第三章 相对论与量子论物理学简介现代物理学的发展第一节 揭开现代物理学发展序幕的“三大发现”第二节 相对论与现代时空观第三节 量子论与现代高新技术物理学简介什么是物理学？ 物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学 。 物理学与其它科学地关系：1、物理学是最基本的科学。2、物理学是最古 老、然而发展最快的科学。3、物理学提供最多、最基本的科学研究手段。 物理学已成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学。经典力学（牛顿力学） 物理学的重大基础理论： 统计力学（热力学）电磁学相对论量子论经典物理学1619世纪现代物理学（19世纪末、20世纪初开始）第一节 揭开现代物理学发展 序幕的“三大发现”19世纪末，物理学实验中的两朵乌云：（1）热辐射实验中出现的“紫外灾难”问题；（2）迈克尔逊莫雷实验所研究的“以太”问题。真空放电 实验阴极射线发现X射线 和电子研究放射性对X射线 的研究美国物理学家。曾任芝加哥 大学教授，美国科学促进协会主 席、美国科学院院长；还被选为 法国科学院院士和伦敦皇家学会 会员，1931年5月9日在帕萨迪纳 逝世。主要从事光学和光谱学方面 的研究，以毕生精力从事光速的 精密测量。 1887年他与莫雷合作，进行 了著名的迈克耳孙-莫雷实验，这 是一个最重大的否定性实验，它 否定了“以太”的存在。迈克耳逊迈克尔逊在1907 年荣获诺贝尔物 理学奖。一、X射线的发现二、天然放射性的发现放射性是指物质能自发放射出某种射线的性质。1896年初，法国科学院院士、著名物理学家彭加勒。1895年，德国维尔茨堡大学校长兼物理所所长、物理学教授 伦琴在重复阴极射线实验时，发现了X射线。X射线实质上是一种波长很短的电磁波。1901年，伦琴获得第一个诺贝尔物理学奖。法国物理学家贝克勒尔铀盐的放射性居里夫人和丈夫居里放射性元素钚和镭镭的放射性比铀强200多万倍。贝克勒尔、居里和居里夫人共同荣获1903年诺贝尔物理学奖。法国物理学家朗之万三、电子的发现放射性天然放射性天然放射性元素自发放射的性质。如：铀、镭等人工放射性通过核反应，利用反应堆、加速器造出的放射性物质。英国剑桥大学卡文迪什实验室的教授汤姆逊1897年，汤姆逊和他的学生通过实验测量证实：阴极射线是由带负电微粒组成的粒子流。这种“微粒”即电子。1906年，汤姆逊由于发现电子而荣获诺贝尔物理学奖。他被誉为“最先打 开通向粒子物理学大门的伟人。” 1909年，美国物理学家密立根密立根油滴实验测得了电子电荷的精确值e，算出电子的质量m。证明了一个电子所带的电量是电荷的最基本单位。 三大发现把人们的视野由宏观领域引向微观领域。第二节 相对论与现代时空观相对论狭义相对论 - 一种新的时空理论广义相对论 - 一种新的引力理论一、狭义相对论 1、狭义相对论的创立2、狭义相对论的两个基本原理（1）相对性原理：一切物理定律（包括力学、电学等）在所有惯性系中均成立。（2）光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度 C=3m /s传播。 与光源的运动无关。3、狭义相对论的关键思想爱因斯坦同时性的定义（2）在高速运动中，光信号传播所用的时间不 能忽略不计。0p r说明（1）时间和空间是密 不可分的，是相对的。C4、狭义相对论的核心方法 -洛仑兹变换伽利略变换x= x v ty=yz=zt=tyOxPkv0y kxzZ洛仑兹变换洛仑兹收缩因子爱因斯坦同时性因子当 v c 时， 洛仑兹变换 伽利略变换x= x v ty=yz=zt=t洛仑兹变换伽利略变换同时，在洛仑兹变换中只能取不为零的实数，表明真空中的光速是物质运动的上 限速度。可见，相对论包含了牛顿力学。5、狭义相对论的时空观： 空间的相对性 -动尺变短。 时间的相对性 -动钟变慢。 同时的相对性。在K系同时t=0,不同地点X0发生, 则t0, 即在 k 系，不再是同时发 生。对于一只静止在K系中的时钟， 它的位置是不变的，即X=0， 所以运动的时钟变慢了。尺静止在 k系中，在 k系中的 观察者看来，运动的尺变短了。X为运动长度，x静止长度6、狭义相对论的主要结论 质速关系 质能关系m0为物体的静止质量，m为 物体的运动质量在相对论中，物体的质量随 着运动速度的增加而增加E运动而增加的能量， m-运动而增加的质量。