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《简明物理学史》.ppt

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《简明物理学史》.ppt

《简明物理学史》.ppt

简介:这是一个关于《简明物理学史》.ppt,主要介绍了中国古代的物理学萌芽、西方古代物理学、经典力学的建立、经典热力学基础、经典电磁学的建立与发展、经典光学、世纪之交物理学的发展、相对论的建立、量子力学的建立、原子核及粒子物理学的兴起等内容。
物理(Physics)拼音:wù lǐ,全称物理学。物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。

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第一章  中国古代的物理学萌芽
第一节:物质本原思想
    一元素与原子的观点
        1.阴阳学说    2.五行思想   (3.原子的观点)
     二 元气说
概况
第一节:物质本原思想
一.元素与原子的观点
 1. 阴阳学说
     阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义是表示阳光的向背,向日为阳,背日为阴。
     后来,又给它赋予了一定的意义,把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳,用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力,用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象。
     如气候的寒暖,方位的上下、左右、内外,运动状态的躁动和宁静,以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。
     阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物;
     阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物。
二 元气说
1. 概述:中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质,认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成,而不像“五形说”是各种元素的组合。在“道”和“太极”的思想指导下,逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。
     春秋战国时期,老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气,进而产生万物。庄子继承和发扬老子的学说,提出“通天下一气”的思想。战国末期的荀(xún)况也指出气是构成万物的基本元素。
      元气说在春秋战国时期出现,在汉代逐渐成熟,经过唐、宋得到相当大的发展,明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表,形成了“元气自然论”;由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”。
2.“元气说”的主要思想
3.元气说的局限、以太和场
第二节 物理学知识的积累
一 力学
1.物理计量:①时间计量、②度量衡
2.时间、空间、运动:
  ①空间和时间
  ②运动与静止
  ③运动的相对性
3.对力的认识:
4.力学知识的应用
一 力 学
1.物理计量
①时间计量
 a.干支纪法:春秋时鲁隐公三年(前722)二月己巳日至清宣统年(1911)。“干支”是“天干”和“地支”的合称。
   天干:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。
   地支:子、丑、寅、卯、辰、巳、戊(午)、未、申、酉、戍、亥。
     组成“六十干支”:甲子、乙丑、…癸酉、甲戊、乙亥…癸亥。共60个组合,也称“六十甲子”,周而复始,不断循环。
 b.十二时辰记时法:
      子时:23~1时,丑时:1~3时,…,亥时:21~23时。
 c.百刻时制(漏壶记时制):
      采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时,一时分为十刻。‘刻’为漏壶的基本记时单位,在竹或木制的箭上100个等分刻度,其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度。1刻等于现在的14.4分钟。
 d.机械记时:
      东汉时期张衡117年发明浑天仪,用于测定天体位置,一天转一周。后经唐宋发展,成为世界上最早的天文钟。
②度量衡:度---长度  量---容量   衡---重量
   《汉书•律历志》详细记载:
  长度单位:引、丈、尺、寸、分,十进制;
  容量单位:斛(hú)、斗、升、合、龠(yuè),十进制。
    重量单位:石、钧、斤、两、铢,非十进制。
2.时间、空间和运动
①时间与空间
《尸子》“上下四方曰宇,往古今来曰宙”。
②运动的相对性
《吕氏春秋》:“刻舟求剑”故事;
《隋书•天文志》:“乘船以涉水,水去船不徙也”,“仰游云以观,日月常动而云不移” 。
《抱朴子•塞难》:“见游云西行,而谓月之东驰”。
《春秋纬•元命苞》(汉代):“天左旋,地右动”。
《春秋纬•考灵曜(yào)》“地恒动不止,而人不知,比如人在大舟中,闭牖(yǒu)而坐,舟行而人不觉”。
比伽利略(1564-1642)相对性原理早一千多年。
3 对力的认识
(1)力的概念
   ※《墨径》:“力,刑之所以奋也”,这里刑即形,指物,奋即飞,动的意思。
   ※王充《论衡•效力篇》:“人有知学,则有力矣。文吏以理事为力,而儒 生以学问为力”,“举重拔坚,壮士之力也”,“故 夫垦草殖谷,农夫之力也…”(东汉)。
  ※西方,17世纪初‘弗兰西斯•培根’提出:“知识就是力量”。
(4)浮力:曹冲称象等。
(5)弹力:弓箭的制作等(东汉郑玄127-200)。
(6)大气压力
      西汉时期已利用虹吸管---渴乌,东汉时已广泛用于灌溉,唐朝已有隔山取水的大型引水工程。
     《关尹子》:“瓶存二窍,以水实之,倒泻;闭一则水不下,盖(气)不升则水不降。”
      唐代王冰《素问》:“虚管灌满,捻上悬之,水固不泻,…;空瓶小口,顿灌不入,为气不出而不能入也。”
(7)惯性:春秋战国时期的《考工记》中描述:“马力既竭,轴犹能一取焉”
4 力学知识应用
             ※尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓(duì 舂米用具)、水排鼓风机(公元31年东汉南阳太守杜诗发明)、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。
     ※古代建筑学上力学的应用:如隋代李春建造的赵周桥,是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥,距今已1300年;
     ※公元1056年建造的辽代山西应县木塔,是世界上现存的最高的古代木构建筑,高67.31米,经受近一个世纪的风雪袭击,12次六级以上地震,至今安然屹立。
         ※宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔:“塔初成,望之不正,而势倾西北。人怪而问之。皓曰:‘京师地平无山,而多西北风,吹之不百年当正也。’”《归田录》。
         ※ 明代的北京故宫群等等。
被中香炉
水排鼓风机(取自《王祯农书》)
二 热学
1.对热现象和热本质的认识
①温度、湿度极其测量
※“火候”:在烧制陶器和冶炼金属的过程中,通过对“火候”的观察,来定性的判断温度的高低。《考工记》记载了青铜冶炼时火色与温度的关系:“凡铸金之状,金与锡。黑浊之气竭,黄白次之;黄白之气竭,青白次之;青白之气竭,青气次之,然后可铸也。”即当“炉火纯青”时,炉温达到1200度 左右,杂质挥发,铜锡融合,可以用来浇铸了。火色实际为物质原子的发射光谱及其强度的表现。
※湿度:《淮南子》:“琴弦缓,天且雨”“风雨之变,可以音律知之”,即现在毛发湿度计的原理.
