相对论时空观--"低速到高速"之二

1奇特的光速 牛顿力学的失效首先来源于光速的奇特性,即光速与光源的运动无关.例如,在匀速前进的车厢内,在中央吊一光源(图1),它向四外发光.在车厢内测量,光源是静止的,向各方向传播的光的速率是相等的.如果在地面上测量,光源是运动的.实测结果,不但各个方向光的速率相等,而且这一速率和在车厢内测得的光的速率也相等,都是3×108m/s.光速的这一特性也可以说成是光速与参考系无关.这一特性完全背离了伽利略速度变换,从而根本上动摇了牛顿力学的基础而使之失效.     

光速测定的历史过程及在物理学上的意义

在课本上只介绍了迈克耳孙的测光速的方法，其实在物理学史上对光速的测定有很多的方法，从简单到复杂，测量精度不断的提高．并且对光速测定不仅是为了得到一个光速值，对当时光的本性的争论也起一个“判决”的重大作用．下面笔者从物理学史的发展角度来看一下光速测定的过程和意义．这样不仅可以拓宽知识面，也可以真正了解物理学上对光速测定的过程．     

狭义相对论的逻辑结构和解释──从单程光速和同时性问题谈起

一、问题的提出 在现有的狭义相对论体系中,在单程光速测量和不同地点的同时性定义之间存在着逻辑循环,因而实验只能测量光的往返平均速度,只证明了这种双程光速在惯性系中具有恒定性,这一点已有不少人在不同程度上指出.爱因斯坦早在1911年和1916年就曾承认过这一点.但他没有作进一步的分忻.相反,由于爱因斯坦用光来定义同时性,从而得到的“同时性的相对性”一直被看作是突破牛顿时空观念的关键和相对论的“精髓”所在,就使得逻辑循环问题被淹没了.爱因斯坦本人不但后来不再提起这个问题,而且他有些论述实际上是否定了前面的看法.这就使人们…     

邮票上的物理学史(14)--物理光学的发展

光学是和力学同样古老的学科.前面我们已经结合邮票,介绍过伊本.海赛姆、伽利略、牛顿、惠更斯和哈密顿对光学的贡献.邮票上记载着,在牛顿以后到19世纪中叶麦克斯韦提出电磁理论前后这一段时期内,物理光学有以下几方面的进展.     

光速的测量史

 光速是指真空中电磁波的传播速度,它是物理学中最重要的常数之一。人们最初是通过测量可见光的传播速度测得它的数值的,目前国际公认值是Ｃ＝２９９７９２４５８米／秒。光速是人们最早测量的物理常数,对光速测量方法的进展,不仅标志着光速在准确度上的不断提高,还充分反映了近代物理及其实验方法的惊人发展。人们对光速的测量可以分为以下两个阶段。１．１６７６年～１９２９年的２５０多年在这一阶段,人们确定了光速的有限性,并对光速进行了初步测量。１７世纪以前,天文学家和物理学家认为光速为无限大,宇宙中恒星发的光是瞬间到达地球的。     

世界物理年发行的物理邮票

《邮票上的物理学史》书中所收邮票到2004年发行的为止．2005年是世界物理年，各国又发行了不少以物理学和物理学家为内容的邮票和邮品．     

集邮与物理教学

 集邮是各种集藏活动中参与人数最多的一种．小小的邮票,以其斑斓的色彩、美丽的画面和无所不包的内容吸引了千千万万集邮者．中国号称有２０００万集邮者,３６０万集邮协会会员,其中多数是青少年和各级学校学生．他们怀着极大的兴趣,坚持收集和鉴赏邮票,乐此不疲．爱因斯坦说过,兴趣才是最好的教师,它远远超过责任感．如果我们能够对学生加以引导,向他们介绍有哪些与物理学有关的邮票,解释邮票的内容,评论邮票的设计,使他们把对集邮的兴趣与学习结合起来,寓教于乐,寓学于乐,一定会在教学上收到很好的效果．邮票上有丰富的物理学知识邮票的画面有很丰富的内容．     

邮票上的物理学史(54)--曼哈顿计划·核武器的发展(续)

