牛顿定律宇宙之旅.ppt

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1、 大学物理大学物理 2-1 牛牛 顿顿 定定 律律 Newtons Law of Motion理学院物理系 王 强4/14/2023第第2 2章章 牛顿定律牛顿定律 一、一、牛顿第一定律牛顿第一定律1-2 牛顿定律牛顿定律 Newtons Law of Motion牛顿第一定律的数学形式：牛顿第一定律的数学形式：任何物体都任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态保持静止或匀速直线运动的状态，直至，直至其它物体对它作用的其它物体对它作用的力力迫使它迫使它改变这种状态为止改变这种状态为止 大学物理大学物理 2-1 牛牛 顿顿 定定 律律 Newtons Law of Motion理学院物理系 王 强

2、4/14/2023第第2 2章章 牛顿定律牛顿定律 二、二、牛顿第二定律牛顿第二定律 物体在受到外力作用时所获得的物体在受到外力作用时所获得的加速度的大小加速度的大小与与所受所受合外力的大小合外力的大小成正比，成正比，其其加速度的方向与合外力加速度的方向与合外力的方向的方向相同。相同。质量不变时：质量不变时：动量动量为为 的物体，在的物体，在合外力合外力 的作用下，其的作用下，其动量随时间的变化率动量随时间的变化率等于作用于物体的等于作用于物体的合外力合外力 大学物理大学物理 2-1 牛牛 顿顿 定定 律律 Newtons Law of Motion理学院物理系 王 强4/14/2023第第2

3、 2章章 牛顿定律牛顿定律 三三、牛顿第三定律、牛顿第三定律1)1)作用力与反作用力作用力与反作用力同时存在或消失同时存在或消失.2)2)作用力与反作用力一定是作用力与反作用力一定是同种性质的力同种性质的力.两个物体之间两个物体之间作用力和反作用力作用力和反作用力，沿，沿同一同一直线直线，大小相等大小相等，方向相反方向相反，分别作用在两个，分别作用在两个物体上物体上 大学物理大学物理 2-1 牛牛 顿顿 定定 律律 Newtons Law of Motion理学院物理系 王 强4/14/2023第第2 2章章 牛顿定律牛顿定律 1 1、只适用于在、只适用于在惯性系惯性系内，内，低速低速运动问题

4、运动问题（可与光速相比，（可与光速相比，相对论）相对论）2 2、只适用于、只适用于宏观问题宏观问题（分子、原子、电子等，（分子、原子、电子等，量子力学量子力学）牛顿定律的适用范围牛顿定律的适用范围:大学物理大学物理 2-1 牛牛 顿顿 定定 律律 Newtons Law of Motion理学院物理系 王 强4/14/2023第第2 2章章 牛顿定律牛顿定律 四四、万有引力定律万有引力定律m1、m2：引力质量引力质量 大学物理大学物理 第一章第一章 牛顿力学牛顿力学理学院物理系 王 强4/14/2023第第1 1章章 牛顿力学牛顿力学4 4、弱、弱 力：力：微观领域中的一种短程力，存在于强子和

5、轻子微观领域中的一种短程力，存在于强子和轻子 （电子、中微子等）之间（电子、中微子等）之间 如如:在导致原子核的在导致原子核的 衰变衰变放出电子和中微子放出电子和中微子.中微子是一种质量很小或几乎是零的中性粒子中微子是一种质量很小或几乎是零的中性粒子.中微子的处现中微子的处现,是是弱相互作用的一种可靠的标记弱相互作用的一种可靠的标记.3 3、强、强 力：力：在微观领域中的一种短程力，在微观领域中的一种短程力，存在于强子存在于强子 （核子、介子和超子）之间它比电磁力更强（核子、介子和超子）之间它比电磁力更强,约大约大 倍倍.是一种短程相互作用力是一种短程相互作用力.五五、自然界中的四种基本相互作

6、用（力）、自然界中的四种基本相互作用（力）1 1、万有引力：、万有引力：任何物体与物体之间都存在着相互吸引的力任何物体与物体之间都存在着相互吸引的力2 2、电、电 磁磁 力：力：存在于静止电荷以及运动电荷之间的电性力存在于静止电荷以及运动电荷之间的电性力 和磁性力，统称为电磁力和磁性力，统称为电磁力 弹性力弹性力,摩擦力摩擦力,气体的压力气体的压力,浮力浮力,粘滞力等粘滞力等 大学物理大学物理 第一章第一章 牛顿力学牛顿力学理学院物理系 王 强4/14/2023第第1 1章章 牛顿力学牛顿力学 大学物理大学物理 第一章第一章 牛顿力学牛顿力学理学院物理系 王 强4/14/2023第第1 1章章

