相对论的诞生课件.ppt

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1、第15章 相对论简介m15.1 相对论的诞生牡丹江市第一高级中学牡丹江市第一高级中学 吴春生吴春生相对论诞生的历史背景相对论诞生的历史背景 19世纪末物理学取得了巨大的成就：牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论形成了完整的物理学体系，并被赞誉为：“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”在在19001900年年英英国国皇皇家家学学会会的的新新年年庆庆祝祝会会上上，著著名名的的物物理理学学家家，威威廉廉汤汤姆姆孙孙，回回顾顾了了物物理理学学在在过过去去几几百百年年中中的的发发展展，充充满满自自信信地地宣宣称称：科科学学的的大大厦厦已已经经基基本本完完成成，未未来来的的物物理理学学家家只只

2、要要做一些修修补补的工作就可以了。做一些修修补补的工作就可以了。但但同同时时他他也也承承认认“明明朗朗的的天天空空中中还有两朵小小的、令人不安的乌云还有两朵小小的、令人不安的乌云”。量子理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是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理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学的束缚，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目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。础作出了贡献。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

3、成立的参考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牛顿运动定律成立的参考系 相相相相对对对对于于于于一一一一个个个个惯惯惯惯性性性性系系系系做做做做匀匀匀匀速速速速直直直直线线线线运运运运动动动动的的的的另另另另一一一一个个个个参参参参考系也是惯性系考系也是惯性系考系也是惯性系考系也是惯性系2 2、伽伽利利略略相相对对性性原原理理：力力力力学学学学规规规规律律律律在在在在任任任任何何何何惯惯惯惯性性性性系系系系中中中中都是相同的都是相同的都是相同的都是相同的 还还还还可可可可表表表表述述述述为为为为：在在在在一一一一个个个个惯惯惯惯性性性性参参参参考考考考系系系系内内内内进进进进行行

4、行行的的的的任任任任何何何何力力力力学学学学实实实实验验验验都都都都不不不不能能能能判判判判断断断断这这这这个个个个惯惯惯惯性性性性系系系系是是是是否否否否相相相相对对对对于于于于另另另另一一一一个个个个惯惯惯惯性性性性系系系系做做做做匀匀匀匀速速速速直直直直线线线线运运运运动动动动；或或或或者者者者说说说说，任任任任何何何何惯惯惯惯性性性性系系系系都是平权的。都是平权的。都是平权的。都是平权的。“相对于不同的参考系，相对于不同的参考系，相对于不同的参考系，相对于不同的参考系，经典力学定律经典力学定律经典力学定律经典力学定律的表达的表达的表达的表达形式是否完全相同？形式是否完全相同？形式是否完

5、全相同？形式是否完全相同？”牛顿力学的回答牛顿力学的回答牛顿力学的回答牛顿力学的回答:对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系 ，牛顿力学的规律都具，牛顿力学的规律都具，牛顿力学的规律都具，牛顿力学的规律都具有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。那么，同一物理量在那么，同一物理量在那么，同一物理量在那么，同一物理量在不同不同不同不同惯性系中的值有惯性系中的值有惯性系中的值有惯性系中的值有对应对应对应对应关系。关系。关系。关系。该原理意

6、义一切惯性系都是该原理意义一切惯性系都是该原理意义一切惯性系都是该原理意义一切惯性系都是等价等价等价等价的，没有绝对静的，没有绝对静的，没有绝对静的，没有绝对静止的标准，只能确定两个参照系的相对运动速度。止的标准，只能确定两个参照系的相对运动速度。止的标准，只能确定两个参照系的相对运动速度。止的标准，只能确定两个参照系的相对运动速度。坐标坐标坐标坐标变换变换变换变换:质点质点质点质点P P在在在在S S 坐标系和坐标系和坐标系和坐标系和S S/坐标系中的位置矢量关系为：坐标系中的位置矢量关系为：坐标系中的位置矢量关系为：坐标系中的位置矢量关系为：伽利略变换伽利略变换o oy yx xz z加速

7、度变换加速度变换加速度变换加速度变换:速度变换速度变换速度变换速度变换:从伽利略变换可得出三条结论：从伽利略变换可得出三条结论：1.1.同时性是绝对的同时性是绝对的同时性是绝对的同时性是绝对的，在，在，在，在S S系中同时发生的系中同时发生的系中同时发生的系中同时发生的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的.3.3.时间测量是绝对的时间测量是绝对的时间测量是绝对的时间测量是绝对的先后发生的两个事件时间先后发生的两个事件时间先后发生的两个事件时间先后发生的两个事件时间 ，在所有惯性系中，在所

