相对论的诞生.pptx

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第一节相对论的诞生,世界物理年徽标,运动的相对性中国古代研究：

尚书纬考灵曜“地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。

”伽里略相对性原理关于两种世界体系的对话：

“理想船实验”伽里略速度变换公式：

牛顿力学的不变性：

了解经典的相对性原理,伽利略相对性原理1632年，伽利略发表了关于两种世界体系的对话一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：

“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，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，向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。

当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。

你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”,伽利略这段描述说明：

在相对于地面做匀速直线运动的船舱里所进行的力学实验和观测，其结果与地面上的力学实验和观测结果没有差异。

不能根据在船舱内的力学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。

正如地球以30千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝毫没有感觉地球在运动一样，也不能根据地面上的力学实验来直接判断地球的公转。

这是因为地面上和船舱里的力学规律具有相同的形式。

牛顿第二定律的形式在静F止m的a船，上和做匀速直线运动的船上是相同的。

牛顿运动定律是经典力学的基础，凡是牛顿运动定律成立的参照系，称为惯性参照系，或简称惯性系。

地面参照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性系。

一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照系，都是惯性系。

牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系,综上所述，相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式。

换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。

这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性原理。

伽利略牛顿,（1564-1642）（1642-1722）（1831-1879）物理学关键概念的发展1600,1700,力学,热力历历学史背景,电磁学,180019002000,相对论量子力学,麦克斯韦,爱因斯坦（1879-1955）,19以0牛0年顿,力著学名和物麦理克学斯家韦开电尔磁文场在理元论旦为献代词表中的名典言物：

理学，到20世纪初，已经取得了空前的成就。

人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运,动规律逐“渐在扩物展理到学高的速天传空播，的一电切磁都波已（明包朗括洁光净波了），的只场剩物下质两运朵动乌规云律，。

一朵,与麦克耳孙-莫雷实验（寻找“以太”）有关，另一朵与黑体辐射有关随。

着但”对他却物没质有运料到动，多这样两性朵小的小认的识乌范云正围孕逐育步着扩一场大暴和风深雨入，并的促同成时，也了引近起代了物对理学物的质两运大动理论统支一柱性问题相的对思论考和量。

子力学的诞生。

“以太”论的观点：

假设整个宇宙都充满着一种绝对静止的特殊媒质“以太”（ether,又称能媒）。

它,是优于其它参考系的绝对参考系。

物理定律在“以太”参考系中具有最简单的形式，而对别的参考系，有可能要改变形式。

电磁学定律在不同惯性系有不同的形式是正在常物现理象学史。

上企图发现“以太”曾作过许多努力（如：

斐索实验、光行差测量、双星周期测量以及麦克耳孙-莫雷精密的光干涉实验等），但没有成功，最精密的实验所测到的也是“零结果”。

爱因斯坦的观点：

相信自然界有其内在的和谐规律。

（必定存在和谐的力学和电磁学规律。

）相信自然界存在普遍性的相对性原理。

（必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用。

）相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。

电磁理论与经典的运动学理论的矛盾19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。

麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，c3.0108米/秒，并很快为实验所证实。

从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。

如果光波也和声波一样，是靠一种媒质（以太）传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。

科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。

这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。

但是这却与经典的运动学理论相矛盾。

迈克尔逊-莫雷实验,实验干涉条纹,该实验目的是测量地球在以太中的速度（即以太风的速度）。

倘若存在以太，光相对于以太的速度满足速度叠加原理，则当仪器摆放的位置不同时，光的速度不同，光程差不同，对应的干涉条纹不同。

由于地球相对于以太的速度很大，移动整个仪器时，干涉条纹会有明显移动（计算可知会移动0.4个条纹），但结果是在实验精度范围内（精度0.01个条纹），条纹几乎未动。

B,双星观测,两颗绕共同重心转的恒星,旋O,A、B,光速与光源运动状态无关的实例,这里着重讨论B（伴星）的运动,E光速,沿B,uu,BE光可追上BE光，并,同时到达E，因此，伴星的像不是一个亮点，而是一个亮弧。

用伽利略的速度合成将会出现下述问题,u,cv,u,c+v,沿BE光速沿BE光速,1.,E天文台,v,B,A,O,vBv,u,BE但光速,2.若用两种方法测量伴星的运动周期：

一是测量伴星相继两次通过B点所经历的时间；二是测量伴星由B运动到B所经历的时间（半周期）乘二。

两种方法测所得结果并不相等，这是因为在,第二种方法中，路程BE,u信号传送所需时间不同。

宇宙中存在大量这种物理双星，有些甚至,肉眼也能分辨。

精密的天文观测表明，双星的像是很清晰的两个光点，没有发现亮弧现象。

而且两种方法测周期的结果一样。

这只能用光速与光源运动状态无关的观点，才能得到圆满的解释。

爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于1905年提出了狭义相对论。

狭义相对论的基本原理可表述于下：

1.相对性原理相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。

也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯性系的运动状态。

2.光速不变原理相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量与，传c播的3方.0向1无0关8米，/秒与，光源的速度也无关。