第5章--物理学革命及其影响

第5章物理学革命及其影响19世纪未,经典科学取得了前所未有的进步和成功。在物理学领域，牛顿的力学体系一度被看作是对科学根本问题的最终解答。然而物理学晴朗天空出现了“两朵乌云(以太；黑辐射)”。而相对论和量子力学就是这场物理学革命最主要的成果，它们构成现代物理学的两大理论支持。5.1相对论相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。5.1.1狭义相对论产生的历史背景在一系列有关“以太漂移”的实验中，最具判决意义的是1876一1887年间迈克耳孙和莫雷合作进行的精度较高的实验，但实验结果却明白无误地表明光速是一个完全不变的量，即人们预期的“以太风”并不存在。这就如同宣告，经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的！绝对的参考系不存在!同样不存在绝对的静止空间和同一的时间.传统物理学遭到严峻的挑战，翻天覆地的时代产生了英雄和巨人—爱因斯坦。5.1.2狭义相对论的创立(一)狭义相对论的基本原理经过多年的思考，同时考虑到既然光速不变一再被各种实验所确证，爱因斯坦认为，我们应该毫无保留地接受这样的事实，并且应将其提升为公理，从而得到了狭义相对论的一条基本原理——光速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的。这就意味着必须对经典物理学的理论进行修改。推广为狭义相对论的另一条基本原理——狭义相对性原理：一切彼此作匀速直线运动的参考系，对于描述运动的一切规律来说都等价的。它表明，绝对静止的参考系是不存在的，没有一种在一个系统中所做的实验能够确定这一系统的“绝对”运动，这些实验对于运动的描写只有相对意义。两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。过去人们认为，所谓的“同时性”具有绝对的意义（举例）。爱因斯坦对同时性问题的研究是通过一个思想实验——爱因斯坦列车实验完成的。可见，“同时”是相对的而不是绝对的（二）狭义相对论的的主要结论及其意义1物体在运动方向上的收缩（公式说明）2运动时钟的延缓3四维时空4速度变换公式5物体的质量随其运动速度增加而增加质能关系式:E=mc25.1.3广义相对论的建立描述运动只能用惯性系而不能用非惯性系。那么、既然运动不仅用速度，而且用加速度来描写，为什么速度是相对的而加速度是绝对的呢?这样的不一致引起了爱因斯坦的深思。正是从这样的逻辑要求出发，爱因斯坦开始了创立广义相对论的工作。爱因斯坦认为运动的相对性原理必须进一步推广，即自然定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一思想被爱因斯坦提升为广义相对论的一条基本原理——广义协变原理。然而完成从惯性系向非惯性系的过度，还需要另一条基本原理即等效原理的保证。经过思索，爱因斯坦认识到，惯性质量同引力质量相等，这意味着引力场加给物体的加速度与物体的本性无关.因为引力场中的牛顿方程为：惯性质量×加速度=引力强度×引力质量由此方程可知，只有当惯性质量同引力质量相等时，加速度才同物质的本性无关，而在引力场中的同一地点，一切物体的加速度都是相同的，它同物体的本性无关。由此人们才能得出等效原理。相对论的建立,深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对的时空观，并为辨证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。爱因斯坦成为最伟大的科学巨人。5.2量子力学量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论。5.2.1量子力学产生的历史背景19世纪末飘荡在物理学晴朗天空中的另一朵乌云即是所谓的“紫外灾难”，量子力学的产生与这一问题的研究是分不开的。5.2.2量子力学的理立(一)量子假说的提出德国物理学家普朗克于1900年12月4日提出了“能量子”假说说明振子吸收和辐射能量的过程不是连续的,而是以能量子的整数倍一份份跳远的方式进行的。(二)光的波粒二象性的发现有时表现出粒子性，有时表现出波动性(三)关于原子结构问题的探索电子绕原子核作旋转运动.(四)物质波概念的提出(实物粒子的波称为物质波)(五)量子力学的建立量子力学的建立，是20世纪物理学革命的重要内容。在科学上，它不仅使人们对微观世界的认识前进了一大步，极大地改变了人们旧的科学观念，成为现代物理学的理论支柱之一。5.3现代化学理论的发展5.3.1元素周期理论的新发展化学研究的一个重要内容．就是对化学元素的发现及其关系的探讨。元素周期律总结概括了元素的性质依其原子量的变化而表现出周期性变化的规律，进而也为人们利用这种规律去研究元素的性质提供了依据。依据电子在原子核外排布规律，人们揭示出元素周期律的深层本质。5.3.2现代化学键理论分子中的原子之间存在着强烈的化学结合力，称为化学键,化学键有三种基本类型:离子键、共价键和金属键。思考题1、相对论产生的历史背景与主要原理。2、量子假设的主要内容是什么？