第二章 现代自然科学概论.ppt

第二章 现代自然科学概论 教学目的： 1、掌握现代物理学发展历程，了解现代物理学的一些重要的科学理论。 2、了解现代天文学的发展历程，树立正确的宇宙观、时空观和物质观。 3、了解板块理论的由来 教学重点： 掌握现代物理学发展历程，恒星的演化过程，宇宙大爆炸理论 基础自然科学 二十世纪八十年代以来，日本的倾向技术的政策强大冲击引起美国对基础研究和技术创新的相对重要性的进行激烈辩论。有专家认为技术至关重要，应少强调基础研究，因为其他国家也能使用美国的成果，经过较长时间反省，美国政府和学术界基本认为，孤立地强调基础研究或技术创新如何重要是没有意义的，只有当相互制约的各个环节包括基础应用研究、技术创新、商业环境和教育等各方面协调、有机、整体地发展，才可能取得符合国家利益的最佳效果。以上使命使美国政府高度重视在资源总是短缺的条件下，在科学研究、技术创新、商业环境、和教育之间做出系统、有机和协调的投入。 美国总统克林顿在递交给国会的《用科学技术塑造21世纪》的报告中认为：基础科学是无穷无尽的资源，是美国技术实力的基石。基础科学研究肩负两个基本任务，一是创造新知识，二是培养美国未来技术创新体系的基础，即有着无穷创造力的人力资源，两大任务相辅相成。这一认识成为美国政府基础研究投资政策的基石，也是美国基础科学研究的投入将持续集中在大学这个美国培养人才和训练科学家工程师基地的原因。基础研究投资于大学，不仅能取得科研成果，培养了大量技术创新的人才，同时，除了大学工程和科学专业的学生外，大量的人文和社会学科学生也能从基础科学投资的成效中受到潜移默化的科学教育。同样的成本产生了更大的收益。 国务院2006年2月9日发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中指出，当今世界综合国力的竞争已前移到基础研究，中国作为快速发展中的国家，更要强调基础研究服务于国家 。 纲要指出，遴选面向国家重大战略需求的基础研究的原则为：对国家经济社会发展和国家安全具有战略性、全局性和长远性意义；虽暂时薄弱，但对发展具有关键性作用；能有力带动基础科学和技术科学的结合，引领未来高新技术的发展。 纲要列举了10项面向国家重大战略需求的基础研究，包括人类健康与疾病的生物学基础、农业生物遗传改良和农业可持续发展中的科学问题、人类活动对地球系统的影响机制、全球变化与区域响应、复杂系统、灾变形成及其预测控制，等等。 第二节 现代物理学 20世纪初经典物理学的两大难题 光速的迈克耳逊—莫雷实验 一、相对论 牛顿的绝对时空观:绝对静止的空间、绝对不变的时间 迈克尔逊和莫雷以地球代替火车，以以太代替铁轨，在1887年用迈克尔逊发明的干涉仪进行了试验，试图确定地球相对于以太的绝对速度。 爱因斯坦与相对论 爱因斯坦1879年3月14日德国乌尔姆 1905年爱因斯坦在德国《物理学杂志》 V17发表五篇论文 第一篇 P132-148 光电效应 第二篇 P549-560 布朗运动 第三篇》 P891-921《论动体的电动力学》 狭义相对论的两条基础原理 （1） 狭义相对性原理——在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说） （2） 光速不变原理——在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。） 狭义相对论运动学的核心——洛仑兹变换 狭义相对论的主要结论： 1、尺缩效应 2、钟迟效应 3、质能原理 E=mC2 狭义相对论以“相对性原理”和“光速不变原理”为基础 广义相对论 1916年，爱因斯坦在格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式 广义相对论的结论：空间的几何性质决定物体的引力—惯性加速度场，而几何性质本身又由物质分布决定。 广义相对论解释了水星近日点的进动 按照牛顿的引力理论，在太阳的引力作用下，水星的运动轨道将是一个封闭的椭圆形。但实际上水星的轨道并不是严格的椭圆，而是每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动．就称为进动。水星的进动速率是每一百年1°33’20”。天体力学家根据牛顿引力理论证明，由于地球参考系以及各行星引起的水星轨道的进动，总效果应当是1°32”37’/百年，而不是 1°33‘20“/百年。二者只有 43”／百年。 广义相对论的第二大预言是引力红移，20世纪20年代天文学家天文观测证实 广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。 1919年5月29日，日全食的观测，1919年11月6日，证实1.7秒的偏转，广义相对论结论正确。 1932年定居普林斯顿，1955年4月18日病逝。 X-射线、放射性和电子的发现 1898年12月26日，居里夫妇发现镭。19