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理学论文范文:近代物理学与经典物理学
近代物理学与经典物理学
| 文章出自:论文格式范文网 | 编辑:论文格式 | 点击: | 2012-08-09 13:59:58 |

  近代物理学教学应该紧密联系实际,使得学生在理论与实际的结合中理解和应用相关知识.这里的实际包括物理学发展历史、客观困难、自然现象、现代生活和科学实验等等。
  近代物理学作为所有物理学专业的必修课程,一直受到各级各类学校的高度重视,它是物理学专业大学高年级学生了解物理学概况的一门重要课程.通过这门课程的学习,应该使学生对物理学的发展概况、近代物理学的两大支柱、近代物理学思想的萌芽、近代物理学涉及的学科领域等有一个清晰的了解.为此,为搞好的教学,特作出如下阐述。
  历史过程任何一门课程均要讲绪论课,但是课程的绪论课尤为重要.从初中、高中到大学低年级,学生所涉及到的物理学内容均为经典物理学范畴,经典物理学理论在宏观低速范围内已是相当完善,正如19世纪末一些物理学家所描述的那样:作机械运动的物体,当运动速度远小于真空中的光速时,准确地遵从牛顿力学规律;分子热运动的规律,有完整的热力学和统计力学理论;电磁运动的规律有麦克斯韦方程加以描述,光的现象有光的波动理论(最后也归结为麦克斯韦方程)来说明。
  这些物理学上的成就使得当时一些物理学家更是作出结论:整个物理世界的重要规律都已发现,以后的工作只是重复前人的实验,提高实验精度,在测量数据后面多添加几位有效数字而已.正因如此,为何在学完经典物理学以后还要继续学习近代物理学,如何引入近代物理学就显得格外重要。
  毫无疑问,近代物理学的产生是物理学史上号称在物理学晴朗的天空上"两朵小小的乌云"造成的,正是这"两朵小小的乌云"引发了物理学的一场大革命,这"两朵小小的乌云"即黑体辐射实验和迈克尔逊-莫雷实验。
  1900年,为了解释黑体辐射实验,普朗克提出了能量子的假设,导致了量子理论思想的萌芽,接着光电效应、康普顿效应以及在原子结构等一系列问题上,经典物理都遇到了无法克服的困难,通过引入量子化思想,这些问题又都迎刃而解,这就导致了描述微观世界的理论-量子力学的建立;而迈克尔逊-莫雷实验,否定了经典电磁理论的以太假说.1905年爱因斯坦在前人实验的基础上,大胆地抛弃"以太"假说,提出了相对论的两点基本假设,建立了描述高速(接近光速)运动的基本理论-相对论,确立了崭新的时空观。
  相对论和量子力学是近代物理的两大支柱,也是课程教学的最基本内容.前者解决高速问题,后者描述微观世界.在经典物理十分成熟、完善的情况下引入近代物理学,毫无疑问必须强调如下问题:
  经典物理学的适用范围是宏观低速运动;19世纪末20世纪初,物理学已经发展到研究微观现象和高速运动的新阶段;新的研究范畴必须引入新的理论.这样,近代物理学的出现也就顺理成章了。
  经典物理学的困难尽管前面已经强调经典物理学的适用范围是宏观低速运动,但碰到微观高速问题人们仍习惯于首先用已经非常熟悉的经典物理学理论去解决,物理学家尚且如此,大学生们更不例外.无疑用经典物理学思想去思考、去解决微观高速问题最终必将以失败而告终。
  然而,在课程的教学过程中,有意识地首先让经典物理学去碰壁,去得出矛盾的结论、错误的结果.然后,引出近代物理学的有关理论,问题最后迎刃而解。
  这样做必然给学生以震撼,有利于学生尽快打破经典物理学思想的束缚,接纳近代物理学的有关理论,同时激发学习近代物理学的强烈愿望和兴趣。
  黑体热辐射实验,瑞利-琼斯把统计物理学中的能量按自由度均分原理应用于辐射情况,得出瑞利-琼斯公式,根据该公式描绘出单色辐射本领随波长、温度变化的理论曲线,对比黑体热辐射实验曲线,尽管在长波区符合得很好,然而在短波区却趋向于无穷大,完全与实验曲线不符,从而出现"紫外区的灾难"。