②热胀冷缩与热应力
  热胀冷缩;增大热应力:在公元前250年都江堰水利工程中的应用记载:“大滩江中,其崖崭峻不可凿,乃积薪烧之。”这种增大热应力开凿巨石的记载很多。
③热的本性
  五行说:热(火)是构成物质的一种元素;
  元气说:热这种物质的本原仍是气。
2 热能利用与热功
高温技术:殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效:殷代文物司母戊鼎、商代的四羊尊、战国的铜尊盘、秦始皇陵的大型铜马车等。春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑,表明当时的冶炼已达到1300℃的高温。
  松脂灯(孔明灯):
  走马灯:利用冷热空气对流带动纸轮旋转。
  热气球:14世纪初,元朝仁宗登基时在元大都(北京)升起世界上第一个热气球。
火药:四大发明之一。火器,烟花等。
  火箭:宋代的管形火器“突火枪”。元代的铜炮;明代的多种多发火箭。
万虎:明代官员,是“第一个企图利用火箭飞行的人。他用47只最大的火箭绑在椅子背后,手拿两个大风筝,想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中。1970年国际天文学会为了纪念他,把月球背面的一个环行山命名为“万虎环行山”。
三 光学
     1.光的直线传播与小孔成像
     2.光的反射与镜面成像
     3.光的折射与透镜
     4.光的色散
1.光的直线传播与小孔成像
   《墨径》:景倒,在午有端与。景:光之人,照若射,下者之人也高, 高者之人也下。足蔽下光,故成景与         上。首蔽上光,故成景与下。(午:交叉; 端:小孔)。
赵友钦实验:实验中他固定几个条件,改变一个条件来观察成像情况。实验分五步进行:
平面镜:“景,日之光反烛人,则景在日与人之间”
镜术:利用平面镜成像制成“万花筒”样的“魔镜”:日月镜、四规镜等。
     “灯衢”(清代黄履庄造):“做小屋一间,内悬灯数盏,人入其中,如至通街大市,人间稠杂,灯火连绵,一望数里。”
     “罗汉堂”(清代郑复光造):从侧面小洞向里看“千门万户,百千罗汉”。
      凹凸面镜:殷武丁时期就出现了凹、凸面铜镜。
      透光镜:现上海博物馆珍藏有西汉时期的“透光镜”(青铜)。 隋唐《古镜记》记载:“承日照之,则背上文字,墨入影内,纤毫无失”。
3.光的折射与透镜
    ※冰透镜:西汉《淮南万毕术》记载:”削冰令圆,举向以日,以艾承其影,则火生。“  
  ※鲫鱼杯:宋代《春渚(zhŭ)纪闻》:“有一鲫,长寸许,游泳可爱。水倒出,鱼不复见。复酌水酒中,须臾一鱼泛然而起。”
    ※ “蝴蝶杯”、“兰花杯”等。
4.光的色散
雨后成虹和造虹实验:
     唐初孔颖达《礼记注疏》“日照雨滴则虹生”
     唐代张志和《玄真子》“雨色映日而为虹”“背日喷乎水,成虹霓之状。”
    南宋蔡卞《毛诗名物解》:“云薄漏日,日照雨滴则虹生。今以水喷日,自侧视之,则晕为虹霓…。故今雨气成虹,朝阳射之则在西,夕阳射之则在东。”
四 电磁学
1.对电的认识
2.对磁的认识
3.电与磁的应用
1.对电的认识
         摩擦起电:*东汉王充《论衡》:“顿牟掇芥,磁石引针…他类肖似,不能掇取者,何也?气性异殊,不能相感动也。”顿牟指玳瑁(爬行动物,形状象龟,这里指其壳)。(用元气解释静电现象);*西晋张华《博物志》记载:“今人梳头,脱着衣时,有随梳、解结有光者,也有吒声。”*唐代《酉阳杂俎》“猫…黑者,暗中逆循其毛,即著火星”。
3.电与磁的应用
  ①避雷针:
 ②磁性指南器:
 ③磁化
   地磁场磁化法:
      1044年出版的宋代曾公亮《武经总要》:“鱼法,以薄铁叶剪裁,长二寸阔五分,首尾锐如鱼形,置碳火中烧之,侯通赤,以铁钤钤(qián 印、章)鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之,用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也。”将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体,淬火使磁畴稳定。
   磁石磁化法:
       沈括《梦溪笔谈》:“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东(地磁偏角),不全南也。
五 声学
1.声音的产生(略)
2.声音的传播(略)
3.共振
4.共鸣及其消除
5.声音的反射
6.古代乐器
7.律学
1.共振
   《庄子•徐无鬼》:“为之调瑟,废于一堂,废于一室。鼓宫宫动,鼓角角动,音律同矣。夫改调一弦,于五音无当也,鼓之,二十五弦皆动。”
 《梦溪笔谈》:“琴瑟弦皆有应声,宫弦则应少宫,商弦则应少商,其余皆隔四相应。今曲中有声音,须依此用之。欲知其应者,先调诸弦令声和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃,他弦则不动。声律高下苟同,虽在他琴鼓之,应弦亦震,此谓之正声。”(共振实验—鱼洗)
2.共鸣及其消除
     南北朝时期刘敬叔《异苑》:“晋中朝有人蓄铜澡盆,晨夕恒鸣如人扣,乃问张华。华曰:‘此盆与洛钟宫商相应,宫中朝暮撞钟,故声应尔。可错(挫)令轻,则韵乖。鸣自止也。’依其言,后不复鸣。”
     唐代韦绚《刘宾客嘉话录》记载了当时的太乐令曹绍  为一僧人治病的事:该僧人因僧房内一磬无故自鸣,而惊恐成疾。
3.声音的反射
  ①北京天坛:回音壁、三音石、对话石
  ②山西永济“莺莺塔”:普救寺舍利塔,因“西厢记”而称“莺莺塔”,是一座空心砖塔,初建于唐武则天,后重建于明嘉靖42年(1564),因其 可产生蛙鸣般的回声,而列河东“清八景”之一。( 普救蟾声)
  ③河南三门峡“蛤蟆塔”:建于金大定十六年,在塔外十余米处击石拍掌,有蛙鸣回音。
  ④四川潼南“石琴”:实为登山石阶,凿于江边完整无缝凹处,沿石阶拾级而上,自第四级到第十九级,凡步履所触,便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡。其中有七级石蹬的发音特别洪亮,称为七步弹琴。题为石蹬琴声。
回音壁传声示意图
三音石和对话石回声示意图
莺莺塔回声示意图
编种
※朱载育依据自己发明的十二平均律确定了“均准”(即弦准),是世界上第一个依据十二平均律建立的定律器。也是世界上第一个依据十二平均律建立的弦乐器。
1.古希腊的三个时期(公元前8世纪---4世纪)
①城邦时期(前8世纪—前4世纪):在地中海东岸有10余个不同城邦,这时的雅典为众城邦的盟主,也是科学文化发展的中心。出现了大批著名的哲学家和科学家:泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等。
第一节 古希腊物质本原思想
      一 元素论   二 数的和谐思想
    三 原子论
一 元素论
1.城邦时期(公元前8世纪—前4世纪)
            米利都学派创始人泰勒斯(公元前624-前547)认为万物本原是水;
            其学生阿那克西曼德(公元前610-前547),认为世界的本原应是无任何固定性质的“无限者”,即没有固定的界限、形式和性质的东西,由它生出土、水、气、火等。
             阿那克西曼德的学生阿那克西米尼(公元前585-前528),则将万物的本原看作是“空气”;
             赫拉克利特(公元前540-前475,一城邦邦主)认为是“火”;
             恩培多克勒(公元前493-前433):西西里岛的一位王子,提出“四根说”,即物质由土、水、气、火四种元素构成。
2.亚历山大时期
    亚里士多德在总结前人研究的基础上,提出:地上万物由土、水、气、火四种元素组成,月层以上的天体由以太组成,而元素又由冷、热、干、湿这四种更基本的基质构成。
二 数的和谐思想
      创始人:毕达哥拉斯(约前584-前497)。认为世界是一个超感性世界,是一个“数”的世界。数是万物本原,有了一个一个的数,才有了几何上的点,有了点才有线、面和立体,有了立体才有土、水、气、火四种元素等。
     由于注重数的比例关系,发现了数学上的毕达哥拉斯定理(勾股定理)与音乐上的五度相生律。认为世界上的一切现象和规律都服从“数的和谐”,这种“数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。
      毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义,但他们对“数的和谐”的追求,却形成了理性的数学传统。对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用。“数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则。由“数的和谐”发展为“宇宙的和谐”的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法。
三 原子论
         创始人:米利都学派的留基伯(公元前500-前440)和其学生德谟克利特(公元前460-前370)。接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识,但不接受“数”的本原观点。他将微观的几何点同“存在”结合起来,认为“存在”是不可分的、不变的、球形的。并将“存在”取名为“原子”。
      100年后雅典的伊壁鸠鲁(公元前341-前270)发展了这一学说:原子本身不仅有形式上的差别,还有大小和重量的不同。只要不遇到任何阻抗,原子在虚空中以同样的速度运动着。但是,由于原子内部的原因,原子在运动中会发生偏斜,由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。
      罗马科学家卢克莱修( 约公元前95-前55)也继承和传播了原子论。并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动。
第二节 古希腊时期对宇宙的认识
3.地心说的发展与完善
       同心球层模型要求天体永远和地球保持同一距离,但行星亮度的变化和日食有时是全食、有时是环食的现象,说明行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变化的。
              为了克服这一困难,阿波罗尼(Apollonius,约前247—前205)提出了“本轮—均轮”结构模型:行星沿着本轮做圆周运动,本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。
第三节 古希腊的物理学知识
    古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面。力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。
③关于运动:他认为运动就是变化,并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。
2. 阿基米德(前287—前212)     古希腊最著名的物理学家,数学和力学大师。后人称其为“物理学之父”。著有《论平面的平衡》《论浮体》,其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。 1)杠杆原理:用了7条假设,论证表述了15个命题. 2)浮力定理(阿基米德定理); 3)证明了正圆柱体 内切球的体积与该圆柱体积之比    为2:3;他采用了两种方法:    ①实际制作了两个材料相同的模型,称其重量;    ②从数学上推导论证。 4)提出了重心的概念和物体重心的求法; 5)计算了π的数值在3又10/71和3又1/7之间; 6)发明了滑轮组; 7)发明了阿基米德螺旋提水器等。
欧几里德(约前330—前275)建立的优美的几何演绎体系,是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一。他将几何学引入到光学研究,将光学看作是几何学的一个分支,著有《反射光学》(Catoptrica),确认光的直进性,并建立了光的反射定律。确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间。但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物反射回来的结果。
1.阿里斯塔克测量----日地距离和月地距离之比:
            当月亮恰为半月时,日月地构成直角三角形:日-地间的直线为斜边,日-月和月-地间的直线均为直角边,他测得月-地边和日-地边之间的夹角,进而得出日-地间的距离为月-地间的距离的20倍(实际为400倍)。
第四节 中世纪的物理学知识
一.哥白尼与“天体运行论”    哥白尼日心体系的提出,是自然科学向神学的第一次严正挑战,标志着自然科学从神学中独立出来。    哥白尼是波兰伟大的天文学家,18岁入克拉科夫大学学习数学和天文学;1496年到文艺复兴的意大利留学,波伦亚大学天文学教授诺瓦拉(Novara)关于托勒密体系过于复杂,不符合数的谐和原则的评论,对哥白尼产生了影响。
二.第谷与开普勒
 1.第谷(Tycho Brahe,1546-1601)的天文观测
     丹麦人,生于贵族家庭,1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台,测量精度较前人提高了几十倍至上百倍,在21年的观测中,各行星角位置的误差仅为2’(即0.033°,1°=60’)。他将亚里士多德理论和哥白尼体系进行了折中,认为,除地球和围绕它的月亮外,其他天体都绕太阳运转,太阳率领众行星围绕地球运转,地球是静止不动的。被人誉为“星学之王”。
      腓特烈二世逝世后,第谷失去了资助。1599年,他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款,于是他把部分仪器搬到了布拉格。在这里,他得到了一个青年助手开普勒。他们共同进行观察,直到1601年第谷去世。
1.伽利略(1564-1642)简介:
一.伽利略的运动理论
1.运动的描述和分类
     提出将运动分为匀速运动和变速运动。
2.自由落体定律
①首先从思想实验得出的一个佯谬入手,对亚里士多德的落体学说反驳:重物和轻物绑在一起下落时的速度?
