近代物理学-01-引言

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,近代物理学 引言,物理学：研究物质的结构、相互作用、运动规律,中国近代史，是指中英鸦片战争开始（,1840,年）到五四运动（,1919,年）这中间的一段时间,(1919,年到,1949,年为现代，,1949,年以后为当代,),。,世界近代史：世界近代史是资本主义萌芽、产生、确立与基本定型的历史。以,1640,年英国资产阶级革命为开端，到,1917,年俄国十月社会主义革命结束，是资本主义产生和发展，并逐步形成资本主义世界体系和向帝国主义过渡的历史。,近代物理学（时间）：,20,世纪初,-,；（没有现代物理的说法？）；更准确的说：狭义相对论（,1905,）、广义相对论（,1916,），量子力学（,1925,）,近代物理学 引言,我们学的是其中的基础的内容，主要包括书本上的,1-5,章和,19-17,章；（其余有关原子物理的内容你们用来辅助进行原子物理学的学习）,采用普通物理的风格来学习，用到的数学最多是代数运算和微积分。,做得最多的是类似长度比上时间等于速度、力乘以位移等于功这样的事情。,本书的具体实例比较多，希望你们通过具体的计算来理解和掌握；本书的配套辅助学习资料,在解题中学习近代物理,可做参考书。,近代物理学 引言,近代物理学的应用,相对论：计时和定位系统（,GPS,）、航空航天、核能（,E=mc2,）,量子力学：,凝聚态物理,半导体,;,激光,-,信息化：计算机（芯片），手机,近代物理,已经在人们的生活中,得到,广泛应用,近代物理学的两个支柱是相对论和量子力学,1.1,从经典物理到近代物理,牛顿的绝对时空观念：,时间与空间互相独立，各自都有绝对的含义，与物质和运动的情形无关；时间均匀流逝，空间均匀无限展开，物质随时间在空间中运动。,经典物理：认为时间、,空间、物质的运动,互不相干，事件的,发生具有确定的,因果关系,相对论时空观：时间和空间是相互关联的整体,与运动有关,（狭义）,，物质的存在导致时空的弯曲,（广义）,1.1,从经典物理到近代物理,a.,狭义相对论：,（,平直时空的几何,）,测量速度的图示（画三个表）,狭义相对论的基础是两条假设：,（,1,）,爱因斯坦相对性原理,伽利略相对性原理：力学定律的表述在所有惯性参考系都相同,（例如,F=ma,）；,爱因斯坦,把它推广为,自然定律的表述在所有惯性参考系都相同,（,2,）,光速不变原理,速度叠加的图示提出超光速的疑问,只有在,时,牛顿的时空观才近似适用,1.1,从经典物理到近代物理,b.,广义,相对论：,（弯曲,时空的几何,、关于引力的理论）,其基础是等效原理：局部范围的引力场等效于加速的非惯性参考系：,作解释：,引力是一个特殊的力，引力的加速度与质量,m,无关，；相反的库仑力的加速度与质量有关,给定相同的初始条件，任何物体在引力场中的运动状态都相同；,引力和惯性力所对应的加速度,都,与质量无关，,惯性力的图示,1.1,从经典物理到近代物理,b.,广义,相对论：,（弯曲,时空的几何,、关于引力的理论）,非惯性系,惯性力；引力场,引力,非惯性系,=,引力场,解释局域性：画图,当质点的引力势能,质点的静质能,+,动能时,才可忽略物质对时空性质的影响。,万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现。,1.1,从经典物理到近代物理,扩展：欧几里得几何和非欧几何、张量,欧几里得几何：过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行,罗氏几何：过直线外一点至少存在两条直线和已知直线平行,黎曼几何,:,过直线外一点,不能做直线和已知直线平行,黎曼几何统一了这几种情形。,1.1,从经典物理到近代物理,扩展：欧几里得几何和非欧几何、张量,前一段时间有个新闻说是一架飞机从上海（还是北京）飞往美国（的某个地方），飞了三个多小时后返航，我不知你们的关注点在哪里，有一点是说飞机飞过北极的。？