第四章 现代自然科学--物理学.ppt
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1、第四章 现代自然科学的发展 第一节 现代物理学的发展 本节要点实验物理学的新发现2相对论的诞生4物理学上空的两朵乌云3 1经典物理学的危机3 3量子力学的创立3 52 2物理学上空的两朵乌云3 13 3第一朵乌云:以太漂移实验n n开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。n n物理学家们认为,电磁传播的媒介是以太。问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如,它有重量吗?它对物体的运动会产生阻力吗?它的密度有多大?对这些问题都非常难于回答。迈克尔逊莫雷实验4 4第二朵乌云黑体辐射与“紫外灾难”n n在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强,比如煤炭对电
2、磁波的吸收率可达到80左右。n n所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射,吸收率是100的理想物体。5 5普朗克公式普朗克公式-与实验吻合很好与实验吻合很好瑞利一金斯公式瑞利一金斯公式:-紫外灾难紫外灾难6 6“紫外灾难”n n 英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是,从瑞利一金斯公式推出,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,而实验数据是趋于零,这部分的严重偏离,被称为“紫外灾难”。7 7“紫外灾难”n n “紫外灾难”无可怀疑地表明经典物理
3、学理论在黑体辐射问题上的失败,所以这也是整个经典物理学的“灾难”。无怪乎凯尔文要把它说成是经典物理学晴朗天空上的两朵乌云之一。8 8实验物理学的新发现21.发现光n n1895年,物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中,意外发现了X光。X光的发现,不仅揭开了物理学革命的序幕,也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。10102.发现放射性n n 在对在对X X光的研究中,物理学光的研究中,物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素家贝克勒尔发现只要有铀元素存在,就有贯穿辐射产生,由存在,就有贯穿辐射产生,由此证明,发射这种射线是铀原此证明,发射这种射线是铀原子自身的作用。子自
4、身的作用。19031903年,贝克年,贝克勒尔与皮埃勒尔与皮埃居里和居里夫人居里和居里夫人因发现放射线荣获诺贝尔物理因发现放射线荣获诺贝尔物理学奖。学奖。1111 19111911年,她因年,她因发现两种新元素而发现两种新元素而再度获诺贝尔奖。再度获诺贝尔奖。这一次是化学奖。这一次是化学奖。化学家们终于承认化学家们终于承认了居里夫人的工作。了居里夫人的工作。她成了第一位两次她成了第一位两次获诺贝尔奖殊荣的获诺贝尔奖殊荣的人物。人物。1212发现射线n n卢瑟福卢瑟福18981898年发现铀和铀的化年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同合物所发出的射线有两种不同类型:一种是极易吸收的,他类型
5、:一种是极易吸收的,他称之为称之为射线;另一种有较强射线;另一种有较强的穿透能力,他称之为的穿透能力,他称之为射线。射线。后来法国化学家维拉尔又发现后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射具有更强穿透本领的第三种射线线射线。射线。13133.发现电子n n电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的,阴极射线究竟是什么?物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置,证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的,并推算出其质量和电荷比值1414经典物理学的危机3 3十九世纪末的物理学危机n n在世纪交替时,经典物理学领域中,几乎所有的原理、基本概念都受到怀疑和重新审查,如物质的不灭性、能量守恒性、原子
6、的不可分割和不变性、时空的绝对性、运动的连续性。1616相对论的诞生418181919 在伯尔尼专利局的岁月里,爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记取的一年,这一年中,爱因斯坦在德国物理学年鉴发表了五篇论文,其中的三篇每篇均属划时代的成就。2020n n一篇论文发表在物理学年鉴第17卷第132148页,是关于光电效应的。n n第二篇论文发表在物理学年鉴第17卷第549560页,是关于布朗运动的。n n最伟大的成就是第三篇论文论动体的电动力学,刊于物理学年鉴第17卷第891921页。在这篇论文中,爱因斯坦提出了他举世闻名的相
7、对性理论即相对论。2121论动体的电动力学,刊于物理学年鉴第17卷第89l一921页。2222 以太概念不再是必要的,以太漂移问题也不再存在。如果迈克尔逊的实验导致了零结果,那么它正是一次成功的实验,证明所谓以太漂移根本就是虚幻的。2323 何谓同时性的相对性?不同地点的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?这个问题看似平常,却至关重要。2424 设AB两地各发生了一个事件(如发生了一次闪光),在AB的中点C处的观察者,由AB两地发来的光信号同时到达这一点,推测两事件是同时发生的。按定义,它也的确是同时发生的,因此地面上的每一位静止的观察者均会同意。A AC CB B2525 但一个由A向B运
8、动的观察者却不同意,因为也是在C点,他却发现B点的闪光先于A点到达,按定义,B事件先于A事件,它们是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学所引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。A AC CB B2626狭义相对论的理论体系n n 基本假定:n n 1、狭义相对性原理(物理定律在一切惯性参考系中是平权的)n n 2、光速不变原理(真空中光速不因光源的运动而变,永远是30万公里/秒,即迈克尔逊莫雷的实验结果)2727狭义相对论的理论体系 几个推论:几个推论:1 1、钟慢效应、钟慢效应(已被实验证实)已被实验证实)2 2、尺缩效应(无法在实验中证实)、