②通过数学推到出自由落体为匀加速运动:利用三角形面积和一对应的矩形面积相等确定 s/t2=常量
③设计了“冲淡重力”实验,即著名的“斜面实验”
④为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动,提出了“等末速度假设”,并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之间的关系。
3.惯性原理
         “等末速度假设”和单摆摆球的等高性实验,把伽利略引向另一个理想实验,如右图所示。
      “任何速度一旦施加给一个运动着的物体,只要除去加速或减速的原因,此速度就可保持不变;不过,这是只能在水平面上发生的一种情形。”这一思想实验,有力地证明了外力不是物体运动的原因,而是运动速度变化的原因。
4.抛体运动轨迹--运动的独立进行原理
           在《两门新科学》的第四天谈话中,详细研究了抛体运动,指出:假设物体以水平初速度抛出,这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动…这两个运动既不彼此影响、干扰,也不互相妨碍”。这就是运动的独立进行原理。
      伽利略把各种仰角下物体的射程一一计算出来作成表格,从而得出仰角为α=450 时射程最大,以及两个仰角等于α=450±β下射程相等得结论。
5.相对性原理
           在批驳“倘若地球运动,就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬论时,伽利略指出,从行驶的航船的桅杆上落下的石子,仍会落在桅杆脚下;…只要船的运动是均匀的,也不忽左忽右摆动,人们所观察到的现象同船静止时完全一样,人们跳向船尾不会比跳向船头更远;从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里;蝴蝶和苍蝇四处飞行,决不会向船尾集中,或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子。……这些现象表明,在船里所做的任何观察和实验,都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动。”
      这一原理的发现,是人类科学史上的一个重大飞跃,对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。
6.伽利略的研究方法
           对现象的一般观察→提出工作假设→运用数学和逻辑的手段得出特殊结论→通过物理的或思想的实验对推论进行检验→对假设进行修正和推广。
      伽利略把实验和数学逻辑结合起来的方法,有力推进了人类科学认识活动的进展。值得指出的是,在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的。比如在实际的下落实验中,重球和轻球并不是同时落地,伽利略认为这是空气阻力造成的;又如在单摆实验中,摆球并不能完全回到原来的高度等等,能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响,而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论,这就是伽利略的伟大之处。
二.意义 1.实验方法与数学方法结合的成功     不是单纯做实验,而是从明确的物理思想出发,进行数学推证,选典型实验,最后得出结论。 2.科学方法的确立:    观察—假设—逻辑推理—实验检验的成功之路     实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。 3.落体运动也是一种匀加速运动    1586年,斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验,两个不同重量的铁球同时落地。
背景:15世纪,文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上,自然科学获得新的生命,蓬勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。     欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代。 一.牛顿简介     1643年诞生于英格兰林肯郡的自耕农家庭。牛顿出生之前,父亲已去世。3岁时,他的母亲再嫁给一位牧师,把他留在他祖母身边抚养。     牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境。    牛顿儿童时酷爱读书,但并看不出才能出众。在格兰瑟姆中学的校长J.斯托克斯和他当神父的叔父W.艾斯库鼓励下,牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。
二.牛顿《自然哲学的数学原理》
三.万有引力定律的建立、检验和意义
(一)万有引力定律的建立         
            英国的胡克、伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了重要贡献。胡克最早觉察到引力与重力有同样本质,他曾在山顶和矿井下进行实验,以确定重力随离地心的距离而变化的关系,但没得出结果。1680年初,在给牛顿的信中,胡克提出了引力反比距离的平方的猜想;1679年哈雷和伦恩导出了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比,但是,他们还不能证明行星在椭圆轨道下也是如此。1684年8—10月,牛顿作了《论运动》的演讲,明确叙述了向心力定律,证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。后来又定义了质量的概念,探讨了引力和质量的关系,才把他引向万有引力定律的发现。
      在《原理》中,牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验,我们称为牛顿月亮或小月球思想实验,从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。
1.牛顿通过靠近地面的“小月亮”运动的思想实验,论证了“使月球保持在它轨道上的力,就是我们通常称为‘重力’的力”。
(二)万有引力定律的检验
1)关于地球的形状:
     牛顿指出,行星由于自身的旋转运动,赤道部分应该隆起,使行星成为两极扁平的扁球体。隆起部分将一部分接近太阳和月亮,另一部分远离太阳和月亮,它们受到的引力作用不同,使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心,从而使地球的轴作一种缓慢的圆周运动,造成二分点的岁差现象,牛顿近似估算出地球的扁率为1/230。
4)卡文迪什测定万有引力常数
      从牛顿于1687年出版《自然哲学的数学原理》,整整一百年时间,还没有任何实验或事实能证明在任意的两个物体之间确实存在引力,以及引力大小。直到1797年,卡文迪什在实验室条件下,用扭秤实验 测量了两个物体间微小引力和万有引力常数,才最终解决了定律的验证问题。
(三)万有引力定律建立的意义
1.人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一。
2.建立了天体力学;
3.是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。
四.牛顿取得成功的历史条件
1.生产力发展的需要     航海的发展,需要对天体的运行规律进行研究,对机械加工作物理原理的解释。
2.物理方面的进展     哥白尼的“日心说”,摧毁了附着在神学上的宇宙观,得到了几乎所有科学家的认同。     伽利略奠定了在运动观上的正确理论,各种力正在被发现。
3.在英国,政局比较稳定,商业发展使新兴资产阶级从自身的角度,开始注重科学研究。
4.科学的国际研究联系加强
       英法成立了“皇家学会”及“皇家科学院”
五.牛顿的成功之路
第四章 经典热力学基础
§1.热学现象的初期研究
§2 .热力学第一定律的建立
§3 .热力学第二定律的建立
§4 .低温物理学(略)
§5.分子运动论的发展(略)
§6.统计物理学的建立(略)
§7.物态
§1.热学现象的初期研究
一 蒸汽机的发明
二 计温学的发展
三 量热学的建立(略)
四 热本质的认识
一 蒸汽机的发明
1690年巴本(法国)首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机;
1698年,托马斯•萨维里(英国)制成一具蒸汽水泵;
1705年,托马斯•纽可门(英国)在萨维里和巴本的基础上,研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转变为机械力的原动机,是蒸汽机最早的雏形。但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却,热量的损失太大。
 1769年,詹姆斯•瓦特(法国)改进了纽可门机,把冷凝过程从汽缸内分离出来,即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。
 1782年,又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸,推动活塞往返运动的蒸汽机,使机器运作由断续变连续,从而蒸汽机的使用价值大大提高,导致了欧洲的第一次工业革命。
二 计温学的发展
(一)温度计的设计与制造
1603年,伽利略制成最早的验温计:一只颈部极细的玻璃长颈瓶,倒置于盛水容器中,瓶中装有一半带颜色的水。随温度变化,瓶中空气膨胀或收缩。
伽利落验温计
(二)测温物质的选择和标准点的确定
四 热本质的认识
1.认为热是运动的表现
    佛兰西斯•培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。
  波义耳认为钉子敲打之后变热,是运动受阻而变热的证明。
  笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动;
  胡克用显微镜观察火花,认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动;罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。
3.“热质说”的否定
§2 .热力学第一定律的建立
二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家
2.海尔曼•亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894)
      1821年8月31日生于德国波茨坦,1838年考入柏林雷德里克•威廉皇家医学院,以优异成绩于1842年毕业,担任了军医,并开始进行物理学研究。1847年,在不了解迈尔等人工作的情况下,提出了能量守恒和转化定律。1855年最早测量了神经脉动速率,把物理方法应用于神经系统的研究,由此被称为生物物理学的鼻祖。先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授,1871年起,在柏林大学任物理学教授,1888年任夏洛腾堡物理技术研究所所长。著有《生物光学手册》、《音乐理论的生理基础》、《论力的守恒》等书。培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。
焦尔测量热功当量的一种实验装置
                                  --------浆叶实验
永动机的研究
一 卡诺热机理论
二 热力学第二定律的物理表述
1.热力学第二定律的提出:
      1851年,开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响。