（画图）,为什么不从太平洋上飞过去？,因为在球面上两点间的路径经过大圆。可以说球面上的大圆就是直线（因为是最短路径），而球面上任意两条大圆（直线都相交），所以过直线外一点不能做平行线（没有平行线）,这是黎曼几何的一个例子,1.1,从经典物理到近代物理,扩展：欧几里得几何和非欧几何、张量,黎曼几何是爱因斯坦的广义相对论的数学基础。,黎曼几何的核心是张量，以微分几何为基础。,它是一个真正的几何量，也就是说，它是一个不随参照系的坐标变换而变化的东西。向量也具有这种特性。,标量可以看作是,0,阶张量，向量可以看作,1,阶张量；矩阵是二维的“表格”,;n,阶张量就是所谓的,n,维的“表格”,1.1,从经典物理到近代物理,扩展：欧几里得几何和非欧几,何,、张量,幸好课程中我们不会用到，那些公式看起来是有些复杂更不用说要把它们抄写在黑板上了。,我们在课堂上写的公式都会比较简单，但是面对着黑压压的黑板和还有在座的这么多的同学，我的压力山大，所以若果我那个公式写错了请尽快指出，否则从头错到尾就很,.,1.1,从经典物理到近代物理,c.,量子力学,在我们很熟悉的牛顿力学中：,F=ma,是我们最熟悉的公式，,如果已知粒子的初始位置和速度以及以后的受力情况，我们可以解出粒子在以后的运动情况，即粒子的位置在确定的时间是确定的。,并且宏观的物质或粒子有运动的轨迹。,由此拉普拉斯给出了拉普拉斯决定论：认为每个事件的发生，包括人类的认知、举止、决定和行动都是因为先前的事而有原因地发生,;,宇宙完全是由因果定律之结果支配，经过一段时间以后，任何一点都只有一种可能的状态。,1.1,从经典物理到近代物理,c.,量子力学,但是在微观世界，人们通过实验发现,微观粒子具有,波动和粒子双重性质（,波粒二象性,）,，粒子,某个时刻,出现在什么地方用概率（通过波函数）来表示,。,例如电磁波是一种粒子，称为光子，光子与粒子碰撞遵守动量守恒和能量守恒（康普顿效应）、光子打到金属导体表面，把电子打出来（画图）,例如原子中的电子的分布，没有特定的轨道，只是说在特定的半径或方向上出现的概率比较多。（画图）,1.1,从经典物理到近代物理,c.,量子力学,因而,量子力学的因果规律是统计性质,的，不是确定的因果关系。；,对一定的物理条件，它只能预言可以测得到那些结果，以及测得到的每一种可能结果的概率。,宏观事实与统计性的因果关系不符,(,不能说,：你从学校出发到南屏街，一个小时之后你在洋浦教室里的几率是,0.001,，在南屏街的几率是,0.999),量子力学表明：,当相互作用量,时可近似忽略量子效应,（这个,S,的数量级大致比例于能量与时间的成绩，或动量与位移的成绩）,1.1,从经典物理到近代物理,d.,近代物理学的一种分类,观念的转变：不能把日常生活中的经验和观念一成不变的带入高速、微观的陌生的近代物理世界,进入一个陌生的地方最好小心翼翼，边走边看。,低速,高速,宏观,经典物理学,相对论物理学,微观,非相对论性量子物理学,相对论性量子物理学,1.2,近代物理学的基本问题,近代物理学的主体：讨论相对论和量子力学的基本概念和规律，并在此基础上分别讨论从微观到宏观直到宇观的物质层次的性质和规律。,这其中涉及到物质的,四种基本相互作用及其主导层次,a.,电磁相作用为主,的,层次：微观原子结构到宏观,例子：原子为原子核与电子的库仑力,日常生活中经常碰到的,弹力和摩擦力的本质：原子间电磁力的吸引和排斥,（主要是库仑力，磁相互作用要小几个量级）,人类吃东地转换成能量：发生化学反效应，原子外层电子的重新分布,1.2,近代物理学的基本问题,a.,电磁相作用为主,的,层次：微观原子结构到宏观,库仑力（两个质子）,b.,万有引力相互作用,为主的层次,：宇观（天体到宇宙）,人为什么跳起来之后要落下、高楼为什么要竖直的，因为受到地球的万有引力场的作用,。,万有引力：（两个质子之间）,库仑力的大小相比较,1.2,近代物理学的基本问题,b.,万有引力相互作用,为主的层次,：宇观（天体到宇宙）,正负电荷的中和、不同磁矩方向的混杂，把电磁相互作用屏蔽在宏观的小范围。