物理学史世纪之交相对论
第六讲 20世纪的物理学：相对论的建立
1902年前后爱因斯坦和几位好友组建了一
个俱乐部—讨论物理学、哲学和文学。
1905：爱因斯坦的奇迹年
1905年，爱因斯坦一连发表了五篇重要论文，分别在辐射
理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不
同的领域提出了新的见解。
1905：爱因斯坦的奇迹年
论文1：论分子大小的新测定（苏黎世大学哲学博士论文，1905年4 月30日，伯尔尼） 论文2：热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动 (Annalen der Physik 17[1905]:549-560) 论文3：论动体的电动力学(Annalen der Physik 17[1905]:891-921)—
狭义相对论是爱因斯坦伟大的一生中取得的第一项重大成果，是他
在前人的基础上经过长期的酝酿和探索才取得的。可是为什么是爱
因斯坦而不是别人创建了狭义相对论？ 爱因斯坦受到过哪些启发，抓住了什么关键，找到了什么突破口，
才取得如此重大的成果的呢？
狭义相对论的创建过程
追光少年 早在16岁(1895年)时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：‚如果我 以速度c(真空中的光速)追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好
他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体 的参照系。 当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算， 发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概 念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。
狭义相对论的创建过程
‚为什么这两个观念会相互矛盾呢？我感到这一难题相当不好解决。我
“以太漂移”的探索
麦克斯韦：地球就像一 艘没有摩擦力的船穿过 海水一样穿过‚以太‛
论述19世纪末物理学三大发现对物理学发展的意义
论述19世纪末物理学三大发现对物理学发展的意义----6c445423-7164-11ec-be0b-7cb59b590d7d叙述十九世纪末物理学三大发现的时间、人物和历史意义。
学院：专业：学号：姓名：日期：19世纪末，物理学上出现了三大发现，即x射线、放射性和电子。
这些新发现猛烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念，从而打开了原子和原子核内部结构的大门，揭露了微观世界中更深层次的奥秘。
1895年11月8日至12月28日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了具有惊人穿透能力的X射线。
19世纪末，阴极射线是物理学中的一个研究课题，许多物理实验室在这一领域进行了研究。
1984年11月8日，伦琴将阴极射线管放入一个黑色纸袋中，并关闭了实验室光源。
他发现，当放电线圈的电源打开时，涂有氰铂酸钡的荧光屏发出荧光。
在放电管和荧光屏之间插入一本厚书、2-3厘米的木头或几厘米的硬橡胶，你仍然可以看到荧光。
他还用水、二硫化碳或其他液体进行了实验。
实验结果表明，它们也是“透明的”。
铜、银、金、铂和铝等金属也可以让这种射线通过，只要它们不太厚。
伦琴意识到这可能是一种从未被观察到的特殊射线，它具有特别强的穿透力。
他把自己关在实验室里好几天，把全部精力集中在彻底的研究上。
六周后，伦琴证实这确实是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他的妻子拍下了第一张X光照片。
天然放射性的发现与x射线的发现直接相关。
1895年末，伦琴发现x射线后，把他的论文的预印本和一些x射线照片分别寄给了欧洲各国著名的物理学家，其中包括法国科学家庞加莱。
在1896年1月20日的法国科学院每周例会上，庞加莱展示了伦琴的论文和照这部电影立刻引起了贝克勒尔的极大兴趣。
贝克勒尔知道X射线是从管面对阴极的区域发射的，也就是玻璃管壁发射荧光的区域，他推测X射线和荧光之间可能有某种联系，能够发射荧光的物质也可能同时发射X射线。
1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中首次发现了铀核的天然放射性。
世纪之交的物理学革命
自然科学刚跨入20世纪，物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。
19世纪末，物理学实验上的一系列重大发现，冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念，使原有的经典理论显得无能为力。
这一冲击，对当时的物理学家们的影响是很大的。
