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1、ES302: Modern Physics近代物理（电子类）何谷峰Tel: 34207045ES302 Course Information Lecture: Week 1-8, Tues. & Thur. 14:00-15:40 Exam: Week 10 Room: 东中院 1-203 Instructor: 何谷峰 Office: 综合实验楼 2-612B Homework Due: Tuesday, beginning of class. References: Modern Physics for Scientists and Engineers Thornton & Rex, 4
2、th edition (2012) 近代物理学 第二版，王正行，北京大学出版社， 20102Modern Physics and Classical PhysicsLow Speed (v c)低速High Speed (v c)高速Macroscopic宏观Classical Physics经典物理学Relativity Physics相对论物理学Microscopic微观Non-relativistic Quantum Physics非相对论性量子物理学Relativistic Quantum Physics 相对论性量子物理学What do we mean when we talk ab
3、out Modern Physics?Special RelativityQuantum Mechanics Atomic Physics Statistical Physics Particle Physics General RelativityCosmology and Modern Astrophysics古代科学技术 近代科学技术研究对象研究方法两者关系近代科学技术的产生分门别类整体考察科学实验，科学理论直观感受，哲学思辨两相分离 密切结合1、时间： 15世纪下半叶2、原因：（ 1）经济上：西欧封建社会内部逐渐产生了 资本主义 的生产方式。（ 2）思想上： 文艺复兴 使人从长期的基督
4、教神学的束缚中解放出来。3、古代和近代科学技术的区别探究： 他们分别是什么人？有什么贡献？经典力学体系的创立和发展量子理论的诞生 (从普朗克到爱因斯坦 )相对论的建立 （ 爱因斯坦 ）现代物理学理论的发展近代物理学的奠基人和革命者伽利略是经典力学的奠基者 (自由落体定律）牛顿是经典力学的建立者（ 运动三定律和万有引力定律）近代物理学的奠基人和革命者一 .经典力学的奠基人 伽利略的贡献二 .经典力学的建立者 牛顿的贡献三 .物理学革命 普朗克和爱因斯坦的贡献亚里士多德 伽利略伽利略：通过观察、实验和推理，得出结论：如果运动物体不受阻碍，它将速度保持不变地持续运动下去。突出成就： 创立自由落体定律
5、一、经典力学体系的创立和发展1、经典力学的奠基者 伽利略亚里士多德：力学观： 必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会静止。1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落地下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了 1900年之久的错误结论。惯性定律加速度定律作用和反作用定律物理运动三大定律万有引力定律经典力学体系2、 经典力学的建立者 牛顿牛顿力学体系及数学、天文学方面的研究成果记载在他的科学巨著 自然哲学的数学原理 中。2、条件：4、意义：1、标志： 自然哲学的数学原理 注重实验 具有惊人的预见性和巨大的理论指导意义 促
6、进近代科学的形成和发展前人基础 ;3、基本理论： 认识上的飞跃万有引力定律牛顿力学三定律牛顿(1642-1727)1781年天王星被发现，科学家用牛顿力学计算它的轨道，可是计算结果总是同观测纪录不大相符。经反复核算，观测无误。那问题是否出现在牛顿力学上面？法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确，大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系中还有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。 1848年 9月 23日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，用望远镜对准勒维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星 海王星。勒维列无需观测星空
7、，就在笔尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。海王星和冥王星的发现牛顿的经典力学牛顿是一位伟大的科学家。数学界，他总结出了微积分；在物理界，他总结出了万有引力定律以及经典力学的三大定律；在光学方面，他最早发现了白光的组成，指出了色散的本质。1727年 3月 20日，伟大的牛顿逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上镌刻着：让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在！牛顿名言我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到更光滑、更美丽的卵石和贝壳而高兴。而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜。 牛顿我之所以能比别人看得远些，是因为我站在巨人们的肩上。牛顿质疑与思考：经典力学
8、体系是最完美的物理学理论吗？19世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，有的物理学家表示： “ 19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。 ”高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！三 .物理学革命 普朗克和爱因斯坦的贡献普朗克的 贡献 提出量子论爱因斯坦的 贡献 提出相对论提出量子论和相对论的 影响量子论 :物体在发射辐射时和吸收辐射时 ,以一定的数值的数倍进行能量交换 .提出 ” 能量原子 ”标志： 关于正常光谱能量分布定律的理论 内容：爱因斯坦成功解释光电效应发展：从根本上改变了近代物理学中的传统观念 (宏观世界 ),使物理学乃至整个自然科学的观念发生
