大学物理第五册大学.pptx
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1、1引引 言言十九世纪末,十九世纪末,经典物理经典物理已发展得相当成熟,已发展得相当成熟,人们认为,对物理现象本质的认识已经完成。人们认为,对物理现象本质的认识已经完成。海王星的发现海王星的发现(1846在在Leverrier“笔尖下笔尖下更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题。更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题。当时,著名的英国物理学家当时,著名的英国物理学家J.J.汤姆孙汤姆孙曾说道:曾说道:“物理学的大厦已基本建成,物理学的大厦已基本建成,后辈物理学家只要后辈物理学家只要做些修补工作就行了。做些修补工作就行了。”看到的看到的”)和和电磁理论对波动光学的成功解释,电磁理论对波动光学的成功
2、解释,2然而在人类即将跨入然而在人类即将跨入20世纪的时候,世纪的时候,了某些无法用经典理论解释的实验现象了某些无法用经典理论解释的实验现象 却发现却发现MM实验实验“零结果零结果”和热辐射和热辐射“紫外灾难紫外灾难”。1900年,年,Kelvin在新千年的祝词中把此称为是在新千年的祝词中把此称为是去寻找新的解决途径。去寻找新的解决途径。这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架,这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架,晴朗的物理学天空中出现的晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云两朵乌云”。MM实验实验 相对论相对论 黑体辐射黑体辐射 量子论量子论3 相对论相对论 1905 狭义相对论狭义相对论 191
3、6 广义相对论广义相对论 引力、天体引力、天体 量子力学量子力学 旧量子论的形成:旧量子论的形成:1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 近代物理(近代物理(20世纪)包括:世纪)包括:新的纪元新的纪元人类跨入人类跨入20世纪的时候,世纪的时候,物理学也开始了物理学也开始了从经典物理走向了近代物理。从经典物理走向了近代物理。4 1925 Heisenberg 矩阵力学矩阵力学 量子力学的建立:量子力学的建立:量子力学量子力学 原子、分子、原子核、固体原子、分子、
4、原子核、固体 量子电动力学(量子电动力学(QED)电磁场电磁场 量子场论量子场论 原子核和粒子原子核和粒子 量子力学的进一步发展:量子力学的进一步发展:1924 de Broglie 电子具有波动性电子具有波动性1928 Dirac 相对论波动方程相对论波动方程1927 Davisson,G.P.Thomson 电子衍射实验电子衍射实验1926 Schroedinger 波动方程波动方程 5就是就是狭义相对论狭义相对论(1905)、)、广义相对论广义相对论(1916)“在本世纪初,发生了三次概念上的革命,在本世纪初,发生了三次概念上的革命,它们深刻地改变了人们对物理世界的了解,它们深刻地改变了
5、人们对物理世界的了解,和和量子力学量子力学(1925)。)。”这这正如正如杨振宁杨振宁在在爱因斯坦对理论物理学的爱因斯坦对理论物理学的影响影响一文(一文(1979)所说:)所说:6 形象和抽象形象和抽象在量子物理的学习中要处理好三个关系:在量子物理的学习中要处理好三个关系:物理学是高新技术的基础和先导:物理学是高新技术的基础和先导:信息技术的物理基础信息技术的物理基础量子力学、固体物理和近代光学量子力学、固体物理和近代光学 注意培养抽象思维能力注意培养抽象思维能力 演绎和归纳演绎和归纳 注意学习归纳法培养创造性思维注意学习归纳法培养创造性思维 物理和技术物理和技术 学习应用物理原理在技术上创新
6、学习应用物理原理在技术上创新7 第一章第一章 波粒二象性波粒二象性 (Wave-particle duality)81.1黑体辐射黑体辐射 1.2光电效应(自学)光电效应(自学)1.3光子、光的二象性光子、光的二象性1.4 康普顿效应康普顿效应1.5 实物粒子的波动性实物粒子的波动性1.6 概率波与概率幅概率波与概率幅1.7不确定关系不确定关系本章目录本章目录9提高照明效率提高照明效率研究高温测量研究高温测量测星体表面温度测星体表面温度电磁波谱的研究电磁波谱的研究 1.1黑体辐射黑体辐射(Black-body radiation)“热力学热力学和和光学光学已发展到这样的程度,已发展到这样的程度
