一一个获得两次获得诺贝尔奖的女性。u第一个获得诺贝尔奖的女性。约瑟夫汤姆森u发现电子，发现电子的波粒二象性，化学上，u发现了同位素欧尼斯特卢瑟福u发现原子核，发现一堆电子围着原子核转，u发现质子。量子力学的发展u马克思普朗克提出量子论，是量子力学跨出u的第一步。量子力学最重要的常量：普朗克u常量，就是他发现的。光子的发现u爱因斯坦通过光电效应发现了光可以描述为一个个u粒子组成的，将这些粒子命名为光子。德布罗意假说波粒二

12、象u结合爱因斯坦的光量子，和杨的双缝实验，给出了波粒u二象性的假说：量子既是波，又是粒。对量子力学后来u的发展有极其深远的影响。推翻卢瑟福玻尔模型u建立在电子的波粒二象性及概率的情况下，建立了u玻尔模型。提出哥本哈根诠释和互补性原理。薛定谔和他的波动力学u提出薛定谔方程，波动力学的创始人。u 波动力学是量子力学的一种表述形式，主要是以u波函数及其模数的平方去表示物体的状态及该状态出u现的概率。对于波函数随时间的变化，是遵从薛定谔u方程式。u并且提出薛定谔猫。海森堡和他的矩阵力学u提出矩阵力学，提出：“不确定性原理”mxp普朗克常量u矩阵力学是量子力学其中一种的表述形式，它是由海森u堡、玻恩和约

13、尔当于1925年完成的。矩阵力学的思想出发点是针对玻u尔模型中许多观点，诸如电子的轨道、频率等，都不是可以直接观察u的。反之，在实验中经常接触到的是光谱线的频率、强度、偏极化，u以及能阶。海森堡计划创造一个理论，只是用光谱线的频率、强度、偏极化等观念。他的做法是受到爱因斯坦在相对论中对时间、空间作“操作定义”分析的影响。泡利不相容原理u泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）u表明，两个全同的费米子不能处于相同的量子u态。这原理是由沃尔夫冈泡利于1925年通过u分析实验结果得到的结论。例如，由于电子是u费米子，在一个原子里，每个电子都拥有独特u的一组量子数，两个电子

14、各自拥有的一组量子u数不能完全相同，假若它们的主量子数，角量u子数，磁量子数分别相同，则自旋磁量子数必定不同，它们必定拥有相反的自旋磁量子数。换句话说，处于同一原子轨道的两个电子必定拥有相反的自旋方向。泡利不相容原理简称为泡利原理或不相容原理。量子纠缠-上帝效应u最早被爱因斯坦等人观察到，是薛定谔命名，u在量子力学里，两个粒子在经过短暂时间彼此耦合后，单u独搅扰其中任意一个粒子会不可避免地影响到另一个粒子u的性质，尽管粒子与粒子之间可能相隔很长一段距离，u这种关联现象称为量子纠缠（quantum entanglement）u像光子、电子一类的微观粒子，或者像分子、巴克明斯特u富勒烯、甚至像小钻

15、石一类的介观粒子，都可以观察到量u子纠缠现象。由两个以上粒子组成的量子系统也可能会发u生量子纠缠。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。量子隧穿u 量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect），是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程。假若条件恰当，任何波动方程都会显示出衰减波耦合效应。数学地等价于量子隧穿效应的波耦合效应也会发生于其它状况。例如，遵守麦克斯韦方程组的光波或微波；遵守常见的非色散波动方程的绳波或声波。若要使隧穿效应发生，必须有一个 2 型介质的薄区域，像三明治一般，夹在两个1型介质的区域。2型介质的波动方程必须容

16、许实值指数函数解（上升指数函数或下降指数函数），而1型介质的波动方程则必须容许行进波解。在光学里，1型介质可能是玻璃，而2型介质可能是真空。在量子力学里，从粒子运动这方面来说，1型介质区域是粒子总能量大于位能的区域，而 2 型介质是粒子总能量小于位能的区域（称为位势垒）。假若条件恰当，从1型介质区域入射至2型介质区域，行进波的波幅会穿透过 2 型介质区域，再以进行波的形式，出现于第二个 1 型介质区域。在量子力学里，穿透过的波幅可以合乎物理地解释为行进粒子。遵守薛定谔波动方程，穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率给出了粒子隧穿的透射系数，也就是其透射概率。对于遵守其它种波动方程的光

