4.1-4.2 力学相对性原理 伽利略变换、以太风测量实验.ppt

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1、物理学与人类和平的关系物理学与人类和平的关系物理学与人类和平的关系物理学与人类和平的关系 物理学的发展为促进人类和平进程起到了推物理学的发展为促进人类和平进程起到了推动的作用。动的作用。物理学与物理学人才物理学与物理学人才物理学与物理学人才物理学与物理学人才 在获诺贝尔奖的在获诺贝尔奖的9 9位美藉华人中，其中有位美藉华人中，其中有6 6位位美藉华人获诺贝尔物理学奖，他们是杨振宁、李美藉华人获诺贝尔物理学奖，他们是杨振宁、李政道、丁肇中、朱棣文、崔琦、政道、丁肇中、朱棣文、崔琦、高锟高锟。由于研制出了原子弹，才使第二次世界大由于研制出了原子弹，才使第二次世界大战提前结束。原子能的和平利用给人类

2、带来巨战提前结束。原子能的和平利用给人类带来巨大的能源。大的能源。杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获1957年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖丁肇中：祖藉中国山东省日照丁肇中：祖藉中国山东省日照 由于发现由于发现J粒子，获粒子，获1976年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。获奖年龄：奖。获奖年龄：40岁。岁。朱棣文：激光冷却和捕获原子的研究获朱棣文：激光冷却和捕获原子的研究获1997年年诺贝尔物理学奖。获奖年龄：诺贝尔物理学奖。获奖年龄：49岁。岁。崔琦：崔琦：1939年出生于中国年出生于中国河南宝丰县。河南宝丰县。由于在分数量子霍尔效应由于在分数量子霍尔效应量

3、子现象的研究获量子现象的研究获1998年年诺贝尔物理学奖。获奖年诺贝尔物理学奖。获奖年龄：龄：59岁。岁。爱因斯坦爱因斯坦: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Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义年先后创立了狭义相对论和广义相对论。相对论和广义相对论。1905年年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的迹。这一年的3月到月到9月半年中，利用业余时间发表了月半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在

4、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个领域作出了具有划时代意义的贡献献 创建了创建了光量子理论光量子理论、狭义相对论狭义相对论和和分子运动论分子运动论。爱因斯坦在爱因斯坦在1915年到年到1917年年的的3年中，又在年中，又在 3 个不同领个不同领域做出了历史性的杰出贡献域做出了历史性的杰出贡献 建成了建成了广义相对论广义相对论、辐辐射量子理论射量子理论和和现代科学的宇宙论现代科学的宇宙论。他于他于1905年提出了年提出了光光量子假设量子假设,为此他为此他于于1921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖,他还他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献在量子理论方面具有很多

5、的重要的贡献.爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.狭义相对论的建立经历了几十年的时狭义相对论的建立经历了几十年的时间，间，1905年爱因斯坦发表了年爱因斯坦发表了论动体的电论动体的电动力学动力学宣告了相对论的诞生。宣告了相对论的诞生。十九世纪末二十世纪初，由于力学、电十九世纪末二十世纪初，由于力学、电磁场理论和经典统计物理学的相继建立，不少磁场理论和经典统计物理学的相继建立，不少物理学家认为物理学的大厦已基本建成，物理物理学家认为物理学的大厦已基本建成，物理理论上的一些原则问题已经解

6、决，今后的任务理论上的一些原则问题已经解决，今后的任务就是在已知规律的公式中的小数点后面加上几就是在已知规律的公式中的小数点后面加上几位数字就行了，位数字就行了，但是好景不长，在物理学晴朗但是好景不长，在物理学晴朗的天空上出现了两朵乌云，的天空上出现了两朵乌云，黑体辐射实验黑体辐射实验量子理论诞生量子理论诞生 当时当时26岁的爱因斯坦是瑞士专利局的一名岁的爱因斯坦是瑞士专利局的一名雇员，他建立狭义相对论，在国际理论学界已雇员，他建立狭义相对论，在国际理论学界已成为知名人士，但瑞士的教授们表示怀疑，不成为知名人士，但瑞士的教授们表示怀疑，不愿接纳这位怪人，在世界上他的知音也寥寥无愿接纳这位怪人，

