物理学的发展.pptx

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1、物理学的发展焦健斌焦健斌焦健斌焦健斌山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院2006.11.162006.11.16引子l l奥妙的侦探故事设想有一个完美的侦探故事。这个故事告诉我们所有重要的设想有一个完美的侦探故事。这个故事告诉我们所有重要的线索，这样使我们不能不提出自己对事件真相的见解。如果我们线索，这样使我们不能不提出自己对事件真相的见解。如果我们仔细研究故事的构思，不等作者在书的结尾作出交代，我们就早仔细研究故事的构思，不等作者在书的结尾作出交代，我们就早已得到完满的解答了。已得到完满的解答了。宇宙的秘密正如这样一个完美的侦探故事

2、。宇宙的秘密正如这样一个完美的侦探故事。这个奥妙的侦探故事，至今还没有作出解答。我们甚至不能这个奥妙的侦探故事，至今还没有作出解答。我们甚至不能肯定它是否有一个最后的答案。但是阅读这本书已使我们得到许肯定它是否有一个最后的答案。但是阅读这本书已使我们得到许多收获。它已教会我们懂得自然界的基本语言，它使我们了解到多收获。它已教会我们懂得自然界的基本语言，它使我们了解到许多线索，而且它是科学的历次艰苦发展中精神愉快和奋发的源许多线索，而且它是科学的历次艰苦发展中精神愉快和奋发的源泉。泉。物理学概览物理学概览l l物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性

3、质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。l l物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。l l随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同

4、运动形式之间存在着联系，于是各分支学存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。彼此密切联系的统一整体。l l物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这现在离实现这目标还很遥远。看来人们对客观世界的探目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。索、研究是无穷无尽的。经典物理学的大厦l l牛顿（

5、牛顿（NewtonNewton）的绝对时空观被确立之后，不少人以为宇宙的一切）的绝对时空观被确立之后，不少人以为宇宙的一切都可以用物理公式来表示。十九世纪法国天文学家拉普拉斯都可以用物理公式来表示。十九世纪法国天文学家拉普拉斯（LaplaceLaplace）即为一代表人物。他认为，给定了方程和初始条件，宇宙）即为一代表人物。他认为，给定了方程和初始条件，宇宙的一切都是可以预测的。的一切都是可以预测的。l l在那个年代里面，凡是能被振荡的，能被加速的，能被干扰的，能被在那个年代里面，凡是能被振荡的，能被加速的，能被干扰的，能被蒸馏的，能被化合的，能被称质量的，或能被变成气体的，他们都做蒸馏的，能

6、被化合的，能被称质量的，或能被变成气体的，他们都做到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要，到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要，非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：光的电磁场理论光的电磁场理论、里氏互比定律里氏互比定律、查理气体定律查理气体定律、体积结合定律体积结合定律、第零定律第零定律、原子价概念原子价概念、质量作用定律质量作用定律 等等，多得数也数不清。整个世界丁等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机器和仪器的声音。丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机

7、器和仪器的声音。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。大厦的内部设施力学力学牛顿运动三定律：牛顿运动三定律：运动学的基本规律运动学的基本规律牛顿万有引力定律：动力学牛顿万有引力定律：动力学热力学第零定律：温度的概念热力学第零定律：温度的概念一一：能量守恒，能量的概念：能量守恒，能量的概念宏观理论宏观理论热学热学二二：熵的概念：熵的概念三三：绝对零度不能达到：绝对零度不能达到统计物理学：统计物理学：微观理论微观理论电磁学电磁学麦克斯韦电磁理论：电磁场的运动规律麦克斯韦电磁理论：电磁场的运动规律洛伦兹力规律：洛伦兹力规律：电磁场与带电物质间的相

8、互作用电磁场与带电物质间的相互作用光学光学光是电磁波！光是电磁波！经典力学经典力学（I）l l经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。l l宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。体的空间位置随时间变化称为机械运动。l l人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。动。伽利略（伽利略（GalileoGalileiGalileoGa

