高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生素材 新人教选修34.ppt

《高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生素材 新人教选修34.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第十五章 相对论简介 1 相对论的诞生素材 新人教选修34.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1 相相对论的的诞生生2021/8/11 星期三1一一.两两朵乌云云 19001900，开，开，开，开尔尔文文文文勋勋爵：爵：爵：爵：物理学的大厦已物理学的大厦已物理学的大厦已物理学的大厦已经经建成，未来的物理学家建成，未来的物理学家建成，未来的物理学家建成，未来的物理学家只需要做些修修只需要做些修修只需要做些修修只需要做些修修补补补补的工作就行了。但是，的工作就行了。但是，的工作就行了。但是，的工作就行了。但是，明朗的天空明朗的天空明朗的天空明朗的天空还还有两有两有两有两朵乌朵乌云：一云：一云：一云：一朵朵与黑体与黑体与黑体与黑体辐辐射射射射有关，另一有关，另一有关，另一有关，另一朵朵与与与

2、与迈迈克克克克尔逊实验尔逊实验有关。有关。有关。有关。2021/8/11 星期三2第一第一朵乌云：黑体云：黑体辐射射 量子量子论第二第二朵乌云：云：迈克克尔逊实验 相相对论19001900190519052021/8/11 星期三3量子量子论的的诞生生2021/8/11 星期三4量子量子说 光子光子说爱因斯坦解因斯坦解释光光电效效应190519052021/8/11 星期三5爱因斯坦生平（因斯坦生平（）1879.3.14 诞生于德国生于德国乌尔姆姆中，小学中，小学时代代 德国慕尼黑德国慕尼黑1895-1896 瑞士阿瑞士阿劳中学一中学一年年1896-1900 苏黎士工黎士工业大学大学学学习19

3、00-1902 艰辛求辛求职，四面，四面碰壁碰壁2021/8/11 星期三6 爱爱因斯坦因斯坦因斯坦因斯坦对对学校教育持批学校教育持批学校教育持批学校教育持批评态评态度，一生中除了在阿度，一生中除了在阿度，一生中除了在阿度，一生中除了在阿劳劳中学那一年的中学那一年的中学那一年的中学那一年的补习补习班外，班外，班外，班外，对对学校教育没有好印象。学校教育没有好印象。学校教育没有好印象。学校教育没有好印象。他高度他高度他高度他高度评评价阿价阿价阿价阿劳劳中学的教学：中学的教学：中学的教学：中学的教学：“这这个中学用它的自由精神和那些不仗外界个中学用它的自由精神和那些不仗外界个中学用它的自由精神和那

4、些不仗外界个中学用它的自由精神和那些不仗外界权势权势的教的教的教的教师师的的的的纯纯朴朴朴朴热热情，培养了我的独立精神和情，培养了我的独立精神和情，培养了我的独立精神和情，培养了我的独立精神和创创造精神。正是造精神。正是造精神。正是造精神。正是阿阿阿阿劳劳中学，成中学，成中学，成中学，成为为了孕育相了孕育相了孕育相了孕育相对论对论的土壤的土壤的土壤的土壤”2021/8/11 星期三7u u1902-1909 伯伯尔尼尼发明明专利局工作利局工作u u初期科研情况：初期科研情况：1901-1篇篇论文文u u 1902-2篇篇论文文u u 1903-1篇篇论文文u u 1904-1篇篇论文文2021

5、/8/11 星期三8希希尔伯特：伯特：没有比没有比专利局利局对爱因斯坦因斯坦更适合的工作更适合的工作单位了位了 空空闲、宽容容2021/8/11 星期三9爱因斯坦的丰收年（因斯坦的丰收年（26岁）1905-5篇篇 3月月 解解释光光电效效应光子光子说（6月月 发表）表）4月月 博士博士论文：文：测定分子大小定分子大小的新的新 方法（方法（4月提交）月提交）2021/8/11 星期三105月月 解解释布朗运布朗运动（7月月发表）表）6月月 “论运运动物体的物体的电动力学力学”狭狭 义相相对论（9月月发表）表）9月月 （11月月发表）表）2021/8/11 星期三11爱因斯坦生平（因斯坦生平（）1

6、909-1914 进入大学工作（入大学工作（苏黎士，黎士，布布 拉格等地）拉格等地）1914-1933 柏林大学教授，德国物柏林大学教授，德国物理研理研 究所所究所所长、院士、院士1915 提出广提出广义相相对论（36岁）1933-1955 美国普林斯美国普林斯顿大学高大学高级研究研究 所研究所研究员1955年年4月月18日日 逝世逝世2021/8/11 星期三12二二.狭狭义相相对论 光波是光波是光波是光波是“以太以太以太以太”的的的的弹弹性振性振性振性振动动。以太相以太相以太相以太相对对于地球运于地球运于地球运于地球运动吗动吗？光行差光行差光行差光行差现现象（象（象（象（17281728，

