第六讲 20世纪的物理学：相对论的建立
简介相对论
简介相对论
相对论是现代物理学的理论基础之一。
论述物质运动与空间时间关系的理论。
20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。
19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。
爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。
狭义相对论提出两条基本原理。
（1）光速不变原理。
即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。
（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。
广义相对论
爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。
该理论认为引力是由空间——时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量.
广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。
它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。
狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。
600千米的距离观看十倍太阳质量黑洞模拟图
在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞（模拟图），背景为银河系。
大学物理上册课件：第6章 狭义相对论
例题6-8 带电π介子静止时的平均寿命为2.6×10 – 8 s，某加 速器射出的带电π介子的速率为2.4×10 8 m/s，试求1）在实验室 中测得这种粒子的平均寿命；2）这种π介子衰变前飞行的平均 距离。
解 1） 由于u = 2.4×10 8m/s＝0.8c，故在实验室中测得
这种π介子的平均寿命为：
1 2
Δx Δx uΔt
1 2
Δt uΔx / c 2 Δt
1 2
1、不同地事件的同时性是相对的。
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx uΔt Δx
1 2
Δt uΔx / c2 Δt
1 2
即x 0, t 0时 ，t ux / c2
二、洛仑兹变换
惯性系S、S ′，在 t = t ′= 0时，原点重合，S ′以u 相对 S 系沿
x 轴正向匀速运动。某事件P，在 S 和S ′系中的时空坐标分别为：
y
y
S : P(x , y , z ,t ) S : P( x', y', z', t' )
S
S
u •P(x, y, z, t)
(x, y, z, t)
解 取速度为－ 0.9c 的飞船
为S 系，地面为S ′系。
u = 0.9 c v′ x = 0.9 c
y S
y 0.9c
Sx
O
0.9c x
vx
vx u 1 uvx / c2
0.9c 0.9c 1 0.9 0.9
0.994c
说明 洛仑兹变换中 vx 0.994c,这和伽利略变换的结果
vx v'x u是不1同.8的c 。
第八章 相对论的建立和发展
3、真空中的光速 根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c” 应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则 相矛盾。 4、物理学家面临的选择 要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解 释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的 理论。
第一节 爱因斯坦狭义相对论
一、走在爱因斯坦前面的人 人名 贡献 麦克斯韦 创建电磁理论 赫兹 修改麦克斯韦方程 1887年提出佛格特变换， 佛格特
另外一个佯谬就是：快速运动参考系中的钟，与静 止参考系中的钟相比，它走慢了。----这就是所谓的时 间膨胀，也叫时间延迟。
在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家 P．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨 胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一 对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭 到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行 的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟 早已死去了，因为地球上已经过了200年了。 这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭 义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。
激烈的争论没有停息过。到20世纪三十年 代末，从激发氢原子的实验中，无可臵疑地 证明了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的 研究过程中再次明确地得到了证实。这就是 说人们在实际的实验中，的确发现快速运动 的参考系中的时钟变慢了，特别是宇宙线粒 子的速度特别大，这一效应的数值也较大。
二、爱因斯坦的狭义相对论基本内容 1.两个基本假设 1905年9月,爱因斯坦26岁,在德国的 《物理学杂志》发表了三篇文章，在文 章中提出了两个基本假设： 狭义相对论的相对性原理 光速不变原理
第八章 相对论的建立和发展
相对论是现代物理学的重要基石。它的建 立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对 物理学、天文学、哲学思想有深远的影响。
相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是 电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各个分支 又一次综合的结果。
爱因斯坦物理学方面的成就
爱因斯坦物理学方面的成就爱因斯坦：物理学巨匠的伟大成就爱因斯坦（Albert Einstein）是20世纪最杰出的物理学家之一，他的成就对于现代物理学的发展产生了深远的影响。
他在相对论、光电效应和统计物理等领域的突破性贡献，使他被誉为物理学史上的巨匠。
下面将重点介绍爱因斯坦在这些方面的伟大成就。
一、相对论的建立爱因斯坦的相对论是他最伟大的成就之一。
相对论是关于时间、空间和物质相互关系的理论。
狭义相对论于1905年提出，广义相对论于1915年正式发表。
狭义相对论改变了人们对时间和空间观念的理解，引入了时间的相对性和光速不变原理。
广义相对论则将引力解释为时空的弯曲，提出了著名的“等效原理”和“引力波”概念。
相对论的建立彻底改变了牛顿力学的框架，为后来的量子力学和宇宙学奠定了基础。
二、光电效应的解释爱因斯坦对于光电效应的解释也是他的重要成就之一。
光电效应是指当光照射到金属表面时，会引起电子的发射现象。
爱因斯坦于1905年提出了光量子假设，认为光是由一系列离散的能量量子组成的。
他解释了光电效应中观察到的现象，通过假设光子具有固定的能量，解释了光电效应的特性，从而为光子学的发展奠定了基础。
这一解释为后来量子力学的发展铺平了道路。
三、统计物理学的贡献除了相对论和光电效应，爱因斯坦在统计物理学领域也有重要的贡献。
他对布朗运动的研究为统计物理学奠定了基础。
布朗运动是指在液体或气体中微小颗粒的无规则运动。
爱因斯坦通过研究布朗运动，提出了著名的爱因斯坦方程，解释了颗粒在流体中的运动规律。
这一方程为统计物理学的发展提供了重要的理论基础，并为原子理论的验证做出了重大贡献。
总结一下，爱因斯坦以其在相对论、光电效应和统计物理学等领域的伟大成就，成为了现代物理学的巨匠。
他的相对论理论改变了人们对于时间和空间的理解，光电效应的解释为光子学的发展奠定了基础，而他在统计物理学领域的贡献也为原子理论的验证提供了重要的理论支持。
爱因斯坦的成就不仅影响了当时的物理学界，也对后来的科学研究产生了深远的影响。
20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦创立狭义相对论与广义...