7、 牛顿力学牛顿力学解解:例例:一质量为一质量为 10kg 的质点在力的质点在力 作用下沿作用下沿 x 轴轴作作直线运动直线运动，已知：，已知：在在 t=0 时，时，求求质点在任意时刻的质点在任意时刻的速度速度和和位置位置。大学物理大学物理 第一章第一章 牛顿力学牛顿力学理学院物理系 王 强4/14/2023第第1 1章章 牛顿力学牛顿力学解解:例例:一质量为一质量为 10kg 的质点在力的质点在力 作用下沿作用下沿 x 轴轴作作直线运动直线运动，已知：，已知：在在 t=0 时，时，求求质点在任意时刻的质点在任意时刻的速度速度和和位置位置。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇

8、宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅 2-1 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇 宙德国哲学家德国哲学家康德康德说过：说过：“世世界界上上有有两两件件东东西西能能够够深深深深地地震震撼撼我我们们的的心心灵灵：一一件件是是我我们们心心中中崇崇高高的的道道德德准准则则；另一件是我们头顶上另一件是我们头顶上灿烂的星空灿烂的星空”四方上下曰宇四方上下曰宇四方上下曰宇四方上下曰宇,古往今来曰宙。古往今来曰宙。古往今来曰宙。古往今来曰宙。新华字典新华字典 理学院 物理系 王 强4

9、/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅先来观测宇宙！越看越远将看到什么？理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅中国南极天文台摄理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅星空亮星分布亮星分布各向同性各向同性理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅银河系全景图理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅

10、 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅银河系示意图几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘厚度范围内的星体。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅仙女座大星云仙女座大星云 河外星系：河外星系：银河系的邻近星系银河系的邻近星系 与银河系很相似与银河系很相似 理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙学原理宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。宇宙没有中心，也没有边界。宇宙没有中心，也没有边界。在任何一个典

11、型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅夜晚的天空为什么是夜晚的天空为什么是黑暗黑暗的？的？早在早在17201720年到年到18231823年期间英、法、德三年期间英、法、德三国各有一位天文家国各有一位天文家(分别是分别是哈雷哈雷，切西亚赫切西亚赫，奥尔奥尔勃斯勃斯)提出了如下命题：提出了

12、如下命题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮！亮！但事实远非如此但事实远非如此。后来这命题被称为后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬奥尔勃斯佯谬”理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅 亮度与距离平方成反比。亮度与距离平方成反比。不同距离上贡献的总亮

13、度不同距离上贡献的总亮度是一样的。是一样的。无限大空间贡献的将是无无限大空间贡献的将是无限亮。限亮。黑夜应当是明亮的。黑夜应当是明亮的。Olbers 之谜之谜观察者观察者理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅1 1、一种解释、一种解释 19461946年年，哈里森哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本研究指出，在上述命题中，一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，从生弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料

14、烧完，从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t*t*100100亿年亿年(10101010年年)，它远比光离开恒星表面后，到波吸收所经过的平，它远比光离开恒星表面后，到波吸收所经过的平均时间均时间 (约约10102323年年)小得多。小得多。哈里森的计算表明：哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度来的总的辐射能量密度u 等于一颗恒星表面的辐射能量等于一颗恒星表面的辐射能量密度密度 u*。考虑到有寿命时，则：。考虑到有寿命时，则：可见可见 u 很小，观察不到。很小，观

15、察不到。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅2、另一种解释、另一种解释 1965年，也发现年，也发现宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相充满宇宙空间，相当温度当温度T 3K3K的黑体辐射。假如认为这种背景辐射就是来自的黑体辐射。假如认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，其中其中T T 4 4为黑体的总辐射本领为黑体的总辐射本领 求得恒星表面的求得恒星表面的u*值，取值，取 T*6000K 6000K(太阳表面温度太阳表面