7、18101810）：以太相）：以太相）：以太相）：以太相 对对于地球有运于地球有运于地球有运于地球有运动动。迈迈克克克克尔逊实验尔逊实验（18811881，18871887）：没有）：没有）：没有）：没有 测测出出出出这这一运一运一运一运动动。2021/8/11 星期三13洛洛伦兹的解的解释：以太相以太相对于于绝对空空间静止。静止。洛洛伦兹收收缩：2021/8/11 星期三14x=x-vtx=x-vty=yy=yz=zz=zt=tt=t伽利略伽利略伽利略伽利略变换变换2021/8/11 星期三15洛洛伦兹变换：相：相对于于绝对空空间的的变换2021/8/11 星期三16爱因斯坦的新理因斯坦的新

8、理论相相对性原理性原理 光速不光速不变原理原理洛洛伦兹变换不存在不存在不存在不存在绝对绝对空空空空间间，一切运，一切运，一切运，一切运动动都是相都是相都是相都是相对对的的的的洛洛洛洛伦兹变换伦兹变换是任意两个是任意两个是任意两个是任意两个惯惯性系之性系之性系之性系之间间的的的的变换变换V V是相是相是相是相对对速度速度速度速度爱爱因斯坦：因斯坦：因斯坦：因斯坦：2021/8/11 星期三17洛洛伦兹反反对爱因斯坦的因斯坦的观点，点，给爱因斯坦的理因斯坦的理论起了个名字：起了个名字：相相对论2021/8/11 星期三18相对论认为“同时”是相对的动尺收缩：空间是相 对的动钟变慢：时间是相 对的质

9、能关系：2021/8/11 星期三192021/8/11 星期三20 爱爱因斯坦的因斯坦的因斯坦的因斯坦的创创新之新之新之新之处处：（1 1）坚坚持相持相持相持相对对性原理性原理性原理性原理（2 2）认识认识到光速是到光速是到光速是到光速是绝对绝对的的的的（3 3）时间时间 能量能量能量能量 空空空空间间 动动量量量量2021/8/11 星期三21究竟是究竟是谁创造了相造了相对论？2021/8/11 星期三22u u历史：史：u u1892 洛洛伦兹斐斐兹杰惹收杰惹收缩u u （1892）（1889，1893）u u1902 彭卡莱否彭卡莱否认绝对空空间，绝对时间u u （但仍承（但仍承认有以

10、太）有以太）u u 批批评相相对于于绝对空空间的的动尺收尺收缩假假设，u u 认为“相相对性原理性原理”适用于适用于电磁理磁理论2021/8/11 星期三23u u1904 洛洛伦兹部分接受彭卡莱批部分接受彭卡莱批评u u 提出地方提出地方时间 u u （非真（非真实时间）u u 给出洛出洛伦兹变换u u （1887 佛格特，佛格特，1898 拉摩）拉摩）u u 电子子质量公式量公式u u 2021/8/11 星期三24u u1904 彭卡莱彭卡莱 u u 正确表述正确表述“相相对性原理性原理”u u 提到用光信号提到用光信号对钟，但，但认为得到的是得到的是地方地方时间，不是真，不是真实时间。

11、u u 推推测真空中光速真空中光速c是常数，且可能是极是常数，且可能是极限速度；限速度；2021/8/11 星期三25u u1905 爱因斯坦因斯坦发表相表相对论u u （论运运动物体的物体的电动力学）力学）u u只有他只有他认识到到u u（1）必）必须彻底抛弃底抛弃绝对空空间（以太）（以太）u u 必必须彻底抛弃底抛弃绝对时间（同（同时的的绝对性）性）u u（2）“同同时”是相是相对的，可以用光来的，可以用光来对钟，定定义“同同时”u u（3）新理）新理论是一个是一个时空理空理论2021/8/11 星期三26u u杨杨振宁教授振宁教授振宁教授振宁教授u u洛洛洛洛伦兹伦兹只有近距离眼光，没有

12、只有近距离眼光，没有只有近距离眼光，没有只有近距离眼光，没有远远距离眼光距离眼光距离眼光距离眼光u u洛洛洛洛伦兹伦兹（只重（只重（只重（只重视视解解解解释实验释实验与与与与观测结观测结果）局部修改物理果）局部修改物理果）局部修改物理果）局部修改物理理理理理论论，不从哲学角度考，不从哲学角度考，不从哲学角度考，不从哲学角度考虑虑u u彭卡莱只有彭卡莱只有彭卡莱只有彭卡莱只有远远距离眼光，没有近距离眼光距离眼光，没有近距离眼光距离眼光，没有近距离眼光距离眼光，没有近距离眼光u u彭卡莱只从哲学和教学的角度来考彭卡莱只从哲学和教学的角度来考彭卡莱只从哲学和教学的角度来考彭卡莱只从哲学和教学的角度来