17、波、微波、绳波、声波等等，穿透波幅可以物理地解释为行进能量，而穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率则给出了穿透能量和入射能量的比率。量子跃迁u量子跃迁，是一个量子物理学中的术语。它是指电子从原子的一个轨道跳跃到另一个轨道上的过程，这一过程是不连续的，也就是不存在电子处于两个轨道之间的状态。其原因是因为波尔模型中轨道上电子概率振幅较大量子与电磁QEDu量子电动力学，简称QED是被狄拉克提出，将电磁学u量子化。所得到的一门科学，其重要奠基人是狄拉克u费曼、朝永振一郎等这是量子场论的第一步。路径的积分u路径积分，理查德费曼提出此方法，以解释量子u们拥有位置速度路程的不确定性，但是在现实中

18、u却没有到处飞的方法。路径积分表述（英语：pathu integral formulation）是一个从经典力学里的作用u原则延伸出来对量子物理的一种概括和公式化的方u法。它以包括两点间所有路径的和或泛函积分而得到的量子幅来取代经典力学里的单一路径。量子与强相互作用QCDu量子色动力学，简称QCD，是量子场论跨出的第二步。由格娄斯以首的一群人开创了此学。其场论由杨振宁和米尔斯研究的杨-米尔斯场描述，被誉为麦克斯韦场的接班人。相对论的发展u阿尔伯特爱因斯坦认为时空中没有绝对的速度。他将u这一概念发展，形成狭义相对论。狭义相对论让我们推翻牛顿u狭义相对论（英文：Special Theory of

19、Relativity）是由爱因斯坦、洛仑兹和庞加莱等人创立的，应用在惯性参考系下的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦在1905年完成的论动体的电动力学论文中提出了狭义相对论。u到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。u为解决这一矛盾，物理学家提出了“以太假说”，即放弃相对性原理，认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系（以太）成立。根据这一假说，由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系（以太）的速度；在相对于“以太

20、”运动的参考系中，光速具有不同的数值u但斐索实验和迈克耳孙-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。该实验结果否定了以太假说，表明相对性原理的正确性。洛伦兹把伽利略变换修改为洛伦兹变换，在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组具有相对性原理所要求的协变性。洛伦兹的假说解决了上述矛盾，但他不能对洛伦兹变换的物理本质做出合理的解释。随后数学家庞加莱猜测洛伦兹变换和时空性质有关。u爱因斯坦意识到伽利略变换实际上是牛顿经典时空观的体现，如果承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实为基本原理，可以建立起一种新的时空观（相对论时空观）。在这一时空观下，由相对性原理即可导出洛伦兹变换。1905年，爱因斯坦发表论文论动体的

21、电动力学，建立狭义相对论，成功描述了在亚光速领域宏观物体的运动。狭义相对论的基础洛伦兹变换u洛伦兹变换是观测者在不同惯性参照系之间对物理量进行u测量时所进行的转换关系，在数学上表现为一套方程组。u洛伦兹变换因其创立者荷兰物理学家亨德里克洛伦兹u而得名。洛伦兹变换最初用来调和19世纪建立起来的经典电动力学同牛顿力学之间的矛盾，后来成为狭义相对论中的基本方程组。洛仑兹变换说明了什么u洛仑兹变换说明了，一个物体在运动时，长度会缩小，质量会增大，时间会变慢。u说明了时、空是纠缠的。u说明了超越光速。质量，长度等于负数，时间会反演。质能等价uE=mc（读作E等于mc 平方，亦称质能转换公式或质能方程）是

22、一种阐述能量（E）与质量（m）间相互关系的理论物理学公式，公式中的c是物理学中代表光速的常数。u该公式表明物体相对于一个参照系静止时仍然有u能量，这是违反牛顿系统的，因为在牛顿系统中u，静止物体是没有能量的。这就是为什么物体的u质量被称为静止质量。公式中的E可以看成是物体总能量，它与物体总质量（该质量包括静止质量和运动所带来的质量）成正比，只有当物体静止时，它才与物体的（静止）质量（牛顿系统中的质量）成正比。这也表明物体的总质量和静止质量不同。反过来讲，一束光子在真空中传播，其静止质量是0，但由于它们有运动能量，因此它们也有质量。质能等价说明了什么u说明了物质和能量是一种东西，不过一种冷些，一

23、种热点儿。u说明了核武器或反物质爆炸的时候不要站在旁边。闵可夫斯基时空u在洛仑兹变换的基础上，闵可夫斯基提出了他的时空，即在洛仑兹变换的基础上，提出了第四维，并认为时间在第四维上运动。即闵可夫斯基时空。是广义相对论的基础。广义相对论代替万有引力理论。u爱因斯坦在1907年开始研究广义相对论，这是一个u用来描述引力的理论。什么是广义相对论u 广义相对论是阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，

24、引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。u 从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流易、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。推翻欧几里德黎曼几何u微分几何中，黎曼几何研究具有黎曼度量的光滑u流形，即流形切空间上二次形式的选择。它特

