1相對論CONTENTS第9章現(xiàn)代物理學量子力學29.1課程標準

1.知識目標理解光速不變原理、鐘慢效應、尺縮效應、質(zhì)增效應、質(zhì)能關系式、等效原理。理解光譜線的引力頻移、光線在引力場中偏轉。了解行星近日點的進動、狹義相對論在時空觀上的突破、廣義相對論在時空觀上的突破。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用到19世紀末，物理學取得了前所未有的進步和成功，但也爆發(fā)了一場危機。這場危機是由以太漂移實驗和對黑體輻射現(xiàn)象的研究引起的。

1890年4月27日英國皇家學會上，英國物理學家開爾文（1824—1907）稱為物理學晴朗天空中的“兩朵烏云”。

在科學發(fā)展的歷史的轉折關頭，掀起了一場空前的物理學革命，相對論和量子力學就是這場物理學革命的最主要的成果，它們構成了現(xiàn)代物理學的兩大理論支柱。第一節(jié)相對論一、狹義相對論（一）狹義相對論的主要內(nèi)容

1905年，德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了題為《論動體的電動力學》論文，提出了狹義相對。

“狹義”表示它只適用于慣性參考系。狹義相對論的主要內(nèi)容包括兩條基本原理和一些重要結論。

1.兩條基本原理

（1）光速不變原理指在任何慣性系中光速都相同。凡是符合牛頓慣性定律的的參照系叫做慣性系。在經(jīng)典物理中，速度合成律為：

v=u±v′

例如，我們在河邊看一個人游泳，時而順流而下，時而逆流而上。游泳者的速度是不變的，我們看速度是變化的。

牛頓的速度合成率牛頓的速度合成率不能解釋慣性系中的光速

速度合成率：

例如：在地球上看飛機上發(fā)射火箭，如飛機的速度是1聲速，火箭的速度也是1聲速，那么火箭的速度為：

1+1=2（聲速）如飛機和火箭以光速運行，在地球上看來，火箭的速度，不是1+1=2（光速）,而是一個光速。

（2）狹義相對性原理

在慣性系統(tǒng)中光速不變示意圖

2.重要結論

（1）運動的鐘變慢（鐘慢效應）

橫軸是物體的運動速度?？v軸表示當運動鐘走過1秒時，靜止的鐘走過了多少。

（2）運動的尺縮短（尺縮效應）

由狹義相對論的基本原理推出：一把靜止時長度為L0的尺子，當它相對于觀測者以速度v運動時，其長度就成為:L

如圖9-2，一把1米長的尺在運動過程中長度的變化：當速度達到光速的一半時，收縮15%。當速度達到每秒26萬千米時，收縮50%，也就是原來1米長的尺，現(xiàn)在只有50厘米了。結論：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大。如果它相對于觀察者運動，則沿相對運動方向上的長度要縮短。速度越大，縮的越短。（當v→c,L→0）。

慣性坐標系

（3）質(zhì)增效應

（4）質(zhì)能關系式

（二）狹義相對論在時空觀上的突破

經(jīng)典力學中有三個普遍的基本物理概念：質(zhì)量、空間和時間。經(jīng)典力學認為：空間向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。狹義相對論從根本上否定了以牛頓為代表的脫離物質(zhì)運動的絕對時空觀。

狹義相對論里的鐘慢效應、尺縮效應和質(zhì)增效應，表明時間、空間與物質(zhì)的運動是不可分割的；通過愛因斯坦的質(zhì)能關系式人們認識到，質(zhì)量概念和能量概念表示的是物質(zhì)的屬性，質(zhì)量與能量相當，恰好說明物質(zhì)與運動的不可分割的聯(lián)系。

二、廣義相對論（一）廣義相對論的主要內(nèi)容

1、兩條基本原理

（1）等效原理一個加速運動系統(tǒng)所看到的運動與存在引力場的慣性系統(tǒng)所看到的運動完全相同。

例如，假定有一個外力，拉著實驗室向上作勻加速直線運動，加速度剛好等于地面上的重力加速度：a=g=9.8米／秒2。這時，實驗人員覺得自己恢復了重量，又站到地面了。一切都和地面上的情況一樣。

在一個非慣性系（實驗室向上作勻加速運動）里描述的物理過程的規(guī)律就和一個內(nèi)部存在一均勻引力場上的慣性系（地球表面）所描述的物理過程的規(guī)律完全等效。這樣就把運動的相對性原理從慣性系推廣到非慣性系。等效原理思想實驗示意圖