1Kg物体包含的静止能量1Kg汽油的燃烧值质能关系表明：一个质量为m的物体，具有的能量 。质质能关系的巨大意义50克物质全部转 化为能量，可以 将整个西湖里的 水加热到沸腾； 1千克核物质反 应放出的能量相 当于1000多吨 TNT炸药爆炸放 出的能量。质能关系的产生，意味着原子能时代的到来，然而科学是双韧 剑，如何保证原子能的和平利用，是人类特别应当重视的问题 。原子弹二、广义相对论1、广义相对论的两个基本原理广义协变原理：自然规律对于任何参照系而言都应具有相同的数学形式。等效原理：匀加速参照系与引力场中静止的参照系等效 。即：非惯性系与某一引力场等效。2、广义相对论的主要结论（1）引力大的地方时钟走的慢；（2）引力导致空间弯曲。3、广义相对论的描述：空间的结构和性质取决于物质的分布，现实存在的 空间不是平坦的欧几里得空间，而是四维弯曲的黎曼空 间，空间的曲率体现着引力场的强度。广义相对论是牛顿万有引力定律的相对论推广，它 成功地解释了牛顿万有引力所不能解释的引力现象 - 水星轨道近日点的进动;它所预言的光线弯曲效应和引力 辐射效应已被实验观测所证实；它所预言的中子星、引 力透镜、黑洞等天体也已有了许多证据；它对宇宙论中 的“宇宙大爆炸模型”，给出了宇宙演化的一种图象。关于相对论和爱因斯坦爱因斯坦是世纪最伟大的科学家逻辑结构之完美实验预言之精确理论容量之深广在人类思想史和科学史上是空前的第三节 量子理论与现代高新技术一、量子论的创立1、创立的时代背景2、量子论的诞生 （1900年，普朗克提出） 二、量子理论的主要内容： 1、爱因斯坦的光量子理论（1905年）光的波粒二象性。2、德布罗意物质波理论（1924年）1924年，32岁的法国青年物理学家德布罗意提出：实物粒子：静止质量不为零的微观粒子称为实物粒子。一切实物粒子都具有波粒二象性。德布罗意于1929年获诺贝尔奖，1933年当选为法国科学院院士。3、海森堡不确定关系海森堡矩阵的方式矩阵力学不确定关系 量子力学 薛定谔微分方程的形式波动力学薛定谔方程海森堡于1932年获诺贝尔奖，薛定谔于1933年获诺贝尔奖。量子力学的创立（1925年）4、波函数与薛定谔方程三、量子力学是现代高科技发展的重要基石量子力学的创立对当代科学技术发展的意义：量子力学的创立，揭示了微观世界的基本规律，为原子 物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学和半导体物理 学的发展奠定了理论基础。量子能带理论的建立，使人们对 半导体的性能有了认识，导致了晶体管和大规模集成电路的 产生，引导了20世纪微电子技术、激光技术、通信技术等现 代高新技术的空前发展。同时，也为超导电性的研究、液晶 研究和介观物理研究打开了一扇大门。相对论和量子论，不仅是现代物理学而且也是整个自然 科学的两大基石。20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦一、爱因斯坦的贡献二、爱因斯坦的一生三、爱因斯坦的思想一、爱因斯坦的贡 献有史以来最杰出的十位物理学家：有史以来最杰出的十位物理学家：1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)2.牛顿(英国)3.麦克斯韦(英国)4. 玻尔(丹麦，1922) 5.海森伯(德国，1932)6.伽利略(意大利) 7.费因曼(美国，1965)8.狄拉克(英国，1933) 9.薛定谔(奥地利，1933)10.卢瑟福(新，1908)主要贡献 （1）提出光量子假说，解释了光电效应。获得1921年 诺贝尔物理奖。（2) 分子运动理论，1905年4月、5月、12月他发表了 三篇有关布朗运动三篇有关布朗运动的论文，为解决半个多世纪来科学 界和哲学界争论不休的原子原子是否存在的问题做出了突 出贡献。（3) 创立狭义相对论爱因斯坦写了一篇开创物理学纪元的长论文论动论动 体的电动力学体的电动力学，完整地提出狭义相对论。这是他10 年酝酿和探索的结果，解决了19世纪末出现的古典物 理学的危机，推动了整个物理学理论的革命。（4）创立广义相对论(5)建立质能关系 1905年9月，爱因斯坦写 了一篇短文物体的惯性同物体的惯性同 它所含的能量有关吗？它所含的能量有关吗？