《相对论的诞生》教学课件

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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.
被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。
19世纪末，卢梅尔（Lummer 1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射 实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度 有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。
第一朵乌云：黑体辐射
1900
量子论
第二朵乌云：迈克尔逊实验
1905
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
光速＝ c v
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的已 知的电磁学的知识归纳集中于四个方程之 中：
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个惯性系是否相 对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说， 任何惯性系都是平权的。
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• 《关于两种世界体系的对话》：“把你和朋友关在 一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶 和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼 ，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的 一个宽口罐里，船停着不动时，你留神观察，小虫 都以等速向舱内各方向飞行；鱼向各个方向随便游 动；水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的 朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方 向施更多的力。当船以任何速度前进，只要是匀速 的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任 何现象判定船是运动还是不动……”
当时人们为了解决这个困难，提出了三 种可能： （1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程 组应满足伽利略不变性。 （2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦 克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。 （3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种 变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具 有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改， 修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上， 英国著名物理学家W．汤姆生（即开尔文男爵）发表了新 年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，
物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要 做些修修补补的工作就行了。但是，明朗的天空 还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，另一朵与 迈克尔逊实验有关。
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。
对两个基本原理的正确理解
①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁 学规律等其他所有的物理学规律； ②强调真空中的光速不变指大小既不依赖于 光源或观察者的运动，也不依赖于光的传 播方向 ③几十年来科学家采用各种先进的物理技术 测量光速，结果都不违背光速不变原理。
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。
上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一 是修正现有的理论，去迎合实验结果（这 相对比较容易，但常常无效）； 另一种主 张彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于 某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。 爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提 出了两个假设：
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。 就是在看来如此简单且最一般的两个假设的 基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭 义相对论
由于在伽利略变换下，Maxwell’s equations不能 保持其形式不变，这是因为从Maxwell’s equations得 到电磁波在真空中的传播速度为c的结论。如果 Maxwell’s equations在伽利略变换下保持不变，则在 任何惯性系中电磁波在真空中的各个方向速率都应 该等于c，那么在另一个与它有相对运动的惯性系中 ，该电磁波的传播速度不可能各向都是c。由此可见 ，在不同的惯性系中，电动力学的规律并不相同。 如果确实如此，从牛顿绝对时空观出发，电磁波 只能够对一个特定参考系的传播速度为c，进而 Maxwell’s equations也就只能对该特殊参考系成立。
相对论
近代物理学的奠基人：
伽利略
近代物理学之父 （自由落体）
牛顿
经典力学的建立者 牛顿三大定律 万有引力定律
普朗克
量子论
爱因斯坦
相对论
经典物理学“危机”： 19世纪末，物理学界连续有三个重大发现，即X射 线、放射性和电子的发现。-----不能用经典物理 学的知识来解释！！
伦琴（1895年发 现x射线）
电磁现象不服从传统的相对性原理。历史上，把这 个在绝对时间和绝对空间（长度）假设下得出的、 Maxwell’s equations和电磁波传播速度各向同性定律 在其中成立的特殊参考系，称为绝对参考系。 然而，绝对参考系是对哪个参照物建立的呢？ 当时人们认为传播电磁波的媒质是以太，电磁波传 播速度c是对以太这一特殊参考系而言的。也就是 说，以太就是那个绝对参考系。 为了找出或证明这个绝对惯性系的存在，迈克 尔逊（michelson）和莫雷（Morley）于1887年利用 灵敏的干涉仪，企图用光学方法测定地球的绝对运 动。假定以太相对太阳静止，这个运动就是地球绕 太阳的运动。
第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生
19世纪末物理学取得了巨大的成就：
1.牛顿力学 2.热力学与统计物理学 3.电磁场理论
形成了完整的科学体系，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”
普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中，他 回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P．约里 （Philipp von Jolly,1809-1884）曾劝他不要学纯理论 ，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美 的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定 的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小 气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一 个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理 学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那 样完美的程度。”普朗克的另一位名师，柏林大学的 G· 基尔霍夫（Gustay Robert Kirchhoff,1824-1887） 也说过类似的话，他说“物理学已经无所作为，往后 无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”
牛顿定律适用于惯性系，即所有惯性系都是等价的，
力学定律在一切惯性系中具有相同的形式。
S F m a S F m a
在牛顿力学中 力与参考系无关
F ma F ma
质量与运动无关
宏观低速物体的力学规律
在任何惯性系中形式相同 或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变 或 牛顿力学规律是伽利略不变式 如：动量守恒定律 S m1v1 m2v2 m1v10 m2v20
爱因斯坦关于相对论的比喻
为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因 斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方， 比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女 士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更 长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉 得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内 容。”
这个故事形象地说明了 时间和空间的相对性。
牛顿的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，一方面是牛顿力学在解决力学问 题获得的巨大功；另一方面观察结果与 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，发现在电磁 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
4、经典力学相对性原理
二、相对性原理与电磁规律
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．
居里夫人（1896年 发现了放射性）
约瑟夫· 汤姆逊 （1897年发现电）
牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的 三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以 后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和Biblioteka Baidu术 的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得 到了很大发展。但是，进入二十世纪，物理 学研究的领域开始深入到了微观高速领域， 这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用。 物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期 认为是不言自明的基本观念作出根本性的变 革，物理学需要一场革命！ 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