经典物理学的困难

物理学的困惑经典语录
1. “物理学家们总是试图寻找一个简单的、优雅的理论来解释自然现象，但往往发现自然界比我们想象的更加复杂和神秘。

”——阿尔伯特·爱因斯坦
2. “当你深入研究物理学时，你会发现自己越来越困惑，因为你开始意识到我们对自然界的了解是如此之少。

”——斯蒂芬·霍金
3. “物理学就像一个巨大的谜团，我们不断地解开一些小谜团，但同时又发现更多的大谜团。

”——理查德·费曼
4. “在物理学中，我们往往需要在困惑和迷茫中寻找答案，因为真正的突破往往来自于对传统观念的挑战和重新思考。

”——尼尔·玻尔
5. “物理学的困惑并不可怕，它是我们前进的动力。

正是因为我们对自然界的了解还很有限，所以我们才有机会做出新的发现。

”——沃尔夫冈·泡利
这些经典语录反映了物理学的困惑和挑战，同时也表达了物理学家们对自然界的敬畏和探索精神。

物理学的发展需要不断地挑战传统观念，勇敢地面对困惑和不确定性，并在探索中寻求真理。

量子力学
1
学习量子力学的现实意义
量子力学已成为今天我们认识世界的基本 理论 现代的主要自然科学分支都以量子力学为 基础。 工程技术科学也有以量子力学为基础的。 电子科学与技术—微电子学、光电子学、 电子材料与元器件都是直接以量子力学为 基础。
第一章 薛定谔方程
I. 绪论
一、经典物理遇到的困难与能量量子化 二、波粒二象性
Cs
Na Ca
b. 逸出光电子的
能量，只与 照射 光的频率有关。
0.0
4.0 6.0 8.0 10.0 (1014Hz)
14
按照光的经典电磁理论： 光的强度与频率无关，不应存在
截止频率。 爱因斯坦对光电效应的解释
1905年，爱因斯坦提出了光量子的假说 1）光是一束以光速运动的粒子流，
这些粒子称为光子（光量子）
实验结果
维恩线 瑞利－金斯线 普朗克线
E ( ) C3 4T
3 普朗克公式(1900)
l
E( )
2 hc2 5
hc
e kT 1
与实验结果 惊人地符合
普朗克常数：h = 6.6260755×10-34 J·s
普朗克量子假说
辐射黑体中分子和原子的振动可视 为线性谐振子，这些线性谐振子可 以发射和吸收辐射能。谐振子发射 和吸收辐射的能量不能取任意值，
2
υ
此关系与实验及日常经验严重不符！
6
绝对黑体和黑体辐射 能完全吸收各种波长电磁波 而无反射和透射的物体
但由于存在热辐射过程
任何物体在任何温度下都在不断 地向外发射各种波长的电磁波
不同温度下黑体的辐射率
1 维恩公式(1893)
E
C2
E( ) C1 5e T

V = 0 时由该式所决定，即 hv -A = 0，
v0
= A / h ， 可见，当 v < v0 时，电子不能脱出金属表面，
从而没有光电子产生。
（2）光电效应
光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。 这种电子称之为光电子。试验发现光电效应有 两个突出的特点：
•1.临界频率v0 只有当光的频率大于某一定值v0 时， 才有光电子发射出来。若光频率小于该值时，则不论 光强度多大，照射时间多长，都没有电子产生。光的 这一频率v0称为临界频率。
（一）Planck 黑体辐射定律
究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观 察到的黑体辐射能量分布，对此问题的研 究导致了量子物理学的诞生。
•1900年１２月１４日Planck 提出： 如果空腔内的黑体辐射和腔壁原子处
于平衡，那么辐射的能量分布与腔壁原子 的能量分布就应有一种对应。作为辐射原 子的模型，Planck 假定：

人们自然会提出如下三个问题：
1. 原子线状光谱产生的机制是什么？ 2. 光谱线的频率为什么有这样简单的规律？
nm
3. 光谱线公式中能用整数作参数来表示这一事实启发我们 思考： 怎样的发光机制才能认为原子的状态可以用包含整数值的量来描写。
从前，希腊人有一种思想认为：
自然之美要由整数来表示。例如：
光电效应的两个典型特点的解释
1 V 2 h A
2
• 1. 临界频率v0
2. 光电子动能只决定于光 子的频率
上式亦表明光电子的能量只与光的频率 v 有关，光 的强度只决定光子的数目，从而决定光电子的数目。这样一 来，经典理论不能解释的光电效应得到了正确的说明。
由上式明显看出，能打出电子的光子的最小能量是光电子

前排左起：I.朗缪尔 M.普朗克 M.居里夫人 H.A.洛伦兹 A.爱因斯坦 P.朗之万 Ch.E.古伊 C.T.R.威尔逊 O.W.里查逊
三、从弱引力到强引力
阅读教材P50-P51，思考： 1. 经典力学与行星轨道的矛盾是什么？
2
m0为物体静止时的质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速
光在真空中的 c 3.0 108m / s
【例1】 如果真空中的光速为c=3.0×108 m/s,当一个物体的 运动速度为v1=2.4×108 m/s时，质量m1= 3 kg。当它的速度 为v2=1.8×108 m/s时，质量m2为多少？
从低速到高速---速度变换公式
例：一列火车正以v＝50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u′＝ 5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是u＝v＋u′＝55 m/s. 若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的 速度是0.9c＋0.5c＝1.4c吗？
答案 不是，光速c是极限速度.
相对论认为： 同一过程的位移和时间测量在不同参考系中是不同的，因 此上式不能成立，经典力学也就不适用了。
从低速到高速---相对论速度变换公式
v
u
车对地的速度为v，人对车的速度为u/
地面上的人看到车上人 相对地面的速度为：
u
u v
1
uv c2
注：如果车上人运动方向与火车运动方向相反，则u/ 取负值
普朗克常数 h 6.631034 J s
旧量子论：普朗克，爱因斯坦，玻尔；
新量子论：海森堡，狄拉克，薛定谔，泡利，德布罗意，玻恩，费米，狄拉克，康普 顿
物理学的“全明星”合影
1927年索尔维会议照片（彩色为后期技术处理）