科学技术史课件kxs1-12现代

第八章

物理学的三大发现

量子理论和相对论的建立第八章要点引言第一节、电子、X射线和放射线的发现第二节、量子论的建立和早期发展第三节、量子力学的建立第四节、哥本哈根学派、Bohr与爱因斯坦的论战第五节、相对论的建立与发展第六节、核物理和粒子物理的发展第五节

相对论的建立与发展Theimportantthingisnottostopquestioning.Curiosityhasitsownreasonforexisting.Onecannothelpbutbeinawewhenonecontemplatesthemysteriesofeternity...Neverloseaholycuriosity.AlbertEinstein

第五节要点引言一、狭义相对论产生的科学背景二、狭义相对论的建立三、广义相对论的创立引言一、相对论产生的原因二、相对论的基本点分析旧理论的矛盾提出了新的时空观建立了新的运动规律三、相对论的主要内容狭义相对论广义相对论

爱因斯坦AlbertEinstein

1879年3月14日生于德国乌尔姆Ulm

1896年考入瑞士联邦工业大学

1900年进入伯尔尼专利局

1905年发表5篇论文母亲Pauline

父亲Hermann1889年，慕尼黑在伯尔尼Bern专利局的办公室

1905年获得苏黎世大学博士学位

1909年获得苏黎世大学物理副教授

1921年获得诺贝尔物理学奖

1907年申请联邦工业大学讲师失败

1913年任柏林大学教授哈比克KonradHabicht索罗文MauriceSolovineWehadawonderfultimeinthosedaysinBerninourcheerful'Academy,'whichwaslesschildishthanthoserespectableoneswhichIlatergottoknowonlytoowell.在犹太人团体的聚会上

1932年受到纳粹迫害

1933年就任普林斯顿高等研究院

1955年4月18日逝于普林斯顿

1940年加入美国国籍“在四位近代物理学创立者的基础上我得以建立自己的理论”伽利略牛顿麦克斯韦洛伦兹一、狭义相对论产生的科学背景

牛顿时空观——

Galileo变换以太的寻找——迈克逊-莫雷试验矛盾的解决：

洛伦兹找到了正确的坐标变换公式彭加莱找到了正确的物理本质拉摩指出了正确的物理实体惯性定律

一个物体，假如没有外力改变它的状态，便会永远保持静止的状态或匀速直线运动的状态。

若要放弃惯性定律，必须同时放弃所有的力学定律。

惯性系:力学定律在其中有效的坐标系。yzx伽利略变换y’z’x’v光线c光线的速度=c+v

乐观的世纪末开尔文（英国）LordWilliamThomsonKelvin,1824~1907Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.1900老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”普朗克（德国）

MaxPlank,1858~1947麦克斯韦（英国）

JamesClerkMaxwell

1831-1879

1865年麦克斯韦方程组光学、电磁学与力学的统一

光速=电磁波的传播速度基本常数

1879年，探测以太的方法让光线分别在平行和垂直与地球运动的方向等距离地往返传播

验证以太vSvEE假设太阳相对于以太是静止的，地球的速度为v

与轨道速度方向垂直的光速:c与光线垂直的方向测出的光速:c±v迈克逊（美国）

AlbertA.Michelson

1852~1931CIT，1931年

密立根RobertMillikan迈克逊干涉仪Michelsoninterferometer

Wilson山上的小屋

1881、87年：无结果试验

地球带动着环绕它的以太旋转，以至于总是相对于它是静止的。

光的速度与光源的运动无关。不能认定运动的物体带动周围的以太。从根本上放弃牛顿的思想。

菲兹杰拉德(爱尔兰)

GeorgeFrancisFitzGerald

1851~1901

1889年

Science

物体在以太风中收缩洛伦兹（荷兰）

HendrikLorentz

1853-1928

将牛顿力学与麦克斯韦的电磁学定律结合起来描述电子运动。

1892年，再度提出收缩假说。

1894年，致信菲兹杰拉德

1895年，以更精确的形式发表收缩假说。

1904年，发表洛伦兹变换。yzx洛伦兹变换

y’z’x’v（一）爱因斯坦的解决办法（二）狭义相对论的主要内容

1、基本原理

2、运动学的核心——洛伦兹变换

3、主要结论：尺缩；钟慢；光速是物质运动的极限速度；同时性的相对性；牛顿力学是狭义相对论的低速近似；质能公式（三）意义

（四）理论形式的完善二、狭义相对论的建立一九零五年：论动体的电动力学狭义相对论的两条原理在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的速度都是相同的。2.在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中，自然定律都是相同的。