7、,以至于它们俩以至于它们俩的结合的结合,能够产生一个婴儿,能够产生一个婴儿,的最大革命。的最大革命。”德国物理学家德国物理学家劳厄劳厄(Laue)当时评论道:当时评论道:它注定会引起物理学它注定会引起物理学 理论上出现了矛盾:理论上出现了矛盾:一一.热辐射理论发展的背景热辐射理论发展的背景 科技发展的需要:科技发展的需要:“紫外灾难紫外灾难”10二二.热辐射的基本概念热辐射的基本概念温度不同时温度不同时,辐射的波长(或频率)也不同,辐射的波长(或频率)也不同,例如:加热铁块,例如:加热铁块,温度温度,铁块颜色由看铁块颜色由看 这种这种与温度有关的电磁辐射,与温度有关的电磁辐射,称为称为热辐射。
8、热辐射。也就是辐射电磁波。也就是辐射电磁波。物体受热就会发光,物体受热就会发光,1.热辐射热辐射(heat radiation)激光激光、日光灯发光就不是热辐射。日光灯发光就不是热辐射。并不是所有发光现象都是热辐射,并不是所有发光现象都是热辐射,例如:例如:蓝白蓝白色色不出发光不出发光 暗红暗红 橙色橙色 黄白色黄白色11但是强度不同。但是强度不同。热辐射强度按波长热辐射强度按波长(频率频率)的分布和温度有关,的分布和温度有关,极高温物体发出的是极高温物体发出的是紫外光。紫外光。炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光,可见光,低温物体发出的是低温物体发出的是红外光,红外光,温度温度 短波长的电
9、磁波的比例短波长的电磁波的比例 。任何物体(气、液、固)在任何温度下,任何物体(气、液、固)在任何温度下,都会有热辐射。都会有热辐射。热辐射波谱是热辐射波谱是连续谱,连续谱,各种波长各种波长(频率频率)都有,都有,12红外照相机拍摄的人的头部的红外照相机拍摄的人的头部的热图热图 热的地方显白色,冷的地方显黑色热的地方显白色,冷的地方显黑色13中国第一张红外照片中国第一张红外照片(熊大缜于(熊大缜于1935年在年在清华大学气象台顶上拍摄的北京西山夜景)清华大学气象台顶上拍摄的北京西山夜景)14鸟的羽毛的颜色是不是热辐射?鸟的羽毛的颜色是不是热辐射?15 3.光谱辐出度(单色辐出度)光谱辐出度(单
10、色辐出度)M 这种这种温度不变温度不变的热辐射称之为的热辐射称之为平衡热辐射。平衡热辐射。(单位时间内)(单位时间内)T单位面积单位面积2.平衡热辐射平衡热辐射则物体的温度恒定。则物体的温度恒定。加热一物体,加热一物体,若物体所吸收的能量等于在若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量,同一时间内辐射的能量,(monochromatic energy density of radiation)M 单位时间内,从物体单位表面发出的频单位时间内,从物体单位表面发出的频率率在在 附近单位频率间隔内附近单位频率间隔内的电磁波的能量。的电磁波的能量。M 取决于取决于T,物,物质种类和表面情况质种类和表
11、面情况164.(总)辐出度(总发射本领)(总)辐出度(总发射本领)M(T)(radiant exitance)单位:单位:w/m2(monochromatic absorptance)5.单色吸收比(率)单色吸收比(率)(T)17的物体,的物体,维恩设计的黑体维恩设计的黑体三三.黑体黑体(black body)1.黑体:黑体:黑体是理想化模型,黑体是理想化模型,能能完全完全吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射而无反射 小孔空腔小孔空腔即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的 也小于也小于 99%。电磁波射入小孔后,电磁波射入小孔后,很难再从小孔中射出。很难再从小孔中射出
12、。演示演示黑体模型黑体模型(KG041)18 2.基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律:辐射定律:123黑黑T这表明:这表明:1)黑体)黑体光谱辐出度光谱辐出度最大最大2)好的辐射体也是好的吸收体)好的辐射体也是好的吸收体3)若)若M 黑体黑体已知,则已知,则在平衡热辐射时,有规律:在平衡热辐射时,有规律:利用黑体可撇开材料的具体性质,来普遍利用黑体可撇开材料的具体性质,来普遍与材料无关与材料无关地研究热辐射地研究热辐射本身的规律。本身的规律。19一个黑白花盘子的两张照片一个黑白花盘子的两张照片室温下,反射光室温下,反射光1100K,自身辐射光,自身辐射光思考思考 非洲沙漠人为何穿黑
13、袍?非洲沙漠人为何穿黑袍?黑色的黑色的M 和和 均较白色的大均较白色的大(KG040)演示演示20四四.黑体辐射谱(即黑体辐射谱(即M 关系)关系)的规律的规律 1.黑体辐射测量的实验装置黑体辐射测量的实验装置黑体黑体 热电偶热电偶 测测M (T)光栅光谱仪光栅光谱仪T 对黑体加热,会放出热辐射。对黑体加热,会放出热辐射。通过光栅可得到黑体辐射的频谱。通过光栅可得到黑体辐射的频谱。通过热电偶可得到黑体辐射的光谱辐出度。通过热电偶可得到黑体辐射的光谱辐出度。212.黑体辐射谱的实验规律黑体辐射谱的实验规律不同温度下的黑体辐曲线不同温度下的黑体辐曲线曲线与横轴围的面积就是曲线与横轴围的面积就是M(