      热力学第二定律的第二种开尔文表述为:第二种永动机是不可能造成的。
      1850年克劳修斯提出了热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。
三 熵(略)
四 宇宙热寂说
1865年,可劳修斯在《热力学第二定律》中写到:“宇宙的熵力图达到某一最大值”,在1867年的演讲中,又进一步指出:“宇宙越接近这一最大值的极限状态,就失去继续变化的动力,如果最后完全达到这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态。”
§4 低温物理学(略)
一.气体的液化
二.临界温度的发现
三 制冷技术
四 低温下物质特性的研究
§5.分子运动论的发展(略)
§6 统计物理学的建立(略)
   一.麦克斯韦的工作
   二.玻耳兹曼的工作
   三.吉布斯的系综理论
      和统计力学的建立
   四.量子统计的建立
除了气、液、固三态外,从物质内部结构来考虑还有:
    液晶态(也叫介晶态):处于液态和固态之间;
    等离子态:如气体被加热和辐射等,而电离成为带正电的离子和带负电的电子的集合体,但正负电荷数相等。
    超导态:某些金属或化合物,当温度降到一定程度时,其直流电阻趋于零,这种状态称为超导态。
    超流态:在极低温度下,有的液体的粘滞性消失。
    中子态:在离地球很远的太空中,有一种后期的恒星,热核反应已经停止,突然爆发后急剧收缩,把原子外层的电子“挤到”原子核内,使原子核内的质子变成中子,从而形成密度极高的物质,这种物质形态称为中子态。
第五章  经典电磁学的建立与发展     §1.对电磁现象的早期认识     §2.富兰克林对雷电现象的研究     §3.从定性到定量—库仑定律的发现     §4 .由静电到动电—电流的发现     §5.电流的磁效应与安培定律     §6.电磁感应现象的发现与研究     §7.麦克斯韦电磁场理论的建立     §8.电磁波的发现与应用(略)
1.电荷守恒定律的发现:他发现两个带有不同性质电荷的带电体,相互接触后可以呈现中性。把电荷分为“正电”和“负电”,并进一步得出结论①正电和负电在本质上不应有什么差别;②摩擦起电过程中,总是形成等量异种电荷; ③摩擦起电过程中,一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。
2.费城实验----天电和地电的统一
3.发明避雷针
4.独立宣言和美国宪法的起草人之一,为美国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。
§3.库仑定律的发现——从定性到定量
一.类比法
3. 罗比逊实验—同种电荷斥力的测量
     1769年,英国爱丁堡大学的约翰.罗宾森(John Robiso,苏格兰人)设计了一个杠杆装置,如图。通过实验直接推测了平方反比关系:同种电荷间的斥力反比于距离的2.06次幂,异种电荷间的吸引力反比于小于距离的2次幂。由此他推测:在实验误差范围内,正确的关系应为反比于距离的2次幂。
§5.电流的磁效应与安培定律
二.安培和安培定律
  1.安培简介
  2.安培的四个实验和一个假设
  3 分子电流假说
  4.安培环路定理的提出
  5.安培的科学研究方法
2.安培定律的建立----四个示零实验和一个假设
一个假设
    两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。
§6.电磁感应现象的发现与研究
一.法拉第(1791-1867)
四 亨利及自感现象的发现(略)
五 楞次定律的发现(略)
六 法拉第的“力线和“场”的思想及其他
意义: 牛顿力学,安培定律及库仑定律都是超距中心作用;而力线和场的概念,则是一种近距媒递作用,是对传统力学观念的一个重大突破。
背景:
         19世纪中期,描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立,法拉第关于力线和场的概念已经提出。1847-1853年间,W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义,并导出了H=μB,同时还导出了磁场的能量密度为μH2/8π、载流导线的磁能LI2/2 ,并且于1851年提出了《磁的数学理论》。为后来麦克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代,创立电磁场理论的条件已趋成熟。
一.麦克斯韦(1831-1879)简介
1.类比: 2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流” 3.麦克斯韦电磁方程组: 4.电磁波的预言 5.光波就是电磁波的提出
1.类比:
      1855年发表《论法拉第力线》,从几何观点,为法拉第力线作出了数学描绘。麦克斯韦用类比的方法,把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇,电力线比作流管,电场强度比作流速等,引入了诺埃曼的矢势函数A,用于表示导体中引起的电动势。并指出,“电紧张态”是场的一种运动性质,是一个物理真实。
      在论文末尾,麦克斯韦总结了六条定律,为以后建立电磁场理论奠定了基础。
2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”
   1862年,麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》。提出了“电磁以太模型”,把电学量和磁学量之间的关系,形象的表现出来。
对于静电场中的情况:
        麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场时,由于H=0,涡旋管静止。但当处于电场中时,粒子层将受到电力E的作用而发生位移D,并给涡旋管以切向力使之发生形变。当两力平衡时,粒子和涡旋管保持相对静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感应产生。
3. 麦克斯韦电磁方程组:
         1873年,麦克斯韦出版《电磁学通论》,创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中,得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构,揭示了电场和磁场内在的完美对称。
4.电磁波的预言
          麦克斯韦方程组的一个重要结果,就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算,从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程为:
5.光波就是电磁波的提出:
      1856年韦伯测定上述速度值为:V=31.074万公里/秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。他认为这不是巧合,而是由于光的本质与电磁波相同,从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动” 。从而将光、电、磁理论统一起来。完成了物理学发展史上的第二次理论大综合。
第六章  经典光学
  §1.光学的历史概述
  §2.光的波动说和微粒说的论争
  §3.光速的测定
  §4.光谱的研究(略)
§1.光学的历史概述
1 开普勒的工作:1611年写了《折光学》,记载了两个实验。第一个实验是比较入射角和折射角:如图,日光LMN斜射到器壁DBC上,BC边沿的影子投射到底座于HK;另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内,阴影的边沿形成于IG。
全反射的发现:
  令AB为玻璃与空气的分界面,如图。光线从空气进入玻璃发生折射,由于最大偏折角为420,所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为420×2=840的锥形MON。
2 斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作:
3 笛卡儿的工作:
4 费马的工作:
       1661年费马用最短时间原理推出了折射定律:
5.几乎与望远镜同时,荷兰人发明制造了显微镜,由眼镜制造师詹森(Janssen)发明:由一双凸透镜作物镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。
      后来,意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。
7.1668年,牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜,全长15厘米,口径2.5厘米,但其放大倍数和当时使用的2米长的望远镜相同。1671年又制造了第二架较大的反射式望远镜,全长1.2米,口径2米,献给了英国皇家学会,现仍保存在英国皇家学会图书馆。
①如图在一张黑纸上画一条线abc,半边ab为红色,半边bc为兰色,经过棱镜观看,只见这根线好象折断了似的,分界处正是红兰之交,兰色部分比红色部分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。
②他拿三个棱镜作实验,三个棱镜完全相同,只是放置方式不同,如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的,经过第二和第三棱镜后,这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。
③他用两块木版各开一小孔F和G,并分别放于三棱镜两侧,光从S 处平行射入F后,经棱镜折射穿过小孔G,到达另一块木版de上,投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后,抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转,这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验结果是:被第一个三棱镜折射最厉害的紫光,经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论:白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。
④有人提出光谱变长是因为衍射效应,为此牛顿又作如下实验:取一长而扁的三棱镜,使它产生的光谱相当狭窄。当屏放在位置1时,屏上显示仍为白光;当将屏倾斜到位置2时,就可看到分解的光谱。这一实验说明:光谱只涉及屏的角度,结果与棱镜无关。因而也就否定了衍射效应的说法。
1.光线随其折射率不同,颜色也不同。色是光线固有的属性。
2.同一颜色的光折射率相同,不同色的光折射率不同。
3.色的种类和折射的程度是光线所固有的,不会因折射、反射或其它任何原因而改变。
4.必须区分两种颜色,一种是原始的、单纯的色,另一种是由原始的颜色复合而成的色。
5.本身是白色的光线是没有的,白色是由所有色的光线岸适当比例混合而成。
6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射的缘故。
7.把光看成实体有充分依据。
8.由此可解释棱镜色散和虹。
一 光的微粒说:
    近代微粒说最早由笛卡儿首先提出,后来牛顿发展了微粒说,并和波动说展开了长期的争斗。
    微粒说认为:光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快获得了人们的承认和支持。
    微粒说还认为,光在水中的传播速度比在空气中的快。
    缺陷:无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时,为什么光线并不是永远走直线,而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。