  维恩用辐射按波长的分布类似于麦克斯韦分子速度分布的思想,得出另一理论公式-维恩公式,描绘出的理论曲线在短波段与实验曲线符合得很好,在长波段却严重偏离实验曲线,再次以失败而告终.唯有德国物理学家普朗克打破经典物理学思想的束缚,大胆抛弃了经典理论中关于"能量连续辐射"的传统观念,提出一个革命性的假设-能量量子化假设,得到一个理论公式-普朗克公式,由该公式描绘出的理论曲线与实验曲线却是惊人的一致。
  光电效应实验,按照经典电磁理论,光电子的初动能应该与光强有关,因为光强增加意味着电磁波的振幅增加或能量增加,因此光电子应当获得更大的处动能,而实验结果却是光电子的初动能与光强无关,只与光的频率有关.按照经典电磁理论无法解释截止电压随频率线性增加这一现象,因为经典电磁理论中电磁波的能量与频率无直接联系.按照经典电磁理论,不存在光电效应红限频率,因为经典电磁理论中电磁波能量是直接与振幅联系的,而不是与频率、波长联系,那么,红限应当对应于光强的下限而不是频率的下限,只要光强足够强,总可以使电子获得足够的能量而逸出,但实验结果却恰恰相反.按照经典理论,光电子逸出时间与入射光光强有关。
  从经典电磁理论来看,光强减弱时,响应速度应减少,因为这时要聚集到将一个电子打出金属表面所需的能量应花更多的时间,而实验中却发现,光电子的发射时间与光的强弱无关,只要光的频率大于红限频率,则不论光强如何,从光开始照射直到金属表面逸出电子所需时间不超过9s-10s。
  上述经典电磁理论与实验结果的矛盾,使得经典理论碰到了无法逾越的困难.唯有在1905年,爱因斯坦打破经典物理学思想的束缚,在普朗克"能量子"假设的启发下,提出光能是以聚集成一颗颗的能量量子的形式在空间传播,后来人们把这种物质称为"光子",并假设每个光子的能量ε与光的频率υ有关,即:ε= hυ.在此基础上进而提出爱因斯坦光电效应方程:12mv2= hυ- W0。
  由此,光电效应中的所有矛盾和问题全部迎刃而解.上述两个例子充分说明,在微观世界或高速运动的问题当中,经典物理学是无能为力的,它会碰到这样或那样的矛盾和困难,充分展示经典物理学的困难,无疑会极大地增加学生对近代物理学的认同感,在这一研究范围,近代物理学和经典物理学形成了对与错、成功与失败的鲜明对比,这一点无疑将给学生留下深刻的印象,这样做,对于增强学生对近代物理学的求知欲,从而达到提高教学质量、增强教学效果的最终目的,将起到至关重要的作用。
  两大支柱近代物理学涉及的学科领域众多,包括相对论、量子力学、原子与原子核物理、固体物理、材料物理、粒子物理、天体物理等。
  面对众多的物理学分支学科,一门课程实难包罗万象、面面俱到.但是,近代物理学的基本内容是它的两大支柱-相对论和量子力学,正是因为有了相对论和量子力学,才导致了其他近代物理学分支学科的出现,同时,相对论和量子力学也在这些物理学的分支学科得到了最根本的应用.因此近代物理学的教学最重要的是对相对论和量子力学开展教学。
  经典物理学和近代物理学本来就是以相对论和量子力学的基本观念作为划分标准.以牛顿绝对时空观和拉普拉斯决定论因果关系为基础,能够在时空中给出直观而且实在的描述的物理学属于经典物理学;以爱因斯坦相对论时空观念或统计性因果关系为基础的物理学则属于近代物理学.近代物理学按其基本观念又可分成三大部分。
  采用相对论时空观念,但保留时空中的直观描述和决定论因果关系的,称为相对论物理学;采用统计性因果关系和概率波的描述,但保留决定时空观念的,称为非相对论性量子物理学;既采用相对论时空观念又采用统计性因果关系和概率波描述的,称为相对论性量子物理学。

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