经典和近代物理学史_演示文稿解析.ppt

经典和近代物理学史 甘肃武威八中 2014年3月10日 为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难” 20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来 三、相对论的建立 （一）狭义相对论的建立 1．以太漂移实验与收缩假说 2．洛仑兹变换 3．彭加勒的相对性原理 4．狭义相对论基本原理的提出 5．闵科夫斯基的4维世界 （二）广义相对论的建立 （一）狭义相对论的建立 1．以太漂移实验与收缩假说 自从19世纪初，光的波动说复活以来，关于传光的媒质，始终是一个争论的话题。人们认为光的波动必须有一个载体，它就是“以太”。关于以太的存在形式在当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派认为以太是静止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被部分曳引的 如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，应存在着“以太风”。多年来，人们做了一系列光学的与电学的以太漂移实验，企图测量地球在静止以太中的相对运动，它们均给出了否定的结果。其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的 迈克耳孙 （ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931） 1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳孙以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。 迈克尔逊在光速测量方面一直享有国际上的盛誉 迈克尔逊由于光学精密仪器以及光谱学与计量学的研究成果而获得了 1907年诺贝尔物理学奖 实验2-2 光拍法测量光的速度 2．洛仑兹变换 1895年，洛仑兹发表了题为《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》的论文。这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系。这一工作对以后的狭义相对论理论体系有着重要的意义 1905年5月，洛仑兹完成了《速度小于光速系统中的电磁现象》的论文。在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。在这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速 3．彭加勒的相对性原理 在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中都做出了重要的贡献。其中著名的有彭加勒相对性原理的建立。1895年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法。他认为，各种实验事实的结论都可以表明，“要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相对以太的运动是不可能的。” 4．狭义相对论基本原理的提出 在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁场分别统一起来了，直至把经典力学与经典电动力学统一起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的理论体系中继续发展 5．闵科夫斯基的4维世界 闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了3维空间与1维时间的内在联系。在他所提供的4维空间中，不仅全部力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化与统一，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之中 （二）广义相对论的建立 按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理定律都具有协变形式，相对各物理定律而言。各个惯性系都应彼此等效。狭义相对论在说明惯性运动的相对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷。首先是惯性系是什么？如何确定物体在做惯性运动。最终又回到了不动的绝对空间 四、量子论的初期发展与量子力学建立 （一）量子论的初期发展 1．黑体辐射的研究 2．普朗克的“量子”假说 3．光量子假说 （二）量子力学理论的建立 1．德布罗意波 2．薛定谔的波动力学 3．海森伯的矩阵力学 4．量子力学的万本哈根学派的诠释 1．黑体辐射的研究 1879年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出了黑体单位表面积单位时间的热辐射总能量与绝对温度的四次方成正比的定律，这个结果在1884年被玻耳兹曼从