第12章 近代物理学简介

1*2*3速度变换公式*4加速度变换

在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律具有相同的形式.*5二经典力学时空观绝对空间:空间与运动无关,空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关,绝对不变．绝对时间:时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.6牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理注意

牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的范围内,是与实验结果相一致的.但在高速运动情况下则不适用.

7对电磁现象的研究表明:

电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换.真空中的光速8

试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间.球投出前球投出后(根据伽利略变换)

例9观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.结果:球投出前球投出后(根据伽利略变换)10

当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,

现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.l=5000

光年物质飞散速度AB11A

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间l=5000

光年物质飞散速度AB12l=5000

光年物质飞散速度AB

理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约.实际持续时间约为22个月,

这怎么解释?END13“以太”参考系是绝对静止系G

M1

G设“以太”参考系为系实验室为系迈克耳孙-莫雷实验GM1M2T14GM1M2T（从系看）G

M2M2

GG

M2

G15仪器可测量精度

实验结果

未观察到地球相对于“以太”的运动.结论：作为绝对参考系的以太不存在.16

以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验．近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但结论却没有任何变化．

迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.END17爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家之一,1905年、1915年先后创立狭义和广义相对论,1905年提出了光量子假设,1921年获得诺贝尔物理学奖,

还在量子理论方面有重要贡献.（1879-1955）18

真空中的光速是常量，沿各个方向都等于c

，与光源或观测者的运动状态无关.1

相对性原理

物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式.2

光速不变原理一狭义相对论的基本原理19

关键概念：相对性和不变性

.

伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符.

狭义相对论的基本原理与实验事实相符合.这两条基本原理是狭义相对论的基础.12-1爱因斯坦的思维.mp421二洛伦兹变换式符合相对论理论的时空变换关系．设时，重合;事件P的时空坐标如图所示.*221洛伦兹坐标变换式23正变换逆变换注意

时,转换为伽利略变换式.242洛伦兹速度变换式正变换25逆变换26讨论光速不变如在S系中沿x方向发射一光信号,在S′系中观察:

光速在任何惯性系中均为同一常量，利用它可将时间测量与距离测量联系起来.END27一同时的相对性事件1:车厢后壁接收器接收到光信号.事件2

:车厢前壁接收器接收到光信号.28S

系(地面参考系)事件

2事件

1设S系中x1、x2两处发生两事件,时间间隔为

.问S′系中这两事件发生的时间间隔是多少？29

系(车厢参考系)

在一个惯性系同时发生的两个事件，在另一个惯性系是否同时?30讨论------不同时------不同时2同地不同时1同时不同地31时------同时

------同时------不同时讨论3同时同地4不同时不同地32结论

同时性具有相对意义

沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义；只有在同一地点，同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时的.33长度的测量和同时性概念密切相关．二长度的收缩(动尺变短)棒沿

轴对系静止放置,在系中同时测得两端坐标34则棒的固有长度为固有长度：物体相对静止时所测得的长度.（最长）问

在S系中测得棒有多长?35设在S系中某时刻

t

同时测得棒两端坐标为x1、x2，则S系中测得棒长l=x2

-x1，l与l0的关系为：36结论

长度具有相对意义讨论1

长度收缩

l<l0V2

如将物体固定于系,由系测量,同样出现长度收缩现象.

物体对观察者向何处运动,观察者观测到在该方向上其长度收缩.37

例1设想有一光子火箭，相对于地球以速率直线飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为15m

，问以地球为参考系，此火箭有多长？火箭参照系地面参照系3839

例2长为1m

的棒静止地放在平面内，在

系的观察者测得此棒与轴成角，试问从S

系的观察者来看，此棒的长度以及棒与

Ox

轴的夹角是多少？设系相对S系的运动速度.解在

系40在S系41三时间的延缓(动钟变慢)42B发射光信号接受光信号时间间隔系同一地点B

发生两事件43在S

系中观测两事件44B固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.时间延缓：运动的钟走得慢.45

3

时，.

