[初三理化生]二十世纪物理学oldppt课件

1、二十世纪物理学回眸19世纪是化学世纪，20世纪是物理学世纪，21世纪是什么世纪20世纪初，相对论和量子力学的建立标志着现代物理学的诞生，物理学不仅深化讨论物质的本质，而且促进了技术的飞速开展，电视、激光、电脑、半导体、集成电路、无线电通讯，原子能、航空及航天技术无一不是建筑在物理学成果根底之上。20世纪是物理学世纪，当之无愧。宇宙物质构成如下：普通物质4%暗物质23%暗能量73%DarkEnergy73%DarkMatter23%Atoms4% 2003年12月出版的公布年度十大科学进展之首是：“明确宇宙能量分布，找到暗物质和暗能量存在的新证据。一、辉煌的开展1、时空实际的革新-相对论2、经典

2、力学的突破-量子力学3、宇宙之谜的破译-现代宇宙学二、物理思想的讨论1、时空是形而上还是形而下？2、决议性与概率性？3、科学原理的逆否命题的表述4、根底实际与运用科学三、21世纪物理学展望1、宇宙学-引力的量子化及宇宙来源2、生物物理-把生物学提高到分子生物学程度3、纳米科学-纳米资料性质的实际解释“ 我们所见的固然愉快， 我们明了的愈加愉快， 我们尚未彻悟的更是不胜其美， 美不可言。 尼尔斯斯坦森丹麦自然学者 Niels Steensen结语结语谢谢 爱因斯坦及其相对论 爱因斯坦A.Einstein 1878-1955“我们全都获益匪浅，全世界都要赞赏他的教导，那专属于他个人的东西，早已传遍

3、宽广人群。他象行将陨灭的慧星，光华四射，把无限的光辉同他的光辉永相连结。歌德为席勒的葬礼而写的诗“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他如今是，未来也是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他终究是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过可以一定地说他的伟大是可以同牛顿相比较的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，由于他对于科学的奉献更加深化到人类思想根本概念的构造中去了。 朗之万 在不久之前，加拿大约请世界各地读者评选“从公元1001年起，迄今1000年内对环球最有影响的100位伟人荣登榜首的正是爱因斯坦。瑞典科学院颁发1921年诺贝尔物理学奖的措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应

4、定律以及他在实际物理领域的其它任务，特授予奖金。 狭义相对论1905年 问题问题 以太之谜以太之谜 迈克尔逊一莫雷实验迈克尔逊一莫雷实验 光速不变与牛顿时空观的矛盾光速不变与牛顿时空观的矛盾爱因斯坦的方案爱因斯坦的方案光速不变原理光速不变原理 相对性原理相对性原理 构建新的时空实际构建新的时空实际 改造经典力学改造经典力学 两种时空实际的比较： 伽利略变换洛仑兹变换x=x-vty=yz=zt=t22/1cvvtx222/1cvxcvt1/时间，空间两者独立，没有联系 1/时间，空间密不可分，物理事件总是发生在时空中 2/同时的绝对性 t=t 2/ 同时的相对性 tt 3/速度大小没有限制 3/

5、光速是极限，一切物体运动速度不能超过光速 4/绝对时空的普遍性，没有任何限制 4/伽利略变换是洛仑兹变换的低速极限（ v/c 0的极限） 5/空间长度不变 时间进程不变 简单的速度合成 5/空间长度在运动方向上缩短 时间进程可变 速度合成公式保证光速不变 两个重要的动力学结论两个重要的动力学结论 质速关系质速关系E=mc2 质能关系质能关系问题：问题：光速为什么是不变的？光速为什么是不变的？光速为什么是不可超越的？光速为什么是不可超越的？超光速景象存在吗？超光速景象存在吗？ 2201cvmm 广义相对论1915年 问题：惯性系的特殊位置；牛顿引力论的困难；引力如何纳入相对论。 爱因斯坦处理方案