9、lilei，1564-16421564-1642），意大利物理），意大利物理学家、天文学家和哲学家，学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。近代实验科学的先驱者。开普勒开普勒(JohannesKepler(JohannesKepler，1571-1630)1571-1630)是德国近代著名的是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家天文学家、数学家、物理学家和哲学家。和哲学家。经典力学经典力学（II）l l牛顿深入研究了前人发现和总结的经验规牛顿深入研究了前人发现和总结的经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了机械

10、运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。基础。l l经典力学中的基本物理量是质点的空间坐经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量标和动量。l l在经典力学中，力学系统的总能量和总动在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。量有特别重要的意义。l l早在早在1919世纪，经典力学就已经成为物理学世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。*机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振

11、动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。牛顿（牛顿（IsaacNewtonIsaacNewton，1643-1643-17271727）英国伟大的科学家，经典物英国伟大的科学家，经典物理学理论体系的建立者。理学理论体系的建立者。热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（I）l l热学热学热学热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候

12、变幻的自然源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。l l热力学热力学热力学热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。的宏观规律。不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。l l统计力学统计力学统计力学统计力学应用数学中统计分析的方法，

13、研究大量粒子的平均行为。统应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（II）l l热力学三定律是热力学的基本理论。热力学三定律是热力学的基本理论。热力学三定律是热力学的基本理论。热力学三定律是热力学的基本理论。l l1919世纪中期，焦耳等人用实验确定了热世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，

14、从而建立了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律。热力学第一定律反映了力学第一定律。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数引进了系统的态函数内能。热力学第内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。不可能造成的。l l18541854年克劳修斯引进一个函数：熵，并年克劳修斯引进一个函数：熵，并指出：不可能把热从低温物体传到高温指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔第二定

15、律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。的内容。l l19121912年能斯脱提出一个关于低温现象的年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。对零度。此定律称为热力学第三定律。焦耳（焦耳（JamesJamesPrescortPrescortJoule,1818Joule,181818891889）英国杰）英国杰出的物理学家。出的物理学家。克劳修斯（克劳修斯（RudolphClausius,1822RudolphClausius,1822188

16、81888）德国物理学家，是气体动理论和热力学的主德国物理学家，是气体动理论和热力学的主要奠基人之一。要奠基人之一。开尔文（开尔文（BaronKelvinofBaronKelvinofLargsLargs，1824190718241907）是英）是英国著名物理学家、发明家，国著名物理学家、发明家，原名原名WilliamThomsonWilliamThomson。他。他被看作英帝国的第一位物理被看作英帝国的第一位物理学家。学家。能斯脱能斯脱(WaltherHermann(WaltherHermannNernstNernst，18641941)18641941)，德国，德国著名物理化学家。是电化学

17、、著名物理化学家。是电化学、溶液理论、低温物理和光化学溶液理论、低温物理和光化学等领域的奠基者之一。等领域的奠基者之一。热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（III）l l深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。非平衡深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到统计力学所研究的问题复杂，直到2020世纪中期以后才世纪中期以后才取得了比较大的进展。取得了比较大的进展。l l在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以

18、经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。经典电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（I）l l电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象，及电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。其规律和应用的物理学分支学科。l l人们很早就接

19、触到电和磁的现象，并知道磁棒有人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在南北两极。在1818世纪，发现电荷有两种：正电荷世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。成反比。在这两点上和万有引力很相似。1818世纪世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的

20、联系。发现电和磁之间的联系。经典电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（II）l l1919世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。奥斯特奥斯特(HansChrist