13、考查问题查问题,不从不从不从不从实验实验和和和和测测量的角度考量的角度考量的角度考量的角度考查查u u爱爱因斯坦具有自由的眼光，既近距离又因斯坦具有自由的眼光，既近距离又因斯坦具有自由的眼光，既近距离又因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远远距离距离距离距离观观察察察察问问题题u u既重既重既重既重视实验视实验和和和和观测观测，又注重哲学探，又注重哲学探，又注重哲学探，又注重哲学探讨讨（马马赫著作，赫著作，赫著作，赫著作，“奥林匹奥林匹奥林匹奥林匹亚亚学院学院学院学院”）u u洛洛洛洛伦兹伦兹是技是技是技是技术术型的，彭卡莱是哲学型的，型的，彭卡莱是哲学型的，型的，彭卡莱是哲学型的，型的，彭卡莱是

14、哲学型的，爱爱因斯坦是因斯坦是因斯坦是因斯坦是物理型的。物理型的。物理型的。物理型的。2021/8/11 星期三27三三.弯曲的弯曲的时空空广广义相相对论（1）惯性系无法定性系无法定义（2）万有引力定律）万有引力定律纳不不进相相对论体体系系2021/8/11 星期三282021/8/11 星期三29引力引力场=惯性性场 (局域局域)等效原理等效原理 广广义相相对性原理性原理广广义相相对论2021/8/11 星期三30 万有引力不是真正的力，而是万有引力不是真正的力，而是时空弯曲空弯曲的表的表现行星行星绕日运日运动是是惯性运性运动（伽利略的（伽利略的错误）地球上的自由落体是地球上的自由落体是惯性

15、运性运动2021/8/11 星期三312021/8/11 星期三32 时间时间 能量能量能量能量 空空空空间间 动动量量量量 时时空曲率空曲率空曲率空曲率物物物物质质2021/8/11 星期三33广广义相相对论的三个的三个实验验证（1）引力引力红移移（2）水星水星进动（3）光光线偏折偏折2021/8/11 星期三34水星水星轨道近日点的道近日点的进动5600.73 0.41/5600.73 0.41/百年，（百年，（百年，（百年，（观测观测）5557.62 0.20/5557.62 0.20/百年，（百年，（百年，（百年，（计计算）算）算）算）43.11/43.11/百年的百年的百年的百年的进

16、动进动无法解无法解无法解无法解释释广广广广义义相相相相对论对论的回答：的回答：的回答：的回答：43/43/百年百年百年百年勒勒勒勒维维叶的猜叶的猜叶的猜叶的猜测测，火神星，火神星，火神星，火神星（勒（勒（勒（勒维维叶与叶与叶与叶与亚亚当斯当斯当斯当斯发现发现海王星）海王星）海王星）海王星）2021/8/11 星期三352021/8/11 星期三36光光线偏折偏折广广义相相对论：=1.75牛牛顿理理论：=0.875实验观测：（：（1915年：年：爱丁丁顿 西非普林西比西非普林西比;巴西，阴雨）巴西，阴雨）=1.98 0.12今天：今天：=1.892021/8/11 星期三372021/8/11

17、星期三38引力波引力波 广广义相相对论预言：有引力波，以言：有引力波，以光速光速传 播播 J.H.Taylar,R.A.Hulse发现脉脉动双双星（星（PSR1913+16）轨道周期每年道周期每年减少减少约万万 分之一秒，恰好可用引力分之一秒，恰好可用引力辐射来射来解解释。（由于（由于对脉冲双星研究的脉冲双星研究的贡献献获1993年年诺贝尔物理物理奖，但未明确，但未明确指明指明发现引力波。）引力波。）2021/8/11 星期三392021/8/11 星期三40爱因斯坦因斯坦说：狭狭义相相对论如果我不如果我不发现，五年之内就会有人五年之内就会有人发现。广广义相相对论如果我不如果我不发现，50年之