20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦创立 狭义相对论与广义相对论. 狭义相对论:揭示了空间、时间、质量和 物质运动之间的联系。 广义相对论：空间、时间是随着物质分 布和运动速度的变化而变化的理论。
伽利略变换式 经典力学的相对 性原理
空间的量度是绝对的，与参考系无关。 时间的量度是绝对的，与参考系无关 。 在S与S′（ S′相对S作匀速运动）惯性系 中： 不同的惯性系中质点的速度是不同的。 不同的惯性系中质点的加速度是相同的。 符合宏观、低速的范围。
能量：最大能量从18Kev-2Mev。连续谱。 能量与速度对照表： 能量是2MeV时，速度是光速的97.91%. 应用：工业上厚度计仪表、气相色谱仪 中作为能源、医学上作为辐射源。 带负电荷的电子,运动速度快,对物质的穿 透力大于a粒子. a粒子是一种带正电荷的重粒子,穿透力弱.
γ射线能谱:
辅射源的选用：
放射源：微居、毫居的量级。 选择放射源：射线能量、强度、半衰期 三个物理特性。 放射源的包装：保护层（铝箔、塑）、 密封源 一头名叫格兰尼的老年与核辐射科学研 究故事.放射源与照相底片.
实验数据修正:
1.关于β粒子的动能损失修正： 探测器NaI(Tl)晶体的缺点是容易潮解， 200m的铝来密封， 此外20m的铝膜反射层； 铝对γ射线的能量没有影响 但却会衰减B射线的能量。 必须对多道所测B能量值给予修正。
Ek = EE0 = c p +m c m0c
2 2 2 4 0
2
1p Ek = , 2 m0 p2c2 对于电子Ek = MeV : 2×0.511
2
RES相对论实验谱仪
组成: 半圆聚集Β磁谱仪 放射源 γ闪烁谱仪 光电倍增管 多道分析仪 计算机 动量:P=eBR
微考点：相对论提出的时间和意义
考点：相对论提出的时间和意义相对论提出的时间：爱因斯坦是20世纪伟大的科学家之一。
出生于德国。
他一生中最重要的贡献是20世纪初提出的相对论。
相对论的意义：相对论的创立推动了整个物理学理论的革命，为原子弹的发明和原子能的应用提供了理论基础，由此打开了原子时代的大门。
相对论还揭示了空间和时间的辩证关系，加深了人们对物质和运动的认识，无论在科学上，还是在哲学上，都具有重要的历史意义。
爱因斯坦的名言：“不要希图成为一个成功的人，而要努力成为一个有价值的人。
”近代自然科学发展的原因：（1）资本主义的产生和发展是大前提，也是根本原因。
（2）文艺复兴和启蒙运动带来的思想自由是重要因素，它摆脱封建神学束缚，促使人们去积极思考探索。
（3）科学家们的辛勤忘我的实践探索。
易错微析相对论的提出者及提出的时间易错：20世纪初,爱因斯坦提出相对论，打开了原子时代的大门，为原子弹的发明和原子能的应用提供了理论基础。
但是原子弹不是爱因斯坦发明的。
例题1 揭示了空间、时间的辩证关系，加深了人们对物质和运动的认识的科学理论是（）A.牛顿的力学理论B.达尔文的进化论C.爱因斯坦的相对论D.伏尔泰的启蒙思想答案：C解析：由题干中信息可以推断出是爱因斯坦的相对论，故选C。
例题21945年，美国在长崎和广岛投掷了原子弹。
爱因斯坦悔恨地认为是自己“按了按钮”，并表示如果知道德国人不会成功制造原子弹，就一点忙都不会去帮了。
爱因斯坦发出这一感慨的直接原因是（）A.相对论为原子弹的发明提供了理论基础B.他建立了完整的力学理论体系C.他发现了电磁感应现象D.他推翻了神创论和物种不变论答案：A解析：题文史料反映了爱因斯坦看到美国在日本的长崎和广岛投掷原子弹，给当地居民造成巨大的伤害，非常后悔当初帮助美国研制原子弹，他发出这一感慨的直接原因是他在20世纪初提出了相对论，为原子弹的发展提供了理论基础。
故选A。
1.“不要希图成为一个成功的人，而要努力成为一个有价值的人。
20世纪的力学发展历程
20世纪的力学发展历程20世纪是力学发展的重要阶段，人们在这个时期取得了许多重要的成果，并且对力学的认识有了新的突破。
本文将从牛顿力学、相对论和量子力学三个方面，详细介绍20世纪力学的发展历程。
一、牛顿力学的发展牛顿力学是经典力学的基础，20世纪初，牛顿力学在科学界占据着绝对的地位。
然而，随着科学技术的不断进步，人们开始发现一些牛顿力学无法解释的现象。
其中最有代表性的就是光的波粒二象性和相对论的发现。
二、相对论的发现相对论是爱因斯坦于1905年提出的一种新的物理理论，它彻底颠覆了牛顿力学的观念。
相对论认为，时间和空间是相互依赖、相互影响的，且具有相对性。
这一理论在高速运动和强引力场的情况下可以更好地解释物体的运动规律。
相对论的发现对力学的发展产生了巨大的影响，为后来的量子力学的诞生奠定了基础。
三、量子力学的诞生量子力学是20世纪最重要的物理学分支之一，它解释了微观世界的行为规律。
量子力学的诞生可以追溯到20世纪初，当时科学家们发现在原子尺度下，物体的行为与经典力学存在着明显的差异。
根据量子力学的原理，微观粒子的能量是离散化的，且存在波粒二象性。
这些新的发现完全颠覆了牛顿力学的观念，引发了物理学界的巨大震动。
四、量子力学的发展随着量子力学的诞生，科学家们开始致力于深入研究量子力学的各个方面。
