第三章E_从牛顿到爱因斯坦

第三章E 从牛顿到爱因斯坦
2005国际物理年
• 1905年，爱因斯坦先后发表了5篇具有划
时代意义的论文，为相对论、量子论等物 理学领域奠定了基础，为纪念这一奇迹年 100周年，全球物理学界一致呼吁将2005 年定为 “国际物理年” 。
2005国际物理年
• 该倡议首先由欧洲物理学会（ EPS ）在
斯特教堂的“科学家之角”。墓碑由威廉· 肯特 (1685—1748)设计，麦克尔· 赖斯布拉克(1694—1770) 雕做，所用材料为灰白相间的理石。石棺上镶有图板， 描绘的是一群男孩在使用牛顿的数学仪器。石棺上方 为牛顿斜卧姿态的塑像，他的右肘支靠处，绘列着他 为人熟知的几项创举。他的左手指向一幅由两个男孩 持握的卷轴，卷面展解着一项数学设计。背景雕塑是 一个圆球，球上画有黄道十二宫和相关星座，还描绘 着出现于1680年那颗彗星的运行轨迹。
19世纪末的物理学状况
• 以经典力学、经典电磁场理论和经典统
计力学为三大支柱的经典物理大厦在19 世纪已经建成，而且基础牢固，宏伟壮 观！ • “物理学已经无所作为，往后无非在已 知规律的小数点后面加上几个数字而 已。” ——G· 基尔霍夫 R·
―物理学的晴空上出现了两朵乌 云”
• 19世纪的最后一天，欧
• 因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活
过，我们这颗蓝色的地球就比宇宙的其 他部分有特色、有智慧、有人的道德。 ——李政道
爱因斯坦照片
爱因斯坦的幸运年
• 对于爱因斯坦来说，1905年是不寻常的
一年；而对于科学的历史与未来而言， 1905年也是不可思议的年份。从6月到12 月，在这短短6个月间，26岁的爱因斯坦 以五篇论文改变了人们对自然的理解， 也一举奠定了其作为20世纪最伟大科学 家的地位。
19世纪末的物理学状况
• 物理学发展到19世纪末期，可以说是达
到相当完美、相当成熟的程度。一切物 理现象似乎都能够从相应的理论中得到 满意的回答。 • 力学
– 一切力学现象原则上都能够从经典力学得到 解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力 学问题的有效的工具。
19世纪末的物理学状况
• 光学 – 波动说替代微粒说
Albert Einstein(1879 – 1955)
• 爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14
日生于德国的乌尔姆，1955年4月18日卒于美国的普林斯 顿。 • 爱因斯坦1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后 即失业。在朋友的帮助下，才在瑞士联邦专利局找到工作。 1905年获苏黎世大学博士学位。1909年任苏黎世大学理 论物理学副教授，1911年任布拉格大学教授，两年后任德 国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁 士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国，1933年 10月定居美国。爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献， 比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推 广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理论完满 地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。 并于1921年获诺贝尔物理学奖。
• 英国物理学家瑞利和物理学家、天文学
家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，从瑞利一金斯公式推出，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”。它的失败无可怀疑地表明经典物 理学理论在黑体辐射问题上的失败，所 以这也是整个经典物理学的“灾难”。
洲著名的科学家欢聚一 堂。会上，英国著名物 理学家W．汤姆生（即 开尔文勋爵）发表了新 年祝词。他在回顾物理 学所取得的伟大成就时 说，物理大厦已经落成， 所剩只是一些修饰工作。
―物理学的晴空上出现了两朵乌 云”
• 同时，他在展望20世纪物理学前景时，
却若有所思地讲道：“动力理论肯定了 热和光是运动的两种方式，现在，它的 美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩 了，”
（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领 比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80 ％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来 的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100 ％的理想物体。真正的黑体并不存在，但是， 一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是 一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐 射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再 从小孔透出。
量，会得到不同的结果。
钟慢效应
• 在一个运动的参照系中的钟比静止的钟
走得慢。
t
