选修34《相对论简介》PPT课件

与黑体辐射有 关
量子理论诞生
与光速问题有 关
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。
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
相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个 参考系也是惯性系
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。
但是十九世纪中叶，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。
其中最典型的就是光速的问题。
二、相对性原理与电磁规律
（1564-1642） （1642-1722）
（1831-1879）
物 理 学 关 键 概 念 的 发 展
1600
力学
电磁学
热力学
1700
1800
1900
2000
19世纪末期，以经典力学、热力学和统计物理、电磁场理 论为主要内容的物理学形成了完整的科学体系，自然界的各 种物理现象几乎都能用这些理论解释。
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
00 0 8.85 1012 C 2 N 1 m 2 0 1.26 106 N s2 C 2
C 2.99 108 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？
我的理论被证实过一万次也不能证明这 个理论是正确的，相反，只要有一次发现是 错误的，那就足以证明这个理论是错误的。
—— 阿尔伯特•爱因斯坦
在以往的学习中，我们都习惯于认为科学的理论，都 是从大量的实验结果中归纳起来得到的。但事实上多数科 学定律都不可能由简单地归纳得到，科学的猜想，或者说 非逻辑的思维在科学发现的过程中，都起着决定性的作用。 所以，我们的学习不应该局限于前人已有的成就！有时候， 我们更需要大胆的创造性思维，需要超越常规的发散性思 维！但是，任何理论都是自洽的，都不应该自相矛盾，否 则所有设想都只能是空想。
答：肯定不一致 经典力学的速度合成法则－伽利略速度变换
v v v a相c对 a相b对 b相c对
例：人a相对于船b以5m/s速度匀速向右行走，
船b相对于河岸c以3m/s速度匀速向右行驶，
则人相对于河岸的速度是多少？
答：8m/s
a
vab=5m/s
vbc=3m/s
b
c
v
光速＝ c
光速＝ cv
为了知道这一问题的答案，许多科学家 进行了大量的实验，其中最著名的是麦克耳 孙一莫雷实验。
因斯坦把洛伦兹变换用于力学关系式，创立了狭义相对 论。
亨利·庞加莱
（1854年4月29日～1912年7月17日） 法国数学家、天体力学家、数学物理
学家、科学哲学家 。庞加莱的研究涉及数 论、代数学、几何学、拓扑学、天体力学、 数学物理、多复变函数论、科学哲学等 许多领域。他被公认是19世纪后四分之一 和二十世纪初的领袖数学家，是对于数学和它的应用具有 全面知识的最后一个人。庞加莱在数学方面的杰出工作对 20世纪和当今的数学造成极其深远的影响，他在天体力学 方面的研究是牛顿以来的第二个伟大的里程碑，他对电子 理论的研究被公认为相对论的理论先驱。
2、伽“相利对略于相不对同性的原参考理系，经典力学定律的表达 形力式学是规否律完在全相任同何？惯”性系中都是相同的
还牛可顿表力述学为的：回在答:一个惯性参考系内进行的任何力 学实验对都于不任能何判惯断性这参个照惯系性，系牛是顿否力相学对的于规另律一都个具 有惯相性同系的做形匀式速。直这线就运是动经；典或力者学说的，相任对何性惯原性理系。都 是平权的。
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。
－－－阿尔伯特•
阿尔伯特·爱因斯坦（1879－1955） 1921年诺贝尔物理学奖获得者，现代物理学的开创者、奠基人，相对 论——“质能关系”的创立者，Байду номын сангаас决定论量子力学诠释”的捍卫者。他 创立了代表现代科学的相对论，为核能开发奠定了理论基础，1999年12 月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。
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。”
普朗克回复道：“我并不期望发现新大陆，只希望理解
已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”
马克斯·普朗克(1858年4月23日-1947年10月3日) 德国物理学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一， 因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得 诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为是20世纪最重要的科学发展， 其重要性可以同爱因斯坦的相对论相媲美。
爱因斯坦的观点： ※相信自然界有其内在的和谐规律。
※相信自然界存在普遍性的相对性 原理。
三、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理： 在不同的惯性参考 系中，一切物理规 律都是相同的
光速不变原理： 真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是 相同的
到目前为止，这两个基本原理的所有推论都与 事实相符，这就证明了它的正确性
▪ 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”
伽 利 略… 牛 顿
… 麦克斯韦 …
麦克耳孙一莫雷实验
麦克耳孙—莫雷实验实验的零结果，说明了不论光 源与观察者做怎样的相对运动，光相对于观察者的速
度都是一样的!
是经典相对性原理有问题，还是麦克斯韦电磁理 论出了毛病 ？
亨德里克·安东·洛伦兹 （1853年7月18日～1928年2月4日） 近代卓越的理论物理学家、数学家，
经典电子论的创立者 。1892年 ，洛伦兹 为了说明麦克耳孙-莫雷实验的结果，他独 立地提出了长度收缩的假说，1895年，他 发表了长度收缩的准确公式，1899年，他 在发表的论文里，计论了惯性系之间坐标和时间的变换 问题，并得出电子与速度有关的结论。1904年，他发表 了著名的变换公式，和质量与速度的关系式。后来，爱