（2）廣義相對性原理指物理規(guī)律在一切參照系中都一樣。廣義相對性原理一般通過等效原理來理解。既然等效，那就是一切都一樣。

用等效原理解釋引力現(xiàn)象2.重要結論

（1）行星近日點的進動水星軌道的近日點不是固定的。即近日點隨著時間逐漸“前移”，在300萬年內(nèi)移動一周。還有一個解釋不了的每世紀43弧秒的附加進動，稱為“異常進動”。愛因斯坦用廣義相對論產(chǎn)生的時空曲率（尺縮效應），算出了這個異常進動值，正好是每世紀43弧秒。

之后，其他一些行星的這種近地點“異?！边M動也被測量出了，它們的值也同樣與廣義相對論算出的值相吻合。水星近日點進動示意圖

（2）光譜線的引力頻移

一切物體在引力場附近時，都不可能走直線，因為引力的作用要使它們的軌道偏向引力源。根據(jù)等效原理可以判斷，光在引力場中傳播時，也會有類似的現(xiàn)象。引力場的空間不是平直的，是彎曲的黎曼空間（尺縮效應）。光線在引力場中的偏轉角經(jīng)過計算是1.7秒。

（3）光線在引力場中偏轉

光譜線引力頻移示意圖光線在引力場中偏轉示意圖1919年愛丁頓領導的觀測隊，5月29日，他們在西非的普林西比島上拍攝了日全食時太陽附近的星空照片，然后與太陽不在這個天區(qū)時的星空照片相比較。發(fā)現(xiàn)太陽周圍那十幾顆星星，都向外偏轉了1.61±0.31〞,星光拐彎了。與愛丁頓同時觀測日全蝕的赴南美洲京市臘爾的遠征隊克羅姆林拍的照片之中，有7張和愛丁頓的那一張是一致的。向外偏轉了1.98±0.12〞。

愛丁頓經(jīng)過反復計算、核對，排除一切誤差、干擾，最后他完全有把握認為：日全蝕的觀測，精確地證實了愛因斯坦的廣義相對論。

（二）廣義相對論在時空觀上的突破

愛因斯坦在廣義相對論中指出：在引力場中，空間的性質(zhì)不再服從歐幾里得幾何，而是遵循非歐幾何。這就是說，現(xiàn)實的物質(zhì)空間不是平直的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決于物質(zhì)在空間中的分布狀況，物質(zhì)密度大的地方，引力場也大，空間的彎曲也較厲害。

由此可見，廣義相對論認為時空的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運動狀態(tài)，而且取決于物質(zhì)的分布狀況，這與脫離物質(zhì)分布的絕對時空觀是絕然不同的。思考與練習

1.簡答光速不變原理、鐘慢效應、尺縮效應、質(zhì)增效應、質(zhì)能關系式、等效原理。

2.簡答光譜線為什么發(fā)生引力頻移？3.簡答光線為什么在引力場中偏轉？

4.簡述狹義相對論和廣義相對論在時空觀上有何突破？

1相對論CONTENTS第9章現(xiàn)代物理學量子力學29.2課程標準

1.知識目標

了解普朗克、波爾、德布羅意、海森堡、薛定諤在量子力學上的科學創(chuàng)新。

了解量子力學的基本內(nèi)容。

理解基本粒子的分類及四種作用力的特點。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

一、量子力學的基本內(nèi)容

（一）微觀粒子的基本特征

1.量子性

是指微觀客體在運動變化中具有不連續(xù)性和突變性。一個物體能全部吸收透射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體。在一定溫度下，當空腔與內(nèi)部的輻射處于平衡時，腔壁單位面積所發(fā)出的輻射能量與其吸收的輻射能量相等。實驗測出平衡時輻射能量密度按波長分布的曲線，其形狀和位置只與黑體的溫度有關與空腔材料或形狀無關。能量密度按波長分布的曲線

第二節(jié)量子力學

公式在低頻部分與實驗曲線相吻合，高頻時能量密度趨于無限大，而實驗卻顯示出能量密度趨向于零。這就是著名的紫外災難。為了消除黑體輻射中的“紫外災難”，德國物理學家普朗克于1900年用插值方法試圖調(diào)和維恩公式和瑞利—金斯公式，提出能量子的概念。

