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1、經典力學：經典力學：1. 經典物理學的理論基礎經典物理學的理論基礎220000( , , ),ttd rmF r v tdtrr vv 初始條件：定解問題定解問題力學問題：力學問題： ( )rr t其解精確確定精確確定對力的認識：對力的認識： 力是物體與物體之間的相互作用力是物體與物體之間的相互作用 自然界中物體之間存在各種相互作用，但就其實自然界中物體之間存在各種相互作用，但就其實質而言，只有以下四種相互作用；即：質而言，只有以下四種相互作用；即：引力相互作用電磁相互作用強相互作用弱相互作用相互作用名稱相互作用名稱 中間媒介中間媒介 強度強度 作用規(guī)律作用規(guī)律 力程力程(m)強相互作用強相互
2、作用 膠子和介子膠子和介子 1 ？(漸近自由漸近自由) 10-15 電磁相互作用電磁相互作用 光子光子 10-2 麥克斯韋方程麥克斯韋方程 長程長程弱相互作用弱相互作用 中間玻色子中間玻色子 10-5 ?(弱電統(tǒng)一弱電統(tǒng)一) 10-17 引力作用引力作用 引力子？引力子？ 10-38 萬有引力定律萬有引力定律 長程長程四種相互作用四種相互作用The Nobel Prize in Physics 1979 for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction betwee
3、n elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg The Nobel Prize in Physics 2004David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA (1941) USA (1949) USA (1951)f
4、or the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction 物體之間通過中間媒介產生相互作用，相互作用物體之間通過中間媒介產生相互作用，相互作用的傳遞需要時間，不是超距作用。的傳遞需要時間，不是超距作用。 宏觀世界里除了重力來源于萬有引力外，其它的宏觀世界里除了重力來源于萬有引力外，其它的力幾乎都源于電磁力。力幾乎都源于電磁力。 對牛頓力學的認識：對牛頓力學的認識： 絕對時空觀絕對時空觀 機械決定論機械決定論 不滿足相對論協(xié)變性；滿足伽利略變換不滿足相對論協(xié)變性；滿足伽利略變換 高速微觀領域失效高
5、速微觀領域失效電磁學：電磁學：電磁基本理論：電磁基本理論： 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組電磁學研究的基本問題：電磁學研究的基本問題：電磁相互作用的基本規(guī)律。電磁相互作用的基本規(guī)律。( )()( )( )( )0( )( )0()()oiSViSmLSoidiLSiD dSqdVB dSdBE dldSdttDH dlIIJdSt 對電磁學的認識：對電磁學的認識： 滿足相對論協(xié)變性滿足相對論協(xié)變性 解釋微觀現象失效解釋微觀現象失效光學：光學：幾何光學：幾何光學：波動光學的近似波動光學的近似波動光學：波動光學：波動理論電磁學波動理論電磁學量子光學：量子光學：光的量子理論光的量子理論(近代物理近代物
6、理)熱學：熱學：熱力學定律：熱力學定律：熱學基本理論：熱學基本理論：熱力學第零定律熱力學第零定律熱力學第一定律熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學第二定律熱力學第三定律熱力學第三定律麥克斯韋玻爾茲曼（麥克斯韋玻爾茲曼（MB）統(tǒng)計）統(tǒng)計費米狄拉克（費米狄拉克（FD）統(tǒng)計）統(tǒng)計(近代物理學近代物理學)玻色愛因斯坦（玻色愛因斯坦（BE）統(tǒng)計）統(tǒng)計(近代物理學近代物理學)系綜理論系綜理論 (近代物理學近代物理學) 統(tǒng)計理論：統(tǒng)計理論：熱學研究方法：熱學研究方法：宏觀方法宏觀方法熱力學熱力學微觀方法微觀方法統(tǒng)計物理學統(tǒng)計物理學 熱力學系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng) 個別粒子的運動雜亂無章，但大