8、有惯性系中，在所有惯性系中，在所有惯性系中的测量结果都相同。的测量结果都相同。的测量结果都相同。的测量结果都相同。2.2.长度测量是绝对的长度测量是绝对的长度测量是绝对的长度测量是绝对的两事件的空间间隔两事件的空间间隔两事件的空间间隔两事件的空间间隔 ，在所有惯性系中的，在所有惯性系中的，在所有惯性系中的，在所有惯性系中的测量结果都相同。测量结果都相同。测量结果都相同。测量结果都相同。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；另一方面是因为它与人们的经验相符。但是19世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现电

9、磁现象的规律不符合相对性原理。其中最典型的就是光速的问题。二、相对性原理与电磁规律 1919世世世世纪纪纪纪末末末末电电电电磁磁磁磁理理理理论论论论在在在在麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦的的的的推推推推动动动动下下下下达达达达到到到到了了了了顶顶顶顶峰峰峰峰。他他他他的的的的成成成成就就就就在在在在于于于于将将将将当当当当时时时时所所所所有有有有已已已已知知知知的的的的电电电电磁磁磁磁学学学学的的的的知知知知识识识识归纳集中于四个方程之中：归纳集中于四个方程之中：归纳集中于四个方程之中：归纳集中于四个方程之中：由麦克斯韦由麦克斯韦由麦克斯韦由麦克斯韦方程组可以直接方程组可以直接方程组可以直接

10、方程组可以直接得出：电磁波的得出：电磁波的得出：电磁波的得出：电磁波的速度等于光速速度等于光速速度等于光速速度等于光速c c，并不涉及参考系并不涉及参考系并不涉及参考系并不涉及参考系的问题，这与经的问题，这与经的问题，这与经的问题，这与经典力学的速度合典力学的速度合典力学的速度合典力学的速度合成法则一致吗？成法则一致吗？成法则一致吗？成法则一致吗？光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？似乎产生了矛盾？但是实验现象表明，不论光源和但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的恒定的v v光速

11、光速 光速光速二、相对性原理与电磁规律 在在在在电电电电磁磁磁磁学学学学领领领领域域域域里里里里，相相相相对对对对性性性性原原原原理理理理遇遇遇遇到到到到了了了了麻麻麻麻烦烦烦烦，这这这这个个个个麻麻麻麻烦烦烦烦与与与与光光光光速速速速有有有有关关关关。经经经经典典典典力力力力学学学学的的的的速速速速度度度度合合合合成成成成法法法法则则则则、相相相相对对对对性性性性原原原原理理理理、电磁场理论，三者间出现不和谐。电磁场理论，三者间出现不和谐。电磁场理论，三者间出现不和谐。电磁场理论，三者间出现不和谐。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。由由由由于于于于受受受受牛牛牛牛

12、顿顿顿顿绝绝绝绝对对对对空空空空间间间间和和和和绝绝绝绝对对对对时时时时间间间间的的的的观观观观念念念念长长长长期期期期支支支支配配配配的的的的影影影影响响响响，物物物物理理理理学学学学界界界界中中中中多多多多数数数数人人人人认认认认为为为为在在在在绝绝绝绝对对对对空空空空间间间间中中中中充充充充满满满满着着着着以以以以太太太太，麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程仅仅仅仅在在在在相相相相对对对对于于于于绝绝绝绝对对对对空空空空间间间间静静静静止止止止的的的的以以以以太太太太这这这这一一一一特特特特殊殊殊殊惯惯惯惯性性性性系系系系中中中中成成成成立立立立。于于于于是是是是，在在在在

13、地地地地球球球球这这这这个个个个相相相相对对对对于于于于绝绝绝绝对对对对空空空空间间间间运运运运动动动动的的的的系系系系统统统统中中中中，麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程仅仅仅仅近近近近似似似似成成成成立立立立。18611861年年年年麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦把把把把光光光光看看看看成成成成是是是是一一一一种种种种以以以以波波波波的的的的形形形形式式式式通通通通过过过过以以以以太太太太传传传传播播播播的的的的电电电电磁磁磁磁扰扰扰扰动动动动。以以以以太太太太理理理理论论论论达达达达到顶峰。到顶峰。到顶峰。到顶峰。通通通通过过过过电电电电磁磁磁磁学学学学或或或或光光光光学

