经典和近代物理学史导论.ppt

经典和近代物理学史 ——兼谈诺贝尔物理学奖和一些技术 物理实验中心近代物理实验室 历史回顾 一、经典物理学的成就和基本观念 二、现代物理学革命的序幕 三、相对论的建立 四、量子论的初期发展与量子力学建立 五、原子结构理论的发展 六、原子核物理的建立与发展 七、传感及测量技术 历史回顾（I） 1900年普朗克量子论 1905年爱因斯坦相对论 开辟了现代物理学的新纪元 研究范围在空间尺度上从亚核世界到整个字宙，在时间尺度上从小于10-21秒到宇宙年龄 历史回顾（II） —百多年前创立的麦克斯韦电磁场理论为无线电、电视、雷达的技术发明和庞大的工业电力网络以及现代通汛系统的建立奠定了理沦基础 拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论，共同获得了1955年诺贝尔物理学奖 微波实验基本知识和实验4-1 反射式速调管的特性和波导工作状态的测量 历史回顾（III） 磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转 历史回顾（IV） 1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应（magneto-optic Kerr effect） 实验2-3 法拉第效应 实验2-4 磁光克尔效应 历史回顾（V） 本世纪20年代创立的量子力学理论为描述微观物体的行为提供了一个全新的框架，改变了我们最基本的测量原理，并为了解原子、分子和凝聚态物质的结构铺平了道路。因而导致了诸如半导体、光通讯等新兴技术的崛起，并为研制奇异材料和激光器件开辟了道路 历史回顾（VI） 1947年肖克莱、巴丁和布喇顿所发现的晶体管效应揭开了今天发生在我们周围的计算机革命的序幕。没有人能够知道这场革命最终将会如何改变我们的生活和人类社会，但是它所显露出的信息社会的近期前景巳十分诱人 肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管及对晶体管效应的研究共同获得了1956年诺贝尔物理学奖 计算机的基本技术，计算机的仿真技术，计算机的数值计算技术 历史回顾（VII） 实验5-4 计算机系统结构原理及组装调试　　　 　　　　　 实验 实验5-1 计算机虚拟仿真物理实验 实验5-2 计算机数值模拟实验（混沌系统 模型的一个例子） 一、经典物理学的成就和基本观念 （一）经典力学和机械决定论 （二）热力学与能量和熵 （三）经典电动力学和“以太”说 （四）经典物理学的完成和局限 由伽利略(1564—1642)和牛顿(1642—1727)等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱——经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学——已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响 （一）经典力学和机械决定论 由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。在l687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学方法和“最小作用量原理”的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉—拉格朗日方程，并最终于1834年由英国的哈密顿(1805—1865)提出了哈密顿原理和正则方程，建立了“分析力学”理论，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃 （二）热力学与能量和熵 能量守恒原理的建立，使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自然科学上的一个伟大胜利也是近代物理学发展中的第二次理论大综合 熵原理的发现，实际上把演化的思想带进了物理学，指出了自然过程的不可逆性和历史性 在经典力学和电磁场理论中，基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间反演都是具有对称性的，运动对于过去和未来没有本质的区别，时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量，它的变化对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那里没有实质性的意义 “统计力学”这个名称是1884年由美国物理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基础上，明确形成了“系综”概念，创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基本的研究方向统一到一个有机整体之中，完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合 （三）