7、量粒子運動的集體個別粒子的運動雜亂無章，但大量粒子運動的集體表現存在著一定的統(tǒng)計規(guī)律。表現存在著一定的統(tǒng)計規(guī)律。對熱學的認識對熱學的認識揭示實際自然過程的不可逆性揭示實際自然過程的不可逆性揭示有序運動與無序運動的區(qū)別揭示有序運動與無序運動的區(qū)別物理學的大廈已經落成。物理學的大廈已經落成?！癟he grand underlying principles (of the physical world around us) have been firmly established; . . . . . the future truths of physics are to be looked for
8、 in the sixth place of decimals” A. A. Michelson (end of 19th century) 力學：力學：牛頓運動三定律和萬有引力定律牛頓運動三定律和萬有引力定律熱學：熱學：熱力學定律與統(tǒng)計理論熱力學定律與統(tǒng)計理論電磁學（電磁學和光學）：電磁學（電磁學和光學）：麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組十九世紀的末期物理學家認為物理學由：十九世紀的末期物理學家認為物理學由：2.2.經典物理學的危機經典物理學的危機物理學家開爾文稱：物理學的晴朗物理學家開爾文稱：物理學的晴朗 天空天空 上籠罩著兩朵烏云上籠罩著兩朵烏云“Two clouds”（兩朵烏云）（兩朵烏云
9、）on the horizon of 20th century physics: l black body radiation contradicts predictions of thermodynamics. l Michelson-Morley experiment contradicts Newtonian relativity. Other clouds：l Photoelectric effect could not be explained by electromagnetic theory.l x-rays and radioactivity seemed outside th
10、e realms of classical physics completely. Michelsons ingenious trickWhat happened to the ether?實驗結果是否定的！實驗結果是否定的！“我的實驗竟我的實驗竟然對相對論這然對相對論這個怪物的誕生個怪物的誕生起了作用，我起了作用，我對此感到十分對此感到十分遺憾。遺憾?！盩he Nobel Prize in Physics 1907Albert Abraham Michelson USA Chicago University Chicago, IL, USA b.1852(in Strelno, then G
11、ermany)d.1931for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid物理學晴朗的天空中浮現著兩朵烏云。物理學晴朗的天空中浮現著兩朵烏云。the discovery of the X-rays This is one of the most famous images in photographic history and propelled him within two more weeks into
12、an international celebrity. The medical implications were immediately realised and the first images of fractured bones were being made by January 1896 even though none yet knew what the mystery rays were.The Nobel Prize in Physics 1901 in recognition of the extraordinary services he has rendered by
13、the discovery of the remarkable rays subsequently named after himWillhelm Konrad Rotgen (1845-1923) Discovery of radioactivityThe Nobel Prize in Physics 1903 Antoine Henri Becquerel (1852-1908)Pierre Curie (1859-1906)Marie Curie (1867-1934)in recognition of the extraordinary services he has rendered