6、：广义协变原理一切参考系平等任何参考系表达的物理方程方式不变等效原理mI=mG引力与惯性力等效 引力与参考系相联络把引力与时空相联络广义相对论的新时空观：时空几何及度量由引力场强弱分布决议由物质的分布及其运动决议；引力场越强，空间弯曲得越厉害，时间进程就越慢；地球的引力场很弱，太阳附近的引力场也不强，这里的时空可近似看作平直时空，即欧几里得性质的。强引力场条件： 2mCRGmM； 12RCGM 引力源 质子 人 地球 太阳 银河系 10-40 10-25 10-9 10-5 10-6 实验验证：1太阳光谱线的引力红移2水星近日点剩余进动42/百年3星光在太阳附近的偏折1.751919年4利用穆

7、斯堡尔效应测定引力频移1960年5利用雷达回波在引力场中的时间延迟1968，1977存在问题：变化引力场中的时间问题，量子化问题 量子论 a黑体辐射的紫外灾难与普朗克的量子论1900年 经典实际的延续性信条的第一次挫败，普朗克引入的不延续的能量子=hv突破了经典物理的延续性原理，从此标志了量子物理的诞生，普朗克被称为量子论之父。 量子化物理量的分立化微观世界的根本特征之一。 b光电效应对经典物理的发难与爱因斯坦的光量子假设1905年 光的动摇学说难以解释光电效应，经典延续性实际的又一次失败，爱因斯坦把普朗克的能量子假设推行到光辐射问题上，简单引入光量子=hv假设，光电效应很快处理了实际解释，爱

8、因斯坦因此而获得了1921年的诺贝尔物理奖。 c经典原子模型的困难及玻尔的量子化假设1911年卢瑟福实验确立了原子有核模型的位置，但原子有核模型却存在着原子稳定性的困难。 玻尔于1913年提出了原子模型的新实际，在他的新实际中，主要是两条假设：定态与跃迁。 定态：原子中的电子只能在确定的几个形状上存在，而原子坚持稳定； 跃迁：原子中的电子在不同定态间的跃迁，发射出单一频率的电磁波，其频率由普朗克公式确定。 普朗克的量子论翻开了量子世界的一扇窗户，玻尔的原子实际那么翻开了量子世界的大门。 量子力学 a1924年德布罗意在他的博士论文中提出了一真实物粒子亦具有动摇性的假设，他把实物粒子的波性质与粒

9、子的能量与动量相联络。 E=hv，P=h/ 德布罗意以为“一束电子穿过非常小的孔，能够产生衍射景象，这也许是实验上证明我们想法的方向。 1927年戴维逊和革末利用电子在晶体外表上的反射产生衍射的实验；汤姆逊又用电子经过金简获得电子衍射的图象，证明了德布罗意的假设。电子、质子、中子、原子、分子等一切微观粒子均具有动摇性。b薛定谔方程 既然微观粒子具有动摇性，不能采用经典力学位置函数的方法来描写粒子的运动，而采用所谓波函数r,t来描写，1926年根据波粒二象性写出了波函数所满足的动力学方程，即薛定谔方程： 以薛定谔方程为代表的量子力学亦称动摇力学。 另外德国物理学家海森堡与约尔丹等人在1925年创

10、建了矩阵力学。薛定谔证明了动摇力学与矩阵力学等价。 1927年英国物理学家狄拉克那么把二者非常简约地作了一致的表述，使量子力学进一步完善，如今统称为量子力学。c)波函数的概率解释 微观粒子的动摇性，即德布罗意波常被称为物质波，但这种波并不是真实波，而是一种概率波，即粒子在空间出现的概率正比于波函数的平方。关于这一点是物理学家玻恩在1926年提出的。d)海森堡的测不准关系 微观粒子不能够同时准确丈量其位置与速度，即有xp h 测不准关系反映了微观粒子的本性，即波粒二象性。量子力学的建立大大促进了固体实际，半导体物理，低温物理，超导物理等的开展，很快微电子电子学等运用科学得到长足的提高，20世纪许

