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1、近代物理学基础,由牛顿、麦克斯韦、卡诺、菲涅耳和弗琅和费等科学家分别总结了力学、电磁学、热学和光学等一系列定律，其惊人的成就使一些人相信，除了应用这些定律说明这些现象外，物理学中只留下很少的事情可做了。,1900年英国物理学家开尔文展望20 世纪科学：,“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”,但是，这种乐观却是非常短暂的。19世纪末20世纪初迅速积累起来的实验成果和科学发现，并不能用总所周知的经典定律来解释，随后引发了轰轰烈烈的物理学的革命这场革命对自然科学和人类生活产生了极其深远的影响：,“但是，在物理学晴朗天空的远处， 还有两朵小小的令人不安的乌云”,黑
2、体热辐射实验,迈克耳逊-莫雷实验,迈克尔逊-莫雷实验的结果和牛顿的相对性原理产生抵触。,黑体辐射和固体、气体的热容量的测量值与热力学的预言不相符。,光电效应、康普顿效应和原子光谱不能用电磁理论来解释。,放射性和X射线的发现超出了经典物理学的框架。,20世纪初期，发展起来的相对论和量子力学给上述问题以及其他许多问题都提供了正确的答案。,其后，把这两个理论应用于诸如原子、分子、原子核和基本粒子那样的微观体系；以及诸如气体、液体和固体这样的宏观体系；还有宇宙这样的宇观体系，使得我们更深刻的认识自然界的本质和规律。同时引起了我们生产生活方式的极大的变革。使人们步入了以电子技术为基础的信息化社会。,这一
3、部分包括3部分的内容：,第16章：狭义相对论,第17章：能量量子化与玻尔理论,第18章 ：物质的波粒二象性,第19章：薛定谔方程,第20章：激光与固体能带理论简介,第16章 狭义相对论,爱因斯坦 ( Albert Einstein, 18791955 ),创立狭义相对论：1905年发表论动体的电动力学论文，完整提出了狭义相对论，揭示了空间和时间的本质联系，引起了物理学革命。同年又提出了质能相当性，在理论上为原子能时代开辟了道路。,爱因斯坦的主要科学成就：,发展了量子理论：1905年发表关于光的产生和转化的一个启发性观点论文，提出了光的量子论，为此而获得1921年的诺贝尔物理学奖。以后又陆续发表
4、文章提出受激辐射理论(1916)和发展了量子统计理论(1924)。前者成为60年代崛起的激光技术的理论基础。,建立广义相对论：1915年建立了广义相对论，揭示了空间、时间、物质、运动的统一性，几何学和物理学的统一性，解释了引力的本质，也为现代天体物理学和宇宙学的发展打下了重要基础。,其他：开创了现代宇宙学、对布朗运动的研究为分子运动论作出了贡献、探索统一场论的思想为现代物理学发展指出了一个重要方向。,由于提出光的量子论，1921年获得诺贝尔物理学奖,科学的创新思想：爱因斯坦在科学上不因循守旧、不迷信权威、敢于离经叛道、敢于创新。,高尚的精神境界：爱因斯坦在巨大的荣誉面前，他从不把自己的成就全部
5、归功于自己，总是强调前人的工作为他创造了条件。,伟大的人文关怀：除了孜孜不倦地科学研究外，还积极参加正义的社会斗争，旗帜鲜明地反对德国法西斯政权和它发动的侵略战争。战后，在美国又积极参加了反对扩军备战政策和保卫民主权利的斗争。,爱因斯坦精神：,狭义相对论 Special Relativity,相对论(Relativity theory)包含两个颇为不同的理论:,狭义相对论(Special Relativity) 1905年,由爱因斯坦(Albert Einstein)等人提出。它主要涉及相互以匀速运动着的不同惯性系里所做的测量结果的比较即运动的相对性问题。其结果可以用非常简单的数学导出，并能应