美国在 1 995年发行的纪念二战胜利 5 0周年的邮票中 ,原计划有一张原子弹爆炸的邮票 ,但是日本政府抗议 ,说这会伤害日本的民族感情 .于是美国邮政当局便取消了这张邮票 ,代之以杜鲁门总统宣布日本投降的邮票 .可这样一来美国人又不干了 ,一家美国邮商为了表示抗议 ,便用原来的邮票图案印制了一张封口纸 (图 1 2 ) .封口纸上是原来邮票上的文字“原子弹结束了二战”.广岛和长崎的无辜死难平民 ,无疑值得同情 .但是事情有它的前因后果 .没有日本军国主义的疯狂侵略 ,没有九一八事变、芦沟桥事变和珍珠港事件 ,何来广岛和长崎被炸 ?有的人只…     

邮票上的物理学史——光谱学的建立

光的波动说确立之后，人们知道光谱中的不同成分对应于不同的频率（波长），并且测量了不同色光的波长整个可见光光谱的宽度，从红光到紫光，大约一个倍频程图１为西班牙１９６９年发行的纪念在马德里召开的第１５次国际光谱学会议的邮票，画面是可见光谱发现天王星的英国天文学家Ｗ赫舍尔首先指出光谱超出可见光的范围，１８００年，他用水银温度计做接收器，证明了红外线的存在图２是英国１９７０年发行的纪念皇家天文学会成立１５０周年的邮票，左边手中拿星图的是Ｗ赫舍尔，他是皇家天文学会的创始人和第一任会长，右边是他…     

1849年7月:菲佐发表光速实验的结果

<正>(译自APS News,2010年7月)光速在物理学上是最为确立的数值之一,它被测得的值非常精确,所以现在的米以它来定义。但在17世纪之前,大多数的科学家,包括如开普勒(Johannes Kepler)和笛卡儿(Rene Descartes)等大师都认为光速是无穷快的,可以瞬间行走任何的距离。伽利略(Galileo Galilei)是最先对此假设提出质疑,并试着以实验方法测量光速的科学家之一。以现在的标准来看,伽利略的方法极为简陋。他自己站在一个山     

关于《邮票上的物理学史》

经过6年半时间,《邮票史上的物理学史》终于在本刊上连载完了,这是本刊时间最长的连载．在此期间,一些师友对我说,他们对这个连载很感兴趣;我和编辑部也收到一些读者来信,表示嘉许;我在几个会议上遇到一些同行,本来并不认识,但是一谈起《邮票》,知道我是它的作者,大家就立刻近乎起来了．许多迹象表明,读者对这个连载的反应是正面的．现在连载登完了,编辑部让我向读者汇报一下写作过程中的一些考虑．     

力学运动定律的矛盾法则

牛顿运动定律是经典力学的基础,直到现在还可以这样说,以牛顿运动定律为基础的经典力学应用于速度远小于光速而体积远大于所谓“基本粒子”的一切客体上,具有相当的精确度,因此,牛顿运动定律在现代科学技术和日常生活中仍占有十分重要地位,也是中学和大学理工科有关教材中不可缺少的基本内容.正因为牛顿运动定津应用得如此广泛,所以对牛顿运动定律运用辩证唯物主义进行再认识,也就非常必要. 牛顿定律在哲学上存在的问题,是它的明显的形而上学、唯心主义观点.关于牛顿力学中绝对时空及其“第一次推动”等形而上学、唯心主义观点的批判许多人…     

邮票上的物理学史--牛顿的两个伟大的同时代人

荷兰为纪念奥仑治王室的威廉三世入主英国300周年,于1988年发行一套邮票,其中一张(图1)上面有惠更斯和牛顿的名字和业绩,因为惠更斯和牛顿的晚年正处于威廉三世和皇后玛丽执政的时期(1688～1702年).威廉原是尼德兰(即荷兰)联省共和国执政,与英国王室有亲戚关系.由于原来的英王詹姆斯二世专横暴虐,不得人心,其反对派便邀请威廉干预.威廉率军在英国登陆,几乎未遇抵抗,便进入伦敦,詹姆斯二世逃往法国,威廉继位为王.牛顿正是在詹姆斯被推翻并流亡之后,于1689年当选为国会议员的.在这张邮票上,牛顿的业绩用太阳光谱代表,惠更斯的业绩用摆的运动和土星光环代表.     