在20世纪的前半叶，量子力学逐渐完善，得到了更加严密的数学描述和实验验证。
薛定谔方程的提出和量子力学的波函数解释，使得人们能够准确地描述微观粒子的运动和相互作用。
量子力学的发展为原子物理、凝聚态物理等领域的研究提供了基础，也为新材料和新技术的发展带来了无限的可能。
五、力学的综合与发展20世纪的力学发展不仅仅局限于相对论和量子力学的研究，还涉及到了许多其他领域的交叉与融合。
比如，爱因斯坦的广义相对论将引力与时空结合起来，为宇宙学的研究提供了新的思路；统计力学的发展使得人们能够从微观粒子的行为推导出宏观物体的性质；混沌理论的提出使得人们对非线性系统的行为有了更加深入的理解。
物理学的历史与思想-相对论的建立与发展
1919年，英国人爱丁
顿，率领一支考察队，利用
日全食,观察到光线的弯曲
现象，并拍摄了照片。相对
爱 丁
第六章 相对论的建立和发展
相对论的建立与发展
§6.1 相对论诞生的背景和先驱者的思想 §6.2 爱因斯坦与相对论
第六章 相对论的建立和发展
相对论——20 世纪自然科学最伟大的发现之 一。它是关于时空和引力的基本理论，揭示了物 质运动与时间、空间的关系，使物理学的发展和 人们的认识从低速运动进入高速运动领域。
根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数， 与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。
• 物理学家面临两难的选择
对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补？
OR?
彻底放弃，建立新理论？
第六章 相对论的建立和发展
2.爱因斯坦的相对论 • 爱因斯坦简介 • 相对论——时空观的革命 • 爱因斯坦创造奇迹的源泉
• 爱因斯坦简介
第六章 相对论的建立和发展
在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了 一段他和爱因斯坦的一次谈话，英费尔德说“在我看来， 即使您没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久。 因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。” 爱因斯坦回答说：“是的，这说的对。”
⑦彭加勒的局限： 遗憾的是，彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性，
第六章 相对论的建立和发展
➢ 洛伦兹的收缩假说（与爱因斯坦狭义相对论不同）
①以静止以太为出发点，在保持麦克斯韦方程不变的条件 下创立起来的“构造性”理论；
相对论知识：相对论的科学和哲学意义
相对论知识：相对论的科学和哲学意义相对论是20世纪物理学的一项重大成就，由爱因斯坦在1905年提出，它对整个科学世界和哲学思想产生了深刻影响，是近代自然哲学最具有影响力的理论之一。
相对论的科学意义首先体现在物理学领域。
在相对论之前，牛顿力学被认为是万物的绝对真理，但在实践中发现了很多无法解释的现象。
比如，光速的恒定无论是否有相对运动的参照物始终如一，而这违背了牛顿力学中惯性系的概念。
相对论通过引入不变量光速，推翻了牛顿力学的绝对真理，建立了一个更加完备的理论框架。
相对论的物理学意义在很大程度上在于模拟研究，以更准确、更详细的方式描绘自然现象和物理过程。
此外，相对论对于科学思想的发展也有着巨大的影响。
它被认为是现代科学中一种革命性的思想，破除了传统的观念，挑战了人类对世界的认识。
相对论揭示了相对性的客观存在，证明了人类感知的主观性，这种思想尤其重要，促使人类推翻甚至重构传统的思维框架，推动了整个科学思想从主观到客观的转变，形成了一种更为科学、真实的世界观。
相对论的哲学意义也很深远。
第一，相对论为哲学提供了一个重要的范式，即相对性原则。
相对性原则认为，任何事物的存在都必须与一个相对的背景联系。
它建立了现代哲学思考的基础，推动了哲学思想的开展，并进一步细化了世界的本质。
第二，相对论引入了一种新的时空观念，即时空的融合。
对于牛顿力学来说，时间和空间是独立而相对的，但相对论则将时间和空间融为一体，对于时空的掌握达到了新的高度。
这种新的时空观念为哲学的时空观念提供了新的思考方式和更深层次的探索。
第三，相对论进一步推广了相对性的思想，意味着主观性、参照系的关系是不可避免的，人们对于事物的观测和理解也是如此。
这种思想深化了哲学语境下的相对性原则，为世界观和人类的应对方式提供了新的思考方向。
总的来说，相对论开创了物理学的新时代，对于科学哲学思想的发展有着非常深远的影响。
从相对性原则、空间时间观念的融合到新的哲学范式，相对论为整个人类文明的发展奠定了很重要的基础，因此我们可以说，相对论是人类智慧的重要代表，是在科学与哲学中产生的不朽巨作。
相对论的建立和发展概述(PPT 62页)
与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。 4、物理学家面临的选择 要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，
