中学物理学习中的物理常数

物理学的发展与基本常数摘要：在物理的学习过程中，常会遇到一些常数，物理常数是物理学的重要组成部分，它们反映了物质的运动、规律、结构等各种物理效应，是微观世界和宏观世联系的桥梁，物理常数背后常隐藏新的知识，在物理理论的建立过程中起着重要的作用，是物理学不可或缺的组成部分。物理常数的发展也直接的见证了物理学的发展。关键词：基本常数，万有引力常数，光速，普朗克常数物理学中的常数可以分为两类，一类为物质常数，与物质的特性有关，例如：电阻率、介电常数、折射率、磁导率等，这些常数常常用来描述物质的某些特性，不同的物质一般具有不同的物质常数。一类为基本物理常数，它们在不同的物理规律中保持不变，构成物理学理论的基础。基本物理常数是物理学中普遍使用的基本常数，在物理学中起重要作用。对基本物理常数的深入认识，能探究发现更深层次的物理理论。在物理学的发展历程中，有三个物理常数显得尤为重要，万有引力常数G，真空中的光速c，普朗克常数h，这三个物理常数标志着物理学的三个不同时代的特征。17—19世纪G经典力学19—20世纪c经典电磁学20世纪以后h量子力学一万有引力常数1、发展历程1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》。在该书中牛顿提出了万有引力定律[1]，其内容如下：宇宙间任何两个质点都存在相互吸引力，其大小与两质点的质量m1，m2乘积成正比，与它们之间距离r的平方成反比221rmGmF式中的比例系数G称为万有引力常数。它是一个普适常数，不受物体的大小、形状、组成等因素的影响。2、引力常数的测量长期以来，精确测量万有引力常数G和对引力及其基本特性的深入研究是物理学中最基础的研究领域之一。自1798年卡文迪许采用精密扭秤取得历史上第一个较为精确的值G以来，人们就试图系统、科学地认识引力及其基本特性，但是并没有大的进展，特别是G的测量精度并没有太大的提高。1998年，罗俊取得了105ppm相对精度的测G结果。2009年，罗俊团队将G的测量精度提高到26ppm。这是国际上精度优于50ppm的七个结果之一，也是采用扭秤周期法测得的最高精度G值。G的精确测量不仅对引力相互作用性质的认识，而且对地球物理学、天文学和宇宙学等都具有重要意义，同时能促进精密测量技术发展.该课题研究直接体现一个国家目前在精密测量物理领域所具有的水平，因而一直以来就得到各国科研机构的高度重视。对G的精确测量过程，也是人们系统、全面、深入地研究和认识各种实验工具和实验技术的系统误差的过程。引力常数G是一个与理论物理、天体物理和地球物理等密切相关的物理学基本常数。它与天体运动、天体演化和结构模型等有着密切的关系[2]。在粒子与场论、宇宙学以及引力物理的现代理论研究中，G都起着非常重要的作用。譬如描述自然界基本常数体系的普朗克长度、时间以及质量就是由三个基本物理量普朗克常数h、万有引力常数G、以及光速c的不同组合给出。3、万有引力常数测定的物理意义万有引力定律的发现是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它揭示了自然界中的一种基本相互作用的规律，将宇宙之间的规律统一起来，开创了新的学科——天体力学，是自然科学发展历史上的一座里程碑。牛顿时代以前，天体的运动被认为是不可认识的规律。万有引力定律的发现为人类探讨宇宙间的运动规律提供了依据，在科学文化发展上起到了积极的推动作用，是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。而引力常数的测量使万有引力定律有了真正的实用价值，可测量远离地球的天体的质量、密度等。因此卡文迪许也被称为是首次称出地球质量的人，万有引力常数的测量开创了测量弱力的新时代，卡文迪许扭秤实验不仅测量了G，同时也为其它弱力测量提供了思路。.二光速1、以太观念的引起的物理革命物理学发展到19世纪末期，可以说得到相当完美、相当成熟的发展。经典力学几乎可以解释一切物理现象，牛顿力学以及分析力学已经成为解决力学问题的有效工具。麦克斯韦发展了电磁学理论，电与磁理论得到统一，电磁理论还可以用来解释波动光学的基本问题。