9、尺缩效应(无法在实验中证实)3 3、光速是物质运动的极限速度、光速是物质运动的极限速度 4 4、相对论力学还可以还原为牛顿力学(低速时)、相对论力学还可以还原为牛顿力学(低速时)质量可变、质能关系式质量可变、质能关系式 E=MCE=MC2 2(原子弹爆炸)原子弹爆炸)2828钟慢效应2929尺缩效应3030光速不变原理3131质量可变32323333双生子宇航悖论3434 假定有一对孪生兄弟,其中的一个要以接近假定有一对孪生兄弟,其中的一个要以接近于光速于光速(为了充分显示相对论效应为了充分显示相对论效应)的速度做一次的速度做一次宇宙航行,按照相对论效应,呆在地球上的那位宇宙航行,按照相对论效
10、应,呆在地球上的那位就会发现其兄弟生命周期放慢,比如,自己活了就会发现其兄弟生命周期放慢,比如,自己活了1010年,对方才过了年,对方才过了1 1年。当然,按照相对论,在宇年。当然,按照相对论,在宇宙飞船上的那位,也会发现呆在地球上的兄弟生宙飞船上的那位,也会发现呆在地球上的兄弟生命周期放慢,因为在他看来,地球以一个与飞船命周期放慢,因为在他看来,地球以一个与飞船速度相等的速度反向运动。现在假定,宇航结束速度相等的速度反向运动。现在假定,宇航结束了,两兄弟又相遇在一起了,那么他们究竟谁更了,两兄弟又相遇在一起了,那么他们究竟谁更老、谁更年轻老、谁更年轻?3535n n 正在人们忙于理解狭义相对
11、论时,爱因斯坦正接近完成广义相对论。1916年,爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下,运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。在这个理论中,引力是被考虑的主要问题。3636n n 狭义相对论与牛顿的万有引力理论实际上存在矛盾。在牛顿看来,引力是即时作用,引力场就像是一个绝对时空的载体。这种看法为时空的相对性观念所不容。n n 爱因斯坦将相对性原理推广到引力场中,指出引力场就相当于一个非惯性系。人们对一个物体是正被加速,还是正处在引力场中原则上无法做出区分。这一原则被称为等效原理。惯性质量与引力质量相等是等效原理的一个自然的推论。3737爱因斯坦等效原理思想实验3838 广义相对论还指出,由于有物质
12、的存在,空间和时间会发生弯曲,引力场实际上是一个弯曲的时空。也就是说,牛顿提出了万有引力,而爱因斯坦事实上取消了它:引力的本质是没有引力,宇宙中无处不在的引力其实不是引力,而是时空的弯曲!在弯曲的宇宙时空中,天体只能沿路程最短的短程线运动,投射到欧几里的空间中,就呈现出椭圆形的运动轨道。3939空间弯曲就好像把一块石子放在橡皮模上石子=重力橡皮模=弯曲的空间4040时空几何量=物质的物理量 时空几何量=物质的物理量(时空度规张量)(能量动量张量)4141广义相对论的理论体系n n 基本假定:1、广义相对性原理(物理定律在一切参考系中是平权的)2、等效原理(惯性质量和引力质量相等,已经实验严密证
13、实)4242广义相对论的理论体系n n 几个推论:1、引力的实质=时空弯曲 2、引力场方程宇宙学方程4343几个实验验证预言1、水星近日点的进动4444 广义相对论首先解释了水星近日点的进动。这个进动被曾经预测海王星的法国天文学家勒维列用行星摄动方法来解释,他推测水星附近存在一个新的行星“火神星”。可是许多年过去了,谁也没有发现什么“火神星”。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒。45452 2、强引力场会使时钟变慢,即会使原子的振动变慢,光的、强引力场会使时钟变慢,即会使原子的振动变慢,光的频率变低,光谱红移;频率变低,光谱红移;4646 广义相对
14、论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱应向红端移动。20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。47473 3、引力场会使光线偏折、引力场会使光线偏折 4848光线弯曲n n一切物体在引力场附近时,都不可能走直线,因为引力的作用要使它们的轨道偏向引力源。根据等效原理可以判断,光在引力场中传播时,也会有类似的现象。4949n n 一束通过太阳表面附近引力场的星光,偏转角只有1.75,当没有太阳时,星光以直线传到我们的地球,但当太阳出现在星体与地球之间时,光线发生弯曲,我们将看到星体的位置移动到虚线的方向即如图84所示。50505151n n19191919年以后,几乎每逢有便于进行观测的日
15、全食时。年以后,几乎每逢有便于进行观测的日全食时。各国的天文学家都要做这个光线弯曲的实验。下表各国的天文学家都要做这个光线弯曲的实验。下表中列出各次观测的主要结果。中列出各次观测的主要结果。5252n n近年来射电天文学的定位技术大大提高,分辨率超过了光学。因此检验光线弯曲的精度也大大提高了。可巧,每年三、四月间太阳要在射电源0116 08附近通过一次(见图8-5)。011608与011911及011102三个射电源几乎构成一条直线。而当太阳通过 0116 08附近时,它们的相对位置将要发生变化。用这种方法得到的光线弯曲值是1.775土 0.019。535354544、雷达回波的延迟nn 19
16、641964年夏皮罗等提出了一个光在引力场中传播年夏皮罗等提出了一个光在引力场中传播的新的可以检验的效应。夏皮罗从地球上利用雷达发射一的新的可以检验的效应。夏皮罗从地球上利用雷达发射一束电磁波脉冲,这些电磁波到达其它行星之后,将发生反束电磁波脉冲,这些电磁波到达其它行星之后,将发生反射,然后再回到地球,被雷达接收到。我们可以测出来回射,然后再回到地球,被雷达接收到。我们可以测出来回一次的时间,并对比两种不同的情况,一种是电波来回的一次的时间,并对比两种不同的情况,一种是电波来回的路程远离太阳。这时太阳的影响可以不计;一种是电波来路程远离太阳。这时太阳的影响可以不计;一种是电波来回的路程要经过太
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