16、温度)可得：可得：两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸理论宇宙在膨胀宇宙在膨胀 宇宙起源于一次宇宙起源于一次“大爆大爆炸炸”（Big Bang）大爆炸理论基本思想大致如下：大爆炸理论基本思想大致如下：约在距今约在距今137亿年前，爆炸从亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点一个密度无限大的奇点开开始始约约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程后，后一个特别快速的膨胀过程(称称暴胀暴胀)，当，当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子

17、等基本粒子膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子到到10-6s时，时，夸克结合成中子和质子等强子，他们约在夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成分钟后形成原子原子核核约约38万年后，宇宙以冷却到温度为万年后，宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间子开始自由地运动而充满宇宙空间50亿年后，亿年后，星系形成星系形成，太阳系太阳系形成形成100亿年后，宇宙温度冷却到亿年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类，出现人类活动。活动。理学院 物理系

18、 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸理论 1946 1946年物理学家年物理学家伽莫夫伽莫夫首先提出：首先提出：宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但直到直到2020世纪世纪6060年代初还很少有人相信。当时的一个主年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。要根据是哈勃红移。1965 1965年年,3K,3K微波背景辐射的发现，才使上述微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。假设逐步发展成为被公认的理论。1 1、大爆炸理论的、大爆炸理论的5

19、5个依据个依据宇宙在膨胀宇宙在膨胀 宇宙起源于一次宇宙起源于一次“大爆大爆炸炸”（Big Bang）理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅大爆炸宇宙学的提出Gamow:1946宇宙诞生于高温高密状态。宇宙诞生于高温高密状态。膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征。特征。大爆

20、炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确大爆炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确定的物理内容，可供实在的观测检验。定的物理内容，可供实在的观测检验。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅2 2、大爆炸理论的、大爆炸理论的5 5个依据个依据(1)哈勃红移哈勃红移1929年起，科学家测得遥远恒星年起，科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种发出的光谱线普遍存在一种“红移红移”现象，称现象，称哈勃红移。这是由于恒星以速度哈勃红移。这是由于恒星以速度v远离地球所造远离地球所造成的。根据成的。根据多普勒效应多普勒效应，光源远离地球时，地，

21、光源远离地球时，地球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长增大，称为增大，称为红移红移。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙膨胀 导致的红移理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅2 2、大爆炸理论的、大爆炸理论的5 5个依据个依据(2)1965年，年，3K微波背景辐射微波背景辐射的发现，是大爆炸理论的有力的发现，是大爆炸理论的有力论据。两位发现者：美国论据。两位发现者：美国贝尔实验室贝尔实验室的工程

22、师的工程师彭齐亚斯彭齐亚斯和和威尔逊威尔逊也因此获得了也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1989年利用年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为：卫星进一步测得了宇宙背景温度为：T=2.725K理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅电视机屏幕上在没有节目时呈现的雪花噪雪花噪声声中就包含有微波背景辐射,无处不在！微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。它是宇宙中最完美的黑体辐射。微波背景辐射是什么？理学院 物理系

23、王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅2 2、大爆炸理论的、大爆炸理论的5 5个依据个依据(3)第三个证明是宇宙的第三个证明是宇宙的可见物质可见物质主要是氢和氦，约主要是氢和氦，约3/4是氢，是氢，1/4是氦，与理论估计相符。是氦，与理论估计相符。(4)第四个论据是关于恒星和星系的演化，第四个论据是关于恒星和星系的演化，1990年升空至年升空至今的哈勃空间望远镜已能看到今的哈勃空间望远镜已能看到100亿光年外的天体，观亿光年外的天体，观测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理论的预言

24、。论的预言。(5)哈里森在计算时考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙哈里森在计算时考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的天空为什么模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的天空为什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第五个论据。是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第五个论据。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙膨胀：加速还是减速宇宙膨胀究竟减速还是加速？宇宙膨胀究竟减速还是加速？万有引力只允许减速。万有引力只允许减速。宇宙加速膨胀的发现宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）（暗能量的提出）理学院 物

25、理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅L.M.Krauss,Scientific American,1999减速减速加速加速可见物质可见物质暗物质暗物质暗能量暗能量理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅三种物质三种物质：普通物质普通物质（重子物质）；暗物质暗物质；暗能量暗能量。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙成分分配 Ostriker&Steinhardt,2003,S

