1　相对论的诞生.ppt

第一节相对论的诞生 世界物理年徽标 1 了解经典的相对性原理 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 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F ma 在静止的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 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同 物体在空间移动这一概念也是相对的 在不同参考系中观察物体的运动情况 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 光速 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 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 任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值 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 2 知道狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本原理 相对性原理一切物理定律 在不同的惯性系中是相同的 光速不变原理光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的 迈克尔逊 莫雷实验 实验原理图 实验干涉条纹 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 c 3 0 108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 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 c 3 0 108米 秒 与传播的方向无关 与光源的速度也无关 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