要么彻底抛弃，建立新的理论。
物理学史
第七章 相对论的建立和发展
法国著名科学家彭加勒（Henri Poincarè）对洛仑兹理 论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂 移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为 物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹 提出时空变换的方程式。1904年彭加勒正式表述了相对性原理。 他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察 者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。 因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运 动之中。”彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学 形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。
物理学史
第七章 相对论的建立和发展
相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它 在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的 光辉，照亮了广阔的未知领域。”
——德布罗意
物理学史
第七章 相对论的建立和发展
§7.1 历史背景
相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理 论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的 结果。19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了 实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。 然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。
物理学史
第七章 相对论的建立和发展
三、狭义相对论的建立
1900年，爱因斯坦大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。 1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼 的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作——当技术员。
相对论的诞生、时间和空间的相对性 课件
c
速度为 v,则 l、l0、v 的关系是:l=l0 1-( )2 。
3.时间间隔的相对性
(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们的时间
间隔总是相同的。
(2)相对论的时空观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们
的时间间隔是不同的。
设 Δτ 表示相对事件发生在静止的惯性系中观测的时间间隔,Δt 表
个事件发生地点连线飞行的人来说,哪个事件先发生?
答案:B 事件先发生
解析:可以设想,在事件 A 发生时 A 处发出一个闪光,事件 B 发生
时 B 处发出一个闪光。“两闪光相遇”作为一个事件,发生在线段 AB 的
中点,这在不同的参考系中看都是一样的。“相遇在中点”这个现象在以
地面为参考系中很容易解释:两个闪光传播的速度又一样,当然在线段
的。
(2)两个基本假设
狭义相对
性原理
光速不
变原理
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
预习交流 1
伽利略相对性原理在电磁学领域遇到了什么困难?
答案:按照伽利略原理,光在不同的参考系中速度不同,其速度可以
等于 c,也可以大于或小于 c,关键看初始条件怎样,但根据麦克斯韦的电
解析:火箭上的人相对火箭永远是静止的,无论火箭速度是多少,火
箭上的人测得的火箭长与静止时测得的长均是 l'=30 m,而火箭下的观
v
c
察者看火箭时有相对速度 v,则他的测量要缩短,即 l<l',所以 l=l' 1-( )2 。
当 v=3×103m/s 时,l=30× 1-10-10 m。
c
物理学史--相对论的建立
相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物, 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物 , 是电磁理论合乎逻辑的继续和发展, 是电磁理论合乎逻辑的继续和发展 , 是物理学各有 关分支又一次综合的结果. 关分支又一次综合的结果.