， 作为相对论的一个推论，揭 示了质量(m)和能量(E)的相 当性：E=mc2，并由此解释 了放射性元素（如镭）所以 能释放出大量能量的原因。1932 年爱爱因斯坦在讲讲解著 名方程E=mc2（6）激光基础理论1916年爱因斯坦发表关于辐射的量子理论 。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的 核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光之父激光之父。在这 篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、 自发辐射、受激辐射。前两个概念是已为人所知的 。受激辐射受激辐射是爱因斯坦新发现。受激辐射的最大 特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原 来的光子具有完全相同的状态。通过一次受激辐射 ，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加 强了，放大了。这正是产生激光的基本过程。（7）开创宇宙学1917年，爱因斯坦用广义相对论的结果来 研究宇宙的时空结构，发表了开创性的论文 根据广义相对论对宇宙所做的考察。论文分 析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念 ，指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不 协调的。他认为，可能的出路是把宇宙看作是 一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区， 以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边有限无边的， 这使宇宙学摆脱了纯粹猜想的思辨，进入现代 科学领域。所以称爱因斯坦为宇宙学之父。宇宙学之父。（8）统一场论的研究广义相对论建成后，爱因斯坦依然感到不满足 ，要把广义相对论再加以推广，使它不仅包括引力 场，也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三 个阶段，即统一场论。1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场 论。开头几年他非常乐观，以为胜利在望；后来发 现困难重重，他认为现有的数学工具不够用；1928 年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法， 但都没有取得具有真正物理意义的结果。成功的密绝一个美国记者曾问爱因斯坦关于他成功的 秘决。他回答：“早在1901年，我还是二十二 岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我 可以把这公式的秘密告诉你，那就是：A=X+Y+Z!A=X+Y+Z!A就是成功，X就是努力工作工作，Y是懂得 休息休息，Z是少说废话少说废话！这公式对我有用，我想 对许多人也是一样有用。”二、爱因斯坦的一生爱因斯坦出生的房子阿尔伯特爱因斯坦爱因斯坦(18791955)，是20世纪 最伟大的自然科学家，物理学革命的旗手。爱因斯坦1879年3月14 日生于德国乌耳姆乌耳姆一个经营 电器作坊的小业主家庭。一 年后，随全家迁居慕尼黑慕尼黑。 父亲和叔父在那里合办一个 为电站和照明系统生产电机 、弧光灯和电工仪表的电器 工厂。爱因斯坦 的父母亲爱因斯坦的母亲像大多数犹太女性一样，贤慧能 干。她的家境优裕，受过良好的教育，文化修养极高 ，爱文学文学，更爱音乐音乐。共同的爱好使得爱因斯坦的父 母间的关系非常融洽，他们不仅营造了一个充满温馨 和谐的爱之屋，更为爱因斯坦的诞生和成长孕育出品 味极高的文化氛围。他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学文学和 数学数学。非凡的思维能力、丰富的想象能力，就是爱因 斯坦继承父母天赋的明证。 伟人的诞生爱因斯坦刚出生时， 后脑大得不同一般，而且 头骨呈棱角形。爱因斯坦 的母亲曾为头胎儿子的异 样头骨而受惊，爱因斯坦 的祖母看到孙子，也低声 嘀咕：“太重了！”她担心