14、T)钨丝和太阳的热辐射曲线钨丝和太阳的热辐射曲线利用太阳热辐射的小事例(略)利用太阳热辐射的小事例(略)M 10-8 W/(m2 Hz)/1014Hz可可见见光光区区钨丝钨丝M /(10-8 W/(m2 Hz)太阳太阳M /10-9 W/(m2 Hz)/1014Hz22M (10-8 W/(m2 Hz)/1014Hz1)维恩位移定律)维恩位移定律 m=C TC =5.8801010 Hz/K或或1893年由理论推导而得年由理论推导而得 m3.黑体辐射定律黑体辐射定律(Wien displacement law)测测 m=510nm,得得 T表面表面=5700K设太阳为黑体,设太阳为黑体,232
15、)斯特藩)斯特藩 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 Stefan(德)(德)Boltzman(奥)(奥)斯特藩斯特藩 玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量 斯特藩斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。1879年斯特藩从实验上总结而得年斯特藩从实验上总结而得1884年年玻耳兹曼玻耳兹曼从理论上证明从理论上证明24 辐射的振子模型辐射的振子模型五五.经典物理学遇到的困难经典物理学遇到的困难(n=1,2)问题:问题:如何从理论上找到符合实验的函数式如何从理论上找到符合实验的函数式?著名公式之一:著名公式之一:维恩公式维
16、恩公式1896年从热力学理论及实验数据的分析而得。年从热力学理论及实验数据的分析而得。,为常量为常量 空腔壁产生的热辐射,空腔壁产生的热辐射,可想象成以壁为节点的可想象成以壁为节点的许多驻波。许多驻波。251911年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖获得者奖获得者 维恩维恩德国人德国人Wilhelm Wien1864-1928热辐射定律热辐射定律的发现的发现 维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好,维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好,但在但在低频段明显偏离实验曲线。低频段明显偏离实验曲线。26 著名公式之二:著名公式之二:瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 1900年从经典电动力学和统计物理学理论年从经典电
17、动力学和统计物理学理论(Rayleigh)(Jeans)单位频率间隔驻波数多单位频率间隔驻波数多 能量能量“紫外灾难紫外灾难”!该公式在低频段与实验曲线符合得很好。该公式在低频段与实验曲线符合得很好。(能量均分)推导而得。(能量均分)推导而得。27英国人英国人Lord Rayleigh1842-1919氩的发现氩的发现1904年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖获得者学奖获得者 瑞利瑞利28 由经典理论导出的由经典理论导出的 M (T)公式都与实验公式都与实验 “物理学晴朗物理学晴朗 天空中的一朵天空中的一朵 乌云乌云!”曲线不完全符合!曲线不完全符合!这正所谓是这正所谓是/1014HzM (10-9
18、 W/(m2 Hz)029 1900.10.7实验物理学家实验物理学家鲁本斯鲁本斯(Rubens)给给维恩公式维恩公式瑞利瑞利 金斯公式金斯公式普朗克普朗克带来了热辐射理论与实验比较的信息。带来了热辐射理论与实验比较的信息。当晚当晚普朗克普朗克就用就用内差法内差法搞出了一个公式:搞出了一个公式:六六.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 很大时很大时可改写成可改写成 很小时很小时分母展开分母展开 可引入另一个常量代替可引入另一个常量代替 和和 ()令令30普朗克公式普朗克公式普朗克引入了普朗克引入了常量常量h,并把并把()式写成为:式写成为:(Planck form
19、ula)()就是热辐射的正确公式。就是热辐射的正确公式。鲁本斯鲁本斯把这把这“幸运地猜出来的内插公式幸运地猜出来的内插公式”同最新的同最新的该公式在全波段与实验结果该公式在全波段与实验结果实验结果比较,发现:实验结果比较,发现:(1900)在维恩公式的分母上加(在维恩公式的分母上加(1),),对对 很大时的很大时的维恩公式无影响,维恩公式无影响,但由此却可在但由此却可在 很小时过渡到很小时过渡到瑞利瑞利 金斯公式。金斯公式。惊人地符合!惊人地符合!31“一定要不惜任何代价,找到一个理论根据一定要不惜任何代价,找到一个理论根据”。普朗克认为:普朗克认为:才能避免才能避免“紫外灾难紫外灾难”。(2
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