二 早期的波动说
1.胡克:胡克主张光是一种振动,是类似水波的某种快速脉冲。
2.惠更斯:荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想(纵波)。
泊松亮斑:为了推进微粒说的发展,1818年法国科学院提出了有奖征文,菲涅耳在阿拉果的鼓励和支持下,提交了应征论文:他以严密的数学推理,从横波的观点出发,圆满的解释了光的偏振,并用半波带法定量的解释了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹,推出的结果与实验符合的很好。在评审菲涅耳的论文时,法国数学物理学家泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明:如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板,则在放在其后的屏上,应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑(后称为泊松亮斑),泊松认为这是不可能的,从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验,果然在阴影的中央出现了一个亮斑。托马斯杨的双缝干涉实验和波松亮斑证实了光的波动性。
1817年1月和1818年4月托马斯·杨先后两次写信给阿拉果,讨论有关偏振问题,并把光比作绳索和弦的振动,建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳,菲涅耳立即看出:这一比喻为互相垂直的两束偏振光不能相干提出了解释。并于1819年发表了《关于偏振光线的相互作用》,于1821年发表了光的横波性理论。托马斯·杨和菲涅耳的发现,标志着光学进入了新的发展时期---波动光学时期。1850年傅科测定了光在水中和空气中的速度,给光的粒子说以最后的打击,从此光的波动说占据了统治地位。
      19世纪60年代,麦克斯韦发表了电磁场理论,并计算出电磁波的传播速度和光速相等,明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约20年后被赫兹实验证实。
三 光的波粒二相性
1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验,否定了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的否定,使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和爱因斯坦对光电效应的解释,又一次使光的粒子说暂时占据了上风。
       直到1921年,德布罗意提出了光的波粒二相性理论。才暂时平息了关于光本性的争论。
一.早期的实验
二.天文学方法
1.由木卫蚀测量光速
   由丹麦人奥罗斯·罗末(1644-1710)于1675年提出。木星有13个卫星,I0(木卫一)是木星的一颗卫星,绕木星旋转一周的时间约42小时28分16秒,因此在地球上看I0蚀也应是42小时28分16秒一次,但他在观测木卫I0的隐食周期时发现:在一年的不同时期,它们的周期有所不同;
        惠更斯据此观察计算出了光的传播速度:214000千米/秒。
        现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒,
利用木星蚀测量光速图:
2.由光行差测量光速
三.光速的地面测定方法
1.旋转齿轮法:
    1849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定了光速。其装置如下:控制齿轮转速,使其由零逐渐增加,观察者开始将看到闪光,当齿轮旋转而达到第一次看不到光时,齿缝被齿所代替,再增加转速,当看到光且不再闪时,说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光速。菲索测得的光速是315000千米/秒。由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的测出光速。
2.傅科的旋转平面镜法
转镜是一个正八面的钢质棱镜,从光源S发出的光射到转镜面R上,经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/c。在t时间中转镜转过一个角度。实验时,逐渐加快转镜转速,当转速达到 528转/秒时,在t时间里正好转过1/8圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上,通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像。
4 其他方法----试验室方法
①克尔盒法:克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。1928年,卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速。
②微波谐振腔法:1950年埃文森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速.
③激光测速法:1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速.
  等等。
五  “以太漂移”的测定
1.早期对“以太”的认识(略)
2.“以太”的运动观:
    1818年菲涅耳提出静止以太说
    1845年斯托克斯提出完全拖曳说
    1851年菲索提出部分拖曳说
3.“以太漂移”的测定       ①斐索的流水实验
       ②迈克耳逊干涉实验
    ③洛奇的转盘实验
①斐索的流水实验       1851年,斐索在流水中比较光速,实验原理如下图,光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和S2形成两光束,进入水管,一束顺水流方向,一束逆水流方向,均经反射镜M反射,在S’处会合发生干涉。
假如水中的以太不被流水曳引,两束光在水中的速率是一样的,无论水是否流动,干涉条纹都不会发生变化。如果以太被流水曳引,拖曳系数为k,水流的速度为v,则以太被拖曳的速率为kv;两束光在流水中相对于地球的速率就不相同,于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对于地球的速度为:c’=c/n±kv,斐索通过实验测得 k=0.46,表明水中的以太被部分拖曳。(1817年,菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为 1-1/n2。对水而言,其值为0.438,两结果一致。)
          根据菲涅耳理论,对于地球表面的空气,n≈1,所以 k=0。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意义,当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论才得到圆满的解释。
②迈克耳逊干涉仪:
    1881年迈克耳逊设计了一种干涉仪,如图,用于寻找绝对静止的以太是否存在。
    当两光束有一定光程差时,在d处则出现干涉条纹。如果以太是静止不动的,则由于地球绕太阳的运转,地球表面应有“以太风”刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。如果把仪器转动90度,则必然会出现条纹的移动。
1887年迈克尔逊与莫雷合作,对仪器改进后又进行了更精密测量:将整个光学系统安装在大石板上,再将石板浮在水银槽上,可以自由旋转改变方位。光路经多次反射,光程可达11米。但结论仍是“零结果”。因此得出:
   ①以太被完全拖曳;或者是②根本不存在以太。
    早在1728年,英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中,就已判明以太没有被太阳拖曳(洛奇的转盘实验也证明以太静止),以太相对于太阳是静止的。
       迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说,但从完全曳引假说必然会得出这样一个结论:在运动物体表面有一速度梯度的区域,如果靠得很近,总可以觉察出这一效应。
③洛奇的转盘实验
    1892年,英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验,以实验“以太”的漂移。他把靠得很近的大钢锯圆盘(直径3英尺)平行的装在电机的轴上,使其高速旋转(可达4000转/分)。一束光经半透镜分为两路,分别沿相反方向在钢盘之间走三圈,再回合于望远镜产生干涉条纹。
   如果钢盘转动拖曳周围以太旋转,则两路光线将产生时间差,造成干涉条纹移动。
   但实验结果为:不论钢盘转速如何,钢盘正转或反转,造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。
    所以迈克尔逊—莫雷实验的“以太风的零结果”表明:以太根本不存在。
第七章   世纪之交物理学的发展
一 经典力学基本概念和基本原理的固有局限性:
1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上;
2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用;
3.物体的质量恒定不变,与物体的运动和能量无关;
4.只适于宏观低速的范围,不适于高速和微观领域。
5.机械决定论
1.与光学的不调和性:
    主要表现在两个方面,一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点:微粒说和波动说;二是对于作为绝对空间和波的载体的“以太”究竟是什么,如何对它进行检测?它到底具有哪些性质?如从光速的巨大数值来看,“以太”应具有极大的刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行,“以太”必须极其稀薄且没有质量,等等。这些性质不但难以理解,有些甚至相互矛盾。
2.与电磁学的矛盾:媒递作用---超距作用的矛盾;即时传播---有限速度的矛盾;能量连续分布的场---质点是能量的唯一载体的矛盾等等。
3.与热学的不协调:经典力学(包括电磁场理论)中的规律关于时间都是对称的、可逆的,时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现,却指出了自然过程的不可逆性和历史性。
三 马赫对经典力学的批判
       1883年,奥地利的马赫出版了《力学及其发展的批判历史概论》,从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。例如质量的概念,在牛顿的《力学原理》中,质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为,按照这种定义的方法,不同种类物体的质量无法比较,应当建立相对质量的概念:加速度是可测量的量,如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度,那么这两个物体的质量就相等,如果测得的加速度不相等,则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。
    马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判,马赫认为:“时间是一种抽象”,时间是不能独立自存的。空间也不能脱离物体而存在。如果宇宙中没有物体,谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有一个物体,这唯一的物体也无运动可言。
