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1、相对论的诞生第1页，本讲稿共23页一、问题的提出一、问题的提出如果有人对你说：“你头脑中的一些概念是不科学的”你相信吗？第2页，本讲稿共23页一、问题的提出一、问题的提出人们头脑中的概念从科学性来讲，可以分为两类：第一类是科学的：第二类是经验的，但不是科学的http:/第3页，本讲稿共23页一、问题的提出一、问题的提出请问：1、标准尺的长度静止时和运动时的长度是一样吗？2标准钟的快慢运动时和静止时是一样吗？在高山顶和山谷是一样吗？第4页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律1、空间：人们通常所说的空间量，不外乎线的长度、平面物曲面的面积、形体的体积等等它们都可以用标准尺来
2、量度http:/第5页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律2、时间：通常，时间不外乎两个事件的时间间隔、一个事件比另一个事件发生得早些或晚些、两个事件同时发生等等原则上时间都可以用标准钟来量度第6页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律3牛顿在他所著的自然哲学的数学原理一书中写道：绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的绝对的时间，本质上是一种与外界物体无关的均匀流动这就是牛顿力学中的绝对空间和绝对时间概念http:/第7页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律4、空时坐标（1）空间坐标：需要3个空间量比如：（x、y
3、、z）（2）空时坐标：需要4个数比如：（x、y、z、t）http:/第8页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：（1）伽利略变换式：设有两个参考系S和作匀速运动，且S/相对S沿X轴以速度v运动则事件P在两坐标系中变换关系是第9页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律5、速度合成法则：（2）速度合成法则：设质点在在S/中的速度为u/，则在S中的速度为u=u/+v第10页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律6、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系凡是相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系http:/第11页，本
4、讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：牛顿运动定律的数学形式在所有的惯性系中都是相同的，或者说，牛顿运动定律的数学形式在伽利略变换是不变的第12页，本讲稿共23页二、几个经典概念和规律二、几个经典概念和规律7、牛顿力学中的相对性原理：（其它表述）（1）在任何两个惯性系中做同一个力学实验都会得到相同的结果；（2）用任何力学方法都无法将两个惯性系分开；（3）对于描述力学现象，所有的惯系都是平权的第13页，本讲稿共23页三、经典物理学的困难三、经典物理学的困难1、在经典物理学中，牛顿运动定律能够描述所有力学现象2、在电磁学领域，麦克斯韦电磁场理论能描述所
5、有的电磁学现象并指出：在任一惯性系中，光速各向同性，大小都等于c3、问题：假设光S在中的速度是c，它在S/中的速度是多少？第14页，本讲稿共23页 但是实验现象表明，不论但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的运动，光速都是恒定的v v光速光速 光速第15页，本讲稿共23页 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初，物理学家世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做们曾经猜想，有一种叫做以太以太的介质，弥的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的漫在宇宙中，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介质，拿以太做参考系时
6、麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊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这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太间不存在以太麦麦克克尔尔逊逊莫莫雷雷实实验验第16页，本讲稿共23页 这一结论还特别为后来的很多精确的这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是实验所证实，最著名的是18871887年迈克年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确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
7、测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是一样的率都应该是一样的第17页，本讲稿共23页 当时人们为了解决这个困难，提出了三种可当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：能：（1 1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁）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。方程组应满足伽利略不变性。（2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，）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但麦克斯韦电磁理论只在某一特
8、殊的惯性系成立。系成立。（3 3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在）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学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。换下具有不变性。第18页，本讲稿共23页 上述的矛盾使物理学家面临两个选择，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，去迎合实验结一是修正现有的理论，去迎合实验结果果（这相对比较容易，但常常无效）；（这相对比较容易，但常常无效）；另一种主张另一种主张彻底摆
9、脱彻底摆脱“麦克斯韦电磁麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系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，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加莱等人选择了后者并提出了两个假设：个假设：第19页，本讲稿共23页四、狭义相对论的两个基本假设四、狭义相对论的两个基本假设1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的规律都是相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考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、观系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关
10、系。察者间的相对运动没有关系。第20页，本讲稿共23页对两个基本原理的正确理解对两个基本原理的正确理解自然规律不仅包括力学规律，还包括电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；磁学规律等其他所有的物理学规律；真空中的光速不变指大小既不依赖于光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，也不依赖于光的传源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技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术测量光速，结果都不违背光速不变原理。理。第21页，本讲稿共23页 相相对对论论的的时时空空观观念念与与人人们们固
11、固有有的的时时空空观观念念差差别别很很大大，很很难难被被普普通通人人所所理理解解。人人们们都都称称赞赞爱爱因因斯斯坦坦伟伟大大，但但又又常常常常弄弄不不懂懂这这伟伟大大的的内内容容。这这使使人人们们想想起起英英国国诗诗人人波波谱谱歌颂牛顿的诗句歌颂牛顿的诗句:第22页，本讲稿共23页 自自然然界界和和自自然然界界的的规规律律隐隐藏藏在在黑黑暗暗中中，上上帝帝说说：“让让牛牛顿顿去去吧，吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后后人人续续写写道道:上上帝帝说说完完多多少少年年之之后后，魔魔鬼鬼说说：“让让爱爱因因斯斯坦坦去去吧吧，”于于是是一一切切又又回回到到黑黑暗暗中。中。第23页，本讲稿共23页