21、ian(HansChristianOerstedOersted，17771851)17771851)，丹麦，丹麦物理学家，电磁学的主要奠基物理学家，电磁学的主要奠基人之一。人之一。安培安培(AndrMarieAmpre1775(AndrMarieAmpre177518361836年年)，法国物理学家，对数学和，法国物理学家，对数学和化学也有贡献。电动力学的首创者。化学也有贡献。电动力学的首创者。法拉第法拉第(Michael(MichaelFaradayFaraday，17911867)17911867)是是1919世纪电磁世纪电磁学领域中最伟学领域中最伟大的实验物理大的实验物理学家。学家。经典

22、电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（III）在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁场是物质存在的一在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁场是物质存在的一在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁场是物质存在的一在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。种特殊形式。种特殊形式。种特殊形式。麦克斯韦（麦克斯韦（JamesJamesClerkClerkMaxwellMaxwell，1831183118791879）英国）英国物理学家，经典电磁物理学家，经典电磁理论的奠基人。理论的奠基人。l l1919世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏世纪下半叶

23、，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。并提出了一组偏微分方流的概念。并提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，即程来表达电磁现象的基本规律，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学的麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，肯定了光也是言了电磁波的存在，肯定了光也是一种电磁波。一种电磁波。l l电磁场能够以力作用于带电粒子，电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受

24、到的电磁场的作用力运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦兹力。为洛伦兹力。洛伦兹洛伦兹(Hendrik(HendrikAntoonAntoonLorentzLorentz，18531928)18531928)是荷兰物是荷兰物理学家、数学家。理学家、数学家。l l描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。力学的基础。光学和电磁波光学和电磁波l l光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波。光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波

25、。l l1717世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。1919世纪在实验上确定世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。2020世世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性。识到光具有波粒二象性。l l光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非光学方法是研究大至天体、小

26、至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重常有效的方法。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息。要信息。l l在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。一种基本的、普遍的存在形式。十九世纪的“乌云”动力学理论断言，热和光都是

27、运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了云遮蔽，显得黯然失色了”Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofThebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.motion,isatpresentob

28、scuredbytwoclouds.-W.Thomson-W.Thomson在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的1919世纪乌云世纪乌云(I).(I).经典理论无法解释地球经典理论无法解释地球穿过以太的运动机制穿过以太的运动机制(II).(II).能量均分概念提不出分子模型的能量均分概念提不出分子模型的构造构造危机就是转机地球穿过以太的运动机制地球穿过以太的运动机制迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验时空相对性，质能转换时空相对性，质能转换相对论相对论相对论相对论能量均分概念提不出分子模型的构造能量均分概念提不出分子模型的构造黑体辐射研究中的困境黑体辐射研究中的困境能量量子化，波粒二象性

29、能量量子化，波粒二象性 量子力学量子力学量子力学量子力学两朵乌云VS.两个发现爱因斯坦爱爱因斯坦因斯坦(Albert Einstein(Albert Einstein，1879-1955)1879-1955)，举举世世闻闻名的德裔美国科学家，名的德裔美国科学家，现现代物代物理学的开理学的开创创者和奠基人。者和奠基人。狭义相对论和相对论力学狭义相对论和相对论力学l l爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。立了新的时空观念。l l狭义相对论的基

30、本假设是：狭义相对论的基本假设是：在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；都可用同一组数学方程来表达；对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。参照系中测量其传播速率，结果都相等。在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是

31、相对的。对论中，并不是一切都是相对的。l l相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。中得到了证实。广义相对论和万有

32、引力的基本理论广义相对论和万有引力的基本理论l l狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。改造。l l改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不

33、论确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。出了广义相对论。l l根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定

34、物量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的情况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以空间、时间弯曲较大的情况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检验出这在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检验出这种区别。种区别。相

35、对论的意义l l狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。由于空场是一种独立的、物质存在的特殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。l l广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。重要

36、意义。l l相对论应该是牛顿力学（经典力学）进化与相对论应该是牛顿力学（经典力学）进化与扩展方面的理论。明确了牛顿力学的适用范围。扩展方面的理论。明确了牛顿力学的适用范围。量子力学（I）量子力学（量子力学（II）l l 量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。了现代物理学的理论基础。l l量子力学不仅是近代物理学的基础理论