        马赫批判了牛顿的“水桶实验”
爱因斯坦指出:马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中,正是马赫对绝对时间的批判,使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的”,并从“同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判,使人们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来,从而确立加速运动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家。
       马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用。
佩兰(Perrin)实验:
    1895年法国物理学家微粒说支持者佩兰(Perrin)将圆桶电极安装在阴极射线管中,用静电计测圆桶接收到的电荷。结果为负电。支持了带电微粒说。
实验二:阴极射线的静电偏转实验:
       J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验,他改善真空条件,并减小极间电压,终于获得了稳定的静电偏转。从而否定了以太说。
二 X射线的发现
三 天然放射性的发现
1.铀盐的放射性的发现----贝克勒尔
  2.钋和镭的发现----------居里夫人
  3.α、β、γ射线的发现--卢瑟福
1.铀盐放射性的发现------贝克勒尔
①.居里夫人(1867-1934)       波兰中学毕业获金质奖章,由于波兰当时女子不能上大学,做了8年家庭教师,筹了费用,于1891年到法国巴黎,进入法兰西共和国大学理学院学习。1893年获物理硕士学位,次年又获得数学硕士学位。1894年与法国物理学家皮埃尔·居里相恋。1903年获诺贝尔物理奖,1911年获诺贝尔化学奖。 皮埃尔·居里     法国物理学家,从小聪慧过人,16岁获学士学位,18岁获硕士学位,24岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应,发明了测量微量电量的压电石英静电计---“居里计”。后来从事磁学研究,发现磁性消失的温度---“居里点”。
②.钋的发现
       首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比,而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。
    1897年7月,他们终于从铀矿渣中提炼出了钋,它比纯铀放射性强400倍!
③.镭的发现
     但是钋的放射性比预期的仍然低,继续实验,1898年12月,又发现了比铀的放射性强200多万倍的新元素----镭 (radium) !
3.α、β、γ射线的发现
        镭的发现促进了对放射性的进一步研究,其中贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生----卢瑟福
①卢瑟福
     新西兰人,祖籍英国苏格兰,1871年生于新西兰,18岁进入新西兰大学学习,1893年大学毕业,1895年被选送到剑桥大学深造,在J.J.汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生(J.J.汤姆逊的第一位研究生)。1898年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授。
    在获知居里夫妇发现镭辐射后,立即转向放射性对气体电离作用的研究,提出原子的嬗变理论。1907年返回英国,任曼彻斯特大学物理学教授。主要研究α粒子的散射作用,提出了原子的核式模型。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授,并任卡文迪许实验室主任。
§3 经典物理学的两朵乌云
   19世纪的最后一天,在欧洲著名的科学家 年会上,英国著名物理学家W.汤姆生(开尔文)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理学大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,” “第一朵乌云出现在光的波动理论上,”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”
    他所说的第一朵乌云,主要是指第一朵乌云:“迈克耳逊-莫雷实验”与“以太漂移说”的矛盾;
第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
首先德国物理学家维恩建立起了黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实符合。
悲观情绪:
      物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的严重分歧。
       在人们提出波粒二象性新概念时,洛仑兹哀叹到:“在今天,人们提出了完全相反的主张;这样一来,也就没有真理的标准了,也不知道科学是什么了。我真后悔我没有在这些矛盾出现前的五年死去。”
       法国科学哲学家雷伊在1907年出版的《现代物理学家的物理学理论》中描述了当时的这种情绪:“传统的机械论的破产,确切的说,它所受到的批判,造成了如下论点:科学也破产了。”“物理学失去了一切教育价值;物理学所代表的实证科学的精神成为虚伪的危险的精神”。
      开尔文则竭力否定新的发现和新学说。他说X射线是一场“精心策划的骗局”,说元素嬗变理论是巧妙的捏造出来的。
       门捷列夫也宣称:“承认原子可以分解出电子只会时事情复杂化。”等。
第一朵乌云,
     最终导致了相对论革命的爆发。
第二朵乌云,
        最终导致了量子论革命的爆发。
第八章  相对论的建立
§1.相对论先驱者的思想
§2.爱因斯坦的狭义相对论
§3.广义相对论的建立
①洛仑兹的理论是以静止以太为出发点,在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论;而爱因斯坦的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原理性”理论。
      ②洛仑兹认为长度收缩是真实的,是由分子运动引起的。爱因斯坦这只是一种相对论效应。
      ③洛仑兹认为地方时(在运动物体上测量的时间)只不过是一个数学假设,不具有真实的物理意义,而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间,地方时才是唯一真实的时间。
③1898年发表论文《时间的测量》,首次提出光速在真空中不变的公设,认为没有这一公设,就无法测量光速;在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。
④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的,只有相对运动才有意义。
⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”:“任何系统的运动应当遵守同样的定律,不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”。
⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破,他说:“也许我们还要构造一种全新的力学,我们只不过是成功的瞥见了它,在这种力学中,惯性随着速度而增加,光速会变为不可逾越的极限。通常比较简单的力学可能依然是一级近似,因为它对不太大的速度还是正确的,以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。”
在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了一段他和爱因斯坦的一次谈话,英费尔德说“在我看来,即使您没有建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久。因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。”爱因斯坦回答说:“是的,这说的对。”
§2 爱因斯坦的狭义相对论
一 爱因斯坦生平
二 爱因斯坦狭义相对论的探索过程
三 长度收缩、时钟变慢(略)
四 同时的相对性(略)
五 质能关系及质量与能量守恒的统一(略)
六 相对论被世人接受的历程(略)
七 意义
1905年9月,德国《物理杂志》上发表了一篇划时代的论文--《论动体的电动力学》,从此狭义相对论创立了。
爱因斯坦发明的第一个高峰----1905
①1905年3月,爱因斯坦完成论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》(德国《物理年报》),把能量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说。认为:对于时间平均值,光表现为波动;而对于瞬时值,光则表现为粒子性。第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的统一。
            文章结尾,解释了光电效应,导出光电方程。10年后由密立根给予实验证实。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现” 而获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦发明的第二个高峰(1915----1917年):
1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。 1925年~1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。但在同一场理论方面,他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,因此同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路,直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。
七   意义
    爱因斯坦的狭义相对论和量子论一起,成为物理学革命的标志性成果。其意义正如他自己在1948年在《相对性:相对论的本质》中所指出的:“狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解,并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了牛顿所理解的那个即时的超距作用概念。它指出,在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时,运动定律必须加以修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清,特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律,并且指出了质量同能量的等效性。从形式的观点来看,狭义相对论的成就可以表征如下:它一般指出了普适常数c在自然规律中所起的作用,并且表明以时间作为一方,空间坐标作为另一方,两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系。”
〇  背景
一  广义相对论基本原理的提出
二  引力红移的预言
三  光线的引力偏折
四  时空“柔性”度规概念的建立
五  引力场方程的建立
六  广义相对论的检验
狭义相对论给出的结论是:对于一切惯性系自然规律是等效的,那么对于非惯性系是否也都具有等效性呢?
