科學(xué)技術(shù)史課件kxs1-12現(xiàn)代

第八章

物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)

量子理論和相對(duì)論的建立第八章要點(diǎn)引言第一節(jié)、電子、X射線和放射線的發(fā)現(xiàn)第二節(jié)、量子論的建立和早期發(fā)展第三節(jié)、量子力學(xué)的建立第四節(jié)、哥本哈根學(xué)派、Bohr與愛因斯坦的論戰(zhàn)第五節(jié)、相對(duì)論的建立與發(fā)展第六節(jié)、核物理和粒子物理的發(fā)展第五節(jié)

相對(duì)論的建立與發(fā)展Theimportantthingisnottostopquestioning.Curiosityhasitsownreasonforexisting.Onecannothelpbutbeinawewhenonecontemplatesthemysteriesofeternity...Neverloseaholycuriosity.AlbertEinstein

第五節(jié)要點(diǎn)引言一、狹義相對(duì)論產(chǎn)生的科學(xué)背景二、狹義相對(duì)論的建立三、廣義相對(duì)論的創(chuàng)立引言一、相對(duì)論產(chǎn)生的原因二、相對(duì)論的基本點(diǎn)分析舊理論的矛盾提出了新的時(shí)空觀建立了新的運(yùn)動(dòng)規(guī)律三、相對(duì)論的主要內(nèi)容狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論

愛因斯坦AlbertEinstein

1879年3月14日生于德國(guó)烏爾姆Ulm

1896年考入瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)

1900年進(jìn)入伯爾尼專利局

1905年發(fā)表5篇論文母親Pauline

父親Hermann1889年，慕尼黑在伯爾尼Bern專利局的辦公室

1905年獲得蘇黎世大學(xué)博士學(xué)位

1909年獲得蘇黎世大學(xué)物理副教授

1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1907年申請(qǐng)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)講師失敗

1913年任柏林大學(xué)教授哈比克KonradHabicht索羅文MauriceSolovineWehadawonderfultimeinthosedaysinBerninourcheerful'Academy,'whichwaslesschildishthanthoserespectableoneswhichIlatergottoknowonlytoowell.在猶太人團(tuán)體的聚會(huì)上

1932年受到納粹迫害

1933年就任普林斯頓高等研究院

1955年4月18日逝于普林斯頓

1940年加入美國(guó)國(guó)籍“在四位近代物理學(xué)創(chuàng)立者的基礎(chǔ)上我得以建立自己的理論”伽利略牛頓麥克斯韋洛倫茲一、狹義相對(duì)論產(chǎn)生的科學(xué)背景

牛頓時(shí)空觀——

Galileo變換以太的尋找——邁克遜-莫雷試驗(yàn)矛盾的解決：

洛倫茲找到了正確的坐標(biāo)變換公式彭加萊找到了正確的物理本質(zhì)拉摩指出了正確的物理實(shí)體慣性定律

一個(gè)物體，假如沒有外力改變它的狀態(tài)，便會(huì)永遠(yuǎn)保持靜止的狀態(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

若要放棄慣性定律，必須同時(shí)放棄所有的力學(xué)定律。

慣性系:力學(xué)定律在其中有效的坐標(biāo)系。yzx伽利略變換y’z’x’v光線c光線的速度=c+v

樂觀的世紀(jì)末開爾文（英國(guó)）LordWilliamThomsonKelvin,1824~1907Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.1900老師：“年輕人，物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的科學(xué)，不會(huì)再有多大的發(fā)展了，將一生獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了。”普朗克（德國(guó)）

MaxPlank,1858~1947麥克斯韋（英國(guó)）

JamesClerkMaxwell

1831-1879

1865年麥克斯韋方程組光學(xué)、電磁學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)一

光速=電磁波的傳播速度基本常數(shù)

1879年，探測(cè)以太的方法讓光線分別在平行和垂直與地球運(yùn)動(dòng)的方向等距離地往返傳播

驗(yàn)證以太vSvEE假設(shè)太陽相對(duì)于以太是靜止的，地球的速度為v

與軌道速度方向垂直的光速:c與光線垂直的方向測(cè)出的光速:c±v邁克遜（美國(guó)）

AlbertA.Michelson

1852~1931CIT，1931年

密立根RobertMillikan邁克遜干涉儀Michelsoninterferometer

Wilson山上的小屋

1881、87年：無結(jié)果試驗(yàn)

地球帶動(dòng)著環(huán)繞它的以太旋轉(zhuǎn)，以至于總是相對(duì)于它是靜止的。

光的速度與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。不能認(rèn)定運(yùn)動(dòng)的物體帶動(dòng)周圍的以太。從根本上放棄牛頓的思想。

菲茲杰拉德(愛爾蘭)

GeorgeFrancisFitzGerald

1851~1901

1889年

Science

物體在以太風(fēng)中收縮洛倫茲（荷蘭）

HendrikLorentz

1853-1928

將牛頓力學(xué)與麥克斯韋的電磁學(xué)定律結(jié)合起來描述電子運(yùn)動(dòng)。

1892年，再度提出收縮假說。

1894年，致信菲茲杰拉德

1895年，以更精確的形式發(fā)表收縮假說。

1904年，發(fā)表洛倫茲變換。yzx洛倫茲變換

y’z’x’v（一）愛因斯坦的解決辦法（二）狹義相對(duì)論的主要內(nèi)容

1、基本原理

2、運(yùn)動(dòng)學(xué)的核心——洛倫茲變換

3、主要結(jié)論：尺縮；鐘慢；光速是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限速度；同時(shí)性的相對(duì)性；牛頓力學(xué)是狹義相對(duì)論的低速近似；質(zhì)能公式（三）意義