,粒子数目的增加使得万有引力的作用凸显,。,在天体和宇宙领域，万有引力是积少成多，而电磁力则在内部中和趋于和谐，天生就有正和负，不会太多也不会太少，构成了我们世界的多样化。,1.2,近代物理学的基本问题,c.,强相互作用,(,原子核、粒子物理,),氦原子在,10-15,次方米的范围内束缚两个质子，需要一种特别强的相互作用；质子与中子的结合（元素氘）,也需要一种不是电磁力的相互作用,质子与中子合称核子，,核子间的强相互作用有称为核力，距离较小时表现为排斥力，距离较大时吸引力，并且随距离的增大而很快衰减。其详细机制不明确。,1.2,近代物理学的基本问题,d.,弱相互作用,(,粒子物理,),衰变,:,负衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子,正衰变中，核内的一个质子转变成中子，同时释放一个正电子和一个中微子,解释,p6,中,:,中微子：微型中子,质量有些不定,平均寿命不定,1.3,单位和常数,物理学是实验的科学，为了与实验进行比较，理论必须给数值的结果，这就需要用到单位和常数，而不是像数学一样只给出一个符号。,a.,单位,国际单位制中的米、秒、千克针对日常生活中的宏观物质结构而选定的（人的身高：米；心跳的周期：秒；体重：几,kg,到几十）；不同的物质层次有不同的选择习惯带来方便性。,1.3,单位和常数,a.,单位,粒子物理和原子核层次：,fm,、,MeV,、,GeV,原子核的大小,1fm=10-15m,；,原子核内结合能,：（看下页的推导）,核子的静质能,：,质量亏损,4,1,氢,=4 1.008 u,-,1,氦,=4.003 u,-,质量亏损,m=,0.029 u=0.03 u,质量变为能量,-,比如：光子,+2,正电子,+2,中微子,+Light,1.3,单位和常数,a.,单位,原子、分子的层次：,、,eV,、,keV,原子的大小,1fm=10-10m,；,电子和质子的结合能,：（画图：一个电子被一个电子吸引）,真实数据是,13.6eV,重元素内层电子结合能,1.3,单位和常数,a.,单位,天体层次,AU,：约等于,太阳与地球的距离,光从太阳到地球需要约八分钟（）,8,60,3,108m=1440108m=1.44 1011m,太阳半径,太阳直径对我们的眼睛的张角约为,0.5,角度（你能感觉出来吗？与月亮相同，不要长时间用眼睛看太阳，它能够在,11,秒内毁坏人的视力）,画图,1.3,单位和常数,a.,单位,天体层次,太阳半径,换算称弧度,1.3,单位和常数,a.,单位,天体层次,太阳,质量（猜密度为水的,0.110,倍，用,1,做估计）,秒差距：画几何图,光年：做计算,1.3,单位和常数,b.,常数,两个最常用的常数：,与相对相联系的光速,与量子力学相联系的约化普朗克常数,写这么多小数点是因为物理学是精确和定量的科学,微小的误差可以在计算中被放大。,组合常数的使用可以方便计算和减少误差及出错的机会,1.3,单位和常数,c.,普朗克单位（自然单位制）,一些单位曾经是认为操作的结果,例如法国在,1795,年,4,月,7,日颁布了关于度量衡的法律，其中规定克为“在冰融化时的温度下，体积等于边长为百分之一米的立方体的水的绝对重量”,十九世纪七十年代，法国政府赞助了一系列的会议。人们在这些会议上意识到应该使用铂铱合金而不是纯铂来制作千克原器。,1875,年,5,月,20,日，,17,个国家在法国巴黎签署米制公约，建立公制体系（这一体系以后发展为国际单位制体系）。,1.3,单位和常数,c.,普朗克单位（自然单位制）,在这之后人们制造了一批使用铂铱合金的千克标准砝码。,1889,年，依照公约召开了第一次国际计量大会，批准将其中最接近档案局千克的一件作为国际千克原器。不过，直到,1901,年的第三次国际计量大会上才将国际千克原器的质量定义为千克。国际千克原器于是作为千克的标准砝码一直使用到今天。,作为国际单位制中的七个基本单位，千克的稳定性