爱因斯坦的思想试验

Gedankenexperiments

原理2涉及所有惯性系的观测者的等价性，已为彭加莱独立获得。

原理1完全是爱因斯坦规定的。如果它是对的，就可以解释迈克逊与莫雷试验的无结果现象。1.同时性SimultaneityOABXLv

A与B谁先发出的光脉冲？

X经过O的瞬间，同时接收到了A、B发射的光脉冲。牛顿力学ABXLv

观测者O:当光线从A、B传播过来时，速度c改变了，正好补偿了所预期的时间延迟。A光速=c+vB光速=c–v

A、B同时发出了光脉冲。O发出时刻相对论ABXL

观测者X:A、B同时发出了光脉冲。

v

观测者O:A一定比B稍早一点发射光脉冲。A光速=cB光速=c

O发出时刻2.与坐标系运动方向相垂直的运动的物体长度没有变化

NothingHappensToLengthsTransverseToABoostvv3.时间膨胀TimeDilationL光线镜子钟表A镜子钟表B光线往返一次的时间

=

两个钟表按速度v运动

L光线vΔtv光线在两个镜子中往返一周的时间为：

4.洛伦兹收缩LorentzContractionvO

观测者O:杆子的长度

vOX哦，怎么缩短了？我的钟比你的慢。爱因斯坦与洛伦兹的区别

在1905年之前的所有有关论文中，从来没有提到相对性原则

颠倒了洛伦兹的逻辑，将相对性作为一个原则，而不是一个问题

光速对于所有观测者来说都是不变的，是作为一个原则

光速的不变性仅仅是表面的，是他的理论的一个推论洛伦兹变换

在运动坐标系中的时间膨胀是一个数学技巧

时间间隔的测量在所有统一的运动参照系中都是一样合法的

长度收缩是用分子间的力可以说明的一种真实的效应

这仅仅是观测到的一种现象

1907年,质能公式静质量:m0

惯性质量:m

光子等速度为c的物质的静质量为0牛顿力学：动能

如果物体得到能量E0

，则其惯性质量将增加

惯性质量不是一个常数

物质的惯性质量可以表示它的能量

经典物理学的两种物质，即质与能

第一种有重力，第二种没有重力

能一直被认为是没有重力的，因为它的质量太小

把３万吨水变为蒸汽的热量称起来只有１克重狭义相对论的两个祭品

1.以太

2.质能关系

能量守恒=质量守恒

能量守恒+质量守恒=质能守恒

相对论:质量与能没有重要的区别能具有质量，质量代表着能量

修正主要影响高速运动状态下的定律

日常所见物体，经典力学的定律仍然有效

经典力学需要根据狭义相对论进行修正爱因斯坦与齐拉德LeoSzilard(1898-1964)

1930年代，科学家已经可以分裂原子核，爱因斯坦的质能公式E=mc²得到验证。

铀核的裂变刚刚被发现。铀可以被用来制造能量巨大的毁灭性炸弹。

1939年8月与1940年3月，爱因斯坦与齐拉德致信美国总统罗斯福。

（一）问题的提出（二）解决途径

引力场的思想试验（三）基本原理（四）主要内容（五）实验验证

广义相对论的验证（六）意义三、广义相对论的创立

孪生子悖论

ParadoxofTwins

朗之万（法国）

1911年4月波隆那哲学家大会

狭义相对论:物理学定律仅仅对于惯性系有效

广义相对论:物理学定律对一切相对作任意运动的坐标系都有效引力质量与惯性质量

思想试验：升降机

引力场:从一个坐标系过渡到另一个坐标系的“桥梁”。

桥梁的礅柱:引力质量=惯性质量

外面的观察者:

存在引力场,升降机在引力场中加速运动

里面的观察者:

升降机是静止的，引力场不存在的,水星近日点的进动1859年勒威耶发现水星近日点进动的观测值比牛顿理论每世纪快38’’

观测值每世纪43”.11

相对论每世纪43