第一节 相对论的诞生(新)

1、引入引入 对对“相对论相对论”这个词语，这个词语， 同学们可同学们可能一点都不陌生，但真正知道相对论的能一点都不陌生，但真正知道相对论的具体含义的可能不多。这可能是觉得相具体含义的可能不多。这可能是觉得相对论是深奥、难懂的高深理论，望而却对论是深奥、难懂的高深理论，望而却步没有认真思考的原因吧其实只要你敢步没有认真思考的原因吧其实只要你敢于接受新鲜事物、勤于思考，以少数不于接受新鲜事物、勤于思考，以少数不难懂的原理为基础，经过可信的推理，难懂的原理为基础，经过可信的推理，你会发现相对论世界中的那些神奇结论你会发现相对论世界中的那些神奇结论是可以理解的，变成顺理成章的！是可以理解的，变成顺理成章

2、的！ 第十五章第十五章 相对论简介相对论简介 牛顿的经典力学牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的基础就是以牛顿命名的三条定律，这一理论的三条定律，这一理论形成于十七世纪形成于十七世纪，在，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技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，同时自身也得到了很大发展。但是，进入得到了很大发展。但是，进入二十世纪二十世纪，物，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。物理学的发展要求对牛顿力

3、学以及某些长期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认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，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就是这场从经典物理向近代物理变革的标志。是这场从经典物理向近代物理变革的标志。2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家爱因斯坦爱因斯坦一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理1.1.惯性系：惯性系： 相对于一个惯性参考系做匀速直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。线运动的另一个参考系也是惯性系。牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动

4、定律成立的参考系2.2.伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的还可表述为：还可表述为：还可表述为：在一个惯性参考系内进行的还可表述为：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；或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。运动的相对性运动的相对性中国古代研究：尚书纬中国古代研究：尚书纬考灵曜考灵曜 “地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。之运也。” uvv牛顿力

5、学的不变性牛顿力学的不变性： aa 一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理3.3.相对性原理的理解：相对性原理的理解：伽里略相对性原理伽里略相对性原理关于两种世界体系的对话关于两种世界体系的对话：“理想船理想船实验实验” ” 伽里略速度变换公式伽里略速度变换公式 ： 伽利略相对性原理是作为基本假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认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。与人们的经验相符。 但是十九世纪中叶，人们在研究但是十九世纪中叶

6、，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现与物体运动有关的电磁现象时，发现在在电磁现象的规律不符合相对性原理电磁现象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的问题的问题二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 但是实验现象表明，不论光源和但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。定的。v v光速光速 c光速光速vc二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 光速恒定的特性，同运动的相对性原光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？理之间似乎产生了矛盾？ 这一结论还特别为后来的很多精确

7、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年迈克尔逊年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证和莫雷所做的实验。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。运动无关，亦即与参照系无关。 任何参照系中测得的光在真空的速率任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值。都应该是这一数值。181099.2msc二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 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。 二、相对性原理与电磁规律二

8、、相对性原理与电磁规律 上述的矛盾使物理学家面临两个上述的矛盾使物理学家面临两个选择，选择，一是修正现有的理论，去迎合一是修正现有的理论，去迎合实验结果实验结果( (这相对比较容易，但常常无这相对比较容易，但常常无效效) )； 另一种主张另一种主张彻底摆脱彻底摆脱“麦克斯麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系系”，创立全新的理论。爱因斯坦、，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者。并提出了两庞加莱等人选择了后者。并提出了两个假设：个假设：三、狭义相对论的两个基本假设三、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

9、切物理规律在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的都是相同的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系中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、观察者间的相对是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。运动没有关系。 就是在看来如此简单且最一般的两个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假设的基础上，爱因斯坦建立了一套完整的理论的理论狭义相对论狭义相对论3.3.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；括电磁学规律等其

10、他所有的物理学规律； 强调真空中的光速不变指大小既不强调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，也不依赖于依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向光的传播方向 几十年来科学家采用各种先进的物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理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。原理。三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设小小 结结一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的二、相对性原理与电磁规律发生矛盾相对性原理与电磁规律发生矛盾三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1.