高二物理競(jìng)賽相對(duì)論與量子論課件

經(jīng)典物理學(xué)的成就1875年，德國(guó)基爾有一位名叫馬克斯·普朗克的年輕人猶豫不決，不知道這輩子究竟是該從事數(shù)學(xué)還是該從事物理學(xué)。人們由衷地勸他不要選擇物理學(xué)，因?yàn)槲锢韺W(xué)的重大問(wèn)題都已得到解決。他們斬釘截鐵地告訴他，下個(gè)世紀(jì)將是個(gè)鞏固和提高的世紀(jì)，不是個(gè)革命的世紀(jì)。以后物理學(xué)家的工作就是把一些數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后面多添加幾位。經(jīng)典物理學(xué)的成就經(jīng)典物理學(xué)的成就牛頓力學(xué)——支配天體和力學(xué)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)；楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)——確定了光的波動(dòng)性；Maxwell方程組的建立——把光和電磁現(xiàn)象建立在牢固的基礎(chǔ)上；統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立——將個(gè)體規(guī)律與集體規(guī)律聯(lián)系在一起.樂(lè)觀情緒籠罩整個(gè)物理學(xué)界Laplace拉普拉斯(1749-1827，法國(guó)天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家):

給定了方程和初始條件，宇宙的一切都是可以預(yù)測(cè)的.經(jīng)典物理學(xué)的成就經(jīng)典物理學(xué)的困難—兩朵烏云經(jīng)典物理學(xué)的困難１９００年４月２７日，倫敦的皇家研究所，舉行了一場(chǎng)重要的科學(xué)報(bào)告會(huì)。開(kāi)爾文男爵的演講《在熱和光動(dòng)力理論上空的１９世紀(jì)烏云》。７６歲的開(kāi)爾文爵士以其特有的愛(ài)爾蘭口音激動(dòng)地作著結(jié)論：

“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”

這兩朵著名的烏云，分別指的是經(jīng)典物理在光以太和麥克斯韋－玻爾茲曼能量均分學(xué)說(shuō)上遇到的難題，也就是指在邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射研究中的困境。經(jīng)典物理學(xué)的困難—兩朵烏云經(jīng)典物理學(xué)的困難Michelson–Morley實(shí)驗(yàn)否定了“以太”的存在.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論中能量均分假說(shuō)導(dǎo)致的結(jié)論不相符合.一旦深入到分子、原子領(lǐng)域，一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)和經(jīng)典理論發(fā)生矛盾或無(wú)法理解。為什么原子不坍塌；光譜線為什么是分立的；鈉蒸汽為什么會(huì)發(fā)射黃光，即有標(biāo)志譜線；重核會(huì)發(fā)生α衰變……經(jīng)典物理學(xué)的困難經(jīng)典物理學(xué)的困難狹義相對(duì)論

及其基本結(jié)論愛(ài)因斯坦1905年的狹義相對(duì)論論文.Galilean相對(duì)性原理Galilean相對(duì)性原理Thelawsofmechanicsmustbethesameinallinertialframesofreference.Galilean變換問(wèn)題同樣的現(xiàn)象對(duì)于不同的觀察者會(huì)如何表現(xiàn)？同樣的現(xiàn)象在不同的坐標(biāo)系中如何描述？原則物理規(guī)律與參照系無(wú)關(guān).Physicsindependentofcoordinates.Galilean變換力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)現(xiàn)象對(duì)一切慣性系來(lái)說(shuō)都具有相同的形式牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀對(duì)于不同空間地點(diǎn)不同時(shí)刻發(fā)生的事件狹義相對(duì)論的基本假設(shè)麥克斯韋方程組不服從伽利略變換愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)相對(duì)性原理一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同.光速不變?cè)?在任何慣性系中，光在真空中的速率都相同.Einstein的相對(duì)性原理是力學(xué)相對(duì)性原理的發(fā)展一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律Lorentz變換(transformation)

為什么是線性關(guān)系?

對(duì)稱性Lorentz變換(transformation)

Lorentz變換(transformation)

Lorentz變換(transformation)

Lorentz變換(transformation)

