第三章E 从牛顿到爱因斯坦

第三章E从牛顿到爱因斯坦上海市向明中学严城2005国际物理年1905年，爱因斯坦先后发表了5篇具有划时代意义的论文，为相对论、量子论等物理学领域奠定了基础，为纪念这一奇迹年100周年，全球物理学界一致呼吁将2005年定为“国际物理年”。2005国际物理年该倡议首先由欧洲物理学会（EPS）在2000年“第三届世界物理学会年会”上提出；2002年，得到国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）第24次全体大会的一致通过；在2003年召开的联合国教科文组织（UNESCO）全体会议第32次会议上，表决通过了支持2005年为国际物理年的决议；2004年6月10日，联合国大会召开第58次会议，会议鼓掌通过了2005年为“国际物理年”的决议。AlbertEinstein(1879–1955)爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14日生于德国的乌尔姆，1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。爱因斯坦1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后即失业。在朋友的帮助下，才在瑞士联邦专利局找到工作。1905年获苏黎世大学博士学位。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授，1911年任布拉格大学教授，两年后任德国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国，1933年10月定居美国。爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。并于1921年获诺贝尔物理学奖。因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这颗蓝色的地球就比宇宙的其他部分有特色、有智慧、有人的道德。——李政道爱因斯坦照片爱因斯坦的幸运年对于爱因斯坦来说，1905年是不寻常的一年；而对于科学的历史与未来而言，1905年也是不可思议的年份。从6月到12月，在这短短6个月间，26岁的爱因斯坦以五篇论文改变了人们对自然的理解，也一举奠定了其作为20世纪最伟大科学家的地位。爱因斯坦的5篇论文1.《关于光的产生和转化的一个启发性观点》：讨论光量子以及光电效应。（6月）2.《分子大小的新测定》：推导出计算扩散速度的数学公式。3.《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》：提供了原子确实存在的证明。（7月）4.《论动体的电动力学》：提出时空关系新理论，被称为“狭义相对论”。（9月）5.《物体的惯性是否决定其内能》：建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最著名的科学方程：E=mc2。（11月）19世纪末的物理学状况物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。力学–一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。19世纪末的物理学状况光学–波动说替代微粒说热学–热质说被推翻–气体定律被建立–热力学定律被建立–能量守恒定律19世纪末的物理学状况电磁学——19世纪被称为电的世纪–1799年伏打发明电池–1819年奥斯特发现电流能够产生磁场（标志着电磁学的开端）–1826年欧姆定律被建立–1831年法拉第发现电磁感应定律–1873年麦克斯韦发表著作《论电和磁》，建立了电动力学19世纪末的物理学状况以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦在19世纪已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”——G·R·基尔霍夫“物理学的晴空上出现了两朵乌云”19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W．汤姆生（即开尔文勋爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。“物理学的晴空上出现了两朵乌云”同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的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。”第一朵乌云——迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质—“以太”。但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（A．A．Michalson，1852－1931）与美国化学家、物理学家莫雷（E．W．Morley,1838－1923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。19世纪末，卢梅尔（Lummer1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。爱因斯坦的假设1.相对性原理所有惯性系都是平权的，在它们之中所有的物理规律都一样。2.光速不变原理在所有的惯性系中测量到的真空光速c都是一样的。同时性的相对性同一对事件，在某个惯性参考系里看是同时的，是否在其他惯性参考系里看也是同时？长度的相对性同一物体的长度，在不同的参考系内测量，会得到不同的结果。钟慢效应在一个运动的参照系中的钟比静止的钟走得慢。221tvc尺缩效应（洛仑兹收缩）物体沿运动方向的长度比其固有长度短。2021vLLc质量与速度的关系0221mmvc作业练习部分:第90页7---10题