第四章 物理学革命

第四章：物理学革命

第一节经典物理学的顶峰与危机

由于19世纪技术革命的巨大成功，使资本主义生产力得到空前提高，在当时的社会中洋溢着自信与陶醉。就自然科学而言，经典物理学是19世纪末发展得最完善的学科。牛顿力学是整个物理学的基础和典范，电磁现象也被看成是“以太”的机械运动，并利用力学原理来研究。声、光、热、电、磁等各种自然现象都通过牛顿力学而得到解释。经典物理学及其认识方法被视为科学发展所能达到的最完美形式，似乎物理学的天空已经是阳光普照，未来的工作只是在若干部位作些小小的修饰或者将测量精度再提高几个数量级。但是历史的发展毕竟是无情的，在物理学的万里晴空中出现了几朵乌云，这些用经典物理无法解决的问题，正是科学革命的引路者。

首先是迈克尔孙一莫雷实验的“零结果”。按照牛顿力学的观点，波的传播是需要媒介的，比如空气就是声音传播的媒介。测定声波的传播速度也是通过一个观察者和一个相应的参考系来完成的。然而光波似乎比较特殊，当我们说真空中的光速是2．997925X108m／s时，我们并不清楚这个速度是相对于哪个参考系的。但对于19世纪的人来说，要接受光的传播不需要媒介是很困难的，于是人们设想在地球和太阳之间

充满着—一种特殊的物质——以太，它充当地球和太阳之间引力和光的传播媒介。按照常识以及经典物理学的推论，以太具有这样的性质：它的密度为0，因为人在以太中运动并没有感觉到阻力；它是完全透明的，光波可以不受阻拦地传播；它又有很强的刚性。以太的这种特殊性质，使寻找以太成为很重要的工作。假如以太存在，那么既有自转又有公转的地球在以太中运动时，地球上的观察者就应能感受到“以太风”，它相对于地球的速度约等于地球公转的速度u＝30km／s。迈克尔孙(A．A．Michelson，1852—1 931)与莫雷(E.W．Morley，1836—1923)发明了一种于涉仪，能通过观察干涉条纹的移动来测量这个速度。

1887年迈克尔孙和莫雷开始他们的实验。他们将干涉仪安装在很重的石台上以维持稳定，并将石台悬浮在水银里，使它能平稳地绕中心轴转动。按照当时的设计精度，只要条纹有百分之一的移动就能被探测到。他们连续观察了一年，但是实验结果是：根本观察不到条纹的移动。迈克尔孙和莫雷当时失望地宣布他们的实验“失败”了。虽然以后不同的科学家(包括迈克尔孙本人)一再重复这个实验达50年之久，但结果依然没有改变。由于这与经典物理学的一些基本原理相抵触，所以引起了人们的广泛关注，有人已经开始怀疑经典物理学的适用范围了。

另一个问题是对黑体辐射实验的解释。物体因为它的温度而发出的

辐射称为热辐射。所有的物体都向四周发出这种辐射，也从周围吸收这种辐射。但有一类物体，不论它们的组成成分如何，它们在相同的温度下发出同样形式的光谱，这类物体的表面吸收所有的热辐射。由于它们不反光，所以看起来是黑的。实验室中使用的黑体是一个有一个小开口的空腔，空腔外面的辐射能通过小孑L进入空腔，经过多次反射后，能量几乎完全被腔壁所吸收，因此小孔的行为和黑体是一样的。如果我们给腔壁均匀地加热，那么小孔也将往外发射热辐射，它的特性应该和黑体辐射是一样的。玻耳兹曼早就发现，黑体的辐射能力和它的绝对温度的四次方成正比，而与黑体的形状、大小、材料没有关系。1896年维恩(Wien，1864—1928)根据实验数据得出一个经验公式，用来描述辐射的能量密度和温度、波长之间的关系，这就是维恩位移定律：

从这个公式可以看出，随着黑体温度的上升，对应着它所发射光线的最大亮度的波长将变短，并向光谱的紫色区移动。但通过与实验的比较，上述公式与实验结果在短波部分与试验曲线相吻合，在长波部分却低于实验值。而且维恩本人也未对公式中两个常数A和B作出理论说明。1898年瑞利(T．B．Rayleigh，1842—1919)与金斯(J．H．Jeans，1887 ～1946)开始严格按照经典热力学和统计力学原理，从理论上来推导一个

公式：

（其中k是波尔兹曼常数，T是黑体的绝对温度）

他们所得的公式在长波部分与实验能较好地吻合，但随着频率的增加，经典理论的结果与实验结果有了巨大的分歧。在频率很高的时候，经典公式指出了无穷大的能量密度，而实验却显示出能量密度趋向于零。经典物理的这一完全错误的预言，被认为是一个严重的缺陷，这在历史上被称为“紫外灾难”。由于瑞利一金斯公式是严格按照经典理论推导出来的，所以它的失败注定会引发物理学的革命。

事实上19、20世纪之交的经典物理学已是危机四伏，1895年伦琴(W．K.Rontgen，1845～1923)发现了X射线，1896年贝克勒尔(A．H．Becquerel，1852—1908)发现了铀的放射性，1897年J，J汤姆逊(J．J．Thomson，1856～1940)发现了电子。这些发现猛烈地冲击了牛顿力学的物质、能量、运动等基本概念。面对这些用经典理论无法解释的新问题，许多科学家震惊不已，有的人设法进行一些修修补补，但总不能奏效。有的人则敢于冲破传统观念的束缚，从而开辟了物理学发展的新纪元。20世纪的科学革命就是在这样的背景下拉开帷幕的。

第二节相对论的诞生

2.1拯救以太

一条简单的解释迈克尔孙一—莫雷实验的途径是，假设在任何惯性参考系中的所有方向上光的速度都相同，并且就是c。但是这样的结论不能与伽利略的速度变换公式保持一致，并且从当时经典物理学的观点来看也过于荒诞。假如测得的光速与观察者的运动无关，那么所有的惯性系对光的传播都是等效的，因此也就不存在任何实验能明确指出的独特的惯性系，即以太的存在。然而牛顿力学必须借助以太才能解释电磁现象。为了解释迈克尔孙一莫雷实验所得的“零结果”，而又保留以太参考系，爱尔兰的物理学家菲兹杰拉德(G．F．FitzGerald，1851—1901)和荷兰物理学家洛伦兹(E．N．Lorenz，1917一)都独立提出了收缩假说，即物体在以太中运动时在运动方向上的长度要收缩，收缩的比率为：

如果在运动方向上的长度缩短了，那么时间也会相应地缩短，所以t1＝t2，也就观察不到干涉条纹的位移了。在当时，收缩假设也是近于荒诞的假说了，因为这个收缩不是任何力作用的结果，而只是表现为运动的一种伴随效应，但洛伦兹仍然大胆地将这个假说应用于它的电磁理

论中。在提出收缩假说之后，洛伦兹进一步探讨了以太和地球的相对运动对其他电磁现象和光现象的影响。经过数年的努力，他在1904年得到一组新的数学关系式，运用这组关系式后，麦克斯韦方程的形式在相对于以太静止的坐标系和相对于以太运动的坐标系中都是一样的，这组关系式被后人称为“洛伦兹变换”。

在洛伦兹的新理论中，相对性原理是成立的。一个观察者不管他是静止于以太的系统中，还是在相对于以太作匀速运动的系统中，观察到的电磁现象都是一样的，他完全没有办法将这两种状态区分开来。这样，通过洛伦兹的努力，人们对以太的认识达到了这样的高度，即对于描述物理过程来说，以太已经是一个不必要的假设了。以太理论的高度发展，结局却是使它不再是一个基本的概念了。然而洛伦兹仍然迷恋于“以太处于绝对静止的”的假设，以至于他认识不到已经被自己所证明了的“存在有无数个等价参考系”的物理价值。

与洛仑兹不同，作为数学家的彭加勒(J．H．Poincare，1854—1912)却提出了"相对性原理”。他清楚地看到洛伦兹的观点是站不住脚的，参考系在数学上描述的等价性，事实上就意味着相对性原理的正确性。“相对性原理”是狭义相对论的两条基本假设之一，它可以表述为一切物理定律在所有的惯性系中其形式保持不变。彭加勒是在1904年圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次提出这一原理的。根据这一原理，“物理现象的定律对一个固定的观察者和一个相对于它作匀速运动的观察者必定是相同的。这样一来，我们没有也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段。”

彭加勒不仅提出了相对性原理，他还提出过狭义相对论的另一个假设：“光速不变原理”。他说，如果不同的物体有不同的光速，或者在不同的方向上的光速不同，那么测量光速就成为不可能。毫无疑问，到1903年前后彭加勒手头已经具备了创立狭义相对论的所有必需材料，目为他囿于经典物理学观念的束缚，以至于未能将自己的新思想进一步提高，这对他来说确实是一件憾事。

2.2狭义相对论及其推论

狭义相对论确立的标志是爱因斯坦(A．Einstein，1879—1955)于1905年6月完成的论文《论动体的电动力学》。当时，爱因斯坦认识到

洛伦兹收缩和“地方时”的概念并不仅仅是数学上的技巧，也：不是物理上的幻觉，而正是触及到了空间和时间概念的本质。在论文中，爱因斯坦写道：“没有任何已观察到事实的特性符合于绝对静止的概念……对力学方程成立的所有坐标系来说，相应的电动力学和光学方程也成立。……下面我们用了这些假设(我们以后将称为相对性原理)，同时引出另一个假设——个初看起来与上—个假设不相容的假设——光在真空中以速度c传播，其值与发光物体的运动性质无关。这两个假设完全足以在静止物体的麦克斯韦理论基础上导出运动物体电动力学的简单而又一致的理论。”

概括起来就是这样两条假设：

(1)相对性原理：物理定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系；

(2)光速不变原理：在所有惯性系内，自由空间中光的速度具有相同的值c。

基于这两个公设，爱因斯坦导出了洛伦兹变换方程，再由这个方程出发必然得出在运动方向上长度的收缩、运动时钟的变慢等结论，并得出了新的速度合成公式。

值得一提的是，虽然爱因斯坦导出的变换方程与洛伦兹本人提出的

数学关系式基本一致，但两者的含义却截然不同。洛伦兹提出的数学关系式仅仅是一种数学技巧，他本人并不清楚它的物理意义。而爱因斯坦得到的变换方程却是由两个公设严格导出的，它包含着时空观的重大变革，彻底否定了绝对时间和绝对空间，以及时间和空间毫不相干的传统观念。

根据狭义相对论，可以得出以下一些推论：

(1)同时性是相对的。在一个惯性系中所观察到的两个同时发生的事件，在另一个惯性系中看来可能不是同时发生的。所以同时性并不具有绝对的意义。

如果两个事件在某一个惯性系中的同一时刻t在不同地点x1，x2，发生，那么在另外一个相对于这个惯性系以速度v，作匀速运动的惯性系中来观察的话，则两个事件是在不同的时间发生的：

(2)运动着的物体在它的运动方向上的长度将会缩短。当一个物体相对于观察者静止时，该物体长度的测量值为最大；当它相对于观察者以速度v运动时，在它的运动方向上，该物体的长度的测量值是原来的

倍，而在与它运动方向垂直的方向上物体的大小不受影响。

(3)运动着的时钟将会变慢。当一只钟相对于观察者静止时，钟是走得最快的，当它相对于观察者以速度u运动时，可测得该钟的时率只

有原来的倍。

(4)运动着的物体质量会增加。将相对论中的速度合成公式应用于动量守恒定律，可以得到运动物体的质量变化：

狭义相对论所得出的最有影响的推论当属质能方程：E＝Mc2。这个方程是在爱因斯坦完成相对论论文之后3个月即1905年9月在《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》这篇论文中提出的。在这篇不到3页的论文中，爱因斯坦轻而易举地解释了放射性元素放出巨大能量的原因，为以后人类利用核能提供了理论上的保证。

狭义相对论的很多推论现在已经得到了证明，比如通过加速器可以测量到高速运动的粒子的寿命延长了，质量增加了。

2.3 广义相对论及其实验验证

狭义相对论描述的都是惯性系中物体的运动，但在自然界中惯性系毕竟只是特例，惯性系的这种特殊地位正是狭义相对论的局限所在。这个问题爱因斯坦在完成狭义相对论之后就已觉察到了。为了将相对性原理加以推广，他在190?年的论文《关于相对性原理和由此得出的结论》中提出了广义相对性原理，即自然定律的表达式在任何参考系中都保持一致，不管这种参考系是惯性系还是非惯性系。

现成的非惯性系就是加速度系。爱因斯坦由此联想到伽利略早就发现的基本事实，即一切物体在同一引力场中都具有同样的加速度；物体的引力质量与物体的惯性质量相等。爱因斯坦由此设想在一个空间范围很小的引力场里，引入一个相对于它作加速运动的参考系，那么物体就会像是在没有引力的空间里那样运动，这样引力场就与同参考系相当的加速度在物理学上完全等价了。这一原理就是等效原理。爱因斯坦称发现等效原理是他“一生中最愉快的思想”。经典物理学认为，一个没有受力作用的物体的运动(惯性运动)与物体在引力作用下的运动是不相同的。前者在惯性系内是匀速直线运动，而后者则是曲线路径上的运动，因而是非匀速的。根据等效原理，这个差别就不存在了。因为只要过渡到某一加速参考系，我们就可以把惯性引起的匀速直线运动变为一个曲线的加速运动，而不可能将此加速运动与引力场所产生的运动区别开

来，反过来也一样。这个问题的解决，使人们能摆脱掉绝对空间的概念。

爱因斯坦在建立引力场中物体的运动方程时却遇到数学上的困难。在关键时刻爱因斯坦的同学、数学家格罗斯曼(M．Grosmann，1878—1936)帮了他的大忙。他们用黎曼(G．F．D．Riemann，1826—1866)几何作为时空模型，用张量分析和曲面几何为工具建立了引力场的度规理论。经过艰苦的摸索和多次的失败，终于在1913年共同完成了《广义相对论和引力理论纲要》这篇论文，其中的物理部分是由爱因斯坦执笔，数学部分则由格罗斯曼撰写。至此，广义相对论的大门终于被打开了。在这里，用来描述引力场的不是标量，而是度规张量，即要用10个引力势函数来确定引力场。这是首次把引力和度规结合起来，使黎曼几何获得实在的物理意义。

广义相对论表明：在有引力场存在时，时空是弯曲的黎曼空间，弯曲的程度取决于物质的分布；物质密度越大，引力场越强，空间弯曲得越厉害。这样就可将引力看作是弯曲时空本身，而不再是物体相互作用下的规律。物质造成了时空的弯曲，弯曲又决定了引力场内物体的运动，所以说广义相对论的实质是引力理论。

广义相对论有着优美的理论体系，但它毕竟离现实太远，一般的学者都无从理解如此深刻的内容。为了证明广义相对论的真理性，爱因斯

坦首先通过计算说明了水星在近日点的进动这一困扰科学界多年的难题。水星是距太阳最近的一颗行星。按照牛顿的引力理论，在太阳的引力作用下，水星的运动轨道将是—一个封闭的椭圆形。但实际上水星的轨道并不是严格的椭圆，而是每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动就称为进动。水星的进动速率是每一百年1。33′20"。进动的原因是由于作用在水星上的力，除了太阳的引力(这是最主要的)外，还有其他各个行星的引力。后者很小，所以只引起缓慢的进动。天体力学家根据牛顿引力理论证明，由于地球参考系以及各行星引起的水星轨道的进动，总效果应当是1。32′37"／百年，而不是1.33′20"／百年。二者之差虽然很小，只有43"／百年，但是已在观测精度不容许忽略的范围了。水星的进动是法国天文学家勒维烈发现的。他在发现海王星的启发下，大胆地提出这种现象是由于一颗未知的水内行星对水星的摄动引起的。同年便有人宣称发现了水内行星。并起名为“火神星”，—时间掀起了寻找火神星的热潮。然而几十年过去了，此梦一直未圆。于是人们设想各种因素来解释这种复杂的进动，但始终没有令人满意的理论。爱因斯坦根据广义相对论指出，水星在近日点的进动，是由于在太阳这颗巨大星体周围的空间造成的弯曲引起的，并计算出水星每百年有43.03"±0.03"的进动。

对水星进动的解释仅仅是广义相对论的一个应用。一个理论要得到承认，必须给出一些可供检验的预言。爱因斯坦根据引力场中空间的弯曲指出，光线在通过太阳边缘时将发生1.75"的弯曲。1919年5月29日英国天文学家爱丁顿(A．Eddington，1882～1944)和克罗姆林(A．C．C．Crommelin，1865—1939)分别在非洲和南美洲观察日全食时太阳附近恒星位置的变化，得出光线通过太阳边缘时分别弯曲了1.6",0．31”和1．98"±0．12”，充分证实了爱因斯坦所作的预言。消息传来，立即震撼了欧洲乃至全世界，爱因斯坦也随之声名大振，身价百倍。此后广义相对论又得到了进一步的实验证实，如在引力场中时钟变慢而引起的光谱红移，以及雷达回波经过恒星引力场后的延迟等。

2.4相对论的科学与哲学意义

狭义相对论和广义相对论的建立是人类认识史上的一大革命，它极大地丰富了我们对物质与运动、时间与空间等物理现象的认识。它是人类认识自然的最伟大的成果之一。它的意义不仅在于丰富了我们的科学知识。由于它打破了牛顿绝对时空观的长期束缚，对于人类认识思想和哲学的发展也起到了推动作用。

对于相对论在科学中的地位，玻恩(Max Born，1882—1970)是这么评价的：“1905年诞生的狭义相对论可以公正地看作是科学中古典时期

的结束和新纪元的开始。因为一方面它是以牢固确立的古典物质概念(认为物体在空间和时间上是连续分布的)和自然界因果律(或更确切地讲是决定论)的概念为出发点，但另一方面，它却又导出了革命性的空间和时间概念，给牛顿所建立的传统观念以决定性的批判。这样狭义相对论就给我们开辟了一条认识自然现象的新途径。这在我们今天被看成是爱因斯坦最杰出的功绩，这个功绩把他的工作与他前人的工作区分开来，把现代科学同古典科学区分开来。”

相对论的哲学意义在于：(1)它维护了实在论在科学中的地位。爱因斯坦说，“承认有一个离开知觉主体而独立的外在世界，这是一切科学的基础”。在谈到相对论时他说，“过去人们认为当这个世界上的一切物质都消失后，至少还有时间和空间，而现在当物质消失时，则连时间和空间也没有了。”这表明世界的本原是物质，一切自然现象、社会现象甚至时间和空间都是物质运动的表现形式。(2)它揭示了事物运动的辩证性。在牛顿的经典力学体系中时间和空间是绝对的、静止的，因而是形而上学的。在爱因斯坦的相对论中时空不再是独立的，它与物质的分布和运动状态有关，从而揭示了自然界辩证运动的本质。

第三节量子物理学的建立

3.1普朗克量子假说的提出

自从黑体辐射成为一个研究热点之后，许多科学家都力图从理论上对辐射问题作出说明，虽然大家提出过一系列的数学公式，却总是与实验结果存在着较大的差别。维恩的公式在短波部分与实验相符，瑞利一金斯的公式在长波部分与实验相符，但没有人能说明整个波谱上的辐射。从1895年起，德国柏林大学的教授普朗克(M．Planck，1858-1947)也开始关注黑体辐射问题。他目睹瑞利和金斯将两个热辐射定律结合成一个后在短波范围内出现的荒谬结论，于是他决定从另一条途径出发将斯蒂芬一玻耳兹曼定律和维恩定律结合。通过对几个定律的比较，再结合新的实验事实，普朗克凑出了一个新的公式：

在1900年10月19日德国物理学会的报告会上普朗克公布了他的最新公式。当天晚上他的同事鲁本斯就对这个新的公式进行了验证，结果发现在每一点上都与实验非常地吻合。当处于低频波段时加≤kT，那么分母中的指数函数可以展开为hv／kT的幂级数，并略去高次项就得到：

即瑞利一金斯公式。当处于高频波段时hv≥kT，那么分母中的指数项远大于1，所以分母中的1可以略去，这样就得到：

实际上就是维恩位移公式。这说明普朗克的公式已经包含了他们两者的公式，并且给出了两者之间的过渡方式。

新的分布律的成功反而使普朗克陷入了沉思之中，因为他知道这个公式是他凭借直觉从其他公式中拼凑出来的，缺乏坚实的理论基础。按照经典物理学的解释，空腔中辐射出来的电磁波，是由腔壁中的电子在热激发下振动时产生的。腔壁中振动的电子在它们的运动逐渐减弱时，会连续地向外辐射电磁波。但瑞利一金斯就是根据这个假设来推导辐射公式的，显然不能再从这个角度着手了。为了寻找隐藏在公式后面的物理事实，普朗克进行了8周的艰苦工作。在利用经典理论失败后，他终于向经典能量均分原理提出了挑战，提出了—个革命性的假设：每一个自然频率为v的线性谐振广只能够不连续地吸收和释放能量，能量值必须是最小能量值hv的整数倍。普朗丸把这最小的能量值叫做个能量子。

这就是普朗克的能量子假说。这一假说深刻地揭示了热辐射能量量子化的物理本质，普朗克在1900年12月14日发表的《论正常光谱的能量分布定律的理沦》—文中阐发了能量子的观点，并给出了完整的普朗克公式，现在这一天被视为量子物理学诞生的日子，

3.2光量子理论与波粒二象性

虽然普朗克公式能与实验结果较好地吻合，但因为能量子的概念与传统的理论格格不入，所以普朗克的工作并未得到人们的认可，反而遭到种种非议，以至于普朗克本人也对能量分立的假没表示怀疑。他自已称他的能量子假说是一个“绝望的行动”，并且在以后的10多年中。多次地从自己的理论倒退，并企图重新从经典理论来解释辐射。这样经过15年的徘徊，到1915年他才最终认识到量子理论的重要性。好在并不是所有的人都墨守陈规，爱因斯坦与玻尔(N．H．D．Bohr，1885—1962)等人就率先看到了量子理论的重要价值并将它发扬光大。

最初赫兹在研究电磁波的时候发现，当两个电极中的一个受到紫外线照射时，两个电极之间的放电就比较容易。后来证明紫外线是由于促使阴极表面发射电子而使放电比较容易的，电子在光的作用下从表面发射出来的现象就称为光电效应。

当时人们在研究光电效应时发现这样一些现象：

(1)单位时间内的光电子数与入射光的强度成正比。也就是说入射的光越强，产生的光电子越多。

(2)光电子的初动能与入射光的频率V有关，而与光的强度无关。初动能是指当阴阳极之间的加速电压为零的时候，光电子逸出金属表面时的动能。它可以通过加一个反向电压来测量，随着反向电压的增加，光电子流降低，当它刚好等于零的时候，这个电压称为遏制电压Vs,它和电子电荷的乘积eVs就是光电子的初动能。实验表明，这个初动能(也就是遏制电压)的大小只和入射光的频率有关，同一种入射光，强度增大或变小，都不会影响这个遏制电压的大小。这和传统的波动理论是相违背的。

(3)不同的金属产生光电子时都对应有一个最低频率V0,低于这个频率时再强的光也不会产生光电子。也就是说，对于某个金属，很弱的紫光能打出光电子来，而很强的红光则不能打出光电子来。可是根据经典理论，光的能量正比于光的振幅即强度，而与光的频率无关。所以在对以上这些现象进行解释时经典理论就显得束手无策。

1905年爱因斯坦对普朗克的能量子理论进行了推广。他提出，光子不但具有能量hv，而且还与粒于一样具有动量p=h/λ，这就是爱因斯坦的光量子理论。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量

子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数日虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。把光量子化以后，他很容易地就解释了光电效应的这些奇特现象，并得出了爱因斯坦方程：。

爱因斯坦将光看成是不连续的一份一份的光子，而光子的能量义是通过光的频率来定义的，这样光就同时具有粒子和波两种特性，从而将光的波动说和粒子说统一了起来，揭示了微观客体的波粒二象性．1924年法国年轻的物理学家德布罗意(L.V.de Broglie,1892～1987)在向巴黎大学递交的博士论文中，将波粒二象性从光子推广到所有微观粒子，提出了物质波的假说。5年后，他成为第一个团博士论文而获诺贝尔奖金的物理学家。德布罗意的假设是，辐射既像粒子又像波的两重性同样适用于物质实体，物质的总能量E与伴随它运动的波的频率中间也有E ＝hv；整体的动量户与伴随的波动的波长λ之间的关系是p=h/λ。辐射相当于静质量为零的粒子，物质相当于有一定静质量的粒子。德布罗意的波粒二象性的理论，将人类对物质世界的认识提高到一个新的层次。

大学物理近代物理学基础公式大全

一． 狭 义相对论 1． 爱因斯坦的两个基本原理 2． 时空坐标变换 3． 45（1（2）0 m m γ= v = （3）0 E E γ= v =（4） 2222 C C C C v Pv Pv Pv P E E E E ==== 二． 量子光学基础 1． 热辐射 ① 绝对黑体:在任何温度下对任何波长的辐射都能完全吸收的物体。 吸收比：(T)1B αλ、＝ 反射比：(T)0B γλ、＝ ② 基尔霍夫定律(记牢) ③ 斯特藩-玻尔兹曼定律 -vt x C v = β

B B e e ：单色辐射出射度 B E ：辐出度，单位时间单位面积辐射的能量 ④ 唯恩位移定律 m T b λ?= ⑤ 普朗克假设 h εν= 2． 光电效应 （1） 光电效应的实验定律： a 、n I ∝光 b 、 0 00a a a a e U ek eU e U ek eU e U ek eU e U ek eU νννν----＝＝＝＝ （23、 4 三． 1 ② 三条基本假设 定态，，n m n m h E E h E E νν=-=- ③ 两条基本公式 2210.529o n r n r n A == 12213.6n E E eV n n -== 2． 德布罗意波 20,0.51E mc h E MeV ν=== 22 mc mc h h νν== 电子波波长：

h mv λ= 微观粒子的波长： h h mv mv λλ= === 3． 测不准关系 x x P ???≥h 为什么有？会应用解题。 4．波函数 ① 波函数的统计意义： 例1① ② 例2．① ② 例3．π 例4 例5，，设 S 系中粒子例6 例7． 例8． 例9． 例10． 从钠中移去一个电子所需的能量是2.3eV ，①用680nm λ=的橙光照射，能否产生光电效应？②用400nm λ=的紫光照射，情况如何？若能产生光电效应，光电子的动能为多大？③对于紫光遏止电压为多大？④Na 的截止波长为多大？ 例11． 戴维森革末实验中，已知电子束的动能310k E MeV =，求①电子波的波长；②若电子束通过0.5a mm =的小孔，电子的束状特性是否会被衍射破坏？为什么？ 例12． 试计算处于第三激发态的氢原子的电离能及运动电子的德布罗意波长。 例13． 处于基态的氢原子，吸收12.5eV 的能量后，①所能达到的最高能态；②在该能态上氢原子的电离能？电子的轨道半径？③与该能态对应的极限波长以及从该能态向低能态跃迁时，可能辐射的光波波长？

世纪之交的物理学革命

自然科学刚跨入20世纪，物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。19世纪末，物理学实验上的一系列重大发现，冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念，使原有的经典理论显得无能为力。这一冲击，对当时的物理学家们的影响是很大的。因为19世纪40年代以后，由伽利略和牛顿奠定基础的古典物理学理论，由于海王星和能量守恒原理的发现，法拉第、麦克斯韦电磁理论的辉煌成就以及分子运动论的建立，在科学的各个领域中所向披靡，包罗了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界，从而使当时不少物理学家认为物理理论已接近最后完成，今后只需在细节上作些补充和发展，在小数点第六位上做文章。著名的德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）说：“物理学将无所作为了，至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”世界著名物理学家开尔文（1824—1907）也认为：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但是，他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这就是迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。它们的存在引起许多著名的物理学家的不安。 世纪之交的新挑战 19世纪80年代以后，物理学的经典理论不断完善，与此同时，物理学实验上却陆续发现一些重大的结果。至少有7个重大发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。

第一个实验是1887年赫兹（1857—1894）在验证麦克斯韦（1831—1879）预言电磁波存在的实验过程中，发现了光电效应。按照经典理论，从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关，而与光的频率无关。这一矛盾，赫兹无法解释，但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文，描述了这一现象和结果，向物理学经典理论发起了挑战。 第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望，连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。 第三个实验是1895年伦琴（1845—1923）发现了X射线。这一发现是对“不可入性是物质的固有属性”观念的挑战，也是对建筑在这一观念基础上的经典物理学的有关理论的挑战。 第四个实验是1896年贝克勒尔（1852—1908）发现了放射性辐射（参阅本书第50页）。这一实验结果表明化学元素是能蜕变的，它会变成其他元素，改变了人们一成不变的观念。 第五个实验是1897年汤姆孙（1856—1940）发现了电子。电子的发现和证实，表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客体，指出了经典的物质结构理论的局限性。 第六个实验是1898年居里夫妇发现放射性元素。这一重要发现，同样证明化学元素是要蜕变的，而原子并不是不可分的，它会放射出更小的粒子而改变自己的性质，再次说明经典理论的局限性。

世纪之交的物理学革命

世纪之交的物理学革命 19世纪理论科学的巅峰状态以及其中隐含的危机以物理学最为典型。海王星的发现显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”有一个故事很可以说明在人们心目中，古典物理学的完善程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。” 1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光的动力理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵乌云。实际上，物理学天空上的乌云何止两朵。大量新现象与已成完美体系的古典理论之间的矛盾日渐突出，酿成了深刻的危机。正是这朵朵乌云带来了世纪之交的一场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。 1、第一朵乌云：以太漂移实验 开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。古典物理学统一诸种物理现象的主要方式，是找出该类物理现象的一个力学模型。例如，当我们把声音看成是声源振动在物质媒介中的纵向传播时，我们就将声学统一在关于振动的力学之中；当我们把热看成是细微分子的运动之后，我们就将热学统一在关于大量分子运动的力学之中。电磁学似乎与力学距离较远，但也有统一它们的方式。比如，我们同样可以将电磁波看成是某种电磁振荡在某种物质媒介中的传播，如果这种模型是成立的，那么，电磁学与力学之间也可以统一起来了。事实上，物理学家们就是这么做的，因为在他们看来，“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上”。开尔文也说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解”。 用力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是，它是在什么物质媒介中振荡传播的。我们知道，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨等，没有这些东西，声音便不能传播。可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明；它在真空中也能传播，这就说明，这种媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用希腊词“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型。在他那里，以太正好就是看不见膜不着的一种新物质。物理学家们于是认为，电磁传播的媒介是以太。 问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它对物体的运动会产生阻力吗？它的密度有多大？但这些问题都非常难于回答。电磁波是一种横波，为了能传播这样一种波，以太媒介必得很硬，但行星运动中又看不出受到阻力的迹象，这使物理学家们感到十分为难。 更困难的问题是以太漂移问题。如果确实有以太存在，那么最好是假定它相对于太阳静止而相对于地球运动，因为只有这样才能很好地解释光行差现象。如果以太相对于地球运动，那么我们就应该可以通过某种方式探测出来。1879年，著名物理学家麦克斯韦提出了一种探测方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间：1881年，美国实验物理学家迈克尔逊（1852～1931）依此原理设计了一个极为精密的实验，未发现任何时间差。1887年，迈克尔逊再度与美国化学家莫雷（1838～1923）合作，以更高精度重复实验，得到的依然是“零结果”。作为一名以“探测以太漂移”为目的的实验物理学家，迈克尔逊认为自己的实验是失败的。 为了解释“零结果”，1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851～1901）提出了物体在以太风中的收缩假说。他认为，在运动方向上，物体长度将会缩短，以致我们无法在光学实验中探测出以太漂移的迹象。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）也独立地提出了收缩假说，并且给出了著名的洛伦兹变换。该变换使得相对于以太运动以及相对于以太静止的两种坐标系均满足同样形式的麦克斯韦方程，使经典物理学得以消除乌云，保全形式上的完美。但洛伦兹的工作已经大大修改了许多传统的观念，例如，运动粒子的质量不再是不变的，速度均以光速为上限等。 法国数学家、物理学家、哲学家彭加勒（185—1912）是相对论的重要先驱。1895年，在《谈谈拉摩

高二历史知识点整理：近代物理学的奠基人和革命者

高二历史知识点整理：近代物理学的奠 基人和革命者 高二历史知识点整理：近代物理学的奠基人和革命者 高中历史是一门文科类的学科，因此需要考生投入大量 的精力去记忆，只有这样才能提高大家的历史学习水平，为了帮助大家掌握好高二历史知识点，下面为大家带来 高二历史知识点-近代物理学的奠基人和革命者，希望大家能够认真阅读。 重点分析： 1、17-20世纪自然科学发展的原因 这一时期，人类历史处于大变动时期，资本主义在 全世界确立并得到迅速发展，资本主义工业和商品经济 的发展为近代自然科学的发展奠定了物质基础并成为主 要动力。文艺复兴和宗教改革以前面向世界，重视实践 和理性的风气，促进了科学的发展。一批优秀科学家实 践和刻苦钻研，也促进了科学的发展。 2、牛顿力学体系建立的巨大意义年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，把物体的运动规律概括为运动三大定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学 理论体系，即牛顿力学体系。 牛顿力学体系正确反映了宏观物体低速运动的客观 规律，把过去一向认为是截然无关的物体运动规律概括

在一个统一理论中，实现了自然科学的第一次理论性的大综合，这是人类对自然界认识的一个飞跃。牛顿力学是整个力学和天文学的基础，也是现代一切机械、土木建筑、交通运输等工程技术的理论基础。 3、量子理论的诞生和发展 1900年，德国物理学学普朗克提出量子假说，这个假说宣告了量子理论的诞生。量子理论的出现曾遭到许多物理学家的反对。首先意识到量子概念的普遍意义，并将它运用到其他问题上的是爱因斯坦。后来有人又提出氩原子结构以后，利用量子理论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子理论的发展。 4、物理学大发展导致科学革命 20世纪物理学的大发展对世界各方面和领域都产生了革命性影响，主要表现在三个方面：一是对其他学科的影响，包括对既有学科的影响，如物理学、生物学、化学向纵深拓展;还包括在它的影响下出现了一些新的学科，如核物理、离子化学、纳米科学、激光科学、高能物理学等。二是理论突破对科学技术和生产力产生巨大的推动作用。理论上的突破创新很快发展为新兴的科学技术，转化为现实的生产力，如半导体、集成电路、激光、核电站、计算机技术、转基因食品等，推动了第三

对物理学的认识

对物理学的认识 物理学的主要研究对象就是力、光、电等。物理学可以分为力学、光学、热学、量子力学、核物理学等。物理学所研究的内容与人类的生活息息相关。在人类社会的发展历程中,物理学起着非常重要的作用。物理学的发展推动了社会的进步,可以说:物理学不就是一切,但就是一切都离不开物理学。物理学的终极目标就就是来量化解释世界。(法国皮埃尔·迪昂在她的《物理理论的目的与结构》中提出的观点) 牛顿建立了经典力学以后带来了第一次工业革命,因此人类进入了近代化。而蒸汽机的发明与应用就是第一次工业革命的标志,可以瞧出物理学的作用就是巨大的。随着物理学的发展,电学得到了应用,带来了第二次工业革命,电学的应用拉近了人们之间的距离,电力、汽车工业蓬勃发展。在第二次世界大战的刺激下,原子能技术、计算机技术与航天技术发展迅速,并成为第三次技术革命兴起的标志.随着 量子力学相对论等理论的建立,在20世纪,以核能、电子计算机等的应用为标志,人类社会开始进入现代化。20世纪前半期科学技术的重大突破又引起社会经济、产业结构、生活方式等方面的重大变化,并为战后第三次技术革命的深入发展奠定了基础。 从原始社会到现代社会,物理学始终不停地演进。过去大家相信太阳绕着地球转,十六世纪时哥白尼提出地球绕着太阳转,十七世纪 时布鲁诺发扬此学说,便被罗马教廷处死了。这可以说就是物理学上的一次革命。后来牛顿继承地动说,发展出她的运动定律。大家本以为此定律无懈可击。可就是到了二十世纪,又被爱因斯坦的相对论将

它涵盖过去。由此可知,一切理论都就是人为创造来解释自然的现象,充满了各种可能性。但就是必须要能够解释已经发生的事实,并且要能够预测未发生的事件,才算就是一个经得起考验的理论。科学便就是在不断的探索中,寻找最圆满的答案。过去的物理学偏重于对观察物的研究,把观察者忽略。但自从“测不准原理”提出后,观察者对被观察物的影响便受到重视,未来对于“人”与“物”关系的研究将引起另一场科学的革命。 物理学就是实验的科学,就是透过种种的仪器来研究宇宙万象。物理学上的实验结果具备一致性,但就是在解释上就是可以提出各式理论模型的。然而各种理论模型就是由物理学家建立起来的,也就就是依靠人的心智创造出来的,也因此受限于人的心智。 物理学就是古老而前沿的学科。在天体物理学当中有两个非常重要的概念,一个就是新星,一个就是超新星,新星的亮度大概就是太阳 亮度的几万倍,超新星的亮度就是太阳亮度的百万万倍。这两个都就是在中国发现的。对宇宙的探索,未知多于已知,我们已知的物质大约只占5%,还有95%就是暗物质与暗能量。从引力场我们知道暗物质的存在,从宇宙膨胀的加速度我们判断有暗能量、李政道认为,之所以有暗能量就是因为天外有天,我们的宇宙之外可能还有宇宙！暗物质暗能量的研究就是物理学研究最大的挑战。 物理学就是理论与实验紧密联系的科学,就是一门应用学科。物理学就是严密严谨的科学。物理学追求真理、造福人类、引领未来、支撑发展。物理学就是认识世界的先锋,物理学引领世界！

浅谈物理学与现代科学技术的关系

题目：浅谈物理学与科学技术的关系姓名：李焘 专业：物理学类 学号：20112200207

浅谈物理学与现代科学技术的关系 摘要：科学技术的发展对我们的生活水平、生活方式、文化教育等方面的影响是极为深刻的．从日常的衣食住行中，处处可以感受到科学技术给我们生活带来的变化。各种合成纤维大大丰富了人们的衣着面料；农业的增产提供了丰富的食品，改善了人民的食品结构；至于汽车、飞机的发明和普及带给人们交通的方便、快捷；医学的进步提高了人民的健康水平，延长了平均寿命；教育的普及提高了人民的文化水平；电灯、电话、家用电器的普及大大方便了我们的生活……这样的例子不胜枚举。而这些发展却离不开物理学…… 关键词：物理学科学技术关系 一、物理学在现代科学技术发展中的作用与地位 现代科学技术正以惊人的速度发展。而在物理学中每一项科学的发现都成为了新技术发明或生产 方法改进的基础。 在18世纪以蒸汽机为动力的生产时 代，蒸汽机的不断提高改进，物理 学中的热力学与机械力学是起着相 当重要的作用的。 19世纪中期开始，电力在生产技术 中日益发展起来了，这是与物理中 电磁学理论建立与应用分不开的。 20世纪初相对论和量子力学的建立，诞生了近代物理，开创

了微电子技术的时代。半导体芯片,电子计算机等随之应运而生。可以毫不夸张的说，没有量子力学也就没有现代科技。 20世纪80年代高温超导体的研究取得了重大突破，为超导体的实际应用开辟了道路。磁悬浮列车等。80年代，我国高温超导的研究走在世界的前列。 20世纪90年代发展起来的纳米技术，使人们可以按照自己的需要设计并重新排列原子或者原子团，使其具有人们希望的特性。纳米材料的应用现是一个新兴的又应用很广泛的前沿技术。秦始皇兵马俑的色彩防脱。 在牛顿力学和万有引力定律的基础上发展起来的空间物理，能把宇宙飞船送上太空，使人类实现了飞天的梦想。 激光物理的进展使激光在制造业、医疗技术和国防工业中的得到了广泛的应用。 生命科学的发展也离不开物理学。脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础。1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许（著名实验物理学家）的实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构。 …… 物理学本身就是以实验为基础的科学，物理学实验既为物理学发展创造了条件，同时也为了现代工农业生产技术的研究打下了物质基础。

最新浅谈物理学与科学技术的关系

浅谈物理学与科学技术的关系 -----高一（13）班李倩 在目前的新世纪，科学技术的发展对我们的生活水平、生活方式、文化教育等方面的影响是极为深刻的。从日常的衣食住行中，处处可以感受到科学技术给我们生活带来的变化。各种合成纤维大大丰富了人们的衣着面料；农业的增产提供了丰富的食品，改善了人民的食品结构；至于汽车、飞机的发明和普及带给人们交通的方便、快捷；医学的进步提高了人民的健康水平，延长了平均寿命；教育的普及提高了人民的文化水平；电灯、电话、家用电器的普及大大方便了我们的生活……这样的例子不胜枚举。而这些发展却离不开物理学…… 物理学作为严格的、定量的自然科学带头学科,一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。过去如此,现在如此,展望将来亦是如此。现代科学技术正以惊人的速度发展。而在物理学中每一项科学的发现都成为了新技术发明或生产方法改进的基础。首先,物理学定律是揭示物质运动的规律的,使人们在技术上运用这些定律成为可能；第二,物理学有许多预言和结论,为开发新技术指明了方向；第三,新技术的发明,改进和传统技术的根本改造,无论是原理或工艺,也无论是试验或应用,都直接与物理学有着密切的关系。若没有物理基本定律与原理的指导,可以毫不夸大地说,就不可能有现代生产技术的大发展。 在18世纪以蒸汽机为动力的生产时代，蒸汽机的不断提高改进，物理学中的热力学与机械力学是起着相当重要的作用的。 1866年，西门子发明电机，1876年贝尔发明了电话，1879年爱迪生发明电灯，这三大发明照亮了人类实现电气化的道路，电力在生产技术中日益发展起来了。这样的成功与物理中电磁学理论的建立与应用是密不可分的。。 20世纪初相对论和量子力学的建立，诞生了近代物理，开创了微电子技术的时代。半导体芯片,电子计算机等随之应运而生。可以毫不夸张的说，没有量子力学也就没有现代科技。 20世纪60年代初，激光器诞生。激光物理的进展为激光在制造业、医疗科技和国防工业中的应用打开了大门。 20世纪80年代高温超导体的研究取得了重大突破，为超导体的实际应用开辟了道路。磁悬浮列车等。80年代，我国高温超导的研究走在世界的前列。 20世纪90年代发展起来的纳米技术，使人们可以按照自己的需要设计并重新排列原子或者原子团，使其具有人们希望的特性。纳米材料的应用现是一个新兴的又应用很广泛的前沿技术。秦始皇兵马俑的色彩防脱。 在牛顿力学和万有引力定律的基础上发展起来的空间物理，能把宇宙飞船送上太空，使人类实现了飞天的梦想。 激光物理的进展使激光在制造业、医疗技术和国防工业等多个领域中得到了广泛的应用。 生命科学的发展也离不开物理学。脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础。1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许（著名实验物理学家）的实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构。 ……

第四章 物理学革命

第四章：物理学革命 第一节经典物理学的顶峰与危机 由于19世纪技术革命的巨大成功，使资本主义生产力得到空前提高，在当时的社会中洋溢着自信与陶醉。就自然科学而言，经典物理学是19世纪末发展得最完善的学科。牛顿力学是整个物理学的基础和典范，电磁现象也被看成是“以太”的机械运动，并利用力学原理来研究。声、光、热、电、磁等各种自然现象都通过牛顿力学而得到解释。经典物理学及其认识方法被视为科学发展所能达到的最完美形式，似乎物理学的天空已经是阳光普照，未来的工作只是在若干部位作些小小的修饰或者将测量精度再提高几个数量级。但是历史的发展毕竟是无情的，在物理学的万里晴空中出现了几朵乌云，这些用经典物理无法解决的问题，正是科学革命的引路者。 首先是迈克尔孙一莫雷实验的“零结果”。按照牛顿力学的观点，波的传播是需要媒介的，比如空气就是声音传播的媒介。测定声波的传播速度也是通过一个观察者和一个相应的参考系来完成的。然而光波似乎比较特殊，当我们说真空中的光速是2．997925X108m／s时，我们并不清楚这个速度是相对于哪个参考系的。但对于19世纪的人来说，要接受光的传播不需要媒介是很困难的，于是人们设想在地球和太阳之间

充满着—一种特殊的物质——以太，它充当地球和太阳之间引力和光的传播媒介。按照常识以及经典物理学的推论，以太具有这样的性质：它的密度为0，因为人在以太中运动并没有感觉到阻力；它是完全透明的，光波可以不受阻拦地传播；它又有很强的刚性。以太的这种特殊性质，使寻找以太成为很重要的工作。假如以太存在，那么既有自转又有公转的地球在以太中运动时，地球上的观察者就应能感受到“以太风”，它相对于地球的速度约等于地球公转的速度u＝30km／s。迈克尔孙(A．A．Michelson，1852—1 931)与莫雷(E.W．Morley，1836—1923)发明了一种于涉仪，能通过观察干涉条纹的移动来测量这个速度。 1887年迈克尔孙和莫雷开始他们的实验。他们将干涉仪安装在很重的石台上以维持稳定，并将石台悬浮在水银里，使它能平稳地绕中心轴转动。按照当时的设计精度，只要条纹有百分之一的移动就能被探测到。他们连续观察了一年，但是实验结果是：根本观察不到条纹的移动。迈克尔孙和莫雷当时失望地宣布他们的实验“失败”了。虽然以后不同的科学家(包括迈克尔孙本人)一再重复这个实验达50年之久，但结果依然没有改变。由于这与经典物理学的一些基本原理相抵触，所以引起了人们的广泛关注，有人已经开始怀疑经典物理学的适用范围了。 另一个问题是对黑体辐射实验的解释。物体因为它的温度而发出的

浅谈物理学与科学技术的关系

浅谈物理学与科学技术的关系 在目前的新世纪，科学技术的发展对我们的生活水平、生活方式、文化教育等方面的影响是极为深刻的。从日常的衣食住行中，处处可以感受到科学技术给我们生活带来的变化。各种合成纤维大大丰富了人们的衣着面料；农业的增产提供了丰富的食品，改善了人民的食品结构；至于汽车、飞机的发明和普及带给人们交通的方便、快捷；医学的进步提高了人民的健康水平，延长了平均寿命；教育的普及提高了人民的文化水平；电灯、电话、家用电器的普及大大方便了我们的生活……这样的例子不胜枚举。而这些发展却离不开物理学…… 物理学作为严格的、定量的自然科学带头学科,一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。过去如此,现在如此,展望将来亦是如此。现代科学技术正以惊人的速度发展。而在物理学中每一项科学的发现都成为了新技术发明或生产方法改进的基础。首先,物理学定律是揭示物质运动的规律的,使人们在技术上运用这些定律成为可能；第二,物理学有许多预言和结论,为开发新技术指明了方向；第三,新技术的发明,改进和传统技术的根本改造,无论是原理或工艺,也无论是试验或应用,都直接与物理学有着密切的关系。若没有物理基本定律与原理的指导,可以毫不夸大地说,就不可能有现代生产技术的大发展。 在18世纪以蒸汽机为动力的生产时代，蒸汽机的不断提高改进，物理学中的热力学与机械力学是起着相当重要的作用的。 1866年，西门子发明电机，1876年贝尔发明了电话，1879年爱迪生发明电灯，这三大发明照亮了人类实现电气化的道路，电力在生产技术中日益发展起来了。这样的成功与物理中电磁学理论的建立与应用是密不可分的。。 20世纪初相对论和量子力学的建立，诞生了近代物理，开创了微电子技术的时代。半导体芯片,电子计算机等随之应运而生。可以毫不夸张的说，没有量子力学也就没有现代科技。 20世纪60年代初，激光器诞生。激光物理的进展为激光在制造业、医疗科技和国防工业中的应用打开了大门。 20世纪80年代高温超导体的研究取得了重大突破，为超导体的实际应用开辟了道路。磁悬浮列车等。80年代，我国高温超导的研究走在世界的前列。 20世纪90年代发展起来的纳米技术，使人们可以按照自己的需要设计并重新排列原子或者原子团，使其具有人们希望的特性。纳米材料的应用现是一个新兴的又应用很广泛的前沿技术。秦始皇兵马俑的色彩防脱。 在牛顿力学和万有引力定律的基础上发展起来的空间物理，能把宇宙飞船送上太空，使人类实现了飞天的梦想。 激光物理的进展使激光在制造业、医疗技术和国防工业等多个领域中得到了广泛的应用。 生命科学的发展也离不开物理学。脱氧核糖核酸（DNA）是存在于细胞核中的一种重要物质，它是储存和传递生命信息的物质基础。1953年生物学家沃森和物理学家克里克利用X射线衍射的方法在卡文迪许（著名实验物理学家）的实验室成功地测定了DNA的双螺旋结构。 ……

近代物理学(近三年高考题)

【2018年高考考点定位】 作为选择题和填空题，本考点的涉及面广，选项可能涉及近代物理学史，波尔模型，光电效应和原子核结构，而填空题可能涉及衰变、核反应方程的书写、光电效应的极限频率和最大初动能等，既是备考的重点也是命题的热门选项。 【考点pk 】名师考点透析 考点一、波粒二象性 【名师点睛】 1. 量子论：①普朗克认为物质的辐射能量并不是无限可分的，其最小的、不可分的能量单元即“能量子”或称“量子”，也就是说组成能量的单元是量子。每一份电磁波的能量νεh =②物质的辐射能量不是连续的，而是以量子的整数倍跳跃式变化的○31905年，爱因斯坦奖量子概念推广到光的传播中，提出了光量子论。。即：νεh =. 其中是电磁波的频率，h 为普朗克恒量：h=6.63×10 －34 s J ? 2.黑体和黑体辐射：○1任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。○2随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加； ○3随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。 3.光电效应：在光的照射下，金属中的电子从表面逸出，发射出来的电子就叫光电子，①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于极限频率的光不能发生光电效应。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。③大于极限频率的光照射金属时，光电流强度（反映单位时间发射出的光电子数的多少），与入射光强度成正比。④ 金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9 秒。波动说认为：光的能量即光的强度是由光波的振 幅决定的与光的频率无关。所以波动说对解释上述实验规律中的①②④条都遇到困难 考点二、原子结构 1. 汤姆生原子结构模型：1897年英国物理学家汤姆生发现了电子，从而打破了原子不可再分的观念，揭示出原子也有复杂的结构。汤姆生的原子模型：1903年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。 2. 原子核式结构模型：实验结构图如下，实验现象：a. 绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。b. 有少数粒子发生较大角度的偏转c. 有极少数粒子的偏转角超过了90°，有的几乎达到180°，即被反向弹回。结论→否定了汤姆生原子结构模型，提出核式结构模型即在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。 3. 波尔的原子机构模型：○1原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面） a 电子绕核作圆周运动 是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要不断地向周围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电

20世纪物理学革命的启示

20世纪物理学革命的启示 回顾百年前发生的物理学革命是令人激动不已的，那一段时期发生的故事可以说是百听不厌，给我们的启示则是既深刻又发人深省的． 19世纪末，人类完全掌握自然规律来造福人类的梦想、似乎已经到了实现的边缘．1894年美著名科学家迈克尔逊兴高采烈的宣称：“尽管谁也不会轻率断言，未来物理科学再也不会提出什么使人惊奇的东西来，未来物理学的真理将在小数点后第六位寻找．” 然而物理学大厦却已经山雨欲来风满楼．1900年4月27日，开尔文勋爵在英国皇家学会上以“19世纪热和光的动力理论上空的乌云”为题的长篇演讲中指出：“动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色．第一朵是地球如何通过本质上是光的以太这样的弹性固体而运动的，第二朵是麦克斯韦一玻耳兹曼关于能量均分的学说．”经典物理出现的这些灾难性的后果使被某些人认为已经完美无缺的经典物理大厦摇摇欲坠．1900年10月19日，普朗克凭他的丰富经验得出了一个与实验结果符合得天衣无缝的公式．随后的两个月工作，普朗克描述为：“经过一生中最紧张的几个星期的工作之后，我从黑暗中见到了光明，一个以前完全意想不到的崭新景象展现在我的眼前．”终于在12月14日，普朗克在“关于正常光谱能量分布定律的理论”为题的演讲中提出了能量只能以“能量子”．为最小单元作不连续变化．物理理论发生了一个巨大的跃变．过了5年，科学巨匠爱因斯坦闪亮登场，立即震惊世人．在1905年，他所完成的题为“论动体的电动力学”的论文发表在德国《物理学年鉴》的杂志上．成为物理学的一个里程碑．其中指出了“电动力学与光学定律也一定适用于对力学方程适用的坐标系．此外论文又列出了另一重要原理，即光速不变性．同年，爱因斯坦又在利用了两列反向传播的平面光波的假想实验作为开头，以严密的逻辑推理导出了著名的质能公式．由此狭义相对论成功地建立，以大学说被无情地抛到了历史尘埃之中． 同年，爱因斯坦在著名论文“关于光的产生和转化的一个试探性观点”中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，成功解释了1887年赫兹就已经观察到的，经典物理无法理解的光电效应现象．进一步阐释了，不仅吸收或发射辐射时能量是一份份的，而且，辐射本身是量子化的．由于此项重大发现，爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔物理学奖． 又过了8年，丹麦物理学家玻尔在（哲学杂志）上发表了著名的“三部曲”题名“原子构造和分子构造”——1、fi、Ill的3篇论文，取得了巨大的成功．完满地解释了30年之谜——氢光谱的巴耳末公式．并且成功地解释了元素周期表．把量子观念引人了原子．玻尔理论提出了一个动态原子结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系．在他发表论文3个月后的英国科学促进协会召开的年会上对玻尔的理论作出了肯定．称赞它为“对光谱线规津的一种最发人深思的……令人信眼的解释”．玻尔由于这一杰出的工作，获得了1922年诺贝尔物理学奖． 与此同时，爱因斯坦的思考并没有止步，他认为狭义相对论还有许多问题没有解决．刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？他感到极大的疑惑，他坚信自然界的和谐和统一．终于，有一天，他的脑子里突然闪出一个念头：如果一个人正自由下落，他决不会感到有重量．由此新的引力理论诞生了．又经过了几年，爱因斯坦又用柔性度规代替直线度规来度量时间，完成了广义相对论这一20世纪最伟大的创建．让我们再次回到玻尔．在玻尔获奖后一年，为庆祝玻尔的成就，世界物理学中心之一的德国哥丁根举行了玻尔节，玻尔应邀发表演讲，在听众中一位年仅20岁的大二学生海森伯怀着崇敬的心情来到演讲厅．一方面他体验到大师的演讲每个字都经过精推细敲，而且背后隐藏着深邃的思考．另一方面他初生牛犊不怕虎，面对物理大师，居然敢提出极具挑战性的问题．玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的概念．会后他邀请海森伯外出散步，作颇为深入的讨论．后来，海森伯不止一次地说，这是他一生中最为重要的散步，决定他命运的散步．“我的科学生涯从此散步开始．”不久，玻尔邀请海森伯去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物理研究所（1965年改名为玻尔研究所）的阁楼上．从此诞生了海森伯的名言：科学扎根与讨论．在海森伯与玻尔相遇10年后因创建量子力学而一人获得1932年诺贝尔物理奖．随后又经过了泡利．薛定谔、狄拉克、波恩等一批人的努力，终于发展成了一门20世纪最伟大的科学——量子力学． 爱因斯坦在相对论中抛弃了绝对的时空观．量子力学又否定了因果性和决定论．在物理学历史上堪称一场重大的革命．物理学不仅将人类对自然界的认识和领域不断推向更基本、更深层次，而且不断从中孕育新的科学思想和新技术，对于人类文明的昌明以巨大推动．

高中物理-近代物理学常识

高中2017级高二物理一周一测（17） 近代物理常识 满 分：120分 考试时间：40分钟 一、光电效应 1、概念：在光（电磁波）的照射下，从物体表面逸出的 的现象称为光电效应，这种电子被称之为 。使电子脱离某种金属所做功的 ，叫做这种金属的逸出功，符号为W 0。 2、规律： 提出的“光子说”解释了光电效应的基本规律，光子的能量与频率的关系为 。 ①截止频率：当入射光子的能量 逸出功时，才能发生光电效应，即：0____W hv ，也就是入射光子的频率必须满足v ≥ ，取等号时的______0=ν即为该金属的截止频率（极限频率）； ②光电子的最大初动能：_________k m =E ，由此可知，对同一重金属，光电子的最大初动能随着入射光的频率增加而 ，随着入射光的强度的增加而 ，光电子从金属表面逸出时的动能应分布在 范围内。 3、实验：装置如右图，其中 为阴极，光照条件下发出光电子； 为阳极，吸收光电子，进而在电路中形成 ，即电流表的示数。 ①当A 、K 未加电压时，电流表 示数； ②当加上如图所示 向电压时，随着电压的增大，光电流趋于一个饱和值，即 ；当电压进一步增大时，光电流 。 ③当加上相反方向的电压（ 向电压）时，光电流 ；当反向电压达到某一个值时，光电流减小为0，这个反向电压U c 叫做 ，即使最有可能到达阳极的光电子刚好不能到达阳极的反向电压，则关于U c 的动能定理方程为 。 【练习1】某同学用同一装置在甲、乙、丙光三种光的照射下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如右图所示。则可判断出（ ） A ．甲光的频率大于乙光的频率 B ．乙光的波长大于丙光的波长 C ．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 二、原子结构 1、物理学史： 通过对 的研究，发现了电子，从而认识到原子是有内部结构的； 基于 实验中出现的少数α粒子发生 散射，提出了原子的核式结构模型； 在1913年把物理量取值分立（即量子化）的观念应用到原子系统，提出了自己的原子模型，很好的解释了氢原子的 。 2、波尔理论： ①原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫做 ；原子能量最低的状态叫做 ，其他较高的能量状态叫做 ； ②原子在不同能量状态之间可以发生 ，当原子从高能级E m 向低能级E n 跃迁时 光子，原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁时 光子，辐射或吸收的光子频率必须满足 。 ③原子对电子能量的吸收：动能 两个能级之差的电子能量能被吸收，吸收的数值是 ，剩余的能量电子带走。 ④原子电离：电离态——电子脱离原子时速度也为零的状态，此时“原子—电子”系统能量值为E ∞= ；要使处于量子数为n 的原子电离，需要的能量至少是_____=-=?∞n E E E 。 【练习2】如图所示为氢原子的能级示意图。现用能量介于10eV —12.9eV 范围内的光子去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法正确的是（ ） A ．照射光中只有一种频率的光子被吸收 B ．照射光中有三种频率的光子被吸收 C ．氢原子发射出三种不同频率的光 D ．氢原子发射出六种不同频率的光 【练习3】用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用△n 表示两次观测中最高激发态的量子数n 之差，E 表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，△n 和E 的可能值为( ) A ．△n =1，13.22 eV

19世纪末期物理学的三大发现及其意义

19世纪末期物理学的 三大发现及其意义 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

19世纪末期物理学的三大发现及其意义 19世纪末，以牛顿力学、热力学、麦克维斯电磁学理论和原子论为基础的经典物理学理论体系已相当完善。正当物理学界陶醉于成功的喜悦中时，一些有远见的科学家却与意识到，在物理学晴朗的天空中出现了乌云。 1900年4月27日，一向以保守著称的英国皇家学会主席、著名物理学家达尔文发表长篇演说，指出：经典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵“乌云”。一是“紫外灾难”——热辐射在位于短波的紫外线部分的实验结果与经典统计力学、电磁学理论相背；二是“以太危机”——当时的实验结果表明：麦克维斯电磁学理论中光、电、磁传播所需要的介质——“以太”可能根本就不存在。经典物理学正在发生危机，这预示着即将发生一场革命。 其实从1895年开始，连续三年的三大发现，x射线，放射性和电子的发现已经成为揭开物理学革命序幕的三声春雷。1895年伦琴发现了X射线，1896年法国的贝克勒尔发现了铀盐的放射性，1897年英国的J·J汤姆逊发现了电子。这些新发现猛烈的冲击着经典物理学理论，打破了物理学界沉闷的空气，被誉为“世纪之交的三大发现”，是现代物理学发轫的标志。 早在19世纪三四十年代，人们就发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。而对阴极射线性质的深入研究导致了X射线的发现。1895年德国物理学家伦琴在赫兹和勒纳德发表了论阴极射线的穿透力的论文后，准备对这一问题做进一步研究。他重复了勒纳德的实验，发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中行进几厘米，使涂有铂氰化钡的荧光屏上产生荧光。在多次实验后，他意外地发现了一种新的射线，但因为不了解其本性，伦琴且称它为X射线，又被人们称之为“伦琴射线”。 由于X射线可以穿透皮肉透视骨骼，所以在医疗上作用很大，如今我们到医院拍张X光片已是很平常的事情，然而在19世纪末X射线刚发现时，却被视为世界科技革命的一声号角。其后，随着研究的深入，X射线被广泛应用于晶

现代科学技术革命的诞生

现代科学技术革命的诞生、特征和影响 一、现代科学技术革命的诞生 （一）20世纪的科学革命 1.现代科学革命产生的背景：到19世纪，机械决定论和还原论仍然影响着物理学、化学、生物学、医学、心理学。它已经根深蒂固地渗透到自然科学的各个研究领域，甚至人类的文化方面。人们在研究复杂事物的过程中，主要采取从实体上进行还原的方法，“试图在所有复杂的现象中找到共同具有的物质实体（如原子），将其作为差异性的共同基础。”爱因斯但指出：“从希腊哲学到现代物理的整个科学史中，不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系。”近代科学在诸如力的分解、元素的离解，生物的解剖等方面取得的成功，使人们坚信“机械分割”的思想是无往不胜的，并试图把这种方法推广到对生命现象和社会现象的研究上。机械还原论者坚信，任何复杂的运动形式，都可以最终分解为机械的或力学的运动形式。尽管19世纪的自然科学取得的某些成就已经部分地揭露了机械决定论和机械还原论的局限性，但是要动摇和突破这种规范是不容易的，因为它们是构成近代科学赖以产生和发展的基础。恩格斯说：“把自然界分解成各个部分，把自然界的各种过程和事物分成一定的门类，对有机体的内部按其多种多样性的解剖形态进行研究，这是最近400年来在认识自然界方面获得巨大进展的基本条件。” 19世纪末，许多科学家都认为，以力学为基础的经典物理学大厦已经峻工，人们在对这幢雄伟大厦表示赞叹之余，又多少流露出满足和无所作为的情绪。著名的德国科学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后加上几个数字罢了”。英国大物理学家W.汤姆逊在刚跨入20世纪的第一天的《元旦献辞》中也说：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。” W?汤姆逊在对科学大厦赞叹的同时，又不得不承认在物理学晴朗的天空还有两朵小小的令人不安的乌云。这两朵乌云是什么？为什么它们会引起这位著名物理学家深深的忧虑呢？物理学进入19世纪80年代以来，人们在实验中发现了一系列令人困惑的现象，经典理论对此显得无能为力。其中现象之一，就是迈克尔逊——莫雷实验。 1880年，美国物理学家迈克尔逊和化学家莫雷利用光学干涉仪进行了一项搜索“以太风”的著名实验来测量所谓的“以太漂移”。“以太”是根据牛顿经典力学观点所设想的用来传播光的介质，经典力学认为以太充满整个宇宙空间，而且是静止不动的。在牛顿力学中，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的。地球相对太阳运动，必然能测得所谓的“以太飘移速度”（即地球和以太之间的相对运动速度）。迈克尔逊和莫雷经过不懈努力，昼夜不停地观察了五天，试验的精密度达到四十亿分之一，也没有找到“以太风”或地球相对于“以太”漂移的运动迹象，于1887年12月宣布实验测得以太“漂移速度”为零的结果。这一否定性的实验结果说明地球和以太之间不存在相对运动。这就是物理学史上有名的“零结果”，人们曾试图从各个角度对此作出说明，但都难以自圆其说。看来，人们原先对光传播所构想的物理图象是不正确的，使许多持有光是以太波动观点的物理学家大失所望。这一现象被称之为19世纪末20世纪初飘浮在物理学上空的一朵乌云。另一朵乌云与绝对黑体辐射的实验有关。热辐射是普遍的自然现象，物体在任何温度下都会以电磁波的形式向外辐射能量，其量值可以通过实验测定出来。由于绝对黑体在受光照达到热平衡时将会把能量全部以热辐射的形式发送出去，黑体的热辐射要比相同温度下其他任何物体的热辐射强，所以黑体是研究热辐射的理想模型。通过研究黑体辐射来揭示热辐射现象的本质和规律，是19世纪末物理学的一个重要课题。德国物理学家维恩（w?wien）发现随着辐射体温度的升高，辐射的峰值会向短波方向移动，即所谓的“位移定律”。1896年，他依据热力学，用半经验半理论的方法找到了“维恩公式”，用以说明黑体辐射谱。发现这个公式在短波段（高频辐射部分）同实验吻合，但在长波段（低频辐射部分）却系统地低于实验值。以后，英国物理学家瑞利（Lord Rayleign）根据经典统计物理学推出另一公式，它在长波段（低频辐射部分）与实验相符合，但在短波段（高频辐射部分——紫外光区）完全不能适用。按公式计算的预测值，在紫外一端辐射应趋向无穷大，而实验数据的结果却趋于零。这显然是荒谬的。经典物理学的理论在这里陷入困境和危机。这就是有名的“紫外灾难”。“紫外实验”成为飘浮在物理学上空的又一朵乌云。英国著名物理学家凯尔芬勋爵在1900年的讲演中把这两大疑难称之为经典物理学天空中的两朵乌云。他说：“动力学理论断言“热”和“光”都是运动的方式，现在这一理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽的黯然失色了。实际上，当时物理学天空并非只有两朵乌云，例如被称之为19 世纪末物理学的三大发现，即1895年德国物理学家“伦琴”发现X射线，1896年波兰物理学家居里对放射性元素的发现,以及1897年英国物理学家汤姆逊对电子的发现，都是对经典物理学理论的极大冲击：X射线可以穿透物体，说明“不可入性”不是物质的固有属性，而传统观念认为物质是不可入的；放射性辐射表明化学元素会蜕变为其他元素；发现比原子更小的电子，说明原子并非是不可再分的最小实体。原子不可再分的观念由此而发生了根本动摇，面对一系列无法纳入旧理论框架的新事实，一些物理学家感到惊恐万分，他们惊呼：“物理学的危机来临了”“科学破产了”。他们在牛顿力学体系与一些实验发生明显矛盾时，依然坚持牛顿力学必定正确的观点，从而在物理学界造成更大的思想混乱。然而在当时著名的科学家中，也不乏有远见卓识者，如法国科学家彭加勒（H.poincare），他认为，物理学理论与试验事实出现矛盾是好事而不是坏事，它预示着一种行将到来的变革，是物理学进入新阶段的前兆，他指出：要摆脱危机，就要在新实验事实基础上重新改造物理学。可惜的是，他没有跳出旧理论的框架，尽管他的电子动力学在数学形式和实验预言与以后爱因斯但的狭义相对论等价，但在物理解释上却大相径庭，他那富丽堂皇的理论，不过是经典物理学最后的宏伟建筑物而已。19世纪末的三大发现，使人类的认识第一次深入到了原子内部，彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动这一时期科学发展的重要机制。 2.世纪之交物理学革命的产生 物理学危机是物理学革命的前夜，经典物理学天空上的乌云倾刻化为狂风暴雨，冲击和洗刷着经典物理学的基础。世纪之交，1900年量子理论的提出和1905年狭义相对论的建立，是现代物理学革命的重要标志。量子论的提出者是德国物理学家普朗克。1894年，他从研究黑体辐射问题开始，从维恩推出的有关黑体辐射能量密度的半经验公式得到启示，把电磁学方法和热力学中熵的概念结合起来，得到电磁熵的定义式。1900年10月，他经过不懈努力，应用娴熟的数学技巧，借助内插法，得到了一个与黑体辐射实验无论在短波段或长波段都吻合得非常好的新的辐射公式。在导出这个公式时，他大胆地提出了一个和“经典物理学关于能量过程必定是连续的”结论截然相反的假说，即能量的交换是不连续的，是一份一份进行的，能量的交换只能是hv的整倍数。h是普朗克常数，V是组成黑体的带电谐振子的频率，hv为能量交换的最小单位。称为“能量子”。1900年12月14比普朗克在德国物理学会年会上公布了他的这一工作。从能量子假说出发,普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡，但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代，经过德布罗意、薛定愕、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，揭示了连续与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客观统一性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。在普朗克提出能量子假说的第五年，即1905年的夏天，德国物理学家爱因斯坦完成了一篇名为《论运动物体的电动力学》的论文，这篇论文奠定了狭义相对论的基础。爱因斯坦在这篇论文中，针对经典物理学同新的实验事实之间的矛盾，批判了牛顿力学的超距作用观点，坚持电动力学中电磁场的近距作用观点