一. 历史背景
1.1 "以太漂移"的探索 以太漂移" 以太漂移
以太观念的提出可以追溯到古希腊时代, 以太观念的提出可以追溯到古希腊时代,亚里士多德认为 天体间一定充满着某种媒质. 笛卡儿1644 年发表的《 1644年发表的 天体间一定充满着某种媒质 . 笛卡儿 1644 年发表的 《 哲学原 中就引用了以太的观念.他认为"虚空"是不存在的, 理》中就引用了以太的观念.他认为"虚空"是不存在的,整 个宇宙充满着一种特殊的易动物质以太. 以太 个宇宙充满着一种特殊的易动物质以太. 在光的微粒说占上风的年代,以太理论曾受到压制. 在光的微粒说占上风的年代,以太理论曾受到压制.1800 年以后,由于波动说成功地解释了干涉,衍射和偏振等现象, 年以后,由于波动说成功地解释了干涉,衍射和偏振等现象, 以太学说重新抬头.波动说的支持者把以太看成无所不在, 以太学说重新抬头.波动说的支持者把以太看成无所不在,绝 对静止,极其稀薄的刚性"物质" 对静止,极其稀薄的刚性"物质". 但是, 直到19 世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在. 19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在 但是 , 直到 19 世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在 . 以太漂移实验给出了否定结果. 以太漂移实验给出了否定结果.这些结果促使人们对以太和绝 对坐标系的存在产生怀疑Jules Henri Poincar , ) 法国 数学家.1854年 29日生于南希 1912年 日生于南希; 数学家 .1854 年4 月29 日生于南希 ;1912 年7 17日卒于巴黎 日卒于巴黎. 月17日卒于巴黎. 有些人把彭加肋称为最后一个广博的数学 家 , 因为他在数学上的大多数分支学科以及 天文学上都作出第一流的创造性工作( 天文学上都作出第一流的创造性工作 ( 而且 撰写得非常好以至可以看成散文家) 撰写得非常好以至可以看成散文家 ) , 1879 彭加勒获得博士学位, 其后, 年 , 彭加勒获得博士学位 , 其后 , 他在巴黎 大学教书. 大学教书 . 他在天体力学方面的工作及对三 体问题的贡献使得他在1889 1889年荣获瑞典国王 体问题的贡献使得他在 1889 年荣获瑞典国王 奥斯卡二世的奖金. 奥斯卡二世的奖金 . 他是最早看出年轻的爱 因斯坦的相对论的意义的人之一. 因斯坦的相对论的意义的人之一.
物理学中的相对论理论
物理学中的相对论理论物理学中的相对论是一个重要的学科领域，由爱因斯坦于20世纪初提出。
相对论理论对于我们理解宇宙的运动、时间和空间的结构都有深远的影响。
本文将从相对论的起源、基本原理和应用等几个方面进行介绍。
1. 相对论的起源相对论的起源可以追溯到19世纪末的电磁理论的研究。
当时科学家们已经发现了麦克斯韦方程组，描述了电磁波的传播速度为光速，但却无法和牛顿的经典力学一致。
爱因斯坦通过对电磁波传播的思考，提出了光速是一个不变量的观点，进而形成了相对论的基本原理。
2. 相对论的基本原理相对论的基本原理包括了狭义相对论和广义相对论两个方面。
狭义相对论主要研究的是在惯性参考系下的物理规律。
它引入了时间和空间的相对性，即不同参考系下的时间和空间测量结果可能不同。
狭义相对论还提出了著名的等效质量概念，即物体在高速运动时其质量会增加。
广义相对论则进一步扩展了狭义相对论的基础。
它引入了引力的概念，将引力看作是时空弯曲的结果。
通过爱因斯坦场方程，可以计算出物体在引力场中的运动轨迹。
3. 相对论的应用相对论在实际应用中有着广泛的领域，包括宇宙学、粒子物理学和导航系统等。
在宇宙学中，相对论被用于解释宇宙的起源和演化。
宇宙的膨胀可以通过广义相对论的方程组得到，而黑洞和宇宙奇点等概念也是相对论在宇宙学中的应用成果。
在粒子物理学中，相对论的概念被广泛应用于描述微观粒子的相互作用。
粒子加速器和探测器等设备的设计与运行都依赖于相对论的原理。
此外，相对论在导航系统中也有重要影响。
由于相对论的存在，卫星定位系统需要考虑到信号传播速度受到地球引力的影响，从而进行修正计算。
4. 相对论的未解之谜尽管相对论在物理学中得到了广泛的应用和验证，但它仍然存在一些未解之谜。
例如，关于黑洞内部的物理过程以及相对论与量子力学的统一等问题都需要进一步的研究和探索。
总结物理学中的相对论理论是现代理论物理学的基石之一。
它为我们提供了一种全新的描述宇宙和微观世界的方式。
《相对论》简介
（2）光速不变原理 ）光速不变原理 在任何惯性系中， 在任何惯性系中， 光在真空中的速率都 等于同一量值C 等于同一量值 。
6
3. 由光速不变原理得出的有关结论
（1）同时的相对性
y y' 设如下思想实验： 设如下思想实验： 思想实验
v
A'
1
M
B'
O
x' x
第 五 章
相对论的创建是二十世纪物理学最伟大的 成就之一。1905年爱因斯坦建立了基于惯性 参考系的时间、空间、运动及其相互关系的 物理新理论——狭义相对论。1915年爱因斯坦 又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广， 建立了广义相对论，进一步揭示了时间、空 间、物质、运动和引力之间的统一性质。 本章重点介绍狭义相对论的基本原理。
运动的尺子缩短 运动的时钟变慢 显然这些结论与 牛顿时空及伽利略 变换相矛盾？