14、 by his discovery of spontaneous radioactivityin recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel3.3.近代物理學的的兩大理論支柱近代物理學的的兩大理論支柱l Relativityl Quantum mechanics量子物理的基本概念量子物理的基本概念量子力學解決問題的基本思路和方法量子力
15、學解決問題的基本思路和方法 量子物理在現在技術中的重要應用量子物理在現在技術中的重要應用 主要教學內容：主要教學內容：1) 1) 擺脫經典的束縛擺脫經典的束縛 注重實驗事實注重實驗事實2) 2) 處理好形象與抽象的關系處理好形象與抽象的關系3) 3) 對應關系：對應關系：學習注意事項：學習注意事項： 新理論是在原有的理論基礎上發(fā)展起來的，所以在極新理論是在原有的理論基礎上發(fā)展起來的，所以在極限情況下可以回到限情況下可以回到原有的理論。但量子范圍內的很多概念原有的理論。但量子范圍內的很多概念找不到經典的對應，是一個全新的領域。找不到經典的對應，是一個全新的領域。Albert Einstein（1
16、879 1955）4-2 4-2 狹義相對論的基本假設狹義相對論的基本假設4-3 4-3 狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀4-4 4-4 洛侖茲變換洛侖茲變換4-5 4-5 相對論的動力學問題相對論的動力學問題4-1 4-1 伽利略變換和牛頓絕對時空觀伽利略變換和牛頓絕對時空觀1.1.伽利略變換伽利略變換1.1 1.1 事件與參照系事件與參照系( , , , )P xyzt:S( , , , )P xyzt:S事件：事件：有明確的地點與時間的一件事：有明確的地點與時間的一件事：P(x, y, z, t) 參照系：參照系：不同參照系對同一事件發(fā)生的地點和時間不同參照系對同一事件發(fā)生的地點和時間的
17、測量結果一般不同。例：的測量結果一般不同。例： 1.2 1.2 伽利略坐標變換伽利略坐標變換sutxxPzzOOxyyxs( , , , )P xyzt:S( , , , )P xyzt:Sxxutyyzztt xxutyyzztt 1.3 1.3 伽利略速度變換伽利略速度變換xxyyzzvvuvvvv :(,):(,)xyzxxxvvvvvvSSxxyyzzvvuvvvv 2.2.牛頓的絕對時空觀牛頓的絕對時空觀11111222221111122222: (, ),(, ): (, ),(, )P x y z tP xyz tP x y z tP xyz tSS 2 1 22 1 22 1
18、2 212212212)()()()()()(ttllzzyyxxlzzyyxxl時間：時間：是一種自然的流逝。是一種自然的流逝?！敖^對的真實的數學絕對的真實的數學時間，就其本質而言，是永遠均勻地流逝著，與時間，就其本質而言，是永遠均勻地流逝著，與外界事物無關。外界事物無關?！苯^對時空觀：絕對時空觀：空間：空間：是一種物質運動的場所。是一種物質運動的場所。“絕對的空間就其絕對的空間就其本質而言與外界事物無關，它從不運動，并且永遠本質而言與外界事物無關，它從不運動，并且永遠不變。不變?！?.3.力學相對性原理力學相對性原理 力學基本定律在所有的慣性參照系中都等效。力學基本定律在所有的慣性參照系中
19、都等效。 舟行而不覺舟行而不覺力學基本定律的數學表達式在伽利略變換下力學基本定律的數學表達式在伽利略變換下保持不變。保持不變。1.1.光的速度與邁克爾遜莫雷實驗光的速度與邁克爾遜莫雷實驗)/(1000. 3)/(1099792458. 288smsmc1.1 1.1 光的速度光的速度問題：問題：c是相對于哪一個參照系的速度？是相對于哪一個參照系的速度？（與參照系的選擇無關。）（與參照系的選擇無關。）光速光速c是宏觀世界物體運動的極限速度。是宏觀世界物體運動的極限速度。以太說：以太說： 宇宙中彌漫著一種無所不在的媒質，萬物宇宙中彌漫著一種無所不在的媒質，萬物（包括光）相對于該媒質運動。（包括光）
20、相對于該媒質運動。以太實際上被認以太實際上被認為是一種絕對空間。為是一種絕對空間。 若以太存在，對地球上的觀察者來，不同方若以太存在，對地球上的觀察者來，不同方向的光速應不同。向的光速應不同。1.1 1.1 以太說與邁克爾遜以太說與邁克爾遜- -莫雷實驗莫雷實驗邁克爾遜邁克爾遜 莫雷實驗：莫雷實驗：實驗結果是否定的！實驗結果是否定的！“我的實驗竟我的實驗竟然對相對論這然對相對論這個怪物的誕生個怪物的誕生起了作用，我起了作用，我對此感到十分對此感到十分遺憾。遺憾?！?.2 2.2 相對性原理：相對性原理：2.1 2.1 光速不變假設光速不變假設2.2.狹義相對論的基本假設狹義相對論的基本假設 一