37、之一，而且在量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。l l 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。的原子理论。量子力学（量子力学（III）l l19001900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式是以间断的形式(能量子能量子)实现的，能量子的大小

38、同辐射频率成正比，实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。解释了黑体辐射现象。l l19051905年，爱因斯坦引进光量子年，爱因斯坦引进光量子(光子光子)的概念，并给出了光子的能的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。问题。l

39、 l19131913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态定态”，而且原子只有从一，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。量子力学（量子力学（IV）普

40、朗克普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,(MaxKarlErnstLudwigPlanck,185818581947)1947)德国物理学家。量子论的奠德国物理学家。量子论的奠基人之一。被称作第一位理论物理学家。基人之一。被称作第一位理论物理学家。玻尔玻尔(NielsHenrikDavidBohr1885(NielsHenrikDavidBohr18851962)1962)丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。量子力学（量子力学（V）l l19231923年德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假说，不年德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的

41、假说，不久即为实验所证实。这一假说成为量子力学解决问题的基久即为实验所证实。这一假说成为量子力学解决问题的基本出发点。本出发点。l l19251925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学。度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学。l l19261926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，认识，找

42、到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。l l随后狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理随后狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。量子力学（量子力学（VI）德布罗意（德布罗意（LouisVictorDeLouisVictorDeBroglie,1892Broglie,189219871987）法国物）法国物理学家。理学家。海森堡（海森堡（WernerKarlWernerKarlHeisenberg

43、1901-1976Heisenberg1901-1976）德国理）德国理论物理学家，矩阵力学的创建者。论物理学家，矩阵力学的创建者。玻恩（玻恩（MaxBornMaxBorn，1882188219701970）德国物理学家。德国物理学家。量子力学的他建量子力学的他建者之一，晶格动者之一，晶格动力学的奠基人。力学的奠基人。薛定谔（薛定谔（ErwinSchrdingerErwinSchrdinger，1887188719611961）奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。狄拉克（狄拉克（PaulAdrienMauriceDiracPaulAdrienMauric

44、eDirac，1902190219841984）英国理论物理学家，量子力学的创始）英国理论物理学家，量子力学的创始人之一。人之一。量子力学（量子力学（VII）l l原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与谔、狄拉克等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。而是统计规律。l l量

45、子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，固此不仅应用于原子物理，微观、低速现象所遵循的规律，固此不仅应用于原子物理，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局限遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局

46、限性。性。固体物理学固体物理学l l固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。以后进一步研究一切处且具有明显的规律性，较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观于凝聚状态的物

47、体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。l l固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子律。在晶体中，原子(离子、分子离子、分子)有规则地排列，形成点有规则地排列，形成点阵。阵。2020世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了X X射线射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了又发展了中子衍

48、射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。进一步发展。固体物理学（固体物理学（II）l l固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。体物理学也是材料科学的基础。布拉格父子（布拉格父子（WilliamLawre

49、nceBraggWilliamLawrenceBragg（左）（左），1890197118901971；WilliamHenryandBraggWilliamHenryandBragg（右）（右），1862194218621942）英国物理学家。晶体物理学的奠基人。）英国物理学家。晶体物理学的奠基人。劳厄（劳厄（MaxTheodorFelixVonMaxTheodorFelixVonLaue18791960Laue18791960）德国物理学）德国物理学家。家。X X射线衍射的发现者。射线衍射的发现者。（原子）核物理学（原子）核物理学（I）l l原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内

50、部原子核物理学是研究原子核的性质，它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。的反应过程的学科。l l18961896年，贝可勒尔发现天然放射性，这年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。是人们第一次观察到的核变化。19111911年，年，卢瑟福等人利用卢瑟福等人利用 射线轰击各种原子，观射线轰击各种原子，观测测 射线所发生的偏折，从而确立了原子射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。这