因为19世纪40年代以后，由伽利略和牛顿奠定基础的古典物理学理论，由于海王星和能量守恒原理的发现，法拉第、麦克斯韦电磁理论的辉煌成就以及分子运动论的建立，在科学的各个领域中所向披靡，包罗了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界，从而使当时不少物理学家认为物理理论已接近最后完成，今后只需在细节上作些补充和发展，在小数点第六位上做文章。
著名的德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）说：“物理学将无所作为了，至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。
”世界著名物理学家开尔文（1824—1907）也认为：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。
”但是，他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这就是迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。
它们的存在引起许多著名的物理学家的不安。
世纪之交的新挑战19世纪80年代以后，物理学的经典理论不断完善，与此同时，物理学实验上却陆续发现一些重大的结果。
至少有7个重大发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。
第一个实验是1887年赫兹（1857—1894）在验证麦克斯韦（1831—1879）预言电磁波存在的实验过程中，发现了光电效应。
按照经典理论，从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关，而与光的频率无关。
这一矛盾，赫兹无法解释，但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文，描述了这一现象和结果，向物理学经典理论发起了挑战。
第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。
这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望，连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。
物理学史
物理学史一、力学1.1638年，意大利物理学家伽利略在《两种新科学的对话》中用科学推理论证重物体和轻物体下落一样快。
并在比萨斜塔做了两个不同质量的小球下落的实验，证明了他的观点是正确的，推翻了古希腊学者亚里士多德的观点(即：质量大的小球下落快是错误的)。
2.1654年，德国的马德堡市做了一个轰动一时的实验——马德堡半球实验。
3.1687年，英国科学家牛顿在《自然哲学的数学原理》著作中提出了三条运动定律(即牛顿三大运动定律)。
4.17世纪，伽利略通过构思的理想实验指出：在水平面上运动的物体若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去。
得出结论：力是改变物体运动的原因，推翻了亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因。
同时代的法国物理学家笛卡儿进一步指出：如果没有其它原因，运动物体将继续以同速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。
5.英国物理学家胡克对物理学的贡献：胡克定律。
经典题目：胡克认为只有在一定的条件下，弹簧的弹力才与弹簧的形变量成正比(对)6.1638年，伽利略在《两种新科学的对话》一书中，运用观察——假设——数学推理的方法，详细研究了抛体运动。
7.人们根据日常的观察和经验，提出“地心说”，古希腊科学家托勒密是代表。
而波兰天文学家哥白尼提出了“日心说”，大胆反驳地心说。
8.17世纪，德国天文学家开普勒提出开普勒三大定律。
9.牛顿于1687年正式发表万有引力定律。
1798年英国物理学家卡文迪许利用扭秤实验装置比较准确地测出了引力常量。
10.1846年，英国剑桥大学学生亚当斯和法国天文学家勒维烈(勒维耶)应用万有引力定律，计算并观测到海王星。
1930年，美国天文学家汤苞用同样的计算方法发现冥王星。
11.我国宋朝发明的火箭是现代火箭的鼻祖，与现代火箭原理相同。
但现代火箭结构复杂，其所能达到的最大速度主要取决于喷气速度和质量比(火箭开始飞行的质量与燃料燃尽时的质量比)。
俄国科学家齐奥尔科夫斯基被称为近代火箭之父，他首先提出了多级火箭和惯性导航的概念。
高中历史必修3第11课《物理学的重大进展》练习题与答案
高中历史必修3第11课〔物理学的重大进展〕练习题与答案高考资料〔重点讲解〕经典力学体系的建立、特点和历史地位经典力学是物理学中开展较早的一个分支。
古希腊著名的哲学家亚里士多德曾对“力和运动〞提出过许多观点，他的著作一度被当作古代世界学术的百科全书，在西方有着极大的影响，以致他的很多错误观点在长达2022年的岁月中被大多数人所接受。
