第一节相对论的诞生

1、第一节第一节 相对论的诞生相对论的诞生世界物理年徽标世界物理年徽标（1）了解经典的相对性原理）了解经典的相对性原理 运动的相对性运动的相对性中国古代研究：中国古代研究：尚书纬考灵曜尚书纬考灵曜 “地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。也。” 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： “理想船实验理想船实验”伽里略速度变换公式伽里略速度变换公式 ：uvv牛顿力学的不变性：牛顿力学的不变性： aa v伽利略相对性原理伽利略相对性原理 1632年，伽利略发表了年，伽利略发表了关于关于两种世界体系的对话两种世界体系的对话一

2、书，其中对船舱里观察一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：到的现象有一段生动的描述：“船停着不动船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，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；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，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你仔细观察这些事情之后

3、，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，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，船是在运动还是法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动停着不动”伽利略这段描述说明：伽利略这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动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

4、于地面是静止还是运动。学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。正如地球以正如地球以30千米千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝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的力学规律具有相同的形式。牛顿第二定律的形式Fma，在静止的船上和做匀速直线运动的船上是相同的。，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，牛顿运动定律是经典力学的

5、基础，凡是牛顿运动定律成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。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。系，都是惯性系。牛顿运动定律成立的参考系，称为牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系惯性参考系，简称惯性系简称惯性系牛顿运动定律不成立的参考系，牛顿运动定律不成立的参考系，称为称为非惯性系非惯性系v综上所述，相对任何惯性系，力综上所述，相对任何惯性系，

6、力学规律都具有相同的形式。换言学规律都具有相同的形式。换言之，之，在描述力学的规律上，一切在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。惯性系都是等价的。这一原理称这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性原理学的相对性原理。（2）知道狭义相对论的两个基本假设）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：狭义相对论的两个基本原理：相对性原理相对性原理 一切物理定律，在不同的惯性系中是一切物理定律，在不同的惯性系中是相同的相同的 光速不变原理光速不变原理 光在真空中的传播速度在不同的惯性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系中测得的数值

7、都是相同的 迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验实验原理图实验原理图 实验干涉条纹实验干涉条纹 v电磁理论与经典的运动学理论的矛盾电磁理论与经典的运动学理论的矛盾 19世纪中叶，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，在

8、真空中的传播速度为一常数，c3.0108米米/秒，并秒，并很快为实验所证实。很快为实验所证实。v从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的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，是靠一种媒质速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以以太太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是传播的，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

9、反却宣判了以太的死刑，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。运动学理论相矛盾。v爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭年提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理可表述于下：义相对论的基本原理可表述于下：v1.1.相对性原理相对性原理 相对任何惯性系，包括电相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。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也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