原时 最短
19
作业： 作业： 5—T6、T7、T8 、 、
双星观测 —光速与光源运动状态无关的实例
旋转的恒星A 两颗绕共同质心O 旋转的恒星 、B 讨论 B（伴星）的运动: （伴星）的运动: B B A B
1.根据伽利略速度合成
“洞中方一日，世上已千年” 洞中方一日，世上已千年” 洞中方一日
11
∆t =
∆t′
1 − ( v )2 c
问：一个光子的寿命？ 时间是静止的！ 一个光子的寿命？ 时间是静止的！
骑在一束光上是什么感觉？ 骑在一束光上是什么感觉？
永远年青！ 永远年青！
12
例2.一宇宙飞船以 v = 9 × 103 m/s 的速率相对地面 一宇宙飞船以 匀速飞行，飞船上的钟走了5s 匀速飞行，飞船上的钟走了 ，地面上的钟测 量经过了多少时间？ 量经过了多少时间？ 解： 原时 ∆t ′ = 5 s 则： t = ∆
人教版高中物理课件-相对论的诞生
一、經典的相對性原理
1、慣性系： 牛頓運動定律成立的參考系 相對於一個慣性參考系做勻速直線運動的
另一個參考系也是慣性系 2、伽利略相對性原理
力學規律在任何慣性系中都是相同的 還可表述為：在一個慣性參考系內進行的 任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否 相對於另一個慣性系做勻速直線運動；或 者說，任何慣性系都是平權的。
牛頓的伽利略相對性原理是作為基本假 設提出來的，它之所以為人們接受承認，一 方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大 功；另一方面觀察結果與人們的經驗相符。
但是十九世紀中葉，人們在研究與物 體運動有關的電磁現象時，發現在電磁現 象的規律不符合相對性原理
其中最典型的就是光速的問題
不同的參考系中觀察物體的運動情況可能不 同，物體在空間移動這一概念也是相對的．
麥克爾遜莫 雷 實 驗 迈克尔逊－莫雷实验.asf
上述的矛盾使物理學家面臨兩個選擇，一 是修正現有的理論，去迎合實驗結果（這 相對比較容易，但常常無效）； 另一種主 張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用於 某一特殊的慣性系”，創立全新的理論。 愛因斯坦、龐加萊等人選擇了後者．並提 出了兩個假設：
三、狹義相對論的兩個基本假設
光速恒定的特性，同運動的相對性原理 之間似乎產生了矛盾？
但是實驗現象表明，不論光源和 觀察者做怎樣的相對運動，光速都是 恒定的．
v
光速＝ c
光速＝ c v
c 2.99 108 mS 1
任何參照系中測得的光在真空的速率 都應該是這一數值
這一結論還特別為後來的很多精確的實驗 所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷 所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的 測量結果與光源和測量者的相對運動無關， 亦即與參照系無關。
相对论的诞生课件
一、相对论的诞生
知识探究
在一艘大船密闭的船舱里，你能否通过观察自由释放的 小球的运动判断大船是静止还是在匀速行驶？ 答案 不能.因为不论大船是静止还是匀速行驶，观察到 小球的运动都是相同的，而且都要落在释放点的正下方.
1.经典的相对性原理 (1)惯性系：如果 牛顿运动 定律在某个参考系中成立，这 个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做 匀速直线 运动 的另一个参考系也是惯性系. (2)经典的相对性原理的三种表述 ①表述一： 力学规律 在任何惯性系中都是相同的.
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19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想， 有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传 播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁 理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代 表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际 上就是宣布宇宙间不存在以太．
二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物 理变革的标志
一、经典的相对性原理
1、惯性系： 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是惯性系
2、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这
任何参照系中测得的光在真空的速率 都应该是这一数值
这一结论还特别为后来的很多精确的实验 所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷 所做的实验。它们都明确无误地证明光速的 测量结果与光源和测量者的相对运动无关， 亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对 原理.
