相对论的诞生.ppt

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1、 在在19001900年英国皇家学会的新年庆祝会年英国皇家学会的新年庆祝会上，著名的物理学家，威廉上，著名的物理学家，威廉汤姆孙，汤姆孙，回顾了物理学在过去几百年中的发展，回顾了物理学在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学的大厦已经基充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一些本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。修修补补的工作就可以了。但同时他也承认但同时他也承认“明朗的天空中还有两明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的朵小小的、令人不安的乌云乌云”量子理论诞生量子理论诞生相对论诞生相对论诞生与光速问题有与光速问题有关关与黑体辐射有与黑体辐射有关关正

2、是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。出了贡献。第十五章第十五章 相对论简介相对论简介15.1 15.1 相对论的诞生相对论的诞生本节主要内容本节主要内容相对论诞生的历史环境相对论诞生的历史环境经典的相对性原理，以及它在电磁学领域里遭遇的困惑经典的相对性原理，以及它在电磁学领域里遭遇的困惑爱因斯坦在已有知识背景和实验基础上，通过思维的自由爱因斯坦在已有知识背景和实验基础上，通过思维的自由

3、创造，大胆提出两条假设：狭义相对性原理和光速不变原创造，大胆提出两条假设：狭义相对性原理和光速不变原理理一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理1 1、惯性系：、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系是惯性系2 2、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线不能

4、判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。运动；或者说，任何惯性系都是平权的。伽利略相对性原理是作为基本假伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是因为牛顿力学在解决力认，一方面是因为牛顿力学在解决力学问题上获得的巨大成功；另一方面学问题上获得的巨大成功；另一方面是因为它与人们的经验相符。是因为它与人们的经验相符。但是十九世纪，人们在研究与物但是十九世纪，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现体运动有关的电磁现象时，发现电磁电磁现象的规律不符合相对性原理现象的规律不符合相对性原理。其中最典

5、型的就是其中最典型的就是光速光速的问题。的问题。电磁波的速度等于光速电磁波的速度等于光速C C，并不涉及参考系的，并不涉及参考系的问题。问题。“电磁波的速度是电磁波的速度是C C”这本身就是电磁规律的这本身就是电磁规律的一部分。一部分。麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律1919世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了顶峰。到了顶峰。为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出地球在地球在“以太以太”中运动的速度。中运动的速度。1887

6、1887年的年的迈克耳迈克耳孙孙莫雷实验莫雷实验是最著名的一个：它们将一束光是最著名的一个：它们将一束光分成分成互相垂直互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运的两束，一束的传播方向和地球运动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，然后动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，然后使它们发生使它们发生干涉干涉。如果不同方向上的光速有微小。如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换（旋转干涉仪）时干的差别，当两束光互相置换（旋转干涉仪）时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。速度很大，希望它对光速能有较大的影响。

7、他们期待发现，这两束光的传播速度会有所不同，他们期待发现，这两束光的传播速度会有所不同，然而不管他们如何努力，精密的实验得到的结果然而不管他们如何努力，精密的实验得到的结果却是两束光的速度没有预计的差别。却是两束光的速度没有预计的差别。迈克耳孙迈克耳孙-莫雷莫雷:实验现象表明，不论实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的速都是恒定的v v光速光速 光速光速 当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满

8、足伽利略不变性。略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。论只在某一特殊的惯性系成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。不变性。只有两种可能：只有两种可能：（1 1）摆脱麦克斯韦电磁理论只在某一）摆脱麦克斯韦电磁理

9、论只在某一特殊的惯特殊的惯性系性系成立。成立。（2 2）经典力学要作修改。）经典力学要作修改。爱因斯坦爱因斯坦不存在特殊的惯性参考系。无论不存在特殊的惯性参考系。无论是力学规律还是电磁规律，它们是力学规律还是电磁规律，它们对任何惯性参考系都是一样的。对任何惯性参考系都是一样的。相对性原理对一切自然规律相对性原理对一切自然规律 都适用。都适用。否认以太的存在否认以太的存在两个基本假设 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。物体的位移、速度以及电场强度、磁感应强度等物理量都有可能因为选择参考系不同而不同，但

10、它们遵从的物理规律都是同样的。爱因斯坦理论带来了观念上的变革：爱因斯坦理论带来了观念上的变革：狭义相对论：狭义相对论：时间、长度、质量测量的相对性，与参照系有关。时间、长度、质量测量的相对性，与参照系有关。早在早在1895年年(16岁岁,上中学上中学)时，爱因斯坦提出时，爱因斯坦提出了一个有趣的了一个有趣的追光假想实验：追光假想实验：如果他骑在火箭上如果他骑在火箭上以光速以光速c前进，前进，追随一条光线运动，追随一条光线运动，看到的光将看到的光将是怎样的景象？是怎样的景象？时间、空间是什么，别人在很小时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩长大了还没有搞清楚，于是一直揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得更这个问题，结果也就比别人钻研得更深一些。深一些。爱因斯坦爱因斯坦