18、内也不会有人年之内也不会有人发现！2021/8/11 星期三41爱爱因斯坦与格因斯坦与格因斯坦与格因斯坦与格罗罗斯曼合作得到斯曼合作得到斯曼合作得到斯曼合作得到场场方程：方程：方程：方程：爱爱因斯坦与希因斯坦与希因斯坦与希因斯坦与希尔尔伯特伯特伯特伯特讨论讨论后得到正确的后得到正确的后得到正确的后得到正确的场场方程：方程：方程：方程：数学家数学家对爱因斯坦的帮助因斯坦的帮助2021/8/11 星期三42四、相四、相对论的的进展展u 现现代宇宙学代宇宙学代宇宙学代宇宙学u 黑洞黑洞黑洞黑洞u 奇性定理奇性定理奇性定理奇性定理u 时时空隧道与空隧道与空隧道与空隧道与时间时间机器机器机器机器u 规规

19、范范范范场场2021/8/11 星期三43现代宇宙学代宇宙学爱因斯坦：有限，无因斯坦：有限，无边的静的静态宇宙模型宇宙模型加入宇宙加入宇宙项 （宇宙（宇宙项项）2021/8/11 星期三442021/8/11 星期三45暗物暗物质与暗能量与暗能量物物质质亮星亮星暗物暗物质质暗能量暗能量重子重子热热暗物暗物质质(中微子中微子)冷暗物冷暗物质质起源于起源于 动动力学暗能量力学暗能量广广义义相相对论对论在宇在宇观观尺度失效尺度失效0.5%0.5%4%4%0.3%0.3%29%29%65%65%2021/8/11 星期三46黑洞黑洞r r(视视界）界）r=0r=0奇点奇点 t rt r洞外洞外 时间时

20、间 空空间间洞内洞内 空空间间 时间时间2021/8/11 星期三472021/8/11 星期三482021/8/11 星期三49信息疑信息疑难2020年年7月月21日日,霍金霍金 “我我输了了”霍金霍金(S.W.Hawking)索恩索恩(Kip.Throne)普瑞斯基普瑞斯基(John Preskill)2021/8/11 星期三50奇性疑奇性疑难彭若斯与霍金的奇性定理彭若斯与霍金的奇性定理:时间一定有开始和一定有开始和结束束 2021/8/11 星期三51宇宙中的虫洞宇宙中的虫洞宇宙中的虫洞宇宙中的虫洞时空隧道与空隧道与时间机器机器2021/8/11 星期三52规范范场：1、爱因斯坦因斯坦

21、统一一场论的思想的思想2、魏、魏尔（H.Weyl）的尺度）的尺度变换理理论 规范范场3、爱因斯坦的反因斯坦的反对意意见4、福克与、福克与伦敦敦对魏魏尔理理论的的修正修正5、杨振宁振宁对规范范场的的贡献献6、引力、引力规范理范理论2021/8/11 星期三53五、五、爱因斯坦的主要成就因斯坦的主要成就u u1905 1905 狭狭狭狭义义相相相相对论对论（受（受（受（受马马赫思想启赫思想启赫思想启赫思想启发发）u u 光子光子光子光子说说u u1915 1915 广广广广义义相相相相对论对论（受（受（受（受马马赫思想启赫思想启赫思想启赫思想启发发，得，得，得，得 u u 到格到格到格到格罗罗思曼

22、与希思曼与希思曼与希思曼与希尔尔伯特的帮助）伯特的帮助）伯特的帮助）伯特的帮助）u u 其他成就：分子运其他成就：分子运其他成就：分子运其他成就：分子运动论动论，量子，量子，量子，量子统计统计，激光，激光，激光，激光 u u 原理，原理，原理，原理，统统一一一一场论场论，与哥本哈根，与哥本哈根，与哥本哈根，与哥本哈根u u 学派的学派的学派的学派的论战论战2021/8/11 星期三54爱爱因斯坦是人而不是神因斯坦是人而不是神因斯坦是人而不是神因斯坦是人而不是神他曾他曾他曾他曾经经：不同意膨不同意膨不同意膨不同意膨胀胀宇宙模型；宇宙模型；宇宙模型；宇宙模型；不同意白矮星存在不同意白矮星存在不同意

23、白矮星存在不同意白矮星存在质质量上限；量上限；量上限；量上限；不同意有黑洞存在；不同意有黑洞存在；不同意有黑洞存在；不同意有黑洞存在；不同意不同意不同意不同意H.WeylH.Weyl的的的的规规范范范范场论场论；始始始始终终不同意量子力学的不同意量子力学的不同意量子力学的不同意量子力学的统计统计解解解解释释 这这些不同意些不同意些不同意些不同意见见有有有有对对有有有有错错，他从正反两方面，他从正反两方面，他从正反两方面，他从正反两方面推推推推动动了物理学的了物理学的了物理学的了物理学的发发展。展。展。展。2021/8/11 星期三55爱因斯坦作出划因斯坦作出划时代的成代的成就是在就是在25岁45岁之之间26岁：狭：狭义相相对论，光量，光量子子论36岁：广：广义相相对论2021/8/11 星期三562021/8/11 星期三57