專題七近代物理學(xué)的奠基人和革命者

2024-02-02專題七近代物理學(xué)的奠基人和革命者近代物理學(xué)概述奠基人之一：伽利略奠基人之二：牛頓革命者之一：愛(ài)因斯坦革命者之二：波爾近代物理學(xué)發(fā)展趨勢(shì)與影響目錄01近代物理學(xué)概述以牛頓力學(xué)為代表，研究宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。古典物理學(xué)時(shí)期近代物理學(xué)誕生現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和理論物理的發(fā)展，近代物理學(xué)逐漸誕生。20世紀(jì)以來(lái)，相對(duì)論、量子力學(xué)等理論的提出和發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)步。030201物理學(xué)發(fā)展歷程03科學(xué)思想的變革物理學(xué)家開(kāi)始擺脫經(jīng)典物理學(xué)的束縛，探索更廣泛、更深刻的自然規(guī)律。01實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高19世紀(jì)末，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步為物理學(xué)家提供了更精確的測(cè)量手段和更豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。02理論物理的發(fā)展經(jīng)典物理學(xué)的困境和新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，促使物理學(xué)家尋求新的理論解釋。近代物理學(xué)誕生背景原子和分子近代物理學(xué)確認(rèn)了原子和分子的存在，揭示了物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。量子力學(xué)描述了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括波粒二象性、不確定原理等。相對(duì)論闡述了時(shí)間、空間、質(zhì)量和能量之間的內(nèi)在聯(lián)系，包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)從微觀角度研究大量粒子的集體行為，揭示了宏觀物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。重要概念及原理02奠基人之一：伽利略出生日期與地點(diǎn)1564年出生于意大利比薩城教育背景曾在比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，后轉(zhuǎn)學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)主要成就近代物理學(xué)的奠基人之一，被譽(yù)為“近代力學(xué)之父”和“現(xiàn)代科學(xué)之父”伽利略生平簡(jiǎn)介通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，推翻了亞里士多德的觀點(diǎn)自由落體運(yùn)動(dòng)研究闡述了物體在不受外力作用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變的原理慣性定律的提出通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)，探究了物體運(yùn)動(dòng)與力、時(shí)間、距離之間的關(guān)系斜面實(shí)驗(yàn)研究力學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)制造了第一架天文望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到月球表面的凹凸不平，并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)黑子、木星的衛(wèi)星等天文現(xiàn)象通過(guò)觀測(cè)和研究，支持哥白尼的日心說(shuō)，推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展天文學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的支持天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合伽利略強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的研究方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，再用理論指導(dǎo)實(shí)踐嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度伽利略堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和分析，不輕易相信權(quán)威和傳統(tǒng)觀念實(shí)驗(yàn)方法與科學(xué)態(tài)度03奠基人之二：牛頓1643年出生于英國(guó)林肯郡鄉(xiāng)下的一個(gè)小村落伍爾索普村的伍爾索普（Woolsthorpe）莊園。1665年，牛頓獲得學(xué)士學(xué)位，并留校做研究工作。此后因躲避瘟疫，回到家鄉(xiāng)隱居兩年，這期間是牛頓科學(xué)思想形成的關(guān)鍵時(shí)期。牛頓生平簡(jiǎn)介1661年，18歲的牛頓進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，開(kāi)始接觸笛卡爾、伽利略、開(kāi)普勒等人的著作。1687年，牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立，這是人類掌握的第一個(gè)完整的科學(xué)的宇宙論和科學(xué)理論體系。牛頓第一定律（慣性定律）任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到受到其它物體的作用力迫使它改變這種狀態(tài)為止。物體在受到合外力的作用會(huì)產(chǎn)生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小與物體的慣性質(zhì)量成反比。兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，作用在相互作用的兩個(gè)物體上，大小相等，方向相反。任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過(guò)連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成和其間介質(zhì)種類無(wú)關(guān)。牛頓第二定律（加速度定律）牛頓第三定律（作用與反作用定律）萬(wàn)有引力定律力學(xué)三大定律及萬(wàn)有引力定律微積分的應(yīng)用01牛頓和萊布尼茨都獨(dú)立發(fā)展出了微積分學(xué)，并且各自創(chuàng)造了獨(dú)特的符號(hào)來(lái)表示微積分。牛頓的微積分理論被稱為“流數(shù)術(shù)”，他用來(lái)描述物體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度等物理量。幾何學(xué)與力學(xué)的結(jié)合02牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，運(yùn)用歐幾里得幾何學(xué)來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)，將幾何學(xué)與力學(xué)緊密地結(jié)合在一起。這種結(jié)合使得物理學(xué)的概念更加直觀和易于理解。數(shù)值分析與計(jì)算物理03雖然牛頓時(shí)代還沒(méi)有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，但他已經(jīng)開(kāi)始使用數(shù)值分析的方法來(lái)求解物理問(wèn)題。例如，他使用級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法來(lái)求解一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題，這種方法至今仍在計(jì)算物理中廣泛使用。