相对论的诞生 时间和空间的相对性

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第十五章 相对论简介15.1 相对论的诞生

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牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名 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 形成于十七世纪， 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， 以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技 术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也 术的发展起了巨大的推动作用， 得到了很大发展。但是，进入二十世纪 二十世纪， 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， 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 牛顿力学在这些领域不再适用。 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 物理学需要一场革命！ 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 相对论和量子力学就是 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

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20世纪最伟大的科学家 20世纪最伟大的科学家

爱因斯坦

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一、经典的相对性原理惯性系： 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 在任何惯性系 力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为： 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； 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。 者说，任何惯性系都是平权的。

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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， 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 另一方面观察结果与人们的经验相符。 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 但是十九世纪中叶， 体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现 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 其中最典型的就是光速的问题 光速

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不同的参考系中观察物体的运动情况可能不 物体在空间移动这一概念也是相对的. 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

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光速恒定的特性， 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？ 原理之间似乎产

生了矛盾？ 但是实验现象表明， 但是实验现象表明，不论光源和 观察者做怎样的相对运动， 观察者做怎样的相对运动，光速都是 恒定的. 恒定的.v

光速= 光速= c

光速= 光速= c v

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c = 2.99×10 mS8

1

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 1887年迈克尔逊和莫雷 所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷 所做的实验。 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， 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。 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. 原理.

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当时人们为了解决这个困难， 当时人们为了解决这个困难，提出了三种 可能： 可能： 麦克斯韦电磁理论有错， (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。 程组应满足伽利略不变性。 牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对， (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。 成立。 牛顿力学与伽利略变换不对， (3)牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某 种变换， 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 换下具有不变性。 要作修改， 要作修改，修改后的力学方程在新的变换 下具有不变性。 下具有不变性。

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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， 世纪后半叶和20世纪初， 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， 以太的介质 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， 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 时麦克斯韦的电磁理论才成立.今天看来， 太是某一特殊参考系的代表. 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， 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. 宇宙间不存在以太.

麦克尔逊莫雷实验

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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， 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); (这相对比较容易，但常常无效); 另一 种主张彻底摆脱 彻底摆脱“ 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” 用于某一特殊的惯性系”,创立全新的理 爱因斯坦、 论

。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后 并提出了两个假设： 者.并提出了两个假设：

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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， 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、 相同的，光速与光源、观察者间的相对运 动没有关系。 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 基础上爱因斯坦建立了一套完整的 …… 此处隐藏：3009字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……