6、用于物理学和工程技术遇到的各种不同情况，具有普遍适用性。,时空观：在不同的参照系，时间和空间的关系如何？,伽利略变换与经典力学时空观,爱因斯坦假说和迈克尔逊莫雷实验,时间延缓和长度收缩,相对论动量与能量,2. 广义相对论(General Relativity) 1916年前后,由爱因斯坦(Albert Einstein)等人提出。它主要涉及到加速参考系和引力问题。但对广义相对论透彻的理解需要非常复杂的数学(如张量分析)，并且它主要用于引力范围，这在宇宙学上是很重要的,但在其他领域一般很少用到。,洛伦兹变换与相对论的时空观,16.1 伽利略变换与经典力学时空观,经典力学在讨论不同的惯性系之间的运
7、动联系时，假定了时间和空间测量不随参考系的变化而变化。在此基础上得到了经典的伽利略变换。在低速的物体运动中它所获得的结论与实验的结果并不矛盾。但在电磁理论中它受到了实验结果的质疑。,Primary:伽利略变换 Secondary:经典力学的时空观 Third:牛顿力学的困难,Main Goals,1.伽利略变换,伽利略坐标变换式:,时间和空间无关,求导可得速度和加速度的伽利略变换式,牛顿定律对伽利略变换不变,力学的相对性原理:对任何惯性系来说，力学现象都遵从同样的规律，即一切惯性系都是等价的。,船走吗?,舟行而不觉也,西汉尚书纬 考灵曜,2.经典力学时空观,K系,时间和空间彼此独立,绝对空间：
8、长度量度与参照系无关,K系,经典力学时空观绝对时空观,绝对时间：时间量度与参照系无关,绝对质量：物体质量与参照系无关,在此基础上有：,3.牛顿力学的困难,光传到乙的时间：,传到乙的时间：,先出球，后击球 先后颠倒,击前瞬间:,击后瞬间:,16.2 爱因斯坦假说与 迈克尔逊-莫雷实验,狭义相对论是爱因斯坦1905年在运动物体的电动力学的论文中提出的两条假设中推导出来的。发表时，他年仅26岁。揭示了空间和时间的本质联系，引起了物理学革命。同年又提出了质能关系，在理论上为原子能时代开辟了道路。,Primary:爱因斯坦假说 Secondary:迈克尔逊-莫雷实验,Main Goals,1.爱因斯坦假
9、说,（1）相对性原理（relativity principle)：绝对的匀速运动是不可能被探测到的。,（）光速不变原理（ principle of constancy of light)：光的速度与光源的速度无关。,推论：每个观察者测量光速都获得相同的数值，光速同光源与观察者之间的相对运动无关。,推论：物理规律在一切惯性系中都是相同的，不存在特殊的惯性系。,假说说明：左右图所示的参考系是完全等价的。,假说说明：在左图中R1与右图中R2测量的光速相同。,结论：左右图所示的情况下R1与R2所测量的光速均 相同。,2. 迈克尔逊-莫雷实验,经典理论：光是在介质“以太”中传播的电磁波。,光为横波，横波
10、在固体介质中传播的波速：,“以太”为何物？是否存在？,要求G(刚性)很大，(质量)很小,问题：,测定地球相对于以太的速度是是人们感兴趣的问题！,麦克斯韦指出：地球相对以太的速度v仅在二级小量上出现（v2/c2），所以小的无法测量。,当光源和反射镜相对于以太于速度v运动时：,A,B,c-v,c+v,光反射一来回的时间：,一般方法无法测量。,迈克尔逊干涉仪：,对平面镜M1光反射一来回的时间：,对平面镜M2光相对于干涉仪的速度：,对平面镜M2光反射一来回的时间：,两臂光的时间差：,产生干涉条纹后，把干涉仪旋转90，引起干涉条纹的移动。,每束光引起的光程差：,两束光引起的光程差：,干涉条纹的移动数目：
11、,光速：,光波长：,干涉仪臂长约：,1881实验结果：,未观察到条纹移动,地球绕太阳的公转速度：,1887多次反射光路实验装置,与1881年实验比较,干涉仪臂长约：,未观察到条纹移动,1887年实验结果与理论值的比较：,迈克耳孙-莫雷实验否定了以态的存在，也证明了爱因斯坦的假说是合理的。,假说1说明：绝对的匀速运动是不可能被探测到的。,假说2说明：光速与测量者的运动速度无关。,16.3 时间延缓和长度收缩,爱因斯坦判定，从两个假定中可以得出测量时间间隔与相对速度的重要结论。时间间隔和空间距离是与参考系有关的。本节由相对论的两个基本原理出发，得出两个重要的相对论效应时间延缓和长度收缩。,Prim
