《相对论的诞生》课件

相对论的时空观念与人们固有 的时空观念差别很大，很难被普通 人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟 大，但又常常弄不懂这伟大的内容。 这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛 顿的诗句: 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，” 于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。
其中最典型的就是光速的问题。
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二、相对性原理与电磁规律
19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了 顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学的知识 归纳集中于四个方程之中：
c
1
0 0
3.0 108 m/s
由麦克斯韦 方程组可以直接 得出：电磁波的 速度等于光速c， 并不涉及参考系 的问题，这与经 典力学的速度合 成法则一致吗？
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”
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普朗克：“老师，我 准备把我的一生都献给理 论物理学。”
老师：“年轻人，物理学是一门已经完成 了的学科，不会再有多大的发展了。将一 生献给这门学科，太可惜了。”
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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)
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明确几点：
1) 第一条原理是对经典力学相对性原理的推广。不论 在哪一个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系的 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。
课堂练习
1．根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论( AC ) A．任何力学规律在惯性系中都是相同的 B．同一力学规律在不同的惯性系中可能不同
C．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
D．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
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慕尼黑的物理学教授菲利普· 冯· 约利
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在1900年英国皇家学会的新年庆祝 会上，著名的物理学家，威廉· 汤姆孙， 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。 但同时他也承认“明朗的天空中还 有两朵小小的、令人不安的乌云”。
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与黑体辐射有 关 与光速问题有 关
量子理论诞生 相对论诞生
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 目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基 础作出了贡献。
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一、经典的相对性原理
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t，在所有惯性系中
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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，发现电磁 现象的规律不符合相对性原理。
rop ro p roo roo u t
y
S
S
y
x x u t p rpo y y rp o z z o r x x o oo t t z z
u
速度变换: vop vo p voo v x vx u
湖南长郡卫星远程学计了一系列实验， 想要测出地球在“以太”中运动的速度。 1887年的迈克耳孙——莫雷实验是最著名的 一个：它们将一束光分成互相垂直的两束， 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，然后使它们发生干 涉。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。 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 实验得到的结果却是两束光的速度没有预计 的差别。 湖南长郡卫星远程学校 2014年上学期 制作 17
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。
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由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长 期支配的影响，物理学界中多数人认为在绝对 空间中充满着以太，麦克斯韦方程仅在相对于 绝对空间静止的以太这一特殊惯性系中成立。 于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统 中，麦克斯韦方程仅近似成立。1861年麦克斯 韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的 电磁扰动。以太理论达到顶峰。 通过电磁学或光学实验应该能够测量出地 球相对于以太的漂移速度。
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早在1895年(16岁,上中学)时，爱因斯坦提出 了一个有趣的追光假想实验：如果他骑在火箭 上以光速c前进，追随一条光线运动，看到的光 将是怎样的景象？
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， 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 深一些。 －－－爱因斯坦
1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系
相对于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、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都 “相对于不同的参考系，经典力学定律的表 是相同的
达形式是否完全相同？”
还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力 牛顿力学的回答: 学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个 对于任何惯性参照系 ，牛顿力学的规律都具 惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都 有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。 是平权的。
第15章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
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本节主要内容
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 爱因斯坦在已有知识背景和实验基础上， 通过思维的自由创造，大胆提出两条假设： 狭义相对性原理和光速不变原理
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2）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 光速与观察者及光源的运动状态无关。 3) 爱因斯坦理论带来了观念上的变革：
牛顿经曲力学理论： 时间、长度、质量的测量均与参照系无关。 狭义相对论： 时间、长度、质量测量的相对性，与参照系有关。
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加速度变换: 从伽利略变换可得出三条结论：
a a
v y vy v z vz
1. 同时性是绝对的
t t
，在S系中同时发生的
两事件，在所有其他惯性系中也是同时的. 2. 长度测量是绝对的 L x x L 两事件的空间间隔 x，在所有惯性系中的 测量结果都相同。 3. 时间测量是绝对的 t t 先后发生的两个事件时间 的测量结果都相同。
小结
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。
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该原理意义－一切惯性系都是等价的，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。
那么，同一物理量在不同惯性系中的值有对应关系。 伽利略变换 质点P在S 坐标系和S/ 坐标系中的位置矢量关系为：
坐标变换: x x u t y y z z t t
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。
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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 庞加莱说：“我们必须建立 一种新的力学，对它我们只 能够管中窥豹……在这个新 力学中，光速是一个不可逾 越的极限。”
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二、相对性原理与电磁规律
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？
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 恒定的．
v
光速＝ c
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光速＝ c v
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在电磁学领域里，相对性原理遇到了麻 烦，这个麻烦与光速有关。经典力学的速度 合成法则、相对性原理、电磁场理论，三者 间出现不和谐。
迈克耳逊寻找以太“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。