16世纪以后，人们开始通过科学实验，对力学现象进行X的研究。
许多物理学家、天文学家如哥白尼、布鲁诺、伽利略、开普勒等，做了很多艰巨的工作，力学逐渐摆脱传统观念的束缚，有了很大的进展。
英国科学家牛顿在前人研究和实践的根底上，经过长期的实验观测、数学计算和深刻思考，提出了力学三大定律和万有引力定律，把天体力学和地球上物体的力学统一起来，建立了系统的经典力学理论。
产生的原因是受到文艺复兴运动的影响，科学逐渐从神学的桎梏中解放出来，进入到实验科学的时代。
以伽利略为代表的科学家奠定了经典力学的理论根底。
17世纪英国资本主义经济的迅速开展。
工场手工业时期经济上的需要。
经典力学的重要奠基者──伽利略的主要奉献是觉察落体定律，为经典力学的建立奠定了根底。
制造天文望远镜觉察许多星体，证明了哥白尼“日心说〞的正确性。
开创了以实验事实为依据并具有严密逻辑体系的近代科学，标志着物理学的真正开端，被誉为“近代科学之父〞。
经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律〔惯性定律、加速度的比例定律、作用力和反作用力定律〕。
〔自然哲学的数学原理〕一书的出版标志着经典力学的成熟。
其显著特征之一是注重实验，之二是它的数学化。
经典力学的建立，凝聚着许多科学家的心血，牛顿〔微积分的创立者之一〕则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。
牛顿力学是经典物理学和天文学的根底，也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论根底。
牛顿力学的创立标志着人类科学时代的开始。
牛顿力学和热学的应用，引发了以英国工业革命为起点的第—次技术革命，使人类社会进入蒸汽时代。
物理学的伟大发现相对论与量子力学的革命
物理学的伟大发现相对论与量子力学的革命物理学的伟大发现：相对论与量子力学的革命物理学是研究自然界基本规律和物质本质的科学。
在物理学的发展历程中，有两个伟大的理论意义重大，并对世界观产生了巨大影响，分别是相对论和量子力学。
本文将对这两个理论进行探讨。
一、相对论的革命性突破相对论是由物理学家爱因斯坦提出的，分为狭义相对论和广义相对论两个阶段。
狭义相对论是在1905年提出的，主要探讨了高速运动物体的行为规律。
它颠覆了牛顿力学中的时间、空间观念，指出时间和空间是相对的，与观察者的状态相关。
狭义相对论推翻了牛顿力学中的绝对时空观念，提出了事件同时性的相对性。
它揭示了关于时间和空间的奇妙规律，如时间膨胀和长度收缩。
爱因斯坦通过理论计算和实验证实了相对论的正确性，为物理学建立了全新的基础。
广义相对论是爱因斯坦于1915年提出的，它进一步推动了相对论的发展。
广义相对论阐述了物体通过引力场相互作用的规律，解释了引力的本质和星体运动的规律。
它通过引力弯曲时空的概念，预测了黑洞和宇宙膨胀等现象，对宇宙学作出了巨大贡献。
相对论的革命性突破不仅在于对牛顿力学的否定，更在于对整个物理学框架的改变。
它从根本上颠覆了人们对时间、空间和引力的认知，影响了各个学科领域的发展。
二、量子力学的突破与挑战相对论的提出在物理学历史上是一次革命，而随后的量子力学的发展也对物理学产生了深远的影响。
量子力学是上世纪20年代诞生的，它主要研究微观领域的物质和辐射现象。
量子力学从能量的离散性和波粒二象性入手，提出了著名的不确定性原理和波函数的概念。
量子力学通过波函数描述微观粒子的状态，建立了统计学的物理学基础，推动了原子和分子物理学的发展。
量子力学的发展给物理学带来了挑战，突出的问题是如何解释微观粒子的运动和测量结果的不确定性。
波粒二象性的存在使科学家们对微观世界的本质有了全新的认识，微观粒子的行为不再符合常识，它们既具有粒子的特性又具有波动的特性。
物理学史19世纪与20世纪之交的三大发现
密立根
测定电荷量的密立根油滴实验得出： 电荷量总是元电荷的整数倍 （基本电荷e=1.6021892×10^-19库仑 ）
约瑟夫约翰汤拇逊jj汤姆逊早期科学家普遍认为阴极射线放出的是一种辐射的式而thomson从阴极射线实验发现会因电场而偏折所以推论他是一种带电荷的粒子而不是辐射并计算出其质量约为氢原子的11800倍
X射线的发现
伦琴 （全名威廉· 康拉德· 伦琴）（1845~1923） 德国实验物理学家
1869年从苏黎世大学获得哲学博士学位，并担任了物理学教授孔脱的助手。 1871年随孔脱到德国维尔茨堡大学 。 1895年伦琴在维尔茨堡大学发现了X射线。
1900年，多恩发现新惰性气体氡；克鲁克斯发现铀X。 1901年，德马凯发现鑀(后证实是同位素钍230)。 1902年，卢瑟福和索迪发现新放射性元素钍。