2.幾率性

是指由于微觀客體運動時沒有確定的連續(xù)軌道，我們只能估計在某個時刻某個范圍內(nèi)出現(xiàn)微觀粒子的可能性大小，即幾率的大小。

玻爾（丹）根據(jù)對應原理思想，定量地求出了氫原子能級公式為：

是指微觀客體不僅具有粒子性，而且具有波動性。

德布羅意（法）于1923年9月10日在法國科學院《會議通報》上發(fā)表了有關物質(zhì)波的第一篇論文《波和粒子》．他認為，一個能量為E，動量為P的粒子與頻率為v和波長為λ的波相當；仿照愛因斯坦關系，粒子的能量、動量與相應的頻率和波長的關系為：

3.波粒二象性微觀客體運動時沒有確定的連續(xù)軌道4.不確定性

是指由于微觀粒子沒有確定的連續(xù)軌道，對共軛正則物理量（共軛,即按一定的規(guī)律相配的一對物理量如動量與位置、時間與能量）不可能同時測準。

海森堡（德）發(fā)現(xiàn)，要確切地知道粒子的位置，必須用一束光射到這個粒子上，通過光波的反射才能知道粒子的位置，光波越短，測量的結果越精確。

但是波長越短，越容易擾動粒子，結果使粒子以一種不可測的方式改變了速度。

也就是說，對位置測量的越精確，那么對它速度的擾動就越大，反之亦然

（二）量子力學的表達形式

1.矩陣力學1925年海森堡在玻恩等人的幫助下，創(chuàng)立了量子力學的一種形式體系——矩陣力學。矩陣力學從所觀察的光譜的分立性入手，它的基本概念是粒子，它采用的是矩陣代數(shù)方法。

2.波動力學1926年，薛定諤（奧地利）采用解微分方程的方法，從經(jīng)典理論入手，將經(jīng)典力學和幾何光學加以對比，提出了對應于波動光學的波動方程。從而創(chuàng)立了量子力學的第二種形式體系——波動力學。

1926年薛定諤在認真研究了海森堡的矩陣力學之后，證明了波動力學和矩陣力學在數(shù)學上的等價性。從此之后兩者合而為一，形成量子力學的理論體系。

（三）量子力學對經(jīng)典決定論的沖擊

經(jīng)典力學認為，一切物體（包括微觀客體）運動變化服從確定的因果聯(lián)系，從前一時刻的運動狀態(tài)可以推斷以后各時刻的運動狀態(tài)。在數(shù)學上可以用各種方程式特別是微分方程式表述。量子力學的研究結果表明，由于微觀客體的運動在本質(zhì)上是一種非連續(xù)的過程，致使微觀客體具有量子性、幾率性、波粒二象性和不確定性，而這些性質(zhì)是和宏觀客體絕然不同的。在哲學上，量子力學不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，為對立統(tǒng)一規(guī)律提供了新的證明，而且進一步揭示了連續(xù)性與間斷性；偶然性與必然性等之間的辯證關系，宣告了機械論自然觀的破產(chǎn)。

二、基本粒子及相互作用

自從電子發(fā)現(xiàn)以后，1906年英國科學家盧瑟福做了著名的α粒子散射實驗，即讓一束平行的α粒子（氦-4的原子核）穿過極薄的金箔時，他發(fā)現(xiàn)穿過金箔的α粒子，有一部分改變了原來的直線射程，而發(fā)生不同程度的偏轉，還有少數(shù)α粒子，好像遇到某種堅實的不能穿透的東西而被折回。而這個帶正電荷的部分在原子中所占的體積很小。因此，盧瑟福提出了原子內(nèi)部存在著一個質(zhì)量大、體積小、帶正電荷的原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動的原子模型。由于盧瑟福的這一重要成果，他于1908年獲得了諾貝爾獎。后來通過粒子撞擊的方法發(fā)現(xiàn)了基本粒子。盧瑟福原子結構模型

現(xiàn)代物理學把比原子核更小的粒子統(tǒng)稱為基本粒子。

到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子大約有幾百種。根據(jù)相互作用的特點來進行分類，基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類。

（一）基本粒子基本粒子基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類

1.夸克強子是參與強相互作用、電磁相互作用及引力相互作用的基本粒子。

強子是由夸克組成的。組成1個重子需要3個夸克，組成1個介子需要1個夸克和1個反夸克?？淇藥в蟹謹?shù)單位電荷；夸克都是自旋