Lorentz變換(transformation)前提條件：OO’重合時(shí)，t=t’=0,時(shí)鐘校對(duì)好空間P點(diǎn)在S系中t時(shí)刻發(fā)生物理事件？？為什么把問(wèn)題弄復(fù)雜了？Lorentz變換的結(jié)論同時(shí)的相對(duì)性在S’系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的.在S’系中相同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個(gè)事件還是同時(shí)發(fā)生的.低速空間“同時(shí)性”與參照系無(wú)關(guān)!長(zhǎng)度縮短效應(yīng)方法：在某一參照系中測(cè)棒的長(zhǎng)度棒，就要測(cè)量它的兩端點(diǎn)在同一時(shí)刻的位置之間的距離結(jié)論：原長(zhǎng)最長(zhǎng)Lorentz變換的結(jié)論時(shí)間膨脹在某慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔，與在另一慣性系中觀察（為發(fā)生在兩個(gè)地點(diǎn)的兩個(gè)事件）的時(shí)間間隔的關(guān)系.結(jié)論：原時(shí)最短Lorentz變換的結(jié)論雙生子佯謬(twinparadox)阿呆和阿瓜是雙胞胎,阿呆坐宇宙飛船以接近光速到太空旅行,多年后回地球,卻赫然發(fā)現(xiàn)阿瓜比自己年老許多,可是根據(jù)狹義相對(duì)論,阿瓜也應(yīng)該發(fā)現(xiàn)阿呆比自己老許多,究竟出了什么問(wèn)題?解答阿呆所處的參考系不是慣性參考系！否則，阿呆回不來(lái)！1971年銫原子鐘模擬實(shí)驗(yàn)完成，證實(shí)了廣義相對(duì)論效應(yīng).時(shí)空?qǐng)D與因果關(guān)系以(x,y,z,ct)為四個(gè)坐標(biāo)軸，構(gòu)成四維時(shí)空.其中每個(gè)點(diǎn)稱為世界點(diǎn)兩個(gè)世界點(diǎn)之間的距離稱為時(shí)空間隔四維時(shí)空正交變換稱為廣義Lorentz變換，改變時(shí)間間隔和空間間隔，但是不改變時(shí)空間隔.時(shí)空?qǐng)D與因果關(guān)系每個(gè)“現(xiàn)在/這里”的時(shí)空點(diǎn)都有一個(gè)光錐,這個(gè)時(shí)空點(diǎn)可能受到所有下方光錐內(nèi)時(shí)空點(diǎn)(“過(guò)去”)時(shí)空點(diǎn)的影響,而這個(gè)“現(xiàn)在”的時(shí)空點(diǎn)也可能影響所有在上方的光錐內(nèi)的時(shí)空點(diǎn)(“未來(lái)”).在光錐外的時(shí)空點(diǎn)(“其他地方”),和“現(xiàn)在”的時(shí)空點(diǎn)沒(méi)有因果關(guān)系txy相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基本結(jié)論相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基本結(jié)論狹義相對(duì)論并沒(méi)有推翻經(jīng)典力學(xué)，只是給它限定了一個(gè)適用范圍.相對(duì)論對(duì)電動(dòng)力學(xué)的改寫(xiě)/zh-cn/%E5%8B%9E%E4%BE%96%E8%8C%B2%E5%8D%94%E8%AE%8A%E6%80%A7/zh-cn/%E9%BA%A6%E5%85%8B%E6%96%AF%E9%9F%A6%E6%96%B9%E7%A8%8B%E7%BB%84#.E9.A6.AC.E5.85.8B.E5.A3.AB.E5.A8.81.E6.96.B9.E7.A8.8B.E7.B5.84.E7.9A.84.E5.8D.94.E8.AE.8A.E5.BD.A2.E5.BC.8F相對(duì)論應(yīng)用趣聞開(kāi)始“不可能”的旅程某星球離地球30萬(wàn)光年，我們有生之年(按約80年計(jì)算)能否坐飛船到達(dá)那里？相對(duì)論應(yīng)用趣聞開(kāi)始“不可能”的旅程相對(duì)論帶來(lái)的物理學(xué)方法革命從相對(duì)論以后，張量，微分幾何等數(shù)學(xué)工具進(jìn)入到物理學(xué)領(lǐng)域.原因在于用張量方程表述的物理方程自動(dòng)滿足相對(duì)性原理.除了實(shí)驗(yàn)判定外，現(xiàn)在又多了一種判定方法：如果一個(gè)理論不滿足相對(duì)論原理，就不會(huì)為大家所接受.相對(duì)論開(kāi)啟了將高維空間引入物理理論的先河.物理學(xué)家相信：就像一個(gè)生在二維空間的生物想方設(shè)法理解三維空間一樣，我們作為三維空間生物，正在試圖理解高維空間，如果存在多維空間，它會(huì)如何投影在三維世界？會(huì)有一些什么現(xiàn)象讓我們覺(jué)得不可思議？相對(duì)論帶來(lái)的物理學(xué)方法革命二維空間生物眼中的三維世界三維空間生物眼中的四維世界相對(duì)論應(yīng)用趣聞?dòng)杏?？無(wú)用？我們確實(shí)應(yīng)該只學(xué)習(xí)將來(lái)有用的知識(shí)問(wèn)題是：我們往往并不能準(zhǔn)確知道哪些知識(shí)將來(lái)可能用上。自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言？自證預(yù)言self-fulfillingprophecy相對(duì)論應(yīng)用趣聞GPS衛(wèi)星以每小時(shí)14000千米的速度繞地球飛行。在地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比較慢，用狹義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天慢大約7微秒。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時(shí)空要比GPS衛(wèi)星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘就要走得比較快，用廣義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天快大約45微秒。GPS衛(wèi)星時(shí)鐘每天還要快上大約38微秒不校正的話，GPS系統(tǒng)每天將會(huì)累積大約10千米的定位誤差量子論淺說(shuō)——現(xiàn)代文明的基石預(yù)備知識(shí)重要常數(shù)Planck常數(shù)預(yù)備知識(shí)物質(zhì)波物質(zhì)波物質(zhì)波微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一一切微觀粒子都具有波粒二象性。1.光子走哪個(gè)通道？2.干涉圖樣是光子之間干涉的結(jié)果還是光子自身干涉的結(jié)果？每一個(gè)光子只

