1、相对论诞生的历史背景 19世纪末物理学取得了巨大的成就：牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论形成了完整的物理学体系，并被赞誉为：“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”世界物理年徽标世界物理年徽标19世纪末物理学取得了巨大的成就：被赞誉为：被赞誉为：“一座庄严雄一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂的美丽庙堂”！相对论诞生的历史背景：19世纪末物理学取得了巨大的成就：经典力学、热力学、统计物理学和电磁场理论形成了完整的物理学体系，并被赞誉为：“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上，著名的物理学家，威廉汤姆孙，回顾
2、了物理学在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”。威廉威廉汤姆孙汤姆孙“明朗的天空中明朗的天空中还有还有两朵两朵小小的、小小的、令人不安的令人不安的乌云乌云”两朵两朵“乌云乌云”：与黑体辐射有关与黑体辐射有关与光速问题有关与光速问题有关量子力学量子力学相对论相对论 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
3、一概念也是相对的间移动这一概念也是相对的在不同参考系中观在不同参考系中观察物体的运动情况察物体的运动情况1、惯性系：、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系惯性系。惯性系。注意：相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系注意：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。也是惯性系。2、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理 第一种表述：第一种表述：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.第二种表述：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能第二种表述：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
4、速直线运动；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；表述三：任何惯性系都是表述三：任何惯性系都是平权平权的。的。ooopporrrturoott zz yy tuxxttzzyytuxxpooroprporoyxzozxyuSStt zz yy tuxx质点P在S 坐标系和S坐标系中的位置矢量关系为：ttzzyytuxxP OOr POrPOryxzO z x yuSS伽利略变换 POPOOOrrr坐标变换:aapopoo oxxyyzzu vvvvvvvvvtttttLxxLxaa 速度变换xxyyzzuvvvvvvPOPOOOvvv加速度变换P OOr POrPOryxzO z
5、 x yuSS从伽利略变换可得出三条结论：1.同时性是绝对的t=t，在S系中同时发生的两事件，在所有其他惯性系中也是同时的.3.时间测量是绝对的t=t，先后发生的两个事件时间t，在所有惯性系中的测量结果都相同。2.长度测量是绝对的L=x=x=L 两事件的空间间隔x，在所有惯性系中的测量结果都相同。例例1、去年夏季多数城市连降大雨、去年夏季多数城市连降大雨，致使部分地区受灾，武警总队特派一，致使部分地区受灾，武警总队特派一飞机前往，飞机在某高空做匀速直线运动，投放一包救急物品，灾民看到飞机前往，飞机在某高空做匀速直线运动，投放一包救急物品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物
6、品刚好落在灾民救物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落在灾民救济处，则下列说法正确的是济处，则下列说法正确的是()A飞机为非惯性参考系飞机为非惯性参考系B飞机为惯性参考系飞机为惯性参考系C灾民为非惯性参考系灾民为非惯性参考系 D灾民为惯性参考系灾民为惯性参考系相对于地面静止或做匀速运动相对于地面静止或做匀速运动例例2、甲、乙两同学在平直的马路上骑车匀速向东行驶，、甲、乙两同学在平直的马路上骑车匀速向东行驶，甲同学的速度为甲同学的速度为v1=10m/s，乙同学的速度为，乙同学的速度为v2=15m/s，乙同学相对于甲同学的速度大小是多少？，乙同学相对于甲同学的速度大小是多少？解：
7、解：v v2-v1 15m/s-10m/s5m/s以甲同学为参考系以甲同学为参考系 相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为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，一方面是人们接受承认，一方面是牛顿力学牛顿力学在解决力学问题获得在解决力学问题获得的巨大成功；另一方面的巨大成功；另一方面观察结果与人们的经验相符观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现磁现象时，发现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。电磁波的速电磁波的速度等于度等于光速光速c c不涉及参考系
8、的问题不涉及参考系的问题!v v光速光速 c光速光速cv 实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是光速都是恒定恒定的的任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值!8310 m/sc 在电磁学领域里，相对性原理遇到了麻烦，这个麻烦与光速有关。经典力学的速度合成法则、相对性原理、电磁场理论，三者间出现不和谐。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长期支配的影响，物理学界中多数人认为在绝对空间中充满着以太，麦克斯韦方程仅在相对
9、于绝对空间静止的以太这一特殊惯性系中成立。于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。通过电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于以太的漂移速度。为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出地球在“以太”中运动的速度。1887年的迈克耳孙莫雷实验是最著名的一个：它们将一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，然后使它们发生干涉。如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换（旋转干涉仪）时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，
10、希望它对光速能有较大的影响。寻找以太“大失败”迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义：根本没有以太这种东西！迈克耳逊称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基：光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。只有两种可能：（1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。（2）经典力学要作修改。法国数学家兼物理学家庞加莱说：“我们必须建立一种新的力学，对它我们只能够管中窥豹在这个新力学中，光
11、速是一个不可逾越的极限。”证明：光速的测量结果与光源和测量证明：光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，即与参考系无关。者的相对运动无关，即与参考系无关。可见光和电磁波的运动不服从相对可见光和电磁波的运动不服从相对性原理性原理.上述的矛盾使物理学家面临两个选择修补：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)创新：彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦爱因斯坦庞加莱庞加莱彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的。2、光速不变原理 真空中的光速在不
12、同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。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、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，还包括电磁学规律等其他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；所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者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，也不依赖于光的传播方向的运动，也不依赖于光的传播方向 几十年来科学家采用各种先进
13、的物理技术测量光速，结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理。果都不违背光速不变原理。总结一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的二、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 1、狭义相对性原理 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、观察者间的相对运动没有关系。例例3、火箭以、火箭以0.75c的速度离开地球，从火箭上向地球的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号。火箭上的测得光离开的速度是发射一个光信号。火箭上的测得光离开的速度是c，光，光到达地球上时
14、测得的光速是多少？到达地球上时测得的光速是多少？光速不变原理光速不变原理答：光速仍为答：光速仍为c c例例4、设某人在以速度为、设某人在以速度为0.5c的飞船上打开一个光源，则下的飞船上打开一个光源，则下列说正确的是列说正确的是()A飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD在地面上任何地方的观察者看到的光速都是在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c光速与光源、观察者间
15、的相对运动没有关系。光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。CD小 结一、经典相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的二、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 1、狭义相对性原理 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、观察者间的相对运动没有关系。1根据伽利略相对性原理，可以得到下列结论()A任何力学规律在惯性系中都是相同的B同一力学规律在不同的惯性系中可能不同C在一个惯性参照系里不能用力学实验判断该参照系是否在匀速运动D在一个惯性参照系里可以用力学实验判断该参照系是否在匀速运动AC课堂练习2.以下说法中，正确的是()A.经典物理中的速度合成公式在任何情况下都是适用的B.经典物理规律也适用于高速运动的物体C.力学规律在一个静止的参考系和一个匀速运动的参考系中是不等价的D.力学规律在任何惯性系里都是等价的D课堂练习3.如果牛顿定律在参考系A中成立，而参考系B相对于A做匀速直线运动，则在参考系B中()A.牛顿定律也同样成立B.牛顿定律不能成立C.A和B两个参考系中，一切物理定律都是相同的D.参考系B也是惯性参考系ACD课堂练习