热力学和统计力学理论的发展，对于系统的宏观和微观规律都能做出合理的解释，总之，以经典力学，经典电磁学理论和经典统计力学为支柱的物理大厦已经建成，而且基础牢固宏伟壮观。经典物理大厦虽已建成，但是仍然有问题困扰着物理学家们，最具代表的就是开尔文爵士提出的物理学的“两朵乌云”，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在黑体辐射理论上。第一朵乌云促使了电动力学的发展，导致相对论的诞生。第二朵乌云迫使普朗克常数的诞生，导致量子力学的诞生。经典物理中，波的传播需要介质，水波的传播需要有水做传播媒介，声波的传播需要有空气做传播媒介。而太阳光可以穿过真空传播到地球上，光为什么能穿过真空传播？物理学家认为光的传播也存在介质——以太19世纪时，麦克斯韦经典电磁理论的发展，寻找也太也就成为物理学家的一个新的课题。2、光速的测量为了证实以太是否存在，众多的物理学都进行了光速的测定，比较有代表性的有：1849年物理学家菲索首次在实验室中利用旋转齿轮法测定了光速，1862年傅科用转动齿测定光速。1887年，迈克耳孙与莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的迈克耳孙－莫雷实验，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，证明了光速不依赖于观察者所处的惯性系。实验结果否定“以太”的存在。迈克耳孙一莫雷实验证实了光速是不变的，然而，这个结论却与力学中的伽利略变换相抵触，这使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃以太理论。经典物理学在这个著名实验面前一筹莫展。与此同时，电磁理论也为光速的不变性提供了理论依据。19世纪麦克斯韦发展了电磁学，提出来著名的麦克斯韦方程组，从方程组中就可以得出了电磁波的传播速度。并且证明，电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质。迈克耳孙－莫雷实验为代表的以太漂移实验和其它许多实验得到互相矛盾的结果。3、光速c引起的物理学革命1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》，狭义相对论从此诞生。在狭义相对论中，爱因斯坦提出光速不变性原理，即惯性系中，真空中的光速是一个常量，不随惯性系的相对运动而改变。光速不变原理狭义相对论的两个基本假设之一，在理论上，光速可以由麦克斯韦方程组而得到，实验上由迈克尔孙一莫雷实验所证实。光速的精确测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义，为光速不变原理提供了重要的判据，不仅推动了光学实验，否定了光速无限大的传统观念。发展了光学，关于光的本性，光速的不变统一了争论已久的粒子说和波动说，使经典电磁理论体系光、电、磁现象本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。三、普朗克常数物理学上空的第二朵乌云是关于黑体辐射的，1900年普朗克为解释黑体幅射的E—λ实验曲线，提出一个假说，即光的能量的传播不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态出现的，这个光量子形态也就是hν，h即为普朗克常数，h=6.64×10-34J.s。这个假说很好地解释了黑体辐射问题。普朗克常数h是量子力学的象征符号。h的提出是对传统物理的划时代挑战，开创了量子力学的新纪元。普朗克常数的提出在物理学上有着开创性的意义，最重要的贡献就是促使量子力学的诞生，产生了诸多与经典物理学完全不同的量子概念。这些量子概念都与普朗克常数h密切相关。h成为区分经典物理与量子物理的基准。量子理论的建立构建了一幅不同于经典力学的物理新图像。这门新的学科使人们思维方式发生革命性的转换，人们不得不从经典物理学中走出来而改变对自然界的看法。1905年爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进而爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外，还具有动量，动量为hc。