（四）理論形式的完善二、狹義相對(duì)論的建立一九零五年：論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)狹義相對(duì)論的兩條原理在所有的相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，光在真空中的速度都是相同的。2.在所有的相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，自然定律都是相同的。

愛因斯坦的思想試驗(yàn)

Gedankenexperiments

原理2涉及所有慣性系的觀測(cè)者的等價(jià)性，已為彭加萊獨(dú)立獲得。

原理1完全是愛因斯坦規(guī)定的。如果它是對(duì)的，就可以解釋邁克遜與莫雷試驗(yàn)的無結(jié)果現(xiàn)象。1.同時(shí)性SimultaneityOABXLv

A與B誰先發(fā)出的光脈沖？

X經(jīng)過O的瞬間，同時(shí)接收到了A、B發(fā)射的光脈沖。牛頓力學(xué)ABXLv

觀測(cè)者O:當(dāng)光線從A、B傳播過來時(shí)，速度c改變了，正好補(bǔ)償了所預(yù)期的時(shí)間延遲。A光速=c+vB光速=c–v

A、B同時(shí)發(fā)出了光脈沖。O發(fā)出時(shí)刻相對(duì)論ABXL

觀測(cè)者X:A、B同時(shí)發(fā)出了光脈沖。

v

觀測(cè)者O:A一定比B稍早一點(diǎn)發(fā)射光脈沖。A光速=cB光速=c

O發(fā)出時(shí)刻2.與坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方向相垂直的運(yùn)動(dòng)的物體長(zhǎng)度沒有變化

NothingHappensToLengthsTransverseToABoostvv3.時(shí)間膨脹TimeDilationL光線鏡子鐘表A鏡子鐘表B光線往返一次的時(shí)間

=

兩個(gè)鐘表按速度v運(yùn)動(dòng)

L光線vΔtv光線在兩個(gè)鏡子中往返一周的時(shí)間為：

4.洛倫茲收縮LorentzContractionvO

觀測(cè)者O:桿子的長(zhǎng)度

vOX哦，怎么縮短了？我的鐘比你的慢。愛因斯坦與洛倫茲的區(qū)別

在1905年之前的所有有關(guān)論文中，從來沒有提到相對(duì)性原則

顛倒了洛倫茲的邏輯，將相對(duì)性作為一個(gè)原則，而不是一個(gè)問題

光速對(duì)于所有觀測(cè)者來說都是不變的，是作為一個(gè)原則

光速的不變性僅僅是表面的，是他的理論的一個(gè)推論洛倫茲變換

在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的時(shí)間膨脹是一個(gè)數(shù)學(xué)技巧

時(shí)間間隔的測(cè)量在所有統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)參照系中都是一樣合法的

長(zhǎng)度收縮是用分子間的力可以說明的一種真實(shí)的效應(yīng)

這僅僅是觀測(cè)到的一種現(xiàn)象

1907年,質(zhì)能公式靜質(zhì)量:m0

慣性質(zhì)量:m

光子等速度為c的物質(zhì)的靜質(zhì)量為0牛頓力學(xué)：動(dòng)能

如果物體得到能量E0

，則其慣性質(zhì)量將增加

慣性質(zhì)量不是一個(gè)常數(shù)

物質(zhì)的慣性質(zhì)量可以表示它的能量

經(jīng)典物理學(xué)的兩種物質(zhì)，即質(zhì)與能

第一種有重力，第二種沒有重力

能一直被認(rèn)為是沒有重力的，因?yàn)樗馁|(zhì)量太小

把３萬噸水變?yōu)檎羝臒崃糠Q起來只有１克重狹義相對(duì)論的兩個(gè)祭品

1.以太

2.質(zhì)能關(guān)系

能量守恒=質(zhì)量守恒

能量守恒+質(zhì)量守恒=質(zhì)能守恒

相對(duì)論:質(zhì)量與能沒有重要的區(qū)別能具有質(zhì)量，質(zhì)量代表著能量

修正主要影響高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的定律

日常所見物體，經(jīng)典力學(xué)的定律仍然有效

經(jīng)典力學(xué)需要根據(jù)狹義相對(duì)論進(jìn)行修正愛因斯坦與齊拉德LeoSzilard(1898-1964)

1930年代，科學(xué)家已經(jīng)可以分裂原子核，愛因斯坦的質(zhì)能公式E=mc2得到驗(yàn)證。

鈾核的裂變剛剛被發(fā)現(xiàn)。鈾可以被用來制造能量巨大的毀滅性炸彈。

1939年8月與1940年3月，愛因斯坦與齊拉德致信美國(guó)總統(tǒng)羅斯福。

（一）問題的提出（二）解決途徑

引力場(chǎng)的思想試驗(yàn)（三）基本原理（四）主要內(nèi)容（五）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

廣義相對(duì)論的驗(yàn)證（六）意義三、廣義相對(duì)論的創(chuàng)立

孿生子悖論

ParadoxofTwins

朗之萬（法國(guó)）

1911年4月波隆那哲學(xué)家大會(huì)

狹義相對(duì)論:物理學(xué)定律僅僅對(duì)于慣性系有效

廣義相對(duì)論:物理學(xué)定律對(duì)一切相對(duì)作任意運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系都有效引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量

思想試驗(yàn)：升降機(jī)

引力場(chǎng):從一個(gè)坐標(biāo)系過渡到另一個(gè)坐標(biāo)系的“橋梁”。

橋梁的礅柱:引力質(zhì)量=慣性質(zhì)量

外面的觀察者:

存在引力場(chǎng),升降機(jī)在引力場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)

里面的觀察者:

升降機(jī)是靜止的，引力場(chǎng)不存在的,水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)1859年勒威耶發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值比牛頓理論每世紀(jì)快38’’

觀測(cè)值每世紀(jì)43”.11

相對(duì)論每世紀(jì)43