26、cience,300,1909Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909暗能量：暗能量：73%；暗物质：；暗物质：23%；发光物质：发光物质：0.4%（恒星和发光气体（恒星和发光气体0.4%；辐射；辐射0.005%）；）；不可见的普通物质：不可见的普通物质：3.7%（星系际气体（星系际气体3.6%；中微子中微子0.1%；超重黑洞；超重黑洞0.04%）理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅宇宙学引发重大革命 普林斯顿大学的斯坦哈德（普林斯顿大学的斯坦哈德（Paul Paul Ste

27、inhardtSteinhardt）感慨地说：现今宇宙学正）感慨地说：现今宇宙学正处于一个重大的革命时期，正如哥白处于一个重大的革命时期，正如哥白尼（尼（N.Copernicus）的发现所带来的）的发现所带来的状况一样。状况一样。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅 所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的中革命性的发展来的 假如一个年轻人，他觉得自己一生的假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命

28、性的发展的话，他应该目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。去学习天文物理学。杨振宁杨振宁理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅杨振宁：20世纪物理学世纪物理学20世纪物理学的第一个世纪物理学的第一个“1/4”是黄金时代，是黄金时代，第三个第三个“1/4”是白银时代。是白银时代。人们曾普遍惋惜未能赶上人们曾普遍惋惜未能赶上20世纪的黄金时世纪的黄金时代，现在很可能正是新世纪的黄金时代代，现在很可能正是新世纪的黄金时代”！不要！不要失之交臂失之交臂！理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙

29、之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅一、一、恒星的诞生恒星的诞生星际云星际云 1 1、稀薄：几十个原子稀薄：几十个原子/cm/cm2 2;2 2、T=100KT=100K扰扰动动 打破平衡态打破平衡态 密度大的部分开始收缩密度大的部分开始收缩 形成结构紧密的球体形成结构紧密的球体 中心的压强、温度中心的压强、温度密度不断升高。密度不断升高。开始辐射能量开始辐射能量 继续收缩继续收缩核反应开始核反应开始恒星诞生！恒星诞生！理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅理学院 物理系 王 强4/14/2023第

30、二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅1、恒星演化的三种归宿、恒星演化的三种归宿 白矮星白矮星、中子星中子星和和黑洞黑洞是恒星演化的三种归宿是恒星演化的三种归宿 恒恒星星在在稳稳恒恒的的核核燃燃烧烧阶阶段段时时，氢氢不不断断地地转转变变为为氦氦及及更更重重的的元元素素，灼灼热热气气体体的的向向外外压压强强与与向向内内收收缩缩的的引引力力达达到到平平衡衡。稳稳恒恒阶阶段段为为恒恒星星的的“壮壮年年期期”（主主序序星星）。迄迄今发现的恒星有今发现的恒星有90%处处“壮年期壮年期”。二、二、恒星的生命历程恒星的生命历程理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第

31、二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅二、二、恒星的生命历程恒星的生命历程2、白矮星、白矮星恒星质量：恒星质量：M ；太阳质量：；太阳质量：M 恒星恒星M 8M 红巨星红巨星 白矮星白矮星 红矮星红矮星 黑矮星黑矮星依靠依靠电子简并压电子简并压抵抗万有引力抵抗万有引力白矮星的质量不超过白矮星的质量不超过 1.4 M 钱德拉塞卡极限钱德拉塞卡极限：1.4M 理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅二、二、恒星的生命历程恒星的生命历程3、中子星、中子星恒星质量：恒星质量：M ；太阳质量：；太阳质量

32、：M 恒星恒星8M M 1.4M)中子星中子星 超超新星新星 爆发爆发 依靠依靠中子简并压中子简并压抵抗万有引力抵抗万有引力稳定中子星的极限：稳定中子星的极限：3 M 理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅 17311731年年，英国的一位天文爱，英国的一位天文爱好者好者比维斯比维斯发现发现:星云的形状有点像螃蟹被取星云的形状有点像螃蟹被取名为名为蟹状星云蟹状星云(Crab Nebula)19201920年年，推算其膨胀开始时，推算其膨胀开始时刻应在刻应在860860年前年前公元公元10601060年年。宋会要记载：宋

33、会要记载：“嘉佑元年三月，司天监言，嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见凡见二十三日二十三日。”理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅二、二、恒星的生命历程恒星的生命历程3、中子星、中子星恒星质量：恒星质量：M ；太阳质量：；太阳质量：M 恒星恒星8M M 1.4M)中子星中子星 超超新星新星 爆发爆发 依靠依靠中子简并压中子简并压抵抗万有引力抵抗万有引力稳定中