與它自己發(fā)生干涉！用電子進(jìn)行的雙

縫實(shí)驗(yàn)，得到的

結(jié)果也類(lèi)似于此.類(lèi)似于性別比例問(wèn)題！物質(zhì)波波函數(shù)波函數(shù)方程？從牛頓力學(xué)到分析力學(xué)Newton力學(xué)Lagrange力學(xué)Hamilton力學(xué)從牛頓力學(xué)到分析力學(xué)Hamilton力學(xué)從牛頓力學(xué)到分析力學(xué)例：/archives/125在各種可能的路徑中，哪一種是可能的?

從牛頓力學(xué)到分析力學(xué)例：/archives/125

量子力學(xué)的基本假設(shè)量子力學(xué)四條公理1.粒子的狀態(tài)由某個(gè)Hilbert空間的矢量|Y(t)>來(lái)表示。Hilbert空間:函數(shù)組成的空間2.算符對(duì)應(yīng)：每個(gè)動(dòng)力學(xué)變量對(duì)應(yīng)于一個(gè)作用在波函數(shù)|Y(t)>上的線性算符：Ac|Y(t)>=cA

|Y(t)>A(|Y1(t)>+|Y2(t)>)=A|Y1(t)>+

A|Y2(t)>經(jīng)典力學(xué)粒子在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)由x(t),p(t)給出，所有可能的狀態(tài)構(gòu)成相空間,其他力學(xué)量由x,p的函數(shù)構(gòu)成.量子力學(xué)的基本假設(shè)3.概率假設(shè)：如果粒子處于某一狀態(tài)|Y>，設(shè)力學(xué)量A的本征值a對(duì)應(yīng)的本征態(tài)為|a>.對(duì)力學(xué)量A測(cè)量，只能得到A的本征值之一.在測(cè)量中得到值a的概率為P(a)=|<a|Y>|2，且粒子由狀態(tài)|Y>變成A的本征態(tài)|a>.4.波動(dòng)方程：波函數(shù)|Y(t)>服從薛定諤方程：經(jīng)典力學(xué):對(duì)力學(xué)量的測(cè)量由x(t),p(t)給完全確定，且測(cè)量對(duì)粒子狀態(tài)無(wú)影響,粒子狀態(tài)隨時(shí)間變化服從Hamilton正則方程量子力學(xué)的基本假設(shè)基于波函數(shù)的幾率解釋?zhuān)瑢?duì)波函數(shù)有如下要求：歸一化單值連續(xù)移動(dòng)鐵原子量子力學(xué)的幾個(gè)結(jié)論能量量子化能量只能取Hamilton算符的本征值.對(duì)于約束系統(tǒng)，如諧振子，無(wú)限深勢(shì)阱，原子，Hamilton算符的本征值是分離的.角動(dòng)量量子化勢(shì)壘穿透(量子隧道效應(yīng))量子力學(xué)的幾個(gè)結(jié)論不確定度關(guān)系(測(cè)不準(zhǔn)原理)如何理解幾率波M.玻恩真空是什么？量子泡沫（Quantumfoam）與空頭賬戶空頭賬戶:資金快速進(jìn)出見(jiàn)識(shí)一下見(jiàn)識(shí)一下見(jiàn)識(shí)一下見(jiàn)識(shí)一下見(jiàn)識(shí)一下其他知識(shí)量子力學(xué)的路徑積分形式粒子由狀態(tài)1到狀態(tài)2的可能路徑無(wú)窮經(jīng)典路徑概率最大費(fèi)米子和玻色子費(fèi)米子: