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1、世纪之交的两朵乌云世纪之交的两朵乌云在展望在展望在展望在展望2020世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二
2、朵乌云出第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦现在关于能量均分的麦克斯韦现在关于能量均分的麦克斯韦现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。两朵乌云两朵乌云:搜寻搜寻“以太以太”存在证据的迈克耳孙存在证据的迈克耳孙莫雷实验莫雷实验研究物体热辐射性质的研究物体热辐射性质的“黑体辐射黑体辐射”实验实验6.1 6.1 6.1 6.1 黑体辐射规律的黑体辐射规律的黑体辐射规律的黑体辐射规律的紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难第六章第六章
3、 物质观的革命物质观的革命室温下的反射光照片室温下的反射光照片室温下的反射光照片室温下的反射光照片1100K1100K的自身辐射光照片的自身辐射光照片的自身辐射光照片的自身辐射光照片好的吸收体也是好的辐射体黑体的辐射黑体：黑体：能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。黑体模型黑体模型黑体是最理想黑体是最理想黑体是最理想黑体是最理想的发射体的发射体的发射体的发射体 黑体辐射问题是研究热辐射与周围环境处于平衡黑体辐射问题是研究热辐射与周围环境处于平衡态时的能量按波长（频率）的分布问题。态时的能量按波长（频率）的分布问题。热辐射：热辐射：由于物体中分子、由于物体中分子
4、、原子受到热激发而发射电原子受到热激发而发射电磁波辐射的现象。磁波辐射的现象。单色辐出度：单色辐出度：物体从单位面积上发射的，波长介于物体从单位面积上发射的，波长介于 和和+d+d 之间的辐射功率之间的辐射功率dEdE 与与d d 之比。之比。单单色色辐辐出出度度是是波波长长和和温温度度的的函函数数，它它反反映映了了在在一一定定的的温温度度下下，辐辐射射能能量量按按波波长长的分布。的分布。401231700K1100K1300K1500K斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：物体的辐出度与温度的四次方成正比。物体的辐出度与温度的四次方成正比。斯忒藩常数：斯忒藩常数：维恩位移定律：维恩位移定
5、律：能谱分布曲线的峰值对应的波长能谱分布曲线的峰值对应的波长 m与与温度温度 T的乘积为一常数。的乘积为一常数。太阳为什么最明亮太阳为什么最明亮?m=b/T宇宙微波背景辐射是大爆炸的残留辐射，它的辐射波长被宇宙的膨胀红移（拉伸）到了微波波段。在这张图片中，NASA的威尔金森微波各向异性探测器用不同的颜色记录了微波背景辐射中细微的温度差异。较热和较冷的点演化成了今天宇宙中的星系团和宇宙巨洞。将太阳和地球看作黑体，试证明地球表面温度将太阳和地球看作黑体，试证明地球表面温度和太阳表面温度的关系。和太阳表面温度的关系。18931893年年,德国物理学家维恩给出维恩定律：德国物理学家维恩给出维恩定律：（
6、A和B为经验参数）4012356789维恩线维恩线18991899年英国科学家给出瑞利年英国科学家给出瑞利-金斯公式：金斯公式：4012356789瑞利瑞利-金斯线金斯线经典理论在短波区域的失败成为经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难紫外灾难”。4012356789普朗克常数：普朗克常数：普朗克常数：普朗克常数：6.2 6.2 6.2 6.2 黑体辐射的黑体辐射的黑体辐射的黑体辐射的量子理论量子理论量子理论量子理论19001900年年普朗克提出普朗克经验公式普朗克提出普朗克经验公式（1）长波情况下，）长波情况下，很大，则很大，则所以有瑞利瑞利金斯定律金斯定律（2）短波情况下，）短波情况下，很
7、小，则很小，则所以有维恩定律维恩定律经典理论的基本观点：经典理论的基本观点：（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。频率与振动频率相同。（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。辐射能量也是连续的。（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。普朗克量子假设：普朗克量子假设：对于频率为对于频率为 的振子，振子辐射的能量不是的振子，振子辐射的能量不是连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量h
8、 的整数倍。的整数倍。（n=1，2，3）1900 1900年年1212月月2424日，日，普朗克在法国物理学普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了会的圣诞会上宣读了题为题为关于正常光谱关于正常光谱的能量分布定律的能量分布定律的的论文，提出了与经典论文，提出了与经典物理学格格不入的能物理学格格不入的能量量子化假设：量量子化假设：普朗克于普朗克于普朗克于普朗克于1918191819181918年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。1919世纪和世纪和2020世纪之间物理学上一系列新世纪之间物理学上一系列新发现的重大意义在于：发现的重大意义在于：第第一一，破破
9、除除了了物物理理学学已已经经达达到到“绝绝对对真真理理”的的思思想想，敞敞开开了了通通往往微微观观高高速速领领域域的的大大门门，发现了物理学的新的生长点。发现了物理学的新的生长点。第第二二，暴暴露露了了经经典典物物理理学学的的局局限限性性，冲冲击击和和动动摇摇了了经经典典物物理理学学中中一一系系列列基基本本概概念念和和基基本本规规律律，如如质质量量、能能量量的的概概念念；质质量量与与运运动动的的关关系系；质质量量与与能能量量的的关关系系等等等等，揭揭开开了了物物理理学革命的序幕。学革命的序幕。第第三三，给给当当时时占占统统治治地地位位的的形形而而上上学学机机械械论论的的自自然然观观以以巨巨大大打打击击，证证实实和丰富了辩证唯物主义的哲学。和丰富了辩证唯物主义的哲学。总之，世纪之交物理学上的这些重大发总之，世纪之交物理学上的这些重大发现，决不是物理学的现，决不是物理学的“危机危机”，而是一场伟，而是一场伟大革命的序幕，人类对自然界的探索是永无大革命的序幕，人类对自然界的探索是永无止境的。止境的。