34、子星的极限：稳定中子星的极限：3 M 4、黑黑 洞洞 M 25M恒星恒星 黑洞黑洞 当恒星开始形成时质量大于当恒星开始形成时质量大于25M ，且，且Mcore超过超过3M ，就没，就没有一种已知的力可以顶得住引力了，此核心将是一个有一种已知的力可以顶得住引力了，此核心将是一个黑洞黑洞理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅三、三、黑黑 洞洞1、黑洞的形成、黑洞的形成具有封闭视界的天体具有封闭视界的天体黑洞：黑洞：当速度足够当速度足够大，物体可大，物体可以摆脱星球以摆脱星球引力的控制。引力的控制。引力半径引力半径史瓦西半径

35、史瓦西半径逃逸动能逃逸动能黑洞黑洞当恒星在自身引力作用下收缩到半径小于当恒星在自身引力作用下收缩到半径小于rs时，时，就形成黑洞，以就形成黑洞，以rs为半径的球面就是它的视界。为半径的球面就是它的视界。引力势能引力势能太阳太阳r s 3 kmM=1.989 1030 kgR =6.96 105 km地球地球RE 6370kmME=5.976 1024 kgr Es 1.5 mm理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅1）黑洞由引力单独支配，一旦形成将无限止地收缩黑洞由引力单独支配，一旦形成将无限止地收缩 直至奇点直至奇点

36、1）微型黑洞可能在宇宙创生时就产生了。微型黑洞可能在宇宙创生时就产生了。2）黑洞并不一定密度都极大。巨型黑洞也可能密度非常小黑洞并不一定密度都极大。巨型黑洞也可能密度非常小 例如：一个质量为例如：一个质量为1023 M的黑洞，的黑洞，相应的密度只需要相应的密度只需要10 29 g/cm32）外来的物质和辐射可以进入视界以内，但视界内的任何外来的物质和辐射可以进入视界以内，但视界内的任何 物质、信息都不能跑到外面。物质、信息都不能跑到外面。2、黑洞的特点、黑洞的特点注注 意意3）孤立黑洞应该是黑色的，但是如果其他天体在黑洞的引孤立黑洞应该是黑色的，但是如果其他天体在黑洞的引力范围附近，被拽向黑洞

37、的物质在旋转着落入黑洞时会力范围附近，被拽向黑洞的物质在旋转着落入黑洞时会发射电磁波发射电磁波黑洞被套上光环黑洞被套上光环。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-1 宇宙之旅宇宙之旅黑 洞黑洞恒星天鹅座X-1 双星系 X射线源X 射 线 1972年年，天天鹅鹅座座X-1双双星星，通通过过引引力力计计算算发发现现其其质质量量为为太太阳阳15倍倍第第一一个个发发现现的的黑黑洞洞理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻2-22-2 时空联姻时空联姻 赫尔曼赫尔曼闵可夫斯基

38、闵可夫斯基 Hermann Minkowski 从从现现在在起起，绝绝对对的的空空间间和和绝绝对对的的时时间间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义都不复存在，只有二者的某种结合才有意义理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻爱因斯坦爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家之一世纪最伟大的物理学家之一，1879年年3月月14日出生于德日出生于德国乌尔姆，国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。年毕业于瑞士

39、苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的。这一年的3月到月到9月半年中，利用业余时月半年中，利用业余时间发表了间发表了 6 篇论文，在物理学篇论文，在物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论光量子理论、狭义相对论和分子运动论。爱因斯坦在爱因斯坦在1915年到年到1917年的年的3年中，还在年中，还在 3 个不同领域做出了历史个不同领域做出了历史性的杰出贡献性的杰出贡献 建成了建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论广义相对

40、论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。爱因斯坦获得爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖爱因斯坦爱因斯坦:Einstein :Einstein 现代时空的创始人现代时空的创始人 二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻一样！一样！绝对时空不能观测，也不能绝对时空不能观测，也不能用任何实验证明用任何实验证明根本不根本不存在。但是，它在理解牛顿存在。但是，它在理解牛顿定律中所起的巨大作用，迫定律中所起的巨大作用，迫使牛顿引进这一概念。使牛顿引进这一概念。这是牛顿天这是牛顿天