1

时间延缓是一种相对效应.

2

时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等

）注意46狭义相对论的时空观

(1)

两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义.

(2)时—空不互相独立，而是不可分割的整体.

(3)光速C

是建立不同惯性系间时空变换的纽带.47

例3设想一光子火箭以速率相对地球作直线运动，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min,则地球上的观察者测此事用去多少时间？运动的钟似乎走慢了.解

设火箭为系、地球为S系END48(1)相对论动量遵循洛伦兹变换当时一动量与速度的关系(2)相对论质量静止质量：m049相对论质量

说明质量与速度有关.m0m12340.20.41.000.60.8vc50物体相对于惯性系静止时的质量.静质量:结论:质量具有相对意义.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用.当时51二狭义相对论力学的基本方程当时变为牛顿第二定律.即当时,不变相对论动量守恒定律52三质量与能量的关系动能定理设

积分53相对论动能当时，静能量物体静止时所具有的能量.54相对论质能关系

质能关系指出：物质的质量和能量之间有密切的联系.总能量

相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律.55物理意义

惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论.

56

相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础,这是一个具有划时代意义的理论公式.57四质能公式在原子核裂变和聚变中的应用质量亏损原子质量单位放出的能量1

核裂变1g

铀—235的原子裂变释放的能量58原子弹爆炸（核裂变）59我国于1958

年建成的首座重水反应堆60秦山核电站全景图在建的阳江核电站效果图61在建的江苏连云港田湾核电站622

轻核聚变释放能量质量亏损

轻核聚变条件温度达到时，使具有的动能，足以克服两之间的库仑排斥力.氘核氦核631967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功中国的“两弹一星”是20世纪下半叶中华民族创建的辉煌伟业！

大批优秀的科技工作者，包括许多在国外已经有杰出成就的科学家，以身许国，怀着对新中国的满腔热爱，响应党和国家的召唤，义无反顾地投身到这一神圣而伟大的事业中来。在当时国家经济、技术基础薄弱和工作条件十分艰苦的情况下，自力更生，发奋图强，用较少的投入和较短的时间，突破了核弹、导弹和人造卫星等尖端技术，取得了令人瞩目的成就！12-2“两弹一星”功勋：干惊天动地事-做隐姓埋名人.mp466五动量与能量的关系极端相对论近似67光子光的波粒二象性

狭义相对论的建立是物理学发展史上的一个里程碑，具有深远的意义。它揭示了空间和时间之间，以及时空和运动物质之间的深刻联系。这种相互联系，把经典力学中认为互不相关的的绝对空间和绝对时间，结合成为一种统一的运动物质的存在形式。69

例1

设一质子以速度运动.求其总能量、动能和动量.

解质子的静能70动量也可如此计算

例1

设一质子以速度运动.求其总能量、动能和动量.71解

核聚变反应式

例2已知一个氚核和一个氘核可聚变成一氦核,并产生一个中子,试问这个核聚变中有多少能量被释放出来.72氘核和氚核聚变为氦核的过程中，静能量减少了END73一光电效应实验的规律VA

1

实验装置及现象

2

实验规律（1）光电流强度与入射光强成正比.74（2）截止频率（红限）截止频率与材料有关与光强无关.对某种金属来说，只有入射光的频率大于某一频率

0时，电子才会从金属表面逸出.

0称为截止频率或红限频率.75

遏止电势差与入射光频率具有线性关系.（4）瞬时性使光电流降为零所外加的反向电势差称为遏止电势差

，对不同的金属，

的量值不同.（3）遏止电势差O76

按经典理论,电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累,与实验结果不符.3经典理论遇到的困难

红限问题

瞬时性问题

按经典理论,无论何种频率的入射光,只要强度足够大，就能使电子逸出金属.与实验结果不符.

77二光子爱因斯坦方程1

“光量子”假设光可看成是由光子组成的粒子流，单个光子的能量为.2

爱因斯坦光电效应方程逸出功与材料有关78理论解释:几种金属逸出功的近似值(eV)钠铝锌铜银铂2.464.084.314.704.736.35光强越大，光子数越多，单位时间内产生光电子数目越多,光电流越大.(时）79

遏止电势差VA外加反向的遏止电势差恰能阻碍光电子到达阳极,即80爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效应现象.（截止频率）

频率限制:只有时才会发生瞬时性：光子射至金属表面，一个光子的能量将一次性被一个电子吸收，若，电子立即逸出，无需时间积累.813

普朗克常数的测定遏止电势差和入射光频率的关系O82例1一半径为的薄圆片，距光源1.0m

.

光源的功率为1W，发射波长589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.解8384光电倍增管放大器接控制机构光光控继电器示意图三光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.85四光的波粒二象性

相对论能量和动量关系（2）粒子性：（光电效应等）（1）波动性：光的干涉和衍射

光子

86描述光的粒子性

描述光的波动性

光子

END19世纪末，经典物理无法解释的两个实验：一个是迈克耳孙-莫雷实验，另一个是黑体辐射实验。为了解释迈克耳孙-莫雷实验，产生了狭义相对论理论。同样地，1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定律来说明热辐射现象时，出现了所谓的“紫外灾难”。为了摆脱经典物理学的困境，一些思想敏锐而又不为旧观念束缚的物理学家，重新思考了物理学中的某些基本概念，经过艰苦而又曲折的道路，终于在20世纪初期诞生了量子理论。88

量子概念是1900年普朗克首先提出，距今已有100多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论.89一黑体

黑体辐射（1）热辐射

实验表明，任何物体在任何温度下，都向外辐射各种波长的电磁波。在不同的温度下辐射出的各种电磁波的能量按波长的分布而不同，这种能量按波长的分布随温度而不同的电磁辐射叫热辐射。

单色辐射出射度

单位时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位频率区间内的电磁波的能量.单位：单位：91辐射出射度

单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.9202468101221210468太阳钨丝可见光区

太阳

钨丝钨丝和太阳的单色辐出度曲线93（2）黑体

黑体是理想模型

若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，则称此物体为黑体.94

任何物体单色辐出度M

(T)

和单色吸收比

(T)之比，等于同一温度T

时的绝对黑体对同一波长的单色辐出度MB(

,T),即（3）基尔霍夫定律通俗地讲，好的吸收体是好的辐射体.959601

0002

0000.5

可见光区3

000

K6

000

K黑体单色辐出度的实验曲线1.0二黑体辐射的实验规律971

斯特藩-

玻耳兹曼定律斯特藩-玻耳兹曼常量总辐出度式中0100020001.0

可见光区3

000

K6

000

K0.5982

维恩位移定律常量峰值波长0100020001.0

可见光区3

000

K6

000

K99解（1）由维恩位移定律

例1（1）温度为的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？(2)太阳的单色辐出度的峰值波长，试由此估算太阳表面的温度.（3）以上两辐出度之比为多少？100（2）（3）由斯特藩-玻耳兹曼定律由维恩位移定律12-3地球为什么足够温暖？.mp4102三瑞利-金斯公式经典物理的困难0123624瑞利-金斯公式瑞利-金斯公式紫外灾难实验曲线****************T=2000K103普朗克（1858—

1947）

德国理论物理学家，量子论的奠基人.1900年他在德国物理学会上，宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文.