12、ary:时间延缓 Secondary:长度收缩,Main Goals,1.时间延缓（Time delay）,问题：考察不同的惯性参考系对相同的两事件的时间的测量结果。,S系,S系,S系,D,静止在S系的观察者测得光反射一来回的时间：,同样的两事件静止在S系的观察者测得的结果如何？,ct/2,静止在在S系的观察者发光与接受在不同的地点 ：,由光速不变原理可得 ：,S系,S系,S系,所以有 ：,若令 ：,结论：相对于S系中的观察者，S系中的观察者携带的钟走慢了。,变换因子,S系的观察者在同一地点测量时间固有时间。,S系的观察者在两个不同地点测量时间。,时间延缓：任何其他参考系测量到的时间间隔总是大
13、于其固有时间。（固有时间最短）,2.长度收缩（Length contraction）,问题：考察不同的惯性参考系对相同的长度的测量结果。,固定在S系的尺子两端为x1和x2，观察者测得长度为：,在S系的观察者看到尺子以v运动，经过其所用的时间为t，他所测的长度为：,S系,S系,S系,由 ：,结论：相对于S系中的观察者，S系中的观察者测得的长度缩短了。,物体相对于S系的观察者不动固有长度。,物体相对于S系的观察者运动。,长度收缩：物体在运动的参考系沿运动方向所测的长度总是比固有长度短。（固有长度最长）,相对论时间和空间的度量是和参考系有关的，随参考系的不同而不同固有时间最短，固有长度最长。他们之间
14、的差异取决于变换因子,变换因子,相对速度很大时，相对论效应才明显。相对论时间和空间在低速时经典的绝对时间和空间趋于一致。,例1.子按放射性统计规律衰变：N（t）=N0e-t/T ，T为其平均寿命，静止时T=2 s，若在9000m高空用探测器测得在一段时间内有108 个子通过，估计在海平面同样时间内有多少子到达？ （ 子的速度为0.998c）,解.（1）非相对论情形,子通过9000m距离用时：,由：,可得：,（2）相对论情形,在子参考系中：,在地球参考系中：,在子参考系中时间延缓：,（3）相对论情形,在子参考系中：,在子参考系中测量地球上9000m高为：,仍然有：,（4）相对论情形,在子参考系中
15、：,在地球参考系中：,子平均寿命T在地球参考系为：,实验的结果与相对论的结果相一致。,16.4 洛伦兹变换与相对论的时空观,本节将讨论相对论的一般的坐标变换。即考察S参考系的一个事件的坐标（x，y，z，t）与相对于S系以恒定速度运动的参考系S中同一事件的坐标（x，y，z，t）之间的一般关系。,Primary:洛伦兹变换 Secondary:相对论的时空观,Main Goals,1.洛伦兹变换（Lorentz transformation）,问题：考察不同的惯性参考系对相同事件观察的坐标（时间和空间）关系。,S系,S系,伽利略坐标变换式:,用伽利略坐标变换的光在S系中的速度为:,与爱因斯坦的光速
16、不变原理和实验的结果的结果相违背。,必须有另一种变换以适合相对论假说，而且在vc时近似为伽利略变换洛伦兹变换,假设x的洛伦兹变换具有如下形式:,如何求出K？,设有一光脉冲信号，在t =t =0时从原点发出：,S系中：,S系中：,光速不变原理,代入变换方程：,（1）（2）：,可得：,x的洛伦兹变换为:,（3）代入（4）：,可得时间变换：,（4）代入（3）：,可得时间逆变换：,洛伦兹坐标变换式:,洛伦兹速度变换由坐标变换求导或取差分:,S系中：,S系中：,同样有速度逆变换：,若速度具有y分量和z分量：,洛伦兹速度变换式:,例2.在S系中光以ux=c沿x轴运动，求光在S系中的速度。,解.由洛伦兹速度变换式有：,光速不变正是假设所要求的！,例3.两只完全相同的飞船A和B相向飞行，在A中的观察者测得B接近于它的速度为0.8c，则(1)B中观察者测得A接近于它的速度为多少？(2)在两飞船的质心处的观察者测得每一飞船趋近于质心的速率是多少？,解：,(2)取质心为S系,飞船A为S系：,飞船B相对A速度:ux,(1).相对速度不变:,飞船B相对于质心的