英国物理学家卢瑟福在1899年就发现，放射性物质放出 的射线不是单一的，而可以分出带正电荷的 α（氦核）射线和带负电荷的β（电子）射线， 前者穿透性较弱，后者穿透性较强。 后来又分出一种穿透性很强的不带电荷的γ（中子）射线。 如果让射线通过磁场或电场，那么这三种射线就分得一清二楚了： 偏转角度很大的是β射线；偏向另一方、偏转角度较小的是α射线； 不发生偏转的是γ射线。 1900年，多恩在镭制剂中发现惰性气体氡， 这是一件非同寻常的事。根据这一事实， 卢瑟福和索迪于1902年提出了一个大胆的假说。 他们认为，放射性现象是一种元素的原子自发地 转变为另一种元素的原子的结果，这个假说很快 就得到了证实。1903年，索迪等做了一个实验： 将氡焊封在细颈玻璃管内，然后用光谱法测量。 他们观测到管内的氡不断消失，而氦则逐渐增加。 原子衰变理论就这样建立起来了， 它动摇了多少世纪以来作为经典化学基石的 “原子不可分、化学元素不可变”的观念。
第二讲系统自然观
（“世界的物质统一性”）
（“自然界物质形态的统一性”——各种 特殊的物质形态之间有密切的相互联系和其 他方面的共同点） 宇宙物质化学上的同一性 场与实物 能量守恒与转化原理；“质量亏损
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自然界物质的系统性
从该片讲 起
（系统是自然界物质的普遍存在方式和物
质之间普遍联系的基本方式）
物质系统
物质系统的基本特征
物质系统层次的有限性：对于每一个具体 层次的物质系统来说，其在质量范围、空间尺 度、结构和功能等方面都是有限的； 物质系统层次的无限性：对于整个自然界 来说，对自然界物质系统的层次的认识是不可 穷尽的。任何一个具体的物质系统层次，都只 不过是无限的自然界物质系统层次系列上的一 个“关节点”。
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辩证唯物主义自然观的发展
——系统自然观
1
系统自然观的基本思想 自然界的系统存在图景 自然界的演化图景
2
系统自然观产生的现代自然科学前提
（现代科技对辩证唯物主义自然观的丰富与发展）
世纪之交的物理学革命 相对论 量子力学 分子生物学
系统论
非线性自组织理论 混沌理论
辨析:自然界物质系统演化的周期性表明了事
物发展的有限性。
答：错
周期性是指事物沿时间轴变化经过一段时
间后，又向其原来的出发点复归的一种运动、
发展的属性。其本质是一种螺旋式上升的确发
展的无限过程。周而复始的运动本身就从无限
循环方面显示了事物发展的无限性。
39
3、层次结构的因果链
上向因果链：低层次物质系统作为原因，可以
42
非线性自组织理论
耗散结构理论（普利高津，《结构、耗
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构提供了重要的途径，研究晶体结构的 有力工具，展示了物理学倘有极待探索 的未知领域,给物理学的发展打开了新的 局面。
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2放射性的发现
• 1、贝克勒尔的发现（1852—1909法国）
• 公路桥梁学校学习、工程师、从事光学方 面的工作，祖、父辈从事荧光研究。
• 荧光物质发荧光发出X射线？
• 1896年2月：
• 阳光下：底片感光
• 抽屉里：底片感光
铀盐
• “这种射线不依赖于
底片
• 任何激发方式……”
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2放射性的发现
2、居里夫妇的功绩 玛丽亚—斯可罗多夫斯卡 （1867—1934波兰） 1891年到巴黎攻读物理 1892年获硕士学位 皮埃尔—居里（1855-1906） 巴黎大学教授、发现压电效应、 磁学的居里点、著名的物理学 家 （1）证明了贝克勒尔关于铀 盐的幅射强度与化合物中铀的 含量成正比
普朗克的老师约利给普朗克的信：
理论物理学实际上已经完成了，所 有的微分方程都已经解出来了，青年 人不应该毁掉自已的一生，不值得选 择一种将来不会有任何发展前景的事 去做。
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
一，伦琴实验（1845—1923德 国）
维尔茨大学校长、物理所所长
苏黎士大学 数学、机械学
阴极
阳极 1m
屏幕
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
• 1895年12月28日向维尔茨 堡物理学医学学会递交论文： “论一种新的射线”
• 实验的装置、实验的方法， 并初步说明了X射线的性质
• 引起了人们的极大的兴趣 • 论文五次再版，译成英、法、 • 意、德、俄等国文字。 • 夫人的手骨像参展、见报 • 1月13日：因表演X射线效应
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2放射性的发现
（2）证实钍也具有放射性
• 1898年4月在一篇给理科 博士学院的报告中：在铀 沥青矿中，有一种新的物 质，且有很强的放射 性……
（3）1898年7月，宣布发 现“钋”放射性物质
• 1898年12月，宣布发现 “镭”放射性物质，且射 线强度比铀强200多万倍。
版权所有, 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.