7、在世界上他的知音也寥寥无几，只有德国的理论权威，量子力学的创始人几，只有德国的理论权威，量子力学的创始人普朗克将爱因斯坦誉为普朗克将爱因斯坦誉为二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼。迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪实验相对论诞生相对论诞生近代物理学的两大支近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的柱，逐步建立了新的物理理论。物理理论。爱因斯坦对于科学事业的伟大贡爱因斯坦对于科学事业的伟大贡爱因斯坦对于科学事业的伟大贡爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的。他不仅仅是相对论的献是多方面的。他不仅仅是相对论的献是多方面的。他不仅仅是相对论的献是多方面的。他不仅仅是相对论的创始人，而且是一位多学科的理论研创

8、始人，而且是一位多学科的理论研创始人，而且是一位多学科的理论研创始人，而且是一位多学科的理论研究家。即使他不是相对论的创始人，究家。即使他不是相对论的创始人，究家。即使他不是相对论的创始人，究家。即使他不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家他仍然是科学史上最伟大的物理学家他仍然是科学史上最伟大的物理学家他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的科学业绩主要包括四个方之一。他的科学业绩主要包括四个方之一。他的科学业绩主要包括四个方之一。他的科学业绩主要包括四个方面：面：面：面：早期对布朗运动的研究；狭义相早期对布朗运动的研究；狭义相早期对布朗运动的研究；狭义相早期对布朗运动的研究；

9、狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；对论的创建；推动量子力学的发展；对论的创建；推动量子力学的发展；对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论，开辟了宇宙学的建立了广义相对论，开辟了宇宙学的建立了广义相对论，开辟了宇宙学的建立了广义相对论，开辟了宇宙学的研究途径。研究途径。研究途径。研究途径。1905190519051905年创建的年创建的年创建的年创建的狭义相对论狭义相对论狭义相对论狭义相对论和和和和1921192119211921年创建的年创建的年创建的年创建的广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论是爱因斯是爱因斯是爱因斯是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而坦的最重要的科学研究成

10、果，而坦的最重要的科学研究成果，而坦的最重要的科学研究成果，而1921192119211921年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应出了光的量子概念和发现了光电效应出了光的量子概念和发现了光电效应出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。定律而获得的。定律而获得的。定律而获得的。列宁高度称誉他是一列宁高度称誉他是一列宁高度称誉他是一列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家位伟大的自然科学革新家位伟大的自然科学革新家位伟大的自然科学革新家。4.1 经典力学的相对性原理经典

11、力学的相对性原理 伽利伽利略变换略变换时间、长度、质量时间、长度、质量“同时性同时性”和力学定律的形式和力学定律的形式是是绝对的绝对的物体的坐标和速度、物体的坐标和速度、“同一地点同一地点”是是相对的相对的一、绝对时空观一、绝对时空观绝对时间绝对时间绝对空间绝对空间 绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关二、经典力学的相对性原理二、经典力学的相对性原理在在所有惯性系所有惯性系中，物体运动所遵循的中，物体运动所遵循的力学规律力学规律是是相相同同的，具有的，具有相同的数学表达相同的数学表达形式形式。或者说，对于描或者说，对于描述力学现象的规律而言，述力学现象的

12、规律而言，所有惯性系所有惯性系是是等价等价的。的。l 经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关 伽伽利利略略变变换换三、三、伽利略坐标和时间变换伽利略坐标和时间变换在两个惯性系中分析描述同一物理事件在两个惯性系中分析描述同一物理事件牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性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二、二、迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验 测量以太风测量以太风 零结果零结果一、一、伽利略变换的困难伽利略变换的困难4.2 以太风测量实验以太风测量实验1)电磁场方程组不服从伽利

13、略变换电磁场方程组不服从伽利略变换2)光速光速c 3)高速运动的粒子高速运动的粒子 迈迈克克尔孙尔孙 莫雷实验莫雷实验 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动,1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量(迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量，迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量，1907年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖),没有结果没有结果.1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验，仍得到零结果验，仍得到零结果,即即未观测到地球相对未观测到地球相对“以太以太”的运动的运动.人们为维护人们

14、为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力，提提出了各种理论出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以其它的实验相矛盾，最后均以失败失败告终告终.诺贝尔物理学获奖证书诺贝尔物理学获奖证书GM1M2TG M1 GG M2 GG M2M2 G设设“以太以太”参考系为参考系为S系，实验室为系，实验室为 系系（从（从 系看）系看）GM1M2T 人们为维护人们为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力，提出了提出了各种理论各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以验相矛盾，最后均以失败失败告终告终.但实验观察值小于但实验观察值小于 实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动.2012.3.122012.3.12（9 9）