1924年德布罗意提出波粒二象性，不仅光子具有波粒二象性，任何一种粒子都具有的。20世纪30年代薛定谔、海森堡等人在德布罗意的观点上更进一步，开创了量子力学。量子力学出现以后，引发了人们对微观世界认识的一场大革命。1914年密立根开始从实验上检验爱因斯坦的光电效应定律，根根据爱因斯坦光电效应公式，要从实验中测量h/e的比值，由于h/e是确定的，由此可以确定h的值。1916年密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦光电效应方程，并且测出了当时最精确的普朗克常量h的值。普朗克常数引起的物理革命普朗克常数提出后，量子力学随之诞生，普朗克常数h是量子化进程的标尺，自然界由连续走向非连续，这动摇了在长期占据统治地位的认为物质世界仅有连续而不存在间断的自然观。普朗克常数揭示了能量的辐射射和吸收是不连续的，为量子力学的奠定开创了基础。此外普朗克常量还是众多物理理论的基准，如不确定度、量子化条件等都与普朗克常量有关。四、物理常数之间的关联物理常数不是独立的，是彼此关联的，物理常数之间的组合也会形成一些重要的常数。如斯特藩-玻尔兹曼常数、精细结构常数等有关。斯特藩—玻尔兹曼常数3245152hck精细结构常数hce0221912年普朗克用微观领域的基本常数——普朗克常数h、宏观领域的基本常数——万有引力常数G、宇宙常数——光速c这三个最重要、最特殊的常数组合，得到了自然界中空间、时间、质量的基本值：(m)10×4.05=35-213chGlp(s)10×1.34=43-215chGtp(kg)10×5.46=c8-21Ghmp这些基本值分别称之为普朗克空间、普朗克时间、普朗克质量.令人惊叹的是这些基本值不仅在现代物理学微观领域的研究中发挥了重要作用，而且在宇观领域研究中也发挥了重要作用。由于量子力学的诞生，产生了诸多与经典物理学完全不同的量子概念.这些量子概念都与普朗克常数h密切相关。h成为区分经典物理与量子物理的基准.五、物理常数的作用物理学的快速发展为物理常数的精度测量提供了条件。高精度的物理常数又是新科学探索的基础。基本物理常数的发现和测量，在各个时期物理学的发展中都起到了很大的作用。纵观物理学史的发展史，一些新的规律和理论的诞生均与基本物理常数有着密切的关系。基本物理常数是研究物理学的重要参考，物理学科的不同学科可以用物理常数联系起来，使物理学更具有整体性。物理常数总是伴随着物理学基本定律的发现而确立的；而这些常数的测定既是对物理规律的有力验证，又使应用物理公式作许多数值计算成为可能。物理常数是物理研究的基础，物理常数之间的关联实际上也是不同学科之间的关联，对物理常数的研究常常是拓展物理学的研究领域有效方法。物理学常数决定着物质结构层次的量度。自然界万物的尺度可以相差几十个数量级。物体的尺度相差如此之大正是由普适的物理学常数决定的。物质的结构是复杂的、多层次的，从宏观到微观，从宇宙到基本粒子基本粒子，在每一个物质结构里，都存在一些基本的物理学常数，物理常数是解释物质的结构层次最有效的手段。物理常数都是物理学科的代名词，在相对论中的光速c，量子力学中的h，热力学中的kb随处可见，基本常数已经成为物理学科的标志G—天体物理c—电动力学、相对论h—量子力学kb—统计热力学e—粒子物理时间、长度、质量是物理学中最基本的物理量，在这些最基本的物理量中，是否还隐藏着未被发现的物理常数？物理学新学科的发展，需要物理常数，量子力学以后，物理学出现众多的学科，大多与量子力学有关联。物理学的发展离不开新学科的发展，也离不开物理常数，寻找新的物理常数，从常数入手，开辟一门学的学科也是当今物理学的一个重大挑战。[1]JohnD.Barrow，JohnK.Webb.变化的常数[J].科学，2005(8):27-28。１王竹溪．基本物理常数的概况及其在物理学中的作用．物理，１９７３，２（２）：１００【“基本物理常数的发现和测量是现代物理学最坚实的成就．”［２］１王竹溪．基本物理常数的概况及其在物理学中的作用．物理，１９７３，２（２）：１００】２（英）罗素．人类的知识．张金言译．北京：商务印书馆，１９８９．３８