物理学中的相对论
物理学中的相对论相对论是现代物理学的重要理论之一，由爱因斯坦在20世纪初提出。
它对于解释宇宙的性质和物质运动的规律具有深远的影响。
本文将介绍相对论的基本概念和主要内容。
一、相对论的起源和发展相对论最早源于爱因斯坦对于光速不变原理的思考。
他提出了“光速是恒定不变的”的假设，并通过一系列推理和实验证据，建立了狭义相对论的框架。
随后，爱因斯坦进一步拓展了相对论的范围，提出了广义相对论，解释了重力的本质。
二、狭义相对论的基本原理和结论狭义相对论的基本原理包括：光速不变原理和相对性原理。
根据这些原理，爱因斯坦得出了一系列重要结论，如时间的相对性、长度的收缩效应和质量的增加等。
这些结论颠覆了牛顿力学的观念，对于高速运动下物体的行为提供了全新的解释。
三、广义相对论与引力广义相对论是相对论的进一步发展，它将引力解释为时空弯曲的结果。
根据爱因斯坦的理论，物体的质量和能量会弯曲周围的时空结构，从而产生引力。
广义相对论不仅成功地解释了潮汐现象和黑洞的形成，还指导了现代天体物理学的发展。
四、相对论与宇宙学相对论对于宇宙学的发展也具有重要的贡献。
它提供了宇宙膨胀的解释，即著名的“宇宙大爆炸”理论。
相对论还预测了黑体辐射的存在，并为宇宙背景辐射的观测提供了理论基础。
五、相对论的应用和影响相对论不仅在理论物理学中具有重要位置，还在实际应用中发挥着重要作用。
相对论的应用领域包括粒子物理学、核能研究、卫星导航和通信技术等。
此外，相对论的思想也对人类的世界观产生了深远影响，推动了科学哲学的发展。
六、对当前物理学的挑战和展望尽管相对论在过去一个多世纪中不断被验证和证实，但仍存在一些未解决的问题。
如何与量子力学进行统一仍然是物理学的一个重大挑战。
未来的研究将继续探索相对论的局限性，并试图寻找更全面、更准确的理论来描述宇宙和物质。
综上所述，相对论是物理学中的一个基石理论，它对于解释物质运动、宇宙演化和时空结构具有重要意义。
相对论的发展不仅深刻改变了我们的认知方式，也为实际应用带来了前所未有的机遇和挑战。
高中物理-相对论的诞生共25页文档
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
ห้องสมุดไป่ตู้高中物理-相对论的诞生
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
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1902年前后爱因斯坦和几位好友组建了一
个俱乐部—讨论物理学、哲学和文学。
1905：爱因斯坦的奇迹年
1905年，爱因斯坦一连发表了五篇重要论文，分别在辐射
理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不
同的领域提出了新的见解。
1905：爱因斯坦的奇迹年
论文1：论分子大小的新测定（苏黎世大学哲学博士论文，1905年4 月30日，伯尔尼） 论文2：热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动 (Annalen der Physik 17[1905]:549-560) 论文3：论动体的电动力学(Annalen der Physik 17[1905]:891-921)—
狭义相对论是爱因斯坦伟大的一生中取得的第一项重大成果，是他
在前人的基础上经过长期的酝酿和探索才取得的。可是为什么是爱
因斯坦而不是别人创建了狭义相对论？ 爱因斯坦受到过哪些启发，抓住了什么关键，找到了什么突破口，
才取得如此重大的成果的呢？
狭义相对论的创建过程
追光少年 早在16岁(1895年)时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：‚如果我 以速度c(真空中的光速)追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好
他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体 的参照系。 当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算， 发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概 念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。
狭义相对论的创建过程
‚为什么这两个观念会相互矛盾呢？我感到这一难题相当不好解决。我
“以太漂移”的探索
麦克斯韦：地球就像一 艘没有摩擦力的船穿过 海水一样穿过‚以太‛
但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明
以太的实际存在。有些实验结果甚至是矛盾的。
C:游泳者的速度；V:水流速； 麦克斯韦很关心这件事，他在为《在英百科全 L:距离 游泳者往返一次所需时间：
L L cv cv L 1 2 c 1 v / c 2 如果将游泳者换成光，地球 T
学说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有 一种载体，光能通过万籁俱寂的虚空，证明在虚空中充满这种载体，这
就是以太。以太是无所不在、绝对静止、极其稀溥的刚性‚物质‛。
你见过“以太”吗？
以太是什么？它有重量吗？它的密度有多大？它对物体的运动会产
生阻力吗？ 以太是我们看不见、摸不着的物质，就像风一样。 谁看见过风？ 我没有见过，你也没有； 可是每当树叶飘摇， 风就在穿过。 1804年托马斯〃杨写道：‚光以 太充满所有物质之中，很少受到 或不受阻力，就像风从一小丛林 中穿过一样。‛
学家韦伯：爱因斯坦，你是一个非常聪
明的学生，但你最大的缺点，那就是不 接受别人教你的东西！
专利局的小职员
1900年8月，爱因斯坦如释重负的以‚优
异‛成绩从大学毕业。
1901年入瑞士国籍，毕业两年后才在大学 好友格罗斯曼的推荐下找到瑞士伯尔尼专
利局技术员的工作。爱因斯坦很满意—薪
水高、有闲暇：可以有充裕的时间继续自 己的‚构想‛。
吸引。
爱因斯坦在晚年曾回忆道：‚当我还是一个四五岁
的孩子，在父亲给我看一个罗盘的时候，就经历过
种惊奇。这个指南针以如此确定的方式行动……这 种经验给我一个深刻而持久的印象。我想一定有什
么东西深深地隐藏在事物后面。‛ 爱因斯坦不喜欢当年德国的教育制度，中学没有毕
业就退了学，在家自修，16岁就掌握了微积分。
书》撰写的《以太》条目中写道：
