第一節(jié) 相對論的誕生(新)

1、引入引入 對對“相對論相對論”這個詞語，這個詞語， 同學們可同學們可能一點都不陌生，但真正知道相對論的能一點都不陌生，但真正知道相對論的具體含義的可能不多。這可能是覺得相具體含義的可能不多。這可能是覺得相對論是深奧、難懂的高深理論，望而卻對論是深奧、難懂的高深理論，望而卻步?jīng)]有認真思考的原因吧其實只要你敢步?jīng)]有認真思考的原因吧其實只要你敢于接受新鮮事物、勤于思考，以少數(shù)不于接受新鮮事物、勤于思考，以少數(shù)不難懂的原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過可信的推理，難懂的原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過可信的推理，你會發(fā)現(xiàn)相對論世界中的那些神奇結(jié)論你會發(fā)現(xiàn)相對論世界中的那些神奇結(jié)論是可以理解的，變成順理成章的！是可以理解的，變成順理成章

2、的！ 第十五章第十五章 相對論簡介相對論簡介 牛頓的經(jīng)典力學牛頓的經(jīng)典力學的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的三條定律，這一理論的三條定律，這一理論形成于十七世紀形成于十七世紀，在，在以后的兩個多世紀里，牛頓力學對科學和技以后的兩個多世紀里，牛頓力學對科學和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進入得到了很大發(fā)展。但是，進入二十世紀二十世紀，物，物理學研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，理學研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，這時人們發(fā)現(xiàn)這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學在這些領(lǐng)域不再適用牛頓力學在這些領(lǐng)域不再適用。物理學的發(fā)展要求對牛頓力

3、學以及某些長期物理學的發(fā)展要求對牛頓力學以及某些長期認為是不言自明的基本觀念作出根本性的變認為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，物理學需要一場革命！革，物理學需要一場革命！ 二十世紀初誕生的二十世紀初誕生的相對論和量子力學相對論和量子力學就就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標志。是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標志。2020世紀最偉大的科學家世紀最偉大的科學家愛因斯坦愛因斯坦一、經(jīng)典的相對性原理一、經(jīng)典的相對性原理1.1.慣性系：慣性系： 相對于一個慣性參考系做勻速直相對于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。線運動的另一個參考系也是慣性系。牛頓運動定律成立的參考系牛頓運動

4、定律成立的參考系2.2.伽利略相對性原理：伽利略相對性原理：力學規(guī)律力學規(guī)律在任何在任何慣性系慣性系中都是相同的中都是相同的還可表述為：還可表述為：還可表述為：在一個慣性參考系內(nèi)進行的還可表述為：在一個慣性參考系內(nèi)進行的任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否任何力學實驗都不能判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運動；或相對于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(quán)的。者說，任何慣性系都是平權(quán)的。運動的相對性運動的相對性中國古代研究：尚書緯中國古代研究：尚書緯考靈曜考靈曜 “地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。之運也。” uvv牛頓力

5、學的不變性牛頓力學的不變性： aa 一、經(jīng)典的相對性原理一、經(jīng)典的相對性原理3.3.相對性原理的理解：相對性原理的理解：伽里略相對性原理伽里略相對性原理關(guān)于兩種世界體系的對話關(guān)于兩種世界體系的對話：“理想船理想船實驗實驗” ” 伽里略速度變換公式伽里略速度變換公式 ： 伽利略相對性原理是作為基本假伽利略相對性原理是作為基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承設(shè)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(jié)果題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。與人們的經(jīng)驗相符。 但是十九世紀中葉，人們在研究但是十九世紀中葉

6、，人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的問題的問題二、相對性原理與電磁規(guī)律二、相對性原理與電磁規(guī)律 但是實驗現(xiàn)象表明，不論光源和但是實驗現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是恒觀察者做怎樣的相對運動，光速都是恒定的。定的。v v光速光速 c光速光速vc二、相對性原理與電磁規(guī)律二、相對性原理與電磁規(guī)律 光速恒定的特性，同運動的相對性原光速恒定的特性，同運動的相對性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？ 這一結(jié)論還特別為后來的很多精確

7、的這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是實驗所證實，最著名的是18871887年邁克爾遜年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。 任何參照系中測得的光在真空的速率任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值。都應(yīng)該是這一數(shù)值。181099.2msc二、相對性原理與電磁規(guī)律二、相對性原理與電磁規(guī)律 可見光和電磁波的運動不服從伽利略可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理。相對原理。 二、相對性原理與電磁規(guī)律二

8、、相對性原理與電磁規(guī)律 上述的矛盾使物理學家面臨兩個上述的矛盾使物理學家面臨兩個選擇，選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實驗結(jié)果實驗結(jié)果( (這相對比較容易，但常常無這相對比較容易，但常常無效效) )； 另一種主張另一種主張徹底擺脫徹底擺脫“麥克斯麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系系”，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、龐加萊等人選擇了后者。并提出了兩龐加萊等人選擇了后者。并提出了兩個假設(shè)：個假設(shè)：三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)1.1.狹義相對性原理狹義相對性原理 在不同的慣性參考系，一

9、切物理規(guī)律在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的都是相同的2.2.光速不變原理光速不變原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關(guān)系。運動沒有關(guān)系。 就是在看來如此簡單且最一般的兩個就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了一套完整假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了一套完整的理論的理論狹義相對論狹義相對論3.3.對兩個基本原理的正確理解對兩個基本原理的正確理解 自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)律等其他所有的物理學規(guī)律；括電磁學規(guī)律等其

10、他所有的物理學規(guī)律； 強調(diào)真空中的光速不變指大小既不強調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向光的傳播方向 幾十年來科學家采用各種先進的物幾十年來科學家采用各種先進的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。原理。三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)小小 結(jié)結(jié)一、伽利略相對性原理伽利略相對性原理 力學規(guī)律力學規(guī)律在任何在任何慣性系慣性系中都是相同的中都是相同的二、相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾三、狹義相對論的兩個基本假設(shè)三、狹義相對論的兩個基本假設(shè) 1.