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1、近代物理部分,引 言,17世纪至19世纪，物理学经历了三次大的综合:,第一次是牛顿力学体系的建立经典力学,第三次是麦克斯韦的电磁理论的建立经典电磁理论,第二次是热力学定律、能量守恒定律热力学、经典统计力学,海王星的发现（1846在Leverrier“笔尖下看到”）,各种物质运动形式可以相互转化，而且有定量关系,气体动理论是用牛顿理论研究大量微观分子的运动,大至日月星辰，小至分子原子，无不为牛顿理论所包罗,描述世俗物体和天体的运动规律的统一理论,把电学、磁学和光学合成一体,电磁理论成功解释了波动光学,19世纪末，人们感到经典物理似乎可以解决所有问题。,1887年的迈克耳逊莫雷实验的“零结果”,1
2、900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓的“紫外灾难”,热和光的动力学理论上空的 “两朵小乌云”。,“物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。 ”,1900年，英国物理学家威廉汤姆逊(Kelvin)在新世纪的祝词中说道：,“The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.”,1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物
3、质的基本单元，原子是可分的。,近代物理（20世纪）包括：,人类跨入20世纪的时候，物理学迎来了新纪元从经典物理走向了近代物理。,MichelsonMorley实验相对论 黑体辐射量子论, 相对论 狭义相对论 (Special Relativity)（1905） 研究 : 惯性系中物理规律及其变换 揭示 : 时间、空间和运动的关系 广义相对论(General Relativity)（1915-1916） 研究:非惯性系中物理规律及其变 换 揭示 : 时间、空间与引力的关系,1892年G.F.Fitzgerald 和 H.A.Lorentz 独立提出运动长度收缩的概念。,关于狭义相对论的主要的工作
4、,1899年H.A.Lorentz 从“以太”论出发，导出了 Lorentz 变换。,1904年庞加莱提出物体质量随运动速度增加而增加，极限速度为光速 c。,1905年爱因斯坦 论动体的电动力学给出相对论的物理基础。,爱因斯坦的预言，其它人甚至都没想象过。,1925 Heisenberg 矩阵力学, 量子力学的建立：（崭新概念）,量子力学 原子、分子、原子核、固体 量子电动力学（QED） 电磁场 量子场论 原子核和粒子, 量子力学的进一步发展：,1924 de Broglie 电子具有波动性,1928 Dirac 相对论波动方程,1927 Davisson， G.P.Thomson 电子衍射实
5、验,1926 Schroedinger 波动方程, 量子力学 旧量子论的形成：（冲破经典量子假说） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化,狭义相对论,（Special Relativity）,Albert Einstein（18791955） 德裔美国科学家 1921年因光电效应的解释获诺贝尔物理奖 人只有献身于社会，才能找出那短暂而有风险的生命的意义。 -爱因斯坦,早期对布朗运动的研究 1905年创建狭义相对论 1916年创建广义相对论 1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系 1912年用光量子
6、概念建立了光化学定律 1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光出现奠定基础 1924年提出了量子统计方法-玻色-爱因斯坦统计法。 用广义相对论研究整个宇宙的时空结构 大统一理论的提出,1 牛顿相对性原理和伽利略变换,2 伽利略变换的困难，迈克尔逊莫雷实验,3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换,4 狭义相对论的时空观,5 相对论的质量和动量,6 狭义相对论力学的基本方程,7 相对论能量,8 相对论动量能量关系,本章目录,经典力学 狭义相对论 牛顿的时空观 爱因斯坦的时空观,牛顿的相对性原理,伽利略变换,相对性原理、光速不变原理,洛仑兹变换,运动学效应,时间膨胀 长度收缩,重新认识运动与时空
7、的概念,包括两个方面： 1.物理规律与参考系无关相对性原理 2.在两个参考系中对同一事件的描述有所不同，之间存在一个变换关系变换式,甲君,以我为标准： 甲君说：头朝上 乙君也说：头朝上,乙君,问题是： 甲君 看 乙君， 大头朝下！,用科学的语言来表述 万有引力定律： 下：指向地心,相对性原理的核心： 物理规律是客观存在的，与参考系无关。 没有特殊的参考系，即参考系平权。 平权就是各向同性，就是对称性。,从哥白尼到爱因斯坦 - 参考系的选择,从哥白尼的日心说到爱因斯坦的广义相对论的过程，是人们逐步摆脱以自我为核心的过程。,纪念哥白尼诞辰500周年学术会的标题,牛顿的相对性原理 狭义相对性原理 广
8、义相对性原理,适用范围 惯性系 宏观低速 惯性系 所有参考系,1 牛顿的相对性原理和伽利略变换,设惯性系S 相对S以匀速u运动的惯性系S,t 时刻 物体到达P点,通常： 实验室参考系 为S系 运动参考系 为S系,一. 伽利略变换(Galilean transformation),在两个惯性系中考察同一物理事件,正变换,逆变换, 伽利略变换,坐标和时间变换:,速度变换与加速度变换,正变换,逆变换,用S系的时间求导,牛顿时空： 时间量度与参考系无关 即,速度变换,加速度变换,在两个惯性系中,两个都是惯性系,u是恒量,求导,二.牛顿的相对性原理（力学相对性原理）,在牛顿力学中力与参考系无关，质量与运
