《科学发展简史》单元辅导（4）第十二章20世纪初的物理学革命一、学习目标和要求1.了解19世纪末物理学的重要成就。2.理解现代物理学的两大理论基石：相对论和量子力学。3.掌握物理学革命的意义后果。二、重点与难点分析本章的重点是19世纪末物理学的重要成就、相对论和量子力学、物理学革命的意义后果。下面分别进行分析：（一）电子、X射线和天然放射性的发现19世纪的力学、光学、热学、电磁学取得了光辉的成果，但在物理学晴朗天空的远处，尚有两朵小小的令人不安的乌云，这就是当时的物理学无法解释的热辐射实验和迈克尔逊—莫雷实验。正是这两朵小小的乌云和19世纪末一系列新的实验，降下了20世纪物理学革命的暴风骤雨，并使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。1．20世纪初的物理学革命物理学革命首先是由电子、X射线和天然放射性的发现引起的。“电子”一词，最早使用在1891年，是英国科学家斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人类发现的第一代基本粒子。英国著名物理学家汤姆生等对电子的发现作出了自己的贡献。1876年，德国物理学家戈德斯坦提出，普留卡利用盖斯勒管进行放电实验时，看到的玻璃管壁上辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线引起了物理学家们的极大兴趣，这分别导致了电子和X射线的发现。英国著名物理学家汤姆生认为阴极射线是带负电的微粒，他利用阴极射线既可被磁场偏转又能为电场所偏转的联合作用，在1897年实验测定了阴级射线带负电的微粒的速度、电荷(e)、质量(m)和荷质比(e／m)，证明不论管中电极用什么材料制成或充以何种气体，生成的带负电的微粒的荷质比都一样，说明了这种微粒是各种原子的共同组成部分，汤姆生把这种微粒叫做电子。而X射线的发现主要归功于德国人伦琴的工作，伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。1895年，他发现了高真空管放电时能产生X射线的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有见过的新东西。1896年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现了铀元素的天然放射性。它能使不透光的底片暴光。著名的法国科学家皮埃尔·居里和他的妻子玛丽·居里，经过多年的研究和实验，发现了钍、钋、镭的放射性。电子、X射线和放射性现象，这三大发现是19世纪末物理学的重要成就。在此基础上，20世纪初产生了原子物理学。英国物理学家汤姆生，在证实了电子的存在以后，于1904年，提出了他关于原子结构的“面包夹葡萄干”的原子模型。英国人卢瑟福在1911年经过实验，得出结论：原子中有一个非常非常小的核，它集中了原子99.99%的质量。他提出了原子有核模型---行星模型。电子、X射线和放射性现象的三大发现打开了经典物理学的缺口，从根本上改变原来的自然观，猛烈冲击着物理学的物质、质量、能量、运动、原子、元素等基本概念，经典物理学中的质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律面临严峻考验，物理学的革命风暴来临了。（二）爱因斯坦的相对论1876至1887年间,美国物理学家迈克尔逊和莫雷以寻找以太为目的的实验得到了否定以太风存在的“负结果”。19世纪到20世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦创立了具有划时代意义的相对论学说。他在1905年发表的《论动体的电动力学》一文中首先创立了狭义相对论。他在这篇论文中大胆地提出了两个基本假设：即狭义相对论的相对性原理和光速不变原理爱因斯坦从相对论的基本原理和洛伦兹变换得出了狭义相对论的一系列结论：1．同时性的相对性；2．时钟延缓；3．长度缩短；4．物体的质量随速度变化；5．质能相关（这一结论奠定了利用原子能的理论基础）。同时还得出，物体的运动速度V不可能大于自由空间中的光速C。爱因斯坦建立的狭义相对论揭示了既适用于低速运动又适用于高速运动的规律。狭义相对论建立以后,不断受到了实践的检验和证实。爱因斯坦还把相对论原理推广到非惯性系(加速运动的参考系)中，并在1907年提出了广义相对论的基本原理。按照这些原理,爱因斯坦又在1916年建立了广义相对论的引力场方程，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布。爱因斯坦还从广义相对论作出了...