25、别u关注于角度、弧线长度及体积。把每个微小部分u加起来而得出整体的数量。19世纪，波恩哈德黎u曼把这个概念加以推广。任意平滑流形容许黎曼u度量及这个额外结构帮助解决微分拓扑问题。它成为伪黎曼流形复杂结构的入门。其中大部分都是广义相对论的四维研究对象。u是广义相对论的基础。爱因斯坦场方程u建立在黎曼几何的基础上，将引力u描述为时空的翘曲。正如铅球放在u蹦床上会翘曲。太阳放在宇宙中时u时空会翘曲。其曲率如右。让我们打住u 不知道读者是否注意，相对论描述的是极其宏观的时空，却不能对量子微观进行描述；量子力学描述的是极其微观的时空，却不能对宏观物体进行描述。u 那么，是否存在一个既可以描写宏观，又可以

26、描写微观的“万物至理”呢？寻找万物至理u晚年的爱因斯坦企图寻找万有理论，然而最终还是u失败了。卡鲁扎-克莱因理论u物理学中，卡鲁扎-克莱因理论（KaluzaKlein theory，有时简称为KK theory）是一个试图统一重力与电磁两大基本力的理论模型。此理论最初由数学家西奥多卡鲁扎于1921年所发表。他将广义相对论推广到五维的时空。所得方程式可以分成好几组方程式，其中一个与等价于爱因斯坦场方程式，另外一组方程式则等价于描述电磁场的马克士威方程组。此外，还多出一个标量场五维度规张量之分量 g55，其对应粒子称之为“辐子（暂译）”（radion）。量子引力u经典描述下的引力，是由爱因斯坦于1

27、916年建立的广义相对论成功描述的。该理论透过质量对于时空曲率的影响(爱因斯坦方程)而对水星近日点岁差偏移、引力场下光线红移、光线弯折等三种问题提出了完满的解释，并且至今为止在天文学的观测上，实验数据与广义相对论预测值的相符程度远高于其他竞争理论。因此，广义相对论描述经典引力的正确性很少有人怀疑。另一方面，量子力学从狄拉克建立了相对论性量子力学的狄拉克方程开始，扩充成量子场论的各种形式。其中包括了量子电动力学与量子色动力学，成功地解释了四大基本力中的三者-电磁力、原子核的强力与弱力的量子行为，仅剩下引力的量子性尚未能用量子力学来描述。除了未能达成对于引力量子(引力子)的描述之外，两个成功的理论

28、在根本架构上也有冲突之处：量子场论是建构在广义相对论的平坦时空下基本力的粒子场上。如果要透过这种相同模式来对引力场进行量子化，则主要问题是在广义相对论的弯曲时空架构，无法一如以往透过重整化的数学技巧来达成量子化描述，亦即引力子会互相吸引，而当把所有反应加总常会得到许许多多的无限大值，没办法用数学技巧得到有意义的有限值；相对地，例如量子电动力学中对于光子的描述，虽然仍会出现一些无限大值，但为数较少可以透过重整化方法可以将之消除，而得到实验上可量到的、具有意义的有限值。至于实验方面，很遗憾，量子引力所探讨的能量与尺度乃是目前实验室条件下无法观测得到的，有些学者提出一些观点可能可以透过天文学上的观测

29、来检验，但仍属少数特例。因此希望从实验观测得到一些关于量子引力理论发展上的提示，现阶段仍属不可行。推导量子引力理论的一般方法是假设这个理论是简单优雅的，然后回头看看现前的理论，找寻对称性及提示以想办法优雅地合并它们成为一个更加普适的理论。这方法的一项问题是没人可以肯定量子引力是否会是一个简单优雅的理论。弦理论的发展欧拉函数，由维内奇诺于1968年发现。本来是为了解决强相互作用的问题。然而他不知道他发现了什么高大上的东西。而且铃木真彦也几乎在同一时间发现此函数函数导论u伦纳德萨斯坎德。通过欧拉函数，发现u此函数预言了一种奇怪的，如丝般振动的u粒子。玻色之弦u玻色弦理论，该理论只能描写标量玻色子，

30、所以被批斗得很惨。然而有一群科学家们并没有放弃弦论。超对称u超对称是费米子和玻色子之间的一种对称性，该对称性至今在自然界中尚未被观测到。物理学家认为这种对称性是自发破缺的。大型强子对撞机将会验证粒子是否有相对应的超对称粒子这个疑问。超弦理论u超弦理论（英语：Superstring Theory），属于弦理论的一种,有五个不同的超弦理论，也指狭义的弦理论。是一种引进了超对称的弦论，其中指物质的基石为十维时空中的弦。通过超对称，成功的描述了费米子。第二次弦危机u超弦理论一分为五，变成五种弦。而五种弦恰好都是正确的。那弦理论自己都无法统一，何谈统一其他呢？M理论u爱德华威滕，给出多出1维，得到11维，的方u法，统一了弦理论。即M理论。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