‚如果可以在地面上从光由一站到另一站所经时 间测到光速，那么我们就可以比较相反方向所测 速度，来确定以太相对于地球的速度。然而实际 上地面测光速的各种方法都取决于两站之间的往 返行程所增加的时间，以太的相对速度等于地球
的公转速度可以算出，
v/c=1/10000.因此在地球上验 证地球穿越以太的实验，其
花了整整一年的时间，试图修改洛仑兹的思想，来解决这个问题，但是
却徒劳无功。‛‚是我在伯尔尼的朋友贝索(M.A.Besso)偶然间帮我摆脱了 困境。那是一个晴朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这
个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的
答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速 度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了
这个实验提醒人们必须重新审查被视为‚神圣‛的经典物 理学的根基。
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。
一、爱因斯坦与相对论
爱因斯坦是20世纪最伟大的物理学家， 他在26岁时(1905年)创建了狭义相对 论 ， 提 出 了 崭 新 的 时 空 观 ， 10 年 后 (1915年)又创建了广义相对论，被人们 誉为20世纪物理学革命的旗手。 1912年，爱因斯坦从狭义相对论中推 到出质量和能量的关系的著名公式 E=mc2 —原子裂变可以产生巨大的能量！
物理学范式－－相对论和量子力学的诞生
第一朵乌云：以太漂移实验
‚以太‛（aether）这个词可以追溯到古希腊。亚里
斯多德在《物理学》一书中认为天体间一定充满有某
种媒介，他把以太当作第五元素引入，认为它是一种 不变的完美物质，月上世界就是由以太组成的。
亚里斯多德之后，笛卡尔1644年发表的《哲学原理》 中就引用了以太的观念。他认为‚虚空‛是不可能存 在的，宇宙中充满易动的以太。由于太阳周围以太出 现旋涡，才造成行星围绕太阳的运动。
狭义相对论
论文4：物体的惯性同它所含的能量有关吗？ (Annalen der Physik 18[1905]:639-641)
论文5：关于光的产生和转化的一个试探性观点(Annalen der Physik
17[1905]:132-148)—黑体辐射和光电效应
新的时空观
1905年爱因斯坦《论动体的电动力学》一文更具划时代的意义，文中
你见过“以太”吗？
19世纪下半叶，由于麦克斯韦电
磁场理论的提出，在人们的观念 中又增加了电磁以太的概念，认
既然以太是无处不在的静止实体，
地球在太空中游弋，必然和以太 有相对运动。光在以太中传播，
为电磁场就是以太的一种特殊表
现。大家更相信以太是客观存在 的实体。
传到地面的速度一定会受这一相
对运动的影响，这一影响应该能 够用光学方法探测出来。
牵强附会，1929年他郑重宣布没有发现相 对于以太的绝对速度。
这件事对肯定相对论的正确性当然有意义。
“零结果”！
绕地球转动的顺时针速度等于逆时针速度。 以太不存在! 迈克耳逊和莫雷的实验结果发表后，科学界大为震惊。这 个零结果对以太学说是一个严重打击。开尔文在1900年把
它说成是19世纪笼罩在物理学上空的两朵乌云中的一朵。
1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光 的动力理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学本来 十分睛朗的天空上出现了两朵乌云。
一朵是：以太漂移实验→相对论：爱因斯坦
一朵是：黑体辐射：紫外灾难→量子力学：玻尔，海森堡，薛定谔， 玻恩，泡利……
物理天空中的两朵乌云：带来世纪之交的一场物理学革命，导致了新的
于以太的运动是不能用任何仪器测量的。‚如果承认迈克尔逊的零结果 是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭
义相对论的第一步。‛
资料来自：爱因斯坦 1922年在日本京都大学的讲演：《我是怎样创立狭义相对论的？》
狭义相对论的创建过程
后来，爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，对洛仑兹方程发生了兴趣。
像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是
按照麦克斯韦方程，看来都不会有这事情。‛这是一个悖论，实际上包 含了狭义相对论的萌芽。
资料来自：爱因斯坦《自述》1946年
狭义相对论的创建过程
‚最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球相对以
太的运动‛。但当得知迈克尔逊-莫雷实验的零结果后，认识到地球相对
这个难题 。‛
资料：爱因斯坦1922年在日本京都大学的讲演：《我是怎样创立狭义相对论的？》
狭义相对论的两个基本原理
1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐 标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系（相 对性原理）。 2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光 线是由静止的还是运动的物体发射出来的（光速不变原理）。
第六讲 20世纪的物理学
—探究宏观与微观的新征程
回 顾
19世纪，古典科学得到了极大的发展。在物理科学领域，以牛顿力学
为基础的古典物理学统一了声学、光学、电磁学和热学。古典物理学
的巨大成就使人们相信：物理科学的大厦已建成，剩下的事情只是修 补工作而已。
著名物理学家普朗克(M.Plank)
物理学天空的两朵乌云
迈克尔逊（Michelson)物理学家
莫雷(Morley) 化学家
迈克尔逊本来希望亲自观测到以太漂移的
正效应，但是反复的实验都是零结果，这 表明根本没有以太这种东西。
迈克尔逊想不通为什么会测不出他那‚可
爱的以太‛，为什么自己多年的实验结果 竟成了‚相对论这个怪物‛的重要依据。
但是他抱着严肃的科学态度从事实验，不
特立独行
爱因斯坦最喜欢的是电磁学，这也许跟他
的家庭有关系。他父亲和叔父曾在慕尼黑
合开过一所制造电学仪器的工厂。叔父是 电气工程师，获过多项发明专利。
1896-1900年爱因斯坦在瑞士苏黎世工业