光速的启示

对狭义相对论建立之前的光速测量历史做了回顾，指出其光速测量环境是空气或折射率n≈1的介质．对当代科学研究的前沿——超光速和极慢光速研究做了研究性综述，指出对科学伟人的工作，评价要充分，但不能“神化”，要有科学精神；对科技大师，要学习其思想、风格和方法．物理实验得出物理定律时具有局限性；直觉思维在科学研究中具有重要性；科学发展具有动态性。     

深入浅出 循循善诱 突破难点

牛顿运动定律是力学乃至整个经典物理的基础．牛顿第三定律表述很简短,但它揭示了物体与周围其它物体相互作用的关系,指出了力的相互性和同时性．要求学生正确地掌握和深刻理解牛顿第三定律,对于正确地进行物体受力分析,进而应用牛顿第一定律和牛顿第二定律解决问题是十分重要的．本人在多年的物理教学中体会到,许多高中毕业的学生,对于牛顿第三定律的理解存在着许多模糊甚至错误的认识．笔者认识到,牛顿第三定律虽不是教学的重点,却是教学的难点．只有帮助学生突破难点,澄清那些模糊甚至错误的认识,才能使学生对该定律有准确而深刻的理解,为全面理解和掌握牛顿运动定律,     

称量地球质量的人:卡文迪什及万有引力常量的测定——"最美丽"的十大物理实验之二

在牛顿于1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中,第一次提出了万有引力定律.牛顿用这个定律成功地解释了月球的运动,说明了木星的卫星和太阳系行星的运动与月球绕地球的运动都是同一类型的运动,并且他对行星运动的解释与大量天文学观测的数据相符;他用太阳和月球对海洋的万有引力解释了海洋的潮汐;他证明了彗星的轨道是扁长椭圆或抛物线.     

牛顿环干涉实验的改进

研究光的干涉现象可以进一步加深对光的波动性的认识,产生光的干涉的仪器很多,牛顿环仪是一种常见的观察光的干涉的光学器件、用牛顿环仪可以观察到光的等厚干涉,对其干涉条纹有关量进行测量,便可以很精确地测得产生牛顿环干涉条纹的光学元器件的一些特性参数、用牛顿环仪可以测单色光的波长、组成牛顿环仪的平凸透镜的曲率半径,检验物体表面的光洁度和平面度.用牛顿环干涉实验测平凸透镜的曲率半径是大学物理实验中的基本实验.笔者根据多年的教学实践,认为该实验中存在一些问题,而且在数据处理方法上没有一个规范和统一的方法,本文就此进行探讨与研究.     

引力波

一、引 言 万有引力是物质之间一种极为普遍的相互作用.按照牛顿的万有引力定律,自然界中任何两个物质之间都存在着相互的吸引力,这种作用力的大小是与它们质量的乘积成正比,与它们之间的距离平方成反比.但是,在牛顿的引力理论里,认为这种作用的传递是不需要时间的.牛顿的场方程中不包会任何时间的微商项,这就意味着物质分布的改变将立即引起空间各点引力势φ的变化,即引力作用的传递是“瞬时”的.换句话说,即引力相互作用的传播速度为无穷大,而这是与狭义相对论关于任何物理效应都不能快于真空中光速的要求相矛盾的.1916年,爱因斯坦提出了…     

从相对论看牛顿三定律

牛顿的第一、第二和第三定律,是整个经典力学的基础,而经典力学在工程技术上有广泛的应用,但经典力学只适用于研究低速的宏观力学现象,当研究对象的大小接近原子的大小时,就要改用量子力学;当物体对观察者的速度接近于光速时,就要应用相对论力学,相对论的运动规律把经典力学作为它在低速情况下的     

从物理学史的角度谈与牛顿第二定律有关的几个问题

新课程要求认识物理实验在物理学中的地位和作用，强调学生通过探究过程来获取知识，而不是学生顺着教师预定的途径去思考问题或直接把学生径直引向答案．现行高中新课程物理教材大都设计了探究力、质量、加速度之间的关系的内容，主张让学生在相关实验的基础上，得到牛顿第二定律的表达式．本文中，笔者将尝试对与牛顿第二定律有关的学史内容和教学方法进行梳理，并对现有的“探究教学”提一些粗浅的想法．