1. 马赫原理
       马赫在《发展中的力学》中对牛顿的水桶实验批判说:如果桶壁足够厚,其质量足够大时,水桶旋转时水面又如何呢?马赫认为“惯性来源于物体的一种相互作用”,这些对爱因斯坦都有很大启发。爱因斯坦对此评述道:“对牛顿水桶实验的那些看法,表明他的思想同普遍意义的相对性(加速度的相对性)要求是多么接近。”“表明马赫已清楚地看到了古典力学的薄弱方面,而且离提出广义相对论已经不远。”
3.等效原理的提出
      1907年爱因斯坦在《关于相对论原理和由此得出的结论》论文中提出了等效原理:“引力场同参照系的相当的加速度,在物理上是等价的。”
      文中描述了一个升降机理想实验:在一自由下落的升降机里,由于升降机和其中所有的仪器都以同一加速度下落,因而无法判断引力场的效应。在自由下落的升降机中,惯性力和引力彼此抵消。由此,在引力和惯性力局域等效的前提下,爱因斯坦考察了两个彼此做加速运动的参照系∑1和∑2, “我们考察两个参照系∑1和∑2。∑1在X轴方向上加速运动;加速度为a(不因时间而变),∑2静止,但它处在一个均匀的引力场中,这个引力场赋予一切物体在X轴方向上一个加速度a。”“就我们所知,无法把参照系∑1的物理定律同参照系∑2的物理定律区别开来。”据此他以假设的形式提出了等效原理。1912年正式称为“等效原理”并推广到非均匀加速运动中。
4.等效原理的局域性
   在1907年对等效原理的阐述中,爱因斯坦用一个匀加速参照系来代替一个均匀的引力场。但任何真实的引力场都是非均匀的。1913年爱因斯坦将等效原理进一步精确化,他在与同学M.格罗斯曼合写的论文《广义相对论和引力理论纲要》中,把等效原理阐述为“在物理学上,(在无限小的体积中均匀的)引力场完全可以代替加速运动的参照系。”从而明确了等效原理的局域性。
在1911年的论文中,爱因斯坦从等效原理出发,根据光的频率与引力势之间的关系,得出结论说,光在经过引力场时,光的传播方向将发生偏折,偏折的方向朝向引力势减小的一侧,即向天体的一侧偏折。偏折角的大小为:
1 平直空间的直接度规:
       狭义相对论解决了同时性的相对性、运动物体的长度收缩、时钟变慢等问题,但仍认为时空是均匀的和各向同性的。在同一参照系中有统一的时间、空间测量标准,即具有“刚性”的尺和“同步”的钟,长度、时间的测量仍与坐标差相对应。
       直接度规是指坐标差等于理想标尺或理想时钟所测得的直接量度结果。它们可表示为:
闵克夫斯基平直空间:1907—1908年闵克夫斯基对爱因斯坦的狭义相对论进行了四维格式化,即将时间坐标统一到四维空间中,这一空间被称为闵克夫斯基平直空间,在这一空间中,线元ds的平方表示为
1.水星近日点进动
       1859年天文学家勒维利埃(Le Verrier)发现水星近日点进动的观测值比牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。他猜想可能在水星以内还有一颗小行星。
       1882年,纽康姆(S.Bewcomb)经过重新计算,得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒。他解释说可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使水星的运动受阻。
爱因斯坦在1911年的论文中指出,光在经过引力场时,光的传播方向将发生偏折,并由此计算出“光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转”。1916年爱因斯坦又重新计算了太阳光线的偏折,计算得到的偏转角为1.75″。并预言可通过日全食时对太阳附近天空的恒星的观测加以验证。
广义相对论指出,在强引力场中时钟变慢。因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线,会向光谱的红端移动。日光谱线与地球上的光源对应的谱线相比较,移动的相对总量为:2×10-6。
4.雷达回波延迟
       光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看作是一种折射,相当于光速减慢。所以从空间某一点发出的信号,途径太阳附近到达地球的时间将有所延迟。
       1964年,夏皮罗(I.I.Shapiro)小组,先后对水星、金星和火星金星做了雷达实验,证明雷达回波确有延迟现象。
       近年来,有人用人造天体作为反射靶,实验结果与相对论理论值比较,误差大约1% 。
第九章 量子力学的建立
§1.紫外灾难和普朗克的量子假说
§2.爱因斯坦的光量子理论
§3.卢瑟福的原子核式结构
§4.玻尔的氢原子理论
§5. 电子自旋的提出
§6.量子理论的发展
§1.紫外灾难和普朗克的量子假说
二.普朗克的研究 1.普朗克       德国人,1874年考入慕尼黑大学数学系,因为爱好又转向物理,他的老师约里劝他不要选物理,但普朗克选了物理并于1879年获得博士学位。1880年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。1888年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。1894年当选为普鲁士皇家科学院院士, 1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。 同年被选为英国皇家学会会员,1930-1937年任威廉皇家协会会长。
普朗克的矛盾
       普朗克的能量子假说,对能量连续的观点形成了严重冲击,人们只承认普朗克公式,却不接受他的能量子假说。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此,他的心情非常矛盾,一方面直觉告诉他:这个发现不同寻常,另一方面他又总想回到经典理论的立场上去。他说:“在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事;这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论。”
      1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的,而吸收则完全是连续进行的。到了1914年,干脆取消了量子假说(ε→0),认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集:“为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中,我花了几年的时间(一直到1915年),它们耗费了我大量的精力。 …现在我懂得了一件事实,基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。”
  §2.爱因斯坦的光量子理论
1.光电效应的发现
       1887年赫兹发现了光电效应。当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时,意外发现:如果接收电磁波的电极受到紫外线照射,火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文《紫外线对放电的影响》。
2.爱因斯坦的光量子假说的提出
       1905年6月、1906年3月、11月,爱因斯坦连续发表了三篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》《论光的产生与吸收》《普朗克的辐射和比热理论》。提出光两字理论,并对光电效应进行了解释。
3.光电效应理论的验证
       美国实验物理学家密立根从1905年起,花了十年时间。
       爱因斯坦 “因对理论物理所做的贡献,特别是发现了光电效应定律” 获1921年诺贝尔物理学奖。
       密立根也因此获1923年诺贝尔物理学奖。
康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。
       1918年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)开始研究X射线的散射,1922年,他把X射线投射到石墨上,以观察被散射后的X射线,发现其中有两种不同的频率成分:一种频率与入射线相同,另一种频率则低于入射线。按照经典理论,散射过程不会改变入射线的频率。1923年康普顿利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式,对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律,圆满解释了实验结果。
        英国物理学家威尔逊(C.T.R.Wilson)用自己发明的“云室”发现了这些反冲电子。
        康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法”分享了1927年的诺贝尔物理学奖。
§3.卢瑟福的原子核式结构
1.卢瑟福行星模型提出的过程
2.卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾
§4.玻尔的氢原子理论
一.玻尔(N.D.Bohr,1885-1962)
二.玻尔的氢原子理论
2.斯塔克的启示:1913年2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)在《原子动力学原理》一书中的一段话:“一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造成的,是在这个电子从一个(几乎)完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的。”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起,这样,玻尔突然领悟到,他可以用这一理论解释巴尔末公式了。玻尔曾说过:“我一看到巴尔末公式,整个情形就一下子弄清楚了。”
1.匹克林谱线的观测:
       1896-1897年间,美国天文学家匹克林(E.C.Pickering)在船舻座ξ星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系,这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。
    玻尔指出,皮克林系的频率公式中不应包含有半整数,而应都取整数,只是其里德伯常数为氢的4倍,并认为这些谱线是电离了的氦原子发射的。
     1913年给卢瑟福去信,请求他要求光谱学家否勒(A.Fowler)检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法,卢瑟福就请伊万斯作这一实验,伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气,得到了匹克林谱线。
    否勒又提出,就这些谱线而言,其里德伯常数并不精确等于氢的4倍。玻尔回答说,这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动。
四.玻尔理论的历史地位和缺陷 1.玻尔理论的历史地位     解决了原子的稳定性问题,揭示了光谱规律与原子结构的本质联系,波尔理论标志着量子论的最后形成。 2.波尔理论存在的缺陷: ①它只能解释氢光谱和类氢光谱,对于稍复杂一些的原子   光谱,如氢光谱的精细结构,无法解释; ②不能计算谱线强度; ③玻尔理论是经典与量子理论的混合物,存在着内在的不   协调,内在的矛盾。
2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现。
3.夫兰克-赫兹实验:J.夫兰克和G.赫兹通过碰撞测出原子的“电离能”,玻尔指出这是原子的“激发能”,由此可以肯定地证明原子定态的存在。 从而验证了玻尔理论的正确性。
1.塞曼效应和反常塞曼效应
       1896年,荷兰物理学家塞曼按照他的老师洛伦兹的建议,研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都会发生分裂,当磁场方向和光路垂直时分裂为三条,一致时分裂为两条-----称为塞曼效应。
2.电子自旋概念的提出
       ①克罗尼格(R.L.Kronig,美国):首先提出电子自旋假设,并进行了初步计算,结果和用相对论推出的结论完全相符。于是去找泡利讨论,但却遭到了泡利的反对。因为泡利早就考虑过这一模型,但由于电子的表面速度有可能超过光速,违背了相对论。于是克罗尼格就放弃了这一研究和想法。