劳厄称这一天是“量子论的诞生日”.量子论和相对论构成了近代物理学的研究基础.104四普朗克假设普朗克黑体辐射公式1

普朗克黑体辐射公式普朗克常数10501236瑞利-金斯公式24普朗克公式的理论曲线实验值****************实验值与普朗克公式理论曲线比较T=2000K106

黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一最小能量的整数倍，即

，2

，3

，

…n

,

称为能量子，n

为量子数.2

普朗克量子假设

普朗克的能量子假设打破了经典物理认为能量是连续的概念，这是一个新的重大发现，开创了物理学的新时代。普朗克常数

是近代物理学最重要的常数之一，它是近代物理学和经典物理学的判据。因此，人们把1900年普朗克提出的量子假设作为量子论的起点，普朗克量子假设是量子力学的里程碑。108

（2）当量子数由增加到时，振幅的变化是多少？

例2

设一音叉尖端质量为0.050kg

，将其频率调到，振幅.求（1）尖端振动的量子数；

解（1）109基元能量（2）110

在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.END111

1920年，美国物理学家康普顿在观察X

射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生了变化的成分——散射束中除了有与入射束波长

0相同的射线，还有波长

>

0

的射线.112一实验装置113二实验结果（相对强度）（波长）1

波长的偏移(

)

与散射角有关.2

与散射物体无关.114三经典理论的困难

按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用.

可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.115

1

物理模型

入射光子（X

射线或射线）能量大

.四量子解释范围为：光子电子电子光子116

电子反冲速度很大，用相对论力学处理.

电子热运动能量，可近似为静止电子.

固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子.

光子电子电子光子117(1)入射光子与散射物质中束缚微弱的电子弹性碰撞时，一部分能量传给电子，散射光子能量减少，频率下降、波长变大.2

定性分析(2)光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个原子发生弹性碰撞时，能量不会显著减小，所以散射束中出现与入射光波长相同的射线.1183

定量计算动量守恒能量守恒119120

康普顿波长

康普顿公式121

散射光波长的改变量仅与有关.

散射光子能量减小4

结论1225

讨论

若则，可见光观察不到康普顿效应.

光具有波粒二象性

一般而言，光在传递过程中，波动性较为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较显著.123

与的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用.

散射中的散射光是因光子与紧束缚电子的作用.原子量大的物质，其电子束缚较强，因而康普顿效应不明显.1246

物理意义

光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.

微观粒子的相互作用也遵守能量守恒和动量守恒定律.125

例1

波长的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞，在与入射角成角的方向上观察，问：

（2）反冲电子得到多少动能？

（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？

（1）散射波长的改变量为多少？126（1）（2）

反冲电子的动能

（3）

光子损失的能量＝反冲电子的动能解END127

一德布罗意假设(1924

年)

“整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于‘粒子’的图像想得太多，而过分地忽略了波的图像呢？”128法国物理学家1924年在他的博士论文《关于量子理论的研究》中提出把粒子性和波动性统一起来.为量子力学的建立提供了物理基础.德布罗意（1892—

1987）129

思想方法自然界在许多方面都是明显地对称的，德布罗意采用类比的方法提出物质波的假设.

德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性粒子性波动性大胆类比，合理猜测——科学研究要勇于创新！130

德布罗意公式这种波称为德布罗意波或物质波注意若则(1)若则131

(2)宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性.

例1一束电子中，电子的动能，求此电子的德布罗意波长.解132此波长的数量级与

X

射线波长的数量级相当.133二德布罗意波的实验证明1

戴维孙-革末电子衍射实验（1927年）355475

当散射角时电流与加速电压曲线检测器电子束散射线电子被镍晶体衍射实验MK电子枪134

电子束在单晶晶体上反射的实验结果符合X射线衍射中的布拉格公式.相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件:........................135镍晶体电子波的波长

136当时，与实验结果相近.137电子束透过多晶铝箔的衍射K2G.P.

汤姆孙电子衍射实验(1927年)

电子束穿越多晶薄片时出现类似X射线在多晶上衍射的图样.138三应用举例

1932年鲁斯卡成功研制了电子显微镜;

1981年宾尼希和罗雷尔制成了扫描隧穿显微镜.139

经典粒子

不被分割的整体，有确定位置和运动轨道

.

经典的波

某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性

.

二象性要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上.