14、学学学实实实实验验验验应应应应该该该该能能能能够够够够测测测测量量量量出出出出地地地地球球球球相相相相对对对对于于于于以以以以太的漂移速度。太的漂移速度。太的漂移速度。太的漂移速度。为为为为此此此此很很很很多多多多物物物物理理理理学学学学家家家家设设设设计计计计了了了了一一一一系系系系列列列列实实实实验验验验，想想想想要要要要测测测测出出出出地地地地球球球球在在在在“以以以以太太太太”中中中中运运运运动动动动的的的的速速速速度度度度。18871887年年年年的的的的迈迈迈迈克克克克耳耳耳耳孙孙孙孙莫莫莫莫雷雷雷雷实实实实验验验验是是是是最最最最著著著著名名名名的的的的一一一一个个个个：它它它它

15、们们们们将将将将一一一一束束束束光光光光分分分分成成成成互互互互相相相相垂垂垂垂直直直直的的的的两两两两束束束束，一一一一束束束束的的的的传传传传播播播播方方方方向向向向和和和和地地地地球球球球运运运运动动动动方方方方向向向向一一一一致致致致，另另另另一一一一束束束束和和和和地地地地球球球球运运运运动动动动方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直，然然然然后后后后使使使使它它它它们们们们发发发发生生生生干干干干涉涉涉涉。如如如如果果果果不不不不同同同同方方方方向向向向上上上上的的的的光光光光速速速速有有有有微微微微小小小小的的的的差差差差别别别别，当当当当两两两两束束束束光光光光互互互互相相相相置置置

16、置换换换换（旋旋旋旋转转转转干干干干涉涉涉涉仪仪仪仪）时时时时干干干干涉涉涉涉条条条条纹纹纹纹就就就就会会会会发发发发生生生生变变变变化化化化。由由由由于于于于地地地地球球球球在在在在宇宇宇宇宙宙宙宙中中中中运运运运动动动动的的的的速速速速度度度度很很很很大大大大，希望它对光速能有较大的影响。希望它对光速能有较大的影响。希望它对光速能有较大的影响。希望它对光速能有较大的影响。寻找以太“大失败”1）迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义：根本没有以太这种东西！迈克耳逊称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。2）但是正是这个实验提醒人们必须重

17、新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。3）迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（2）经典力学要作修改。法国数学家兼物理学家法国数学家兼物理学家庞加莱说：庞加莱说：“我们必须建立我们必须建立一种新的力学，对它我们只一种新的力学，对它我们只能够管中窥豹能够管中窥豹在这个新在这个新力学中，光速是一个不可逾力学中，光速是一个不可逾越的极限。越的极限。”两个基本假设两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设在不同的惯性参考系中，一切物理规律在不同

18、的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的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真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 (与光源观察者相对运动没关系与光源观察者相对运动没关系与光源观察者相对运动没关系与光源观察者相对运动没关系)1)第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。不论不论不论不论在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的绝

19、对运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静绝对运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静绝对运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静绝对运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静止的参考系是不存在的。止的参考系是不存在的。止的参考系是不存在的。止的参考系是不存在的。明确几点：明确几点：2 2）第二条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：）第二条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：）第二条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：）第二条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。

20、说明在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明光速与观察者及光源的运动状态无关。光速与观察者及光源的运动状态无关。光速与观察者及光源的运动状态无关。光速与观察者及光源的运动状态无关。3)3)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：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：牛顿经曲力学理论：牛顿经曲力学理论：牛顿经曲力学理论：牛顿经曲力学理论：狭义相对论：狭义相对论：狭义相对论：狭义相对论：时间、长度、质量的测量均与参照系无关。时间、长度、质量的测量均与参照系无关。时间、长度、质量的测量均与参照系无关。时间、长度、质量的测量均与参照系无关。时间、长

21、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。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。总结总结一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。1 1根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论()()A A任何力学规律在惯性系中都是相同的任何力学规律在惯

22、性系中都是相同的 B B同一力学规律在不同的惯性系中可能不同同一力学规律在不同的惯性系中可能不同 C C在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动系是否在匀速运动 D D在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动系是否在匀速运动课堂练习课堂练习AC 相相相相对对对对论论论论的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差别别别别很很很很大大大大，很很很很难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所

23、理理理理解解解解。人人人人们们们们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又常常常常常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大的的的的内内内内容容容容。这这这这使使使使人人人人们们们们想想想想起起起起英英英英国国国国诗诗诗诗人人人人波波波波谱谱谱谱歌歌歌歌颂颂颂颂牛牛牛牛顿的诗句顿的诗句顿的诗句顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道后人续写道后人续写道:上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。