v 1 2 c
2
尺缩效应（洛仑兹收缩）
• 物体沿运动方向的长度比其固有长度短。
v L L0 1 2 c
2
质量与速度的关系
m0 v 1 2 c
2
m
作业
• 练习部分:第90页7---10题
• 牛顿之墓，又名艾萨克· 牛顿勋爵的墓地，位于威斯敏
– “第一朵乌云出现在光的波动理论上，” – “第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克 斯韦-玻尔兹曼理论上。”
第一朵乌云—— 迈克耳逊－莫雷 实验与“以太”说破灭
• 人们知道，水波的传播要有水做媒介，
声波的传播要有空气做媒介，它们离开 了介质都不能传播。太阳光穿过真空传 到地球上，几十亿光年以外的星系发出 的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光 波为什么能在真空中传播？它的传播介 质是什么？物理学家给光找了个传播介 质—―以太”。
• 迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右
为难的境地。他们或者须放弃曾经说明 电磁及光的许多现象的以太理论。如果 他们不敢放弃以太，那末，他们必须放 弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动 说。经典物理学在这个著名实验面前， 真是一筹莫展。
第二朵乌云 ——黑体辐射与“紫外灾难”
• 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色
• 但是，肯定了“以太”的存在，新的问
题又产生了：地球以每秒30公里的速度 绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里 的“以太风”迎面吹来，同时，它也必 须对光的传播产生影响。这个问题的产 生，引起人们去探讨“以太风”存在与 否。
• 为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克
耳逊（A．A．Michalson，1852－1931）与美 国化学家、物理学家莫雷 （E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利 夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫 雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证 明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相 反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以 太”之间没有相对运动。因而，根本找不到 “以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实 验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以， 实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。
• 热学 – 热质说被推翻 – 气体定律被建立 – 热力学定律被建立 – 能量守恒定律
19世纪末的物理学状况
• 电磁学——19世纪被称为电的世纪 – 1799年伏打发明电池 – 1819年奥斯特发现电流能够产生磁场（标志 着电磁学的开端） – 1826年欧姆定律被建立 – 1831年法拉第发现电磁感应定律 – 1873年麦克斯韦发表著作《论电和磁》，建 立了电动力学
• 19世纪末，卢梅尔（Lummer 1860－
1925）等人的著名实验―黑体辐射实验， 发现黑体辐射的能量不是连续的，它按 波长的分布仅与黑体的温度有关。从经 典物理学的角度看来，这个实验的结果 是不可思议的。
• 怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，
人们都从经典物理学出发寻找实验的规 律。前提和出发点不正确，最后都导致 了失败的结果。例如，德国物理学家维 恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公 式，但这个公式只在波长比较短、温度 比较低的时候才和实验事实符合。
爱因斯坦的5篇论文
1. 《关于光的产生和转化的一个启发性观点》：
2. 3.
4.
5.
讨论光量子以及光电效应。（6月） 《分子大小的新测定》：推导出计算扩散速 度的数学公式。 《关于热的分子运动论所要求的静止液体中 悬浮小粒子的运动》：提供了原子确实存在 的证明。（7月） 《论动体的电动力学》：提出时空关系新理 论，被称为“狭义相对论”。（9月） 《物体的惯性是否决定其内能》：建立在狭 义相对论基础上，表明质量和能量可互换， 后来推出最著名的科学方程：E=mc2。（11 月）
爱因斯坦的假设
1. 相对性原理 所有惯性系都是平权的，在它们之中所有 的物理规律都一样。
2. 光速不变原理 在所有的惯性系中测量到的真空光速c都是 一样的。
同时性的相对性
• 同一对事件，在某个惯性参考系里看是
ห้องสมุดไป่ตู้
同时的，是否在其他惯性参考系里看也 是同时？
长度的相对性
• 同一物体的长度，在不同的参考系内测
2000年“第三届世界物理学会年会”上 提出；2002年，得到国际纯粹与应用物 理联合会（IUPAP）第24次全体大会的一 致通过；在2003年召开的联合国教科文 组织（UNESCO）全体会议第32次会议上， 表决通过了支持2005年为国际物理年的 决议；2004年6月10日，联合国大会召开 第58次会议，会议鼓掌通过了2005年 为 “国际物理年” 的决议。