    ②乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)和古兹密特(S.A.Goudsmit):半年以后,在不了解克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。在导师埃伦费斯特的支持下,写了一篇只有一页的短文,并由埃伦费斯特推荐给《自然》杂志。后来他们又去找洛伦兹请教。结果洛伦兹经思考后再见他们时,却给了他们一叠稿纸,并告诉他们,如果电子绕自身轴旋转,其表面速度将达到光速的十倍。但因为论文已寄走,并可能要发表了。乌伦贝壳和古兹密特感到十分懊丧。
    ③海森堡慧眼识珠:海森堡看到乌伦贝壳和古兹密特的论文后,立刻去信表示赞许,并认为可利用自旋-轨道耦合作用,解决泡利理论中所谓“二重线”的问题。
§6.量子理论的发展
量子力学的发展线索与代表人物
2.思维过程:
   德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲《电子的波动性》中说:   人们无法理解,为什么对于光来说,需要两种相互矛盾的学说,即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运动,而按经典概念它应当有无穷多的运动。……
    当我开始思考这些困难时,主要有两个问题吸引着我。第一个问题是,不能认为光量子理论是令人满意的,因为它是用ω=hν这个关系式来确定光微粒的能量,其中包含着频率ν。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说,单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一个问题是,确定原子中电子的稳定运动涉及到整数,而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到,不能用简单的微粒来描述电子本身,而应当赋予它们以周期的概念。
    于是我得出指导我进行研究的全部概念,对于物质和辐射,尤其是光,需要同时引进微粒概念和波动概念。
3.物质波假设的提出
    1924年,德布罗意在博士论文中提出物质波概念。
    德布罗意在论文中提出如下预言:“从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象,这或许就是人们能借以寻找关于我们的想法的实验证据的方向。”
①他曾向道维耶先生提过建议,请他用电子进行实验以获得衍射和干涉现象,但道维耶正忙于其他工作,没有按照他的建议去做;
②德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐,不知该如何评价他论文,于是将论文的副本寄给了爱因斯坦,爱因斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性,并称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。
4.德布罗意波的实验验证
       X 射线照在晶体上可以产生衍射,如果物质波理论正确,那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。
2.与爱因斯坦的讨论
    1925年前后,爱因斯坦正在研究气体理论,发表了《单原子理想气体的量子理论Ⅰ和Ⅱ》。薛定谔当时也在研究气体理论,他对爱因斯坦的论文很不理解,认为有错,于1925年2月5日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔细研究德布罗意的博士论文,这促使了薛定谔对德布罗意物质波思想的极大关注,并迅速掌握了德布罗意的新思想。到薛定谔发表波动力学之前,薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信。
1.海森堡的贡献
       德国物理学家,1920年进入慕尼黑大学物理系,师从索末菲攻读理论物理学。
1923年考取博士,先后跟随玻恩和玻尔学习,并在他们的指导下,研究量子伦。海森堡曾经说过:“在索莫菲那里学了物理,玻恩那里学了数学,玻尔那里学了哲学。”
       海森堡1925年7月创建矩阵力学,1927年提出测不准关系,同年任莱比锡大学理论物理学教授,1941年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获1932年诺贝尔物理学奖,1976年在慕尼黑的家中去世。
1925年7月,海森堡写了《关于运动学和力学关系的量子论新释》,在文中,他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标的方法,得出量子论的x表达式:
1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所)。并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献,代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。1927年后,逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的“正统”解释。
以爱因斯坦为首的另一部分物理学家,如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面:
①序幕:1926年9月,薛定谔应玻尔的邀请,到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即以传统的连续性观念,代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来,立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。
4.争论的高潮
         在1930年10月召开的第六届索尔维会议上,爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是“物质的磁性”,不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验,试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。
玻尔指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时,箱子必将沿重力方向发生运动。箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变,从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论:用这种仪器作为精确测定光子能量的工具,将不能控制光子逸出的时间。
    爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验,不但没有难倒玻尔,反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。
6.意义
   爱因斯坦和玻尔的争论,使量子力学的意义不断得到澄清,一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是:科学规律本质上是因果性的,还是概率性的?
        量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态,是由于测量所造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。
        微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。
玻尔:谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家。
第十章 原子核及粒子物理学的兴起
九  基本粒子的分类
    现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来分。粒子共参与四种相互作用:强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。
①轻子:主要参与弱作用,带电的轻子也参与电磁作用,自旋都是1/2,所以是费米子;轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。电子等6种是轻子,加上它们的反粒子,轻子共12种。
②强子:直接参与强相互作用的粒子统称为强子,强子也参与弱作用,带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重子两类:自旋为整数或零的称为介子,如π、K、Η等;自旋为半整数的称为重子,如p、n、Σ、Λ、Ξ等;
③规范玻色子:是传递各种相互作用的中介者,它们是传递电磁作用的光子;传递弱作用的W±、Z0,传递强作用的胶子。胶子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。
十  强子结构
    1964年盖尔曼提出强子结构的“夸克”模型:他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子,所有强子都是由三种夸克(上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s) )和它们的反粒子组成。
夸克性质:①夸克必须是费米子。
          ②夸克具有分数电荷。
          ③夸克带有色荷:红色(R)、黄色(Y)、绿色(G)。
           这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度。
标准模型:
    中子由2个下夸克和1个上夸克构成,写作(udd);质子则由2上夸克和1下夸克构成,记为(uud)。在强子内部,夸克通过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷,彼此有相互作用,可以形成胶子-胶子束缚态(即胶球)。
夸克囚禁
        核子在原子核内是通过核力约束的,而核力对核子的约束是有限的,在外界作用下,如放射性元素,核子脱离原子核并不是非常困难。
        夸克在强子内的约束力是“色力”,但色力却使夸克不可跨越。从实验情况看,人们从未发现单个自由的夸克,只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态。通常情况下,夸克总是被约束在质子和中子内部。夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的。这种现象称作“夸克囚禁”。
        但粒子加速器上的实验,却显示质子中的夸克粒子间,好像并没有相互作用力。
 “弦”模型:
        1968年,意大利的维尼基亚诺(Vineziano)找到了一个与量子场论无关的函数。用这个函数描述粒子的性质,粒子将等效成一根一维弦。
“渐近自由”理论:
        1973年,正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克和其导师格罗斯共同发表了一篇论文,提出强作用理论中的“渐近自由”理论。同年,正在哈佛大学攻读博士学位的波利策也独立发表的一篇论文,提出了同样的理论。
       “渐近自由”理论,用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论认为,强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大,因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起,因此不可能找到单个的夸克。同样根据“渐近自由”理论,强作用力会随夸克间距离变小而减弱,这就意味着约束在质子等内部的夸克,在彼此距离足够小时,将近乎自由地进行运动。
       这个发现导致了“量子色动力学”(QCD)的诞生,这是一个关于强相互作用的理论。
美国加州理工学院的许瓦兹(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。从1979年起,共同致力于弦理论研究。在这个“弦”模型中,介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的两端。重子中的三个夸克则由三个“弦”连系着。这样,夸克间的距离越远,弦的张力就越大,即色力随着距离的增大而增大,因此夸克不可能挣脱“弦”的作用而变为“自由夸克”。夸克只能在“弦”的控制下,在距离较近时,获得“渐进自由”。
        弦有开弦和闭弦两种,弦的线度为普朗克长度。单弦的每一振动模式,都对应一种粒子,粒子间的基本相互作用就是弦的分裂和接合。

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