大课课件第01讲

1、近代物理学2011年春光学近代物理大学物理通用，2002谋编著，改编版预计本学期物理学经典物理学近代物理学经典物理学基础：（Newton）绝对时空观（Laplace）决定论因果关系研究对象：低速运动的宏观物体物理学的发展顺序力学相对论电磁学量子论热学时间 t16001700180019005近代物理学基础：（Einstein）相对论时空观统计性因果关系研究对象：微观（量子力学）高速（狭义相对论）宇观（广义相对论）为什么要学代物理学？影响深远的物理学基本观念的“在本世纪初，发生了三次概念上的，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（ 1 9 1 6 年）

2、 和量子力学（ 1 9 2 5对理论物理学的影响，1979年）。”的能力锻炼发现问题、分析问题、解决问题第一部分近代物理基础Lord (William Thomson) KelvinBritish Assotion for theAdvancementof Scienpeech 1900There is nothing new to be discoveredin physics now. Allt remains ismore and more precise measurement.Lord (William Thomson) Kelvin Royal Institution 1900 s

3、peech Philosophical Magazine 2(1901)1“The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured bytwo clouds.The involved the question, Howcould the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether?T

4、he second is the Maxwell-Boltzmanndoctrine of partition of energy.”第一章狭义相对论基础1.1狭义相对论以前的力学和时空观选择不同的参考系，对事件的描述不同考虑火车上相对于火车的一位观测者，将一个小球从手上作落体运动。落体运动，火车参考系地面参考系小球作小球作平抛运动。物理规律不因观测者改变而改变问：前面的例子中所体现的物理规律是什么？在经典力学中都学过哪些物理规律？第二定律惯性参考系关于和两大世界体系的1632“和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让带几只、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水

5、瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等当你仔细地观察这些事情后，再使船以任何速度前进只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动你把

6、不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用的力。水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞鱼在水中游向碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵最后蝴蝶和将继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。”1.(Galileo)相对性原理（Classical Relativity）在一个惯性系的所作的任何力学实验都不能确定这一惯性系本身是在在作匀速直线运动。状态还是一切惯性系对于描写运动的力学

7、定律来说是完全等价的，不存在任何一个比其他惯性系更为优越的惯性系。一切惯性系中力学定律都取相同的形式。2.变换（Galilean Transformation）假设当两个参考系的坐标原点O,O重合时，分别在两个参考系中两个同样的时钟都指在零点。且 S系相对于S系的速度为v vex变换及其逆变换 x x vtx x vt y y y yz zz zt tt t3.绝对时间绝对时空观如果A，B两个事件在S系看来同时发生，即 tBtA由变换有tAtB tA tB则tA tB tA tBS系中的时间间隔与S系中所观察到的时间间隔完全一样绝对空间如果刚才所说的A，B两个事件在S系看来在 xA , xBx

8、A , xB处发生，由处发生，在S系看来在变换有xAxB xB vtB xA vtA,则若xB那么A4.定律、变换与略相对性原理三者之间的关系速度是坐标对时间的导数在S系中，u dx , u dy ,u dzxyzdtdtdt在S系中，u dx , u dy ,u dz xyzdt dt dt u dx dx vdt uvdx dx vdtdt dy dtxxdtdy dy dy uudz dzyydtdt dtuz uz即u u v经典力学中，相对速度绝对速度牵连速度假定 v 不变时a a经典力学认为不同惯性系中观测到的力F 和质量m也都相同，因此在不同的惯性系中力动基本定律都具有第二定律的

9、形式。在经典力学中，第二定律、变换与相对性原理三者是自洽的，相容的，它们之间没有。1.2电磁场理论建立后呈现的新局面1.(Maxwell)方程组适合于什么参考系？由Maxwell方程组可以导出电场强度满足波动方程，了光是电磁波，真空中的光速1c 3.0108 m/s0 0但在经典力学中光速可以测出任何值！电磁场只在某个特定的参考系中才满足这个特定参考系称为绝对惯性系，又叫以太系方程组，2.迈实验原理-(Michelson-Morley)实验设地球相对以太以 v 运动，以太风从右边吹来。M 21. 在S系观察光从G1M1：光速 c v 顶风光从M1G1 ：光速 c + v 顺风来回时间M1GG1

10、2llt 12lv2vc 1以太风2c v2. 在S系观察cv 2cc2光从G M ：光速v 2c212v2c2光从M G ：光速2来回时间1 vM 22lt2v2c2M 1G1G2 2l1 2v2c 12cv以太风两束光到望远镜的时间差2l2lt t t121/ 2v2v2c 1c 12c2cv cM 2l 2vv2211tc22c2Mc21GG12 lvc3v以太风M 2lv 2t c3M1G1G2 光的光程差2 ct lvc2光的光程差3. 将仪器旋转90，变化为v2lv22 c2以太风仪的臂长为米，取v在年等于地球绕的实验中，的轨道速度km/s，光波波长. -7米，干涉条纹移动数目应为

11、N 22 2lv 0.4条c2迈实验的结果和影响实验观测的结果没有观测到条纹的明显移动。-迈实验的零结果使当时的科学家处于左右为难的境地：不接受地球不是绝对惯性系地球相对于绝对惯性系在运动，实验明明又没有测到这个相对运动！接受地球就是绝对惯性系回到之前的“地心说”若地球确实相对于绝对惯性系在运动，如何解释实验没有测到这个相对运动呢？拖曳理论假设地球运动带动附近的以太运动，因此干涉仪相对于以太是的。(Fizeau)实验及光行差现象但这与。光行差现象光行差现象就是由于地球公转，恒星的表观位置在一年内会发生变化。如图a所示,A点是地球, 如果地球不动, 则地球看在S点, 地球以速度v在运行, 则地球

12、看到的在N点,到的NS对A点的为, 在天文学上称= arctan (v / c ) = 20.496（角秒）为光行差常数。光行差现象是由于光速c和地球运行速度v所造成的。(FitzGerald)-收缩和分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”来解释“以太漂移”实验的零结果。假设运动物体在运动方向上收缩倍。那1 v2/ c2么 t1中平行于运动方向的臂长l要乘以因子则，1 v2/ c22l2lt t12112v2 2v2c1 c1 22cc显然：t1 t2所以，条纹与系统相对于以太的运动速度无关，不论在何种情况下条纹不会移动。因而，孙-实验的结论还有一种可能，那就是：以太存

13、在，但该实验不能检验以太的存在；也就是说，以太不存在不是唯一的结论。为了从物质结构上来解释长度收缩的原因，认为这种收缩是由物体的分子力引起的。他假定分子力像电力和磁力一样通过以太而传递，平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用，其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度，因此物体大小的变化也就会存在。长度收缩假说实验验证：按照的长度收缩假说，物体的密度在不同的方向上会有所不同，这样光通过它时会产生双折射。1902年瑞利、1904年先后进行了实验，未发现双折射现象。根据理论，若电容器的极板与地球的运动方向成一夹角，当电容器充电时，其极板会受到一转动力偶矩的作用，1903劳顿和诺作了实验，结果也是否定的。这些实验都是二阶效应，说明在二阶近似的条件下，也发现不了地球运动对电磁现象的影响，仅用“长度收缩”假说难以说明问题。虽然提出了变换方程，但是他是先验地提出这组方程，而且把变换方程作为一种纯粹的数学，他把变换出来的坐标x, y, z,t 中的 t叫做“地方时”，并认为它只不过是个数学的辅助量，而不是真正的时间，他认为真实的、普遍的空间和时间坐标