21、切物理定律在所有的慣性系中都等效。一切物理定律在所有的慣性系中都等效。物理定律的數學表達式在所有的慣性系中具有物理定律的數學表達式在所有的慣性系中具有相同的形式。相同的形式。 在所有的慣性系中在所有的慣性系中,真空中的光速恒為真空中的光速恒為c ，與光與光源或觀察者的運動無關。源或觀察者的運動無關。 伽利略變換與光速不變性假設不相符。伽利略變換與光速不變性假設不相符。 狹義相對論的基本假設否定了絕對空間的存在。狹義相對論的基本假設否定了絕對空間的存在。 建立了新的物理理論。建立了新的物理理論。1.“1.“同時同時”的相對性的相對性Altcu clttBA0Bltcu BAttS(AB):、 靜
22、止SA2l0BS(AB):u、 以速度 運動S AB2lu 在一個參照系中測得同時發(fā)生的兩個事件，在在一個參照系中測得同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參照系中測得未必同時發(fā)生，相對論中同時另一個參照系中測得未必同時發(fā)生，相對論中同時只有相對的意義。只有相對的意義。結論：結論：cdt202221124c tdut 0221/tuc 2.2.時間量度的相對性時間量度的相對性S():鐘靜止SdMCS():u鐘以速度 運動S d/2u t/2c tCMu結論：結論：1）運動的鐘變慢：）運動的鐘變慢：0221/tuc 2）運動參照系中所有物理過程的節(jié)奏都變慢了。）運動參照系中所有物理過程的節(jié)奏都變慢了。cl
23、t02221/ttuc 3.3.長度量度的相對性長度量度的相對性2201/llucS():尺靜止SlS():u尺以速度 運動Slu22112cvclvclvclt結論：結論：1）運動的尺變短：）運動的尺變短：2201/lluc2）運動參照系中所有物體沿運動方向的尺度縮短了。）運動參照系中所有物體沿運動方向的尺度縮短了。 例例4-1 4-1 父與子：父與子： 例例4-2 4-2 盡快獲知有無外星人的盡快獲知有無外星人的“好辦法好辦法”：某外星某外星M離地球離地球2萬光年（即光從地球傳播到該外萬光年（即光從地球傳播到該外星需星需2萬年時間），某宇航員以速度萬年時間），某宇航員以速度u從地球出發(fā)從地
24、球出發(fā)駛向該外星。假設宇航員估計自己還能活駛向該外星。假設宇航員估計自己還能活100年，年，問：該宇航員是否可能在有生之年抵達外星？若問：該宇航員是否可能在有生之年抵達外星？若可能，其速度可能，其速度u至少為多大？至少為多大？ 作業(yè)：作業(yè)：13-6、13-9。（第一版）。（第一版）13-6、13-9。（第二版）。（第二版）1.1.洛倫茲坐標變換洛倫茲坐標變換( , , , )P xyztS:( , , , )P xyztS:yyvtxxP221/xvczzOOxSS22221/1/xvtxvcxvtxvc 222221/1/xvtxvctvx ctvc 考慮到橫向長度不變，得：考慮到橫向長度不
25、變，得：2()(/)xxvtyyzzttvx c 2()(/)xxvtyyzzttvxc 洛倫茲坐標變換洛倫茲坐標變換221()1/vc2 2洛倫茲速度變換洛倫茲速度變換 2/1/xxxuvdxdxdtudtdtdtu v c 2/(1/)yyxudydydtudtdtdtu v c 2/(1/)zzxudzdzdtudtdtdtu v c :(,):SS (,)xyzxyzuuuuuu2221/(1/)(1/)xxxyyxzzxuvuu v cuuu v cuuu v c 結論：結論： 洛倫茲速度變換滿足光速不變性的假設。洛倫茲速度變換滿足光速不變性的假設。)1 ( )1 ( 1222cvu
26、uucvuuucvuvuuxzzxyyxxx3 3由洛倫茲變換討論相對論時空由洛倫茲變換討論相對論時空 3.1 3.1 時間量度的相對性時間量度的相對性xyOSx1x2t1t2yOxS1t2t12xx3.2 3.2 長度量度的相對性長度量度的相對性111221212122()()()/1/xxvtxxvtxxxxlllvc xyOSx1x2t1t1yOxS1t2t1x2x 在在S 系同時測量尺子系同時測量尺子長度長度l 的事件；在的事件；在S系中，系中，該事件也要求同時測量時，該事件也要求同時測量時，其長度為其長度為l 。3.3 “3.3 “同時同時”的相對性的相對性yOxS1t1t1x2x2