41、才的一个标才的一个标志志相对不同的参照系，相对不同的参照系，长度和时间的测量结果都一样吗长度和时间的测量结果都一样吗？NewtonNewton1642172716421727EinsteinEinstein1879195518791955理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻1、力学的相对性原理力学的相对性原理一、一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 伽利略变换伽利略变换 Galilean TransformationGalileo GalileiGalileo Galilei1564164215641642不能区分船

42、是静止还是匀速直线运动不能区分船是静止还是匀速直线运动伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：在一切惯性系中力学规律相同在一切惯性系中力学规律相同伽利略封闭船舱里的力学实验伽利略封闭船舱里的力学实验理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻 在彼此作在彼此作匀速直线运动匀速直线运动的的所有惯性系所有惯性系中，物体运动中，物体运动所遵循的所遵循的力学规律是完全相同力学规律是完全相同的，具有的，具有完全相同的数学完全相同的数学表达式表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。在在一切惯性

43、系内的任何力学实验一切惯性系内的任何力学实验都都不能确定该惯性系不能确定该惯性系是静止的还是作匀速直线运动是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确切知道某一惯的，因此要确切知道某一惯性系本身是否性系本身是否“绝对静止绝对静止”，则用任何力学实验都不可能，则用任何力学实验都不可能办到。办到。-力学力学力学力学的相对性原理的相对性原理 力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有惯性系都是等价的惯性系都是等价的。1、力学的相对性原理力学的相对性原理一、一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 伽利略变换伽利略变换 Galilean Transformation理学院

44、物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻yxZoS 系系2、伽利略变换伽利略变换 Galilean Transformation 1）、坐标系的建立）、坐标系的建立 系在两个惯性系中考察同一物理事件在两个惯性系中考察同一物理事件设惯性系设惯性系 相对惯性系相对惯性系S 以速度以速度 u 作匀速直线运动作匀速直线运动当当 时两坐时两坐标系的原点标系的原点O 与与 相重合。相重合。理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻2）、实际观测）、实际观测t 时刻在时刻

45、在P点发点发生任一事件生任一事件伽伽利利略略变变换换yxZoS 系系 系(x,y,z,t )逆逆变变换换正正变变换换理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻3）、速度变换与加速度变换）、速度变换与加速度变换两个都是惯性系，两个都是惯性系，是恒量是恒量在两个不同的惯性系中在两个不同的惯性系中理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻 自不同的惯性系，所观测到的同一质点自不同的惯性系，所观测到的同一质点运动的加速度是相同的，即运动的加速度是相同的，即物体

46、的加速度具物体的加速度具有有伽利略变换下的不变性伽利略变换下的不变性。3 3、牛顿定律具有伽利略变换不变性牛顿定律具有伽利略变换不变性 牛顿力学规律（包括牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能守动量守恒定律、机械能守恒定律恒定律等）在伽利略变换下形式不变等）在伽利略变换下形式不变。结论：结论：在牛顿力学中在牛顿力学中质量与运动无关质量与运动无关力与参考系无关力与参考系无关理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻4 4、经典力学的时空观、经典力学的时空观 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观时间具有绝对性时间具有绝对性

47、空间具有绝对性空间具有绝对性时间和空间是彼此分离不相关的时间和空间是彼此分离不相关的理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻 17311731年年，英国的一位天文爱，英国的一位天文爱好者好者比维斯比维斯发现发现:星云的形状有点像螃蟹被取星云的形状有点像螃蟹被取名为名为蟹状星云蟹状星云(Crab Nebula)19201920年年，推算其膨胀开始时，推算其膨胀开始时刻应在刻应在860860年前年前公元公元10601060年年。宋会要记载：宋会要记载：“嘉佑元年三月，司天监言，嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，

48、至和元年五月晨出东客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见凡见二十三日二十三日。”理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散它的外围物质向四面八方飞散,即有些即有些抛射物向着地球运动抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问过程中光线传播引起的疑问.l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻 A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间 B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB理学院 物理系 王 强4/14/2023第二章第二章 宇宙之旅宇宙之旅 大学物理大学物理 2-2 时空联姻时空联姻l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB 理论计算观察到超新星爆发的强光理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约的时间持续约 。实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?