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1、基础物理学(下)-近代物理,第一章相对论第二、三章量子物理基础第四章原子和分子第六章原子核第七、八章粒子和宇宙,爱因斯坦,普朗克,1927年第五届索尔维会议,物理学全明星梦之队,近代物理产生的背景:,1900年英开尔文在一次物理演讲中说道：,“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是, 在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的愁云”,第一朵愁云-以太漂移的“零结果”,第二朵愁云-热力学中能量均分定理的失效,爱因斯坦第一朵愁云狭义相对论 原子弹,核能源,普朗克,玻尔等第二朵愁云量子理论计算机芯片,爱因斯坦简历:,1879年3月14日生于德国乌耳姆.三岁才
2、学会讲话.,1896年进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学.,1902年被伯尔尼瑞士专利局-技术员,业余时间科学研究.,1905年建立狭义相对论和提出光量子论-物理学革命.,1914年任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授.,中学教师评价：最笨最没有出息的学生,2004年6月10日，联合国大会第58次会议正式宣布: 将爱因斯坦逝世50周年的,2005年定为“国际物理年”,1933年9月9日因发现德国纳粹盖世太保跟踪并准备行刺他. 星夜渡海到英国,10月转到美国普林斯顿大学任教授.,1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。,遵照他的遗嘱,不举行任何丧礼,不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒向
3、天空,为的是不使任何地方成为圣地。,爱因斯坦曾两次路经上海(1921,1922),并有对中华民族的评语：,“这是一个勤劳的, 在奴役下呻吟的, 但却是顽强的民族”,1922年因光子理论获诺贝尔物理学奖.,1915年建成广义相对论-预言光线经过太阳引力场要弯曲.,1919年日全食观测结果所证实,全世界为之轰动.,第一章相对论,1.1 狭义相对论以前的力学和时空观1.2 电磁场理论建立后呈现的新局面1.3 爱因斯坦的假设与洛伦兹变换1.4 相对论的时空观1.5 相对论的多普勒效应1.6 相对论速度变换公式1.7 狭义相对论中的质量、能量和动量1.8 广义相对论简介,1.1 狭义相对论以前的力学和时
4、空观,伽利略变换,绝对时空观,时间：绝对的、纯粹的、数学的，其本性是均匀地流逝而 与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。,空间：绝对的, 其本性与任何外在的情况无关，始终保持 着相似和不变。,两惯性系S 和S间有：,r, t: S系观察空间两点间距和两事件发生的时间差,绝对时空观,r, t: S系观察空间两点间距和两事件发生的时间差,-经典力学的时空基础,伽利略变换,.p (x,y,z,t),(x,y,z,t),S,S,观察空间内点P1,P2,惯性系S相对S沿x方向运动,t=t=0时，0与0重合.,伽利略变换,(x,y,z,t)(x,y,z,t)关系？,速度变换公式:,伽利略相对性原理,
5、S,S,这表明:两个惯性系中加速度相同,一切惯性系中力学定律都取相同的形式-伽利略相对性原理,任意方向,-牛顿定律具有伽利略变换不变性,.p (x,y,z,t),(x,y,z,t),1.2 电磁场理论建立后呈现的新局面,牛顿方程具有伽利略变换不变性,麦克斯韦方程不具有伽利略变换不变性,表明在不同惯性系下各科学家作力学实验,其结果相同.,力学相对性原理,表明在不同惯性系下各科学家作电磁实验,其结果不同,可见,S内麦克斯韦方程 与S相对于S的u有关.,电磁规律不满足相对性原理不具有伽利略变换不变性, 提出新问题,麦克斯韦认为: 电磁场方程组仅在绝对惯性系-以太系中成立， 电磁波在以太中各向传播速度
6、:,1879年麦克斯韦向美国航海历书局托德(好朋友)建议(信件)：,以太惯性系倒底存不存在呢？,若测出了地球相对以太的速度，则便证实了以太惯性系存在.,测量光线往返的时间，来确定地球相对以以太的速度,当时, 迈克耳孙正在美国航海历书局当差，读到此信,海军学院的物理教师擅长光学测量,空气层厚匀均 等倾干涉, 园环状条纹,光程差变化一个便有一个条纹移动,中央处有N个条纹移动,则:, 迈克耳孙-莫雷实验,回顾迈克耳孙干涉仪,极其灵敏!,电磁波(光)在以太系中各方向传播速度都为c光对以太.,对于光线1：,由伽利略速度变换公式：,对于光线2：,以太惯性系,往返时间为：,往返时间为：,往:,返:,光线1与
7、光线2的光程差,利用：,调M1使l1l2= l ,对应条纹分布,使干涉仪旋转90,光程差变化,光程差,对应新条纹分布,光线1、2对换,N个条纹经过标线,移动条纹数(经过固定标线条纹数)：,v = v地球对以太,如果测出了N 测v地球相对以太找到了以太惯性系(绝对惯性系),说明了麦克斯韦方程仅在以太惯性系成立,说明了电磁规律不满足相对性原理,说明了麦克斯韦方程不具有洛伦兹变换不变性,估算干涉条纹的移动数:,表明:转动90后,明纹移动到了暗纹位置,应该能观察到条纹移动.,但是，干涉条纹纹丝不动,这就是以太漂移的“零结果”-第一朵愁云, 爱因斯坦选择,问题出在哪里呢？,分析:,上述推导起始于伽利略速度变换公式,麦克斯韦方程不具有伽利略变换不变性,电磁规律不满足相对性原理,问题可能出在：,伽利略变换?,麦克斯韦方程?,相对性原理?,几乎所有物理学家认为：麦克斯韦方程组出问题了 或电磁相对性原理出问题了,当时,只有一人-爱因斯坦认为：,伽利略变换出问题了,爱因斯坦思考:人以光速随光波跑,应仍看到与地面一样传输光波。,凭空想象(无实验支持),习题：,1.从伽利略变换来看，为什么电磁波的传播不满足相对性 原理。你能得出什么结果？,2. 从伽利略变换来看，若你以光速c跟着光波奔，你将看 到什么样的景象？请对此讨论。,参考书,1.曹昌祺电动力学2.郭硕鸿电动力学3.阚仲元电动力学教程,
