现代科技概论物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

科学、技术与社会系列课程当代科学技术概论：物理学当代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and TechnologyAn Introduction to Modern Science and Technology：PhysicsPhysics第1页19世纪末20世纪初物理学革命 Physics Revolution in 19C-20C第2页古典物理学顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成形形成成牛牛顿顿力力学学体体系系为为中中心心，声声学学、热热学学、光光学学和和电电磁磁学学大大一一统统，小小到到原原子子、大大到到宇宇宙宙天天体体世世界界图图景景，使使物物理理学学显显示示出出一一个个形形式式上上完完整整，被被誉誉为为“一一座座庄庄重雄伟建筑体系和感人心弦漂亮庙堂重雄伟建筑体系和感人心弦漂亮庙堂”。量量子子力力学学奠奠基基人人普普朗朗克克老老师师约约利利就就曾曾劝劝说说普普朗朗克克不不要要学学习习物物理理，因因为为“这这门门科科学学中中一一切切都都已已经经被被研研究究了，只有一些不主要空白需要被填补了，只有一些不主要空白需要被填补”。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下工，剩下工作只是把物理常数测量弄得再准确一些作只是把物理常数测量弄得再准确一些。第3页古典物理学顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成动动力力学学理理论论断断言言，热热和和光光都都是是运运动动方方式式。但但现现在在这这一一理理论论优优美美性性和和明明晰晰性性却却被被两两朵朵乌乌云云遮遮蔽蔽，显显得黯然失色了得黯然失色了在热和光动力理论上空在热和光动力理论上空19世纪乌云世纪乌云开尔文勋爵(LordKelvin)，19第4页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地球漂移速度试验，在人们当初观念里，以太代表了一个绝对静止参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈“以太风”。这可能是当初物理史上进行过最精密试验了，不过迈克尔逊和莫雷一连观察了数天，没有观察到以太飘移速度，以失败告终。迈迈克克尔尔逊逊-莫雷莫雷试验试验零零结结果果 MichelsonMorley experiment 难难以以观观察到以太察到以太绝对绝对运运动动，这这便便动摇动摇了了经经典物理学典物理学和和经经典典时时空空观观基基础础第5页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds在一样温度下，不一样物体发光亮度和颜色（波长）不一样。颜色深物体吸收辐射本事比较强，比如煤炭对电磁波吸收率可到达80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100理想物体。黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe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个连续改变物理量，建立起在波长比较长、温度比较高时候和试验事实比较符合黑体辐射公式。不过，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）伴随波长变短，辐射强度能够无止境地增加，而试验数据是趋于零，这部分严重偏离，被称为“紫外灾难”。第6页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe第7页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds迈迈克克尔尔逊逊-莫雷莫雷试验试验相相对论对论黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难量子力学量子力学第8页世纪之交物理学Physics at the turn of centuryX射线：伦琴(WilhelmConradRoentgen)放射性：居里夫妇(MarieandPierreCurie)电子：汤姆孙(JosephJohnThomson)原子结构：卢瑟福(ErnestRutherford)量子：普朗克(MaxPlanck)第9页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 早早在在1616岁岁时时爱爱因因斯斯坦坦就就在在想想一一个个问问题题，假假如如一一个个人人以以光光速速远远行行，他他将将看看到到一一幅幅什什么么样样世世界界景景象象呢呢，电电磁磁波波是是不不是是就就像像凝凝固固了了那那样样静静止止不不动动呢呢，假假如如是是那那样样，电电动动力力学学就就完完了了。看看起起来来，电电动动力力学学麦麦克克斯斯韦韦方方程程只只对对一一个个绝绝对对静静止止不不动动参参考考系系即即以以太太参参考考系系是成立。可是这与牛顿力学所遵从惯性系等效原理相矛盾。是成立。可是这与牛顿力学所遵从惯性系等效原理相矛盾。全全部部牛牛顿顿定定律律对对于于全全部部惯惯性性系系都都是是成成立立，伽伽利利略略恰恰当当地地称称之之为为相相对对性性原原理理。他他著著名名试试验验是是，一一个个坐坐在在船船舱舱里里人人不不论论用用什什么么物物理理试试验验，也也无无法法确确定定该该船船是是否否在在相相对对于于河河流流做做均均匀匀直直线线运运动动即即惯性运动。可是，电动力学为何不遵从伽利略相对性原理呢惯性运动。可是，电动力学为何不遵从伽利略相对性原理呢?第10页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 在伯尔尼专利局岁月里，爱因斯坦广泛关注着物理学界前沿动态，在许多问题上深入思索，形成了自己独特看法。19是科学史上值得记取一年，这一年中，爱因斯坦在德国物理学年鉴发表了五篇论文，其中三篇每篇均属划时代成就。第11页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 第一篇论文发表在物理学年鉴第17卷132-148页，是关于光电效应。当初人们已经发觉，金属在光照射下能够发射出电子。但奇怪是，光强度只与电子多少相关，而不能使电子发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出量子观点大胆推广，指出光是由一定能量光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部电子，而且，只有一定能量光量子能被金属所吸收，并激发一定能量电子。这就解释了光电效应。因为这篇论文，爱因斯坦取得了19诺贝尔物理奖。第12页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 第二篇论文发表在物理年鉴第17卷549-560页，是关于布朗运动。