现代科技概论-物理学

在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（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。 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，而实验数据是趋于零，这部分的严重偏离， 被称为“紫外灾难”。
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
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早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题， 如果一个人以光速远行， 早在 16岁时爱因斯坦就在想一个问题， 如果一个人以光速远行， 他将看到一幅什么样的世界景象呢， 他将看到一幅什么样的世界景象呢，电磁波是不是就像凝固了 那样静止不动呢，如果是那样， 电动力学就完了。 看起来， 那样静止不动呢 ，如果是那样， 电动力学就完了。 看起来， 电 动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太 参考系是成立的。 参考系是成立的 。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理 相矛盾。 相矛盾。 所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的， 所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地 称之为相对性原理。 他的著名实验是， 称之为相对性原理。 他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无 论用什么物理实验， 论用什么物理实验， 也无法确定该船是否在相对于河流做均匀 直线运动即惯性运动。 可是， 直线运动即惯性运动。 可是，电动力学为什么不遵从伽利略的 相对性原理呢? 相对性原理呢?
古典物理学的顶峰与物理学危机
The zenith and crisis of classical physics
• 19世纪末古典物理学大厦建成 世纪末古典物理学大厦建成 • 在热和光动力理论上空的 世纪乌云 在热和光动力理论上空的19世纪乌云
开尔文勋爵(Lord Kelvin)，1900年 动力学理论断言， 热和光都是运 动力学理论断言 ， 动的方式。 动的方式 。 但现在这一理论的优 美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽， 美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽 ， 显得黯然失色了…… 显得黯然失色了
物理学晴朗天空中的两朵乌云
The physical sky is obscured by two clouds
• 迈克尔逊 莫雷实验的零结果 迈克尔逊-莫雷实验的零结果
Michelson–Morley experiment
1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地 球的漂移速度的实验，在人们当时的观念里，以太代表了一个 绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于 一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是 当时物理史上进行过的最精密的实验了，但是迈克尔逊和莫雷 一连观测了数天，没有观测到以太的飘移速度，以失败告终。
– 惯性参照系等价：同时性的相对性 – 光速不变
• 广义相对论（1913，General Relativity）：
– 引力质量=惯性质量，等效原理 – 火箭实验(升降机实验)
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
物理学晴朗天空中的两朵乌云
The physical sky is obscured by two clouds
• 黑体辐射与紫外灾难
Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe
物理学晴朗天空中的两朵乌云
The physical sky is obscured by two clouds
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 第一篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷132-148页， 是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的 照射下可以发射出电子。但奇怪的是，光的强度只与 电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对 这一点古典物理学无法解释。 • 爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量 子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。 正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有 一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量 的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因 斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。
《论动体的电动力学》， 论动体的电动力学》 刊于《物理学年鉴》 17卷第89l-921页。 刊于《物理学年鉴》第17卷第89l-921页。
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷549-560页，是关于 布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显 微镜下花粉颗垃的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运 动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗 运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。 • 最伟大的成就是第三篇论文《论动体的电动力学》，刊于《物 理学年鉴》第17卷第89l-921页。在这篇论文中，爱因斯坦提 出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以 太与电动力学问题的结果。 • 他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和 空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整 的形式。
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
3. 尺缩钟慢效应（length contraction and time dilation）
尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体的长度测量值最大；当它相 对于观察者运动时，在它的运动方向上，该物体的长度测量值要缩短， 速度越快，缩短越多。
迈克尔逊-莫雷实验 迈克尔逊 莫雷实验
黑体辐射与紫外灾难
相对论
量子力学
世纪之交的物理学
Physics at the turn of century
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X射线：伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen) 放射性：居里夫妇(Marie and Pierre Curie) 电子：汤姆孙(Joseph John Thomson) 原子结构：卢瑟福(Ernest Rutherford) 量子：普朗克(Max Planck)
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
在伯尔尼专利局的岁月里， 在伯尔尼专利局的岁月里，爱 因斯坦广泛关注着物理学界的前沿 动态，在许多问题上深入思考， 动态，在许多问题上深入思考，形 成了自己独特的见解。1905年是科 成了自己独特的见解。1905年是科 学史上值得记取的一年，这一年中， 学史上值得记取的一年，这一年中， 爱因斯坦在德国《物理学年鉴》 爱因斯坦在德国《物理学年鉴》发 表了五篇论文， 表了五篇论文，其中的三篇每篇均 属划时代的成就。 属划时代的成就。
有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个 则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄 弟更年青。 但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出 矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又 高速回来。他可以认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄 弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。
5. 速度变换公式（Transformation of Velocities ）
u '+ v u= u'v 1+ 2 c
若u等于c时，公式为1，即为光速不变原理；若 u和v极小于c，即为经典力学中的速度叠加公式。 这也反映了相对论力学对经典力学的兼容。
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
6. 质能方程（Mass-energy equivalence）
物体的质量随其运动速度增加而增加，根据质量是动量与速度之比， 可以建立质量与能量之间的内在联系，即质能关系式：
The zenith and crisis of classical physics
• 19世纪末古典物理学大厦建成 世纪末古典物理学大厦建成
形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、 形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电 磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景， 磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景， 使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“ 使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座 庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂” 庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。 大部分人认为，物理学大厦已经最终建成， 大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的 工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。 工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些 量子力学奠基人普朗克的老师约利就曾劝说普朗克 不要学习物理，因为“ 不要学习物理 ， 因为“ 这门科学中的一切都已经被 研究了，只有一些不重要的空白需要被填补” 研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。
钟慢：发生在运动物体上的过程，在静止的观察者看来都变慢了。
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
3. 双生子佯谬（Twin paradox）
现代科学技术概论：物理学 现代科学技术概论：
Technology： An Introduction to Modern Science and Technology：Physics
科学、技术与社会系列课程
19世纪末20世纪初的物理学革命
Physics Revolution in 19C-20C
古典物理学的顶峰与物理学危机
• 难以观测到以太的绝对运动，这便动摇了经典物理 难以观测到以太的绝对运动， 学和经典时空观的基础
物理学晴朗天空中的两朵乌云
The physical sky is obscured by two clouds
• 黑体辐射与紫外灾难
Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
4. 四维时空（4D space-time ）
经典力学中，时间和空间是互不相干的两种实在。而在相对论中，时间 坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联系在一起，时间和空间实际上构成 了一个存在紧密联系的不可分割的统一体。
• 狭义相对论（1905，Special Relativity）：
1. 光速不变
在所有惯性系中，真空中的光速都等于 299 792 458 m/s
2. 惯性参照系等价：同时性的相对性
在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。
相对论：世界图景的重建
Theory of relativity: reconstructing the picture of the world