9、了重大变革影响：量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说： “ 如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。 ”爱因斯坦的贡献 提出相对论内容：意义：狭义 相对论广义 相对论相对论打破经典力学的绝对时空观进一步深化对时间空间和引力现象的认识2.促进了全新的 时空观、运动观和物质观 的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。1. 是对近代物理学理论框架的重大突破，揭示了空间、时间的可变性，也说明时空的变化和时空结构同物质的运动和状态密不可分。3.与 量子理论 共同构成了现代物理学的基本理论框架。提出 :内容：基础：1905年，爱因
10、斯坦发表了 论动体的电动力学 ，创立了狭义相对论。相对性原理光速不变原理时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运动速度的变化而变化。探究时空观 力学方面 运动规律适用范围经典力学相对论传统绝对时空观认为时空会随物体速度变化而变化；空间结构和性质取决于物质的分布牛顿力学相对论力学（包含牛顿力学）宏观世界低速运动微观世界高速运动提出 : 1916年内容：物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况， 空间弯曲的程度体现为引力场强度。广义相对论第一次阐述了 四维时空和物质的分布相联系 的重要思想。这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。例：爱因斯坦关于相对论的比喻
11、。为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说： “ 我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？ ” 男青年说： “ 当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。 ” 爱因斯坦说： “ 这就是我的相对论内容。 ”提出量子论和相对论的影响量子论和相对论一起，构成了现代物理学的基本理论框架。使人们的认识深入到新的层次和领域，特别是发现了微观物质的运动规律。为现代自然科学和现代技术革命提供了重要的理论基础。科学家 主要成就 意义伽利略落体定律 为经典力学奠定基础注重科学研究方法牛顿 自然哲学的数学原理 （物体运动三大定律和万有引力定
12、律）标志着牛顿力学体系的形成 标志着近代科学的形成爱因斯坦相对论（狭义、广义）、光速不变原理为现代自然科学和现代技术革命提供了重要的理论基础解释光电效应出现的现象和光的本质 进一步推动了量子论的发展普朗克 量子论物理学重大进展的主要成就及意义伽利略 （ 15641642）意大利（经典力学的奠基者）牛顿 （ 16421727） 英国普朗克 （ 18581947） 德国爱因斯坦 （ 18791955）物理学革命20世纪物理学的两大支柱经典力学体系 近代自然科学的形成从此科学摆脱了神学的束缚向前发展。标志： 1687 自然哲学的数学原理 相对论量子论（ 1900年）近代科学之父 实验科学Recent
13、 development 粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现 300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。 天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。 暗物质问题（丁肇中） 引力波存在的问题、黑洞问题 物体的速度能否超过光速的问题 生物物理有机体遗传程序的研究 有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、 X射线、电子能谱和核磁共振技术等）。 非平衡热力学及统计物理Special Relativity:What happens when things go really
14、fast?Quantum Mechanics:What happens when things get really small?What will be covered in the course?2930Topics in Special Relativity Classical physics before Einstein Simultaneity Time dilation and length contraction Geometry of “spacetime” Momentum, energy, and “E = mc2”31What is Quantum Mechanics?
15、Pre quantum-understood why stuff falls (gravity), a little about properties of electric and magnetic fields, gases.Quantum- understand underlying behavior of everything youare likely to see or experience in your lifetime! properties of all basic materials properties of light and other EM radiation how light interacts with matter basis for all modern technology, etc.General goals: Understand how modern physics has changed how we view the world around us. Understand the microscopic origi