11、多高技术的开展离不开量子力学。 牛顿宇宙牛顿宇宙-古典宇宙学的矛盾古典宇宙学的矛盾爱因斯坦宇宙爱因斯坦宇宙-现代宇宙学的现代宇宙学的开端开端大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学-思绪，证据，思绪，证据，问题问题宇宙从无到有宇宙从无到有量子起伏，宇宙量子起伏，宇宙来自真空。来自真空。三种能够的终结三种能够的终结-临界密度临界密度大宇宙与小粒子大宇宙与小粒子宇宙的人择原理宇宙的人择原理(Anthropic (Anthropic Princple) Princple) 只需上帝作第一次推进只需上帝作第一次推进人类第一次描画的完好宇宙的科学图景人类第一次描画的完好宇宙的科学图景万有引力与无限宇宙的矛盾万有引力与无

12、限宇宙的矛盾 引力佯谬引力佯谬Zeeliger 1895Zeeliger 1895年指出引力无限年指出引力无限大问题大问题 光度佯谬光度佯谬Olber 1826Olber 1826年指出的夜黑问题年指出的夜黑问题 宇宙是广义相对论的用武之地强场条件 GM GM m mc2 1 R RC2 空间时间性质决议于物质分布 我们的宇宙空间是弯曲的不是欧几里德的宇宙,是有限而无边的 宇宙膨胀与哈勃Hubble定律 宇宙蛋奇点大爆炸什么是大爆炸？ 演化 3分钟后中子、质子聚合成氦核 40万年后光子脱离物质 构成宇宙背景辐射 10亿年后星系恒星构成 100亿年后太阳系、地球构成 140亿年后智慧人类出现 证

13、据 年龄，氮丰度，3K背景辐射，宇宙 膨胀。 问题 星系构成问题，爆涨的可观测效应 问题。 免费午餐免费午餐产生出来的物质量是正能量产生出来的物质量是正能量 两者之和等于零两者之和等于零 物质之间的引力势能物质之间的引力势能是负能量是负能量PlanekPlanek时代时代10-4310-43秒之前秒之前 l l,t,t,m,m 临界密度 E=Eu+Ek GM 4 m 4Eu= -m = - R3G = - mR2G R 3 R 3 1 1Ek= mv2 = m(HR)2 2 2 E0(EKEU); E0(EKEU); E=0(EK=EU) 不断膨胀 先膨胀再收缩 膨胀到耗尽 3H2 C =C=

14、 8Gc=4.510-27Kg/m3 =2.710-6个核子/cm3或0.0027个核子/升物理常数,粒子数据取值与宇宙稳定构造亲密有关 狄拉克的大数定律为什么？宇宙半径/电子半径=1040宇宙寿命/强粒子寿命=1040氢核中电力/引力=1040物理常数与宇宙构造有什么关联？这个宇宙为什么是今天这个样子，而不是另外一个样子？上帝发明？自然而然？人的选择？ 1974年B.Carter(卡特)提出,“我们人类所认识的宇只能是认识主体可以存在的宇宙。 “人是这个宇宙的人，这个宇宙是人的宇宙，对此没有任何选择余地。 “只需以大爆炸为起点，具有特定物理常数的宇宙，才有幸成为茫茫宇宙中一片充溢活力的绿洲人

15、所选择“的是允许他本人存在并进展认识的宇宙 “假设人是宇宙得天独厚的骄子，那么又正是宇宙选择了人。选择的双向性。大数决议了星际演化的特定机遇，假设太早，恒星未构成或太年轻，不具备生命所必需的元素；假设太晚，恒星耗尽了光和热，变成了白矮星、中子星、黑洞，生命根本谈不上，只需电磁/引力之比恰当正好，使宇宙年龄适宜，才会有可以思索宇宙的人出现。方法论：初始条件演化方程预言结果！ 人类存在的结果演化方程必需的初始条件！宇宙为什么是今天这样，正是为了人类的出现、存在，这些大数必需相等，是人类选择了这样一个宇宙！时间、空间在相对论之前，是哲学的范畴；在相对论之后，是物理学范畴。时间、空间是物质存在的方式，与物质运动密不可分，物质的分布与运动决议时间，空间的几何性质及度量规那么。问题：在动态引力场中，广义相对论无法定义时间的同时性。 经典物理的决议性原那么在现代物理中不再成立，取而代之的是概率性，即统计规律替代