27、111221222121(/)(/) ()/0ttvxcttvxcttv xxcxyOSx1x2t1t2 在在S 系同時、不同地發(fā)系同時、不同地發(fā)生的事件；在生的事件；在S系中，該系中，該事件則不是同時發(fā)生的。事件則不是同時發(fā)生的。3.4 3.4 事件的先后順序與因果律事件的先后順序與因果律yOxS1t2t1x2xxyOSx1x2t1t2211122222212121(/)(/)()/ttvxcttvxcttttv xxc210tt210tt事件的先后順序可能倒置事件的先后順序可能倒置! !由因果關系事件先后順序不可能倒置！由因果關系事件先后順序不可能倒置！例例4-3 4-3 誰先動手：誰先動
28、手： 在一節(jié)長為在一節(jié)長為100米的車廂里，米的車廂里，A在車廂尾，在車廂尾，B在車廂在車廂頭。火車以頭?；疖囈?.6c的速度駛過一個站臺時，站臺上的的速度駛過一個站臺時，站臺上的人先看到人先看到A向向B開槍，過了開槍，過了0.125微秒后，微秒后，B向向A開開槍。問：在車上的乘客看來，是誰先開槍？兩人槍。問：在車上的乘客看來，是誰先開槍？兩人開槍的時間差為多少？開槍的時間差為多少？解：解： 例例4-4 在地面上測到有兩個飛船分別以在地面上測到有兩個飛船分別以0.9c和和-0.9c的速度向相反方向飛行。求此一飛船相對于另一飛的速度向相反方向飛行。求此一飛船相對于另一飛船的速度多大？船的速度多大
29、？解：解：例例4-5 在太陽參考系中觀察，一束星光垂直射向地在太陽參考系中觀察，一束星光垂直射向地面速率為面速率為c，而地球以速率，而地球以速率u垂直于光線運動。垂直于光線運動。求在地面上測量，這束星光的速度的大小與方向求在地面上測量，這束星光的速度的大小與方向各如何？各如何？解：解：作業(yè)：作業(yè)：13-10、13-12。（第一版）。（第一版）13-10、13-12。（第二版）。（第二版）1 1經典動力學及其局限性經典動力學及其局限性( (不適合高速運動不適合高速運動) ) 1.2 1.2 經典動力學的局限性：經典動力學的局限性：局限性：局限性：高速運動時不能適用，不滿足相對性原高速運動時不能適
30、用，不滿足相對性原理，即不滿足洛侖茲變換下的不變性。理，即不滿足洛侖茲變換下的不變性。 經典動力學的改造：經典動力學的改造：2）重修定義相關物理量，物理定律不變。）重修定義相關物理量，物理定律不變。1）改造物理定律，物理量的定義不變；）改造物理定律，物理量的定義不變；2 2相對論的質量與動量相對論的質量與動量2.1 2.1 相對論的質量相對論的質量0221/mmvc2.2 2.2 相對論的動量相對論的動量0221/m vpmvvc2.3 狹義相對論質量和速度關系的推導狹義相對論質量和速度關系的推導m1m2v1v2y O xS（a）碰撞前）碰撞前v-vm OxymuSV=um1+m2 OxSy（
31、b）碰撞后）碰撞后u2mV =0 x OyS ,( )?pmv mm v具體推導過程：具體推導過程： * . 狹義相對論動力學基本方程狹義相對論動力學基本方程* .1 狹義相對論的動力學基本方程：狹義相對論的動力學基本方程：00322222()(1)1dpdm vmdvFdtdtdtvvcc故得，高速運動物體的加速度為：故得，高速運動物體的加速度為：23220(1)dvFvadtmc由此可見，當由此可見，當 時，時，vc0 dvdt。結論：結論：無論作用力多大，都不能使物體的速度超過無論作用力多大，都不能使物體的速度超過光速。即光速是物體運動速度的極限。光速。即光速是物體運動速度的極限。3.3
32、.相對論的能量相對論的能量動能：動能：Emcm ck202 總能：總能：Emc2靜能：靜能：Em c002推導過程：推導過程： 00200020022220222200022() 1/1/ 1/xxvvvxxudpAFdxdxvd mvmvmvdvdtm vm vdvvcvcm cm cmcm cuc另一種推導方法：另一種推導方法： 假設質點在外力假設質點在外力 作用下，由靜止開始沿作用下，由靜止開始沿x軸作一軸作一維運動。當速度達到維運動。當速度達到v時，其具有的動能為外力所做的時，其具有的動能為外力所做的功。功。F2022022202322023220 1)1 ( )1 (000cmmccmcvcmcvvdvmdxdtdvcvmrdFAEExxxxrrkk。式中： 1 ; )1 ( 22023220cvvmmvpdtdvcvmdtdpF大亞灣核電站大亞灣核電站4.4.相對論動力學基本方程相對論動力學基本方程 02203222()1/ (1/)dpdm vFdtdtvcmdvdtvc作業(yè)：作業(yè)：13-16、13-18。（第一版。（第一版）13-16、13-18。（第二版。（第二版）
大學物理：第04章 相對論基礎
