现代科技概论物理学市公开课获奖课件

1、当代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and Technology：Physics第1页第1页19世纪末20世纪初物理学革命 Physics Revolution in 19C-20C第2页第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形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体世界图景，使物理学显示出一个形式上完整，被誉为“一座庄严雄伟建筑体系和感人心弦美丽庙堂”。量子力学奠基人普朗克老师约利就曾劝说普朗克

2、不要学习物理，由于“这门科学中一切都已经被研究了，只有一些不主要空白需要被填补”。大部分人认为，物理学大厦已经最后建成，剩余工作只是把物理常数测量弄得再准确一些。第3页第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动力学理论断言，热和光都是运动方式。但现在这一理论优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了在热和光动力理论上空19世纪乌云开尔文勋爵(Lord Kelvin)，19第4页第4页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clo

3、uds1886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，就相称于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈“以太风”。这也许是当初物理史上进行过最精密试验了，但是迈克尔逊和莫雷一连观测了数天，没有观测到以太飘移速度，以失败告终。迈克尔逊-莫雷试验零结果 MichelsonMorley experiment 难以观测到以太绝对运动，这便动摇了典型物理学和典型时空观基础第5页第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，不同物

4、体发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深物体吸取辐射本事比较强，比如煤炭对电磁波吸取率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸取外来辐射而毫无任何反射和透射，吸取率是100理想物体。黑体辐射与紫外劫难 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。但是，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长，而试验数据是趋于零，这部分严重偏离，被称为“紫外劫难”。第6页第6页物理

5、学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds黑体辐射与紫外劫难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe第7页第7页物理学晴朗天空中两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds迈克尔逊-莫雷试验相对论黑体辐射与紫外劫难量子力学第8页第8页世纪之交物理学Physics at the turn of centuryX射线：伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)放射性：居里夫妇(Marie and Pierre

6、 Curie)电子：汤姆孙(Joseph John Thomson)原子结构：卢瑟福(Ernest Rutherford)量子：普朗克(Max Planck)第9页第9页相对论：世界图景重建 Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，假如一个人以光速远行，他将看到一幅什么样世界景象呢，电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢，假如是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动参考系即以太参考系是成立。可是这与牛顿力学所遵从惯性系等效原理相矛盾。所有牛顿定律

7、对于所有惯性系都是成立，伽利略恰当地称之为相对性原理。他著名试验是，一个坐在船舱里人无论用什么物理试验，也无法拟定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是，电动力学为何不遵从伽利略相对性原理呢?第10页第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，在许多问题上进一步思考，形成了自己独特见解。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页第11页相对论：世

8、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构成。正是这些光量子激发了金属内部电子，并且，只有一定能量光量子能被金属所吸取，并激发一定能量电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦取得了19诺贝尔物理奖。第12页第

9、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，长期以来得不到解释。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。这是他多年来思考以太与电动力学问题结果。他以同

10、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页第14页狭义相对论（1905，Special Relativity）：惯性参考系等价：同时性相对性光速不变广义相对论（1913，General Relativity）：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页第15页相对论：世界图景重建 Theory of

11、 relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：光速不变在所有惯性系中，真空中光速都等于 299 792 458 m/s 2. 惯性参考系等价：同时性相对性在所有惯性系中，物理定律有相同表示形式。 第16页第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

12、and time dilation）尺缩：物体相对于观测者为静止时，该物体长度测量值最大；当它相对于观测者运动时，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，在静止观测者看来都变慢了。第17页第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

13、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，因此是他弟兄才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。第18页第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 ）典型力学中，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

14、密联系在一起，时间和空间事实上构成了一个存在紧密联系不可分割统一体。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，即为典型力学中速度叠加公式。这也反应了相对论力学对典型力学兼容。第19页第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长而增长，依据质量

15、是动量与速度之比，能够建立质量与能量之间内在联系，即质能关系式：第20页第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，他开始着眼于如何将引力纳入狭义相对论框架思考。以一个处于自由落体状态观测者抱负试验为出发点，他从19开始了长达八年对引力相对性理论摸索。在历经多次弯路和错误之后，他于1911月在普鲁士科学院上做了发言，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如何影响其周围时

16、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。广义相对论将典型牛顿万有引力定律包括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-动量张量直接相联系，其联系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，Genera

17、l 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，都将得出同样物理规律。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），处于其中观测者会认为这两种情形下小球运动轨迹没有什么区别第22页第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。广义相对论将典型牛顿万有引力定律包括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-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦引力场方程