9、动无关。,根据伽利略相对性原理，只能知道一个惯性系相对于一个惯性系的速度，而不能根据任何力学实验决定某一个惯性系是否“绝对静止”。,结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。,推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式力学相对性原理。 在任何惯性系中观察，同一力学现象将按同样的形式发生和演变。 各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。,宏观低速物体的力学规律 在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,或 牛顿力学规律是伽利略不变式,如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）,动量守恒定律在伽利略变换下形式不变,任何两个事件之间的时间间隔，对于所有的观察者来说
10、都一样。,三、经典力学的绝对时空观,伽利略变换的核心思想是经典力学的绝对时空观 伽俐略变换实质上是以数学形式反映了牛顿力学所持的经典时空观。,经典力学认为： 物体的运动虽在时间和空间中进行，但是时间的流逝、空间的性质与物体的运动之间没有任何联系。,任何两个事件之间的空间间隔，对于所有的观察者来说都一样；,时间是绝对的，空间是绝对的。,1、时间： 同时性的绝对性： 在一惯性系中同时发生的两件事，在其它惯性系中也是同时发生的。,在S系中， t1=t2， 则由 t1=t1，t2=t2 得在S系中 t1= t2,时间间隔测量的绝对性： 在S系中， Dt=t2-t1， 则由 t1=t1，t2=t2 得在
11、S系中 Dt=t2-t1=t2-t1=Dt,2、长度：,长度的定义及长度测量的说明： 杆的长度由其两端的坐标差确定 l =x2-x1 静止：端点坐标值不随时间变化， 坐标测量可在不同时刻进行 运动：端点坐标值随时间变化， 坐标测量必须在同时刻进行 若不是同时测量， 则测得的坐标差就不是杆的长度。,空间的绝对性 在S中，杆静止，测得x2、x1，则 l=x2-x1 在S中，杆运动，在S系中同时测量，当时刻为t 时， x1=x1+vt，x2=x2+vt S系中测得 l=x2-x1=(x2+vt)-(x1+vt)=x2-x1=l,绝对时空观：彼此相对运动的惯性系中，测得同一杆的长度是相同的。,绝对时空
12、观仅在宏观低速范围成立，但被人们理所当然地绝对化了。对高速运动物体，须打破这种观点。,2 伽利略变换的困难，迈克尔逊莫雷实验,一、光速问题,对两个不同的惯性参考系 , 光速满足伽利略变换吗 ？,先看到投出后的球，后看到投出前的球,球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换),公元1054年5月发生了一次著名的超新星爆发，其残骸形成了金牛星座的蟹状星云。,物质飞散速度,爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 蟹状星云,据宋会要记载从公元 1054年1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见。,地球上看到爆发所发出的强光的时间持续约,按伽利略
13、变换,实际持续时间约为22个月,而由伽利略变换：不同惯性系中观测者测定同一光束的传播速度时，所得结果随光的传播方向而异。,电磁学规律与伽利略变换之间的矛盾,光沿各个方向的传播速度相同，与光源运动无关,S系中： 麦克斯韦方程组成立。 S系中：麦克斯韦方程组因光速不同而有不同形式。,若电磁场规律对一切惯性系成立，真空中电磁波的传播速度与参照系无关伽利略变换应舍弃。,根据麦克斯韦方程组，真空中电磁波(光)的速度为,若宏观电磁现象所遵从的规律因惯性系不同而各不相同麦克斯韦方程组只对一个特殊参考系严格成立。,对于不同的惯性系，电磁基本规律的形式一样吗 ？,没有质量；完全透明；对运动物体没有阻力；非常刚性
14、（高速运动所要求）。,如果在地球上测光速,可能 c或 c，可以测出地球相对于以太的速度 v 寻找“以太风” 的热潮,电磁场方程组只在绝对静止的“ 以太”参考系成立; 电磁波在“ 以太”参考系中速率各向均为c,由伽利略变换, 电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀, 而和此参考系相对于“以太”的速度有关。,要求以太：,人们假设:宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质, 电磁波靠“以太”传播。,1、实验目的： 测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。,2、实验装置： 迈克尔逊干涉仪GM1与GM2长度相等，均为l，M1与M2不严格垂直，在望远镜的目镜中将看到干涉条纹。,3、实验原
15、理：,假定地球沿GM1方向运动 若伽利略变换成立，从S系（地球）看 光沿GM1，速度c-v， 光沿M1G，速度c+v， 光从G-M1-G所需时间为,二、迈克尔逊莫雷实验,S系：以太参考系，光沿各个方向速度相同 S系：地球，相对于S系以速度v运动,光沿GM2的速度和光沿M2G的速度,光从G-M2-G所需时间为,G点发出的两束光到达望远镜的时间差,光程差,仪器旋转90前后的光程变化 d-d =2d，,测出条纹的移动DN，可计算出地球相对以太的绝对速度v,4、实验结果：零结果,相对以太的绝对运动是不存在的，以太假设不能采用； 地球上沿各个方向的光速都是相等的; 迈克耳逊莫雷实验是狭义相对论的主要实验
16、支柱。,仪器旋转90，时间差变成,光程差,旋转前后干涉条纹移动条数：,在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条纹的移动。,1922年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话：,“还在学生时代，我就在想这个问题了。当时，我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认迈克耳逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”,爱因斯坦认为： 物质世界的规律应该是和谐统一的， 麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。 在任何惯性系中光速都是各向为c， 这样就自然地解释了迈克耳逊莫雷实验的零结果。,S 系：电力+磁力,三.力和质量的问题,按照电磁学：,力与参考系有关！,高速运动的粒子的质量随速度增加而增