數(shù)學(xué)方法在物理學(xué)中應(yīng)用牛頓用三棱鏡研究日光，發(fā)現(xiàn)白光是由不同顏色的光混合而成的，而不同顏色的光有不同的折射率和偏振性質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)奠定了光譜分析的基礎(chǔ)，對(duì)于后來(lái)的物理學(xué)和化學(xué)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。光學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)牛頓提出了冷卻定律，即物體的冷卻速度與其溫度與周圍環(huán)境溫度之差成正比。這一定律對(duì)于熱力學(xué)和材料科學(xué)的研究具有重要意義。此外，牛頓還研究了熱傳導(dǎo)和熱輻射等問(wèn)題，提出了一些基本的熱學(xué)概念和定律。熱學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)對(duì)光學(xué)和熱學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)04革命者之一：愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦生平簡(jiǎn)介1879年出生于德國(guó)烏爾姆市，父母為猶太人。1905年提出狹義相對(duì)論，轟動(dòng)整個(gè)科學(xué)界和哲學(xué)界。1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為享譽(yù)世界的科學(xué)家。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，獲物理學(xué)博士學(xué)位。1915年創(chuàng)立廣義相對(duì)論，引起天文學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域的革命。1955年在美國(guó)普林斯頓去世，享年76歲。背景經(jīng)典物理學(xué)在解釋光速不變、黑體輻射等問(wèn)題上遇到困難。狹義相對(duì)論提出時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮等概念，顛覆了牛頓力學(xué)中的絕對(duì)時(shí)空觀。意義為原子能的利用奠定了理論基礎(chǔ)，推動(dòng)了現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展。相對(duì)論提出背景及意義將引力視為時(shí)空彎曲的幾何效應(yīng)，提出了全新的宇宙演化觀念。廣義相對(duì)論認(rèn)為宇宙處于不斷膨脹和演化之中，提出了黑洞、宇宙微波背景輻射等預(yù)言。宇宙演化改變了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)和理解，推動(dòng)了天文學(xué)和宇宙學(xué)的發(fā)展。影響廣義相對(duì)論與宇宙演化觀念態(tài)度愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的概率解釋持懷疑態(tài)度，提出了著名的“上帝不擲骰子”觀點(diǎn)。貢獻(xiàn)雖然對(duì)量子力學(xué)有所質(zhì)疑，但愛(ài)因斯坦的工作對(duì)量子力學(xué)的建立起到了推動(dòng)作用。他提出的量子糾纏等概念成為量子信息領(lǐng)域的重要研究方向。此外，他的相對(duì)論與量子力學(xué)的結(jié)合為粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。對(duì)量子力學(xué)態(tài)度及貢獻(xiàn)05革命者之二：波爾1920年代開(kāi)始與愛(ài)因斯坦就量子力學(xué)的基本原理展開(kāi)論戰(zhàn)1922年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為丹麥第一位獲此殊榮的科學(xué)家晚年致力于推動(dòng)哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)研究，培養(yǎng)了大批杰出科學(xué)家1885年出生于丹麥哥本哈根，畢業(yè)于哥本哈根大學(xué)1911年獲得博士學(xué)位，并開(kāi)始研究原子結(jié)構(gòu)和輻射問(wèn)題1913年提出了原子結(jié)構(gòu)的波爾模型，成為量子力學(xué)的奠基人之一010402050306波爾生平簡(jiǎn)介010204原子結(jié)構(gòu)模型提出過(guò)程對(duì)當(dāng)時(shí)已有的原子模型進(jìn)行批判性分析，指出其存在的問(wèn)題基于普朗克的量子假說(shuō)和愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論，提出原子具有分立能級(jí)的概念通過(guò)引入電子軌道和定態(tài)假設(shè)，成功解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步推廣至其他原子和分子，建立了較為完整的原子結(jié)構(gòu)理論體系03波粒二象性微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，二者不可分離不確定性原理微觀粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)精確測(cè)量，存在最小不確定度量子態(tài)與波函數(shù)微觀粒子的狀態(tài)由波函數(shù)描述，波函數(shù)的模平方給出粒子在空間中的概率分布躍遷與輻射微觀粒子在不同能級(jí)之間躍遷時(shí)會(huì)吸收或輻射光子，光子的能量與能級(jí)差相等量子力學(xué)基本原理闡述論戰(zhàn)背景論戰(zhàn)焦點(diǎn)論戰(zhàn)過(guò)程論戰(zhàn)影響波爾-愛(ài)因斯坦論戰(zhàn)及其影響波爾和愛(ài)因斯坦分別代表了量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派和經(jīng)典物理學(xué)的陣營(yíng)雙方通過(guò)一系列思想實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)展開(kāi)激烈辯論，但最終未能達(dá)成共識(shí)量子力學(xué)的基本原理是否完備，是否存在“隱變量”未被發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展和完善，加深了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)和理解06近代物理學(xué)發(fā)展趨勢(shì)與影響粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)融合01粒子物理學(xué)研究基本粒子的性質(zhì)和相互作用，揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。02宇宙學(xué)研究宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)，探討宏觀世界的奧秘。兩者融合有助于理解宇宙的基本規(guī)律和物質(zhì)的本質(zhì)，推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。03弦理論認(rèn)為基本粒子實(shí)際上是由一維的弦組成的，弦的振動(dòng)產(chǎn)生不同的粒子。多維空間概念認(rèn)為我們生活的三維空間只是更高維度空間的一個(gè)子空間。弦理論和多維空間概念為理解物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙的起源提供了新的視角。弦理論與多維空間概念03近代物理學(xué)還將繼續(xù)為未來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新提供理論支持和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。01近代物理學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、核能技術(shù)等的進(jìn)步。02這些技術(shù)在