第六讲：19与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
经典物理学经过约三百多年的发展，19 世纪未已建立完整的理论：
牛顿力学三定律 、万有引力定律 麦克斯韦方程 热力学三定律、分子运动论、统计物理学 物理学的骨架已经完成
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2放射性的发现
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2放射性的发现
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§ห้องสมุดไป่ตู้.3 电子的发现
一、电子学说的发展 夫兰克林：电是一种“电的流体”“电火” 1759年：“两流体学说” 二、J、J汤姆孙（1856-1940美国） 卡文迪许实验室第三任主任 曾任：英皇家学会会长、剑桥大学三一学院院长 1906年获诺贝尔物理学奖 在科研、教育的组织形式、研究方法和民主学 风上采取了一系列新的重大措施
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.3 电子的发现
方法一：
设m 为粒子的质量，粒子的带电量为e；N 为一定时间内通过某截面的粒子数，则
总电量：Q=Ne （通过静电计测出）
射线照射固体升温动能为W，设粒子的速 度为V
被授予二等普鲁士王冠勋章。
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
• 1896年3月伦琴第二 篇：
• “一种新的射线”继篇 • 1897年3月第三篇： • “关于X射线性质的
进一步观察”
• 1901年12月3日获第 一个诺贝尔物理奖
• X射线发现的意义：
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.2 放射线的发现
（4）居里夫妇经过四年艰苦卓绝的工作，从8 吨铀沥青矿渣提取了0.1g的纯镭 （5）提出放射性现象的实质假设： 辐射过程是一种物质的发射过程，它伴随着放 射性物质重量的减少，同时也是一个能量递减 的过程，这个过程可能和元素的演化有联系。 1903年贝克勒尔、居里夫妇共获诺贝尔物理 奖 1911年居里夫人获诺贝尔化学奖 献身科学- - - - -
第六讲：19与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
威廉.汤姆逊（英国著名物理学家w Thomson）
1855年威廉.汤姆逊发表了海底电缆信号衰 减理论。并在实践中解决了这个难题，英国政 府因而于1866年封他为爵士，1907年又加封 他为开耳文勋爵。
第6讲：19与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
起先：研究晶体的热传导、 压电特性和光化学特性
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
• 1876年哥尔德施太因（1850—1930德国）实验 中发现“阴极射线”
阴极
阳极
• 从阴极发出粒子飞向阳极，会发出荧光。
• 阴极射线是什么？当时的研究热点。
• 伦琴1895年11月8日：
• 黑纸包放电管--------1米远屏幕有绿光---新的射线？
第六讲：19与20世纪之交物理学的发展/§6.1 X射线的发现
1899年新年的除夕之夜，欧洲著名 科学家新年聚会，大会主席开耳芬新 年贺词：
19世纪已将物理大厦全部建成，今 后物理学家的任务只是修饰和完善这 座大厦，- - - - -当然，物理学晴朗的 天空还存在两朵小小的乌云，一朵是 热幅射中所谓“紫外灾难”，另一朵 是迈克尔逊莫雷实验的以太零结果。
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.3 电子的发现
19世纪与20世纪之交物理学的发展/§6.3 电子的发现
三、汤姆孙的阴极射线实验
1886—1930—近50年从事放电实验 1897年4月30日向英皇家学会报告：“阴极 射线” 1、实验证明阴极射线是从阴极发出的； 2、射线在静电场中偏转，偏转的方向表明， 形成阴极射线的那些粒子带负电。 进一步的思考：粒子是什么？原子？分子？ 微粒？