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发觉显微镜下花粉颗垃无规则运动，长久以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有些人从大量分子无规则运动观点解释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地处理了这一问题。最伟大成就是第三篇论文论动体电动力学，刊于物理年鉴第17卷第89l-921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名相对性理论即相对论。这是他多年来思索以太与电动力学问题结果。他以同时性相对性这一点作为突破口，建立了全新时间和空间理论。并在新时空理论基础上给动体电动力学以完整形式。第13页论动体电动力学，刊于物理年鉴第17卷第89l-921页。第14页狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：惯性参考系等价：同时性相对性光速不变广义相对论（1913，GeneralRelativity）：引力质量=惯性质量，等效原理火箭试验(升降机试验)相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 第15页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：1.光速不变在全部惯性系中，真空中光速都等于299 792 458 m/s 2.惯性参考系等价：同时性相对性在全部惯性系中，物理定律有相同表示形式。第16页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：3.尺缩钟慢效应（length contraction and time dilation）尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体长度测量值最大；当它相对于观察者运动时，在它运动方向上，该物体长度测量值要缩短，速度越快，缩短越多。钟慢：发生在运动物体上过程，在静止观察者看来都变慢了。第17页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：3.双生子佯谬（Twin paradox）有一对双生弟兄，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发觉他比他留在地球弟兄更年青。但假如我们从宇宙飞船上弟兄角度去想这个问题，我们似乎会得出矛盾结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他能够认为他在地球上弟兄才是移动时钟，所以是他弟兄才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。第18页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：4.四维时空（4D space-time）经典力学中，时间和空间是互不相干两种实在。而在相对论中，时间坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联络在一起，时间和空间实际上组成了一个存在紧密联络不可分割统一体。5.速度变换公式（Transformation of Velocities）若u等于c时，公式为1，即为光速不变原理；若u和v极小于c，即为经典力学中速度叠加公式。这也反应了相对论力学对经典力学兼容。第19页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：6.质能方程（Mass-energy equivalence）物体质量随其运动速度增加而增加，依据质量是动量与速度之比，能够建立质量与能量之间内在联络，即质能关系式：第20页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：19爱因斯坦发表狭义相对论后，他开始着眼于怎样将引力纳入狭义相对论框架思索。以一个处于自由落体状态观察者理想试验为出发点，他从19开始了长达八年对引力相对性理论探索。在历经屡次弯路和错误之后，他于1911月在普鲁士科学院上做了讲话，其内容正是著名爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中物质是怎样影响其周围时空几何，并成为了爱因斯坦广义相对论关键。广义相对论是爱因斯坦于19发表用几何语言描述引力理论，它代表了当代物理学中引力理论研究最高水平。广义相对论将经典牛顿万有引力定律包含在狭义相对论框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空一个几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中物质与辐射能量-动量张量直接相联络，其联络方式即是爱因斯坦引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。第21页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：等效原理认为引力质量和惯性质量是等同，或者说，两个空间分别受到引力和与之等大惯性力作用，在这两个空间中从事一切试验，都将得出一样物理规律。6.引力质量=惯性质量，等效原理（Equivalence principle）小球落到正在加速火箭地板上（左）和落到地球上（右），处于其中观察者会认为这两种情形下小球运动轨迹没有什么区分第22页相对论：世界图景重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：6.引力质量=惯性质量，等效原理（Mass-energy equivalence）广义相对论是爱因斯坦于19发表用几何语言描述引力理论，它代表了当代物理学中引力理论研究最高水平。广义相对论将经典牛顿万有引力定律包含在狭义相对论框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空一个几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中物质与辐射能量-动量张量直接相联络，其联络方式即是爱因斯坦引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。第23页广义相对论是爱因斯坦于19发表用几何语言描述引力理论，它代表了当代物理学中引力理论研究最高水平。广义相对论将经典牛顿万有引力定律包含在狭义相对论框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空一个几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中物质与辐射能量-动量张量直接相联络，其联络方式即是爱因斯坦引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。第24页第25页EinsteinsRelativityandtheQuantumRevolution第26页