狭义相对论产生的科学背景

第五篇第五篇近代物理近代物理《大学物理》校级精品课程教学团队2《大学物理》校级精品课程教学团队19世纪末，经典物理学已经建立了比较完整的理论体系，并取得了巨大的成功。当时许多物理学家，包括像开尔文那样知名的，对物理学理论有着重大贡献的物理学家，都认为物理学的基本规律已被揭露出来，今后的任务只是使这些规律进一步完善，并将这些规律应用到具体的实验上，以及说明新的实验事实而已。正当物理学家为物理学的成就感到满意的时候，物理学晴朗的天空中飘来了两朵乌云，其一是1887年的迈克尔孙—莫雷实验，它否定了绝对参照系的存在，其二是1900年瑞利—金斯的黑体辐射实验，又称“紫外灾难”。经典物理无法对这些新的实验结果作出正确的解释，经典物理受到严重的挑战。这就迫使物理学家们不得不跳出传统的经典物理学的理论框架，去寻找新的解决途径，经过艰苦而又曲折的道路，终于在20世纪初建立了相对论和量子理论。第十四章相对论基础第十四章第十四章相对论基础相对论基础《大学物理》校级精品课程教学团队§14.1狭义相对论产生的科学背景§§14.114.1狭义相对论产生的科学背景狭义相对论产生的科学背景4《大学物理》校级精品课程教学团队得益于爱因斯坦理论的重大发明1．太阳能电池、防盗报警器和照相机的测光表都是以光电效应为基础的。2．核能利用的物理现象：当铀原子发生裂变时，总质量的微量损失可以转变成能量，其依据正是爱因斯坦的著名等式。如今，核能为英国提供了25％的电力。3．全球定位系统能将物体的位置精确到米，正是根据爱因斯坦的广义相对论对地球卫星发出的信号进行了修正。4．狭义相对论与量子理论相结合，指出了反物质的存在。科学家们利用正电子，即反物质“电子”，通过X射线层析照相术研究大脑活动。5．亚原子粒子的特性是相对论的直接结果，其存在可以解释从化学元素的特性到磁铁作用的多种现象。6．爱因斯坦1916至1917年对光子的研究为人类40年后发现激光奠定了基础。目前激光广泛应用于从DVD到激光打印机的多种产品。2Emc=5《大学物理》校级精品课程教学团队一、光和电磁理论的完善1光的本质1）光的波动说：胡克和惠更斯提出光的波动学说，认为光是振动的传播，其媒质是充满整个空间的以太（ether)。惠更斯6《大学物理》校级精品课程教学团队17世纪，法国科学家笛卡儿为了解释物体之间的作用力，特别是万有引力现象，最先赋予以太以力学性质：空间被以太这种连续的媒质充满，物体间的作用力都是通过以太的应变和运动来传递。当胡克和惠更斯提出光的波动说后，以太又充当了光波的载体。以太（ether)观念的兴起：笛卡儿7《大学物理》校级精品课程教学团队笛卡儿和牛顿认为光的本质是一种微粒。由于牛顿的成就和名望，18世纪人们普遍认为光的本质是微粒。2）光的微粒说牛顿牛顿8《大学物理》校级精品课程教学团队3）光的波动说的复兴•1801年英国物理学家托马斯‧杨做了光的双缝干涉实验。•法国物理学家菲涅耳用波的相干性补充惠更斯原理发展成惠更斯－菲涅耳原理。定量解释了光的衍射现象和光的直线传播。•光速的测定支持光的波动说。光的波动学说的胜利，使以太学说大大发展。光以太充满整个空间，具有弹性固体的性质等。9《大学物理》校级精品课程教学团队红光入射的杨氏双缝干涉照片白光入射的杨氏双缝干涉照片10《大学物理》校级精品课程教学团队圆孔衍射单缝衍射PH*SG*S11《大学物理》校级精品课程教学团队12《大学物理》校级精品课程教学团队13《大学物理》校级精品课程教学团队2、电磁理论的发展•18世纪末，得到电学的第一个定量规律－库仑定律。•1820年奥斯特发现电流的磁效应，使电磁统一。•之后安培、高斯、欧姆、韦伯、亨利等都为电磁学的发展做出重要贡献。尤其是英国物理学家法拉第（Faraday）和麦克斯韦（Maxwell）。•法拉第首先提出了力线和场的概念。把以太看作是力线的荷载体。•1864-1865年麦克斯韦在场的观念上建立描述电磁场的方程组——麦克斯韦方程组。14《大学物理》校级精品课程教学团队麦克斯韦（JamesClerkMaxwell,1831-1879）英国物理学家.经典电磁理论的奠基人,气体动理论创始人之一.他提出了有旋电场和位移电流的概念,建立了经典电磁理论,并预言了以光速传播的电磁波的存在.在气体动理论方面,他还提出了气体分子按速率分布的统计规律.法拉第（MichaelFaraday,1791-1867），伟大的英国物理学家和化学家.他创造性地提出场的思想，磁场这一名称是法拉第最早引入的.他是电磁理论的创始人之一，于1831年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转.电容的单位：法拉（F）。15《大学物理》校级精品课程教学团队Maxwell方程组ddSVDSVqr×==òòvvÑÑ是电场的高斯定理，说明电场与电荷的联系。d0SBS×=òvvÑ是磁场的高斯定理，也称磁通连续定理。说明目前的电磁论认为没有磁单极子存在。ddddLSBElSttf¶×=-=-׶òòvvvvÑÑ是法拉第电磁感应定律。说明变化的磁场产生感生电场（涡旋电场）。ddCLSDHlISt¶×=+׶òòvvvvÑÑ是全电流的安培环路定理。说明磁场和电流（传导电流和位移电流）的联系。16《大学物理》校级精品课程教学团队电磁场理论•麦克斯韦由方程3和方程4得出变化的电场和变换的磁场联系在一起，形成电磁场。并预言电磁波存在，且在真空中的速度为常量c。•麦克斯韦进一步提出：光就是在一定频率范围的电磁波，从理论上统一了光学和电磁学。也把产生电磁现象的以太和光以太统一起来。•1888年，赫兹通过大量实验，证实了麦克斯韦的上述预言。81001310mscem-==´×17《大学物理》校级精品课程教学团队短波短波长波长波红外线红外线310110510110-710910310-1110510-1310710-()nml微波微波紫外紫外线线XX射线射线gg射线射线宇宙宇宙线线中波中波可见光可见光•380nm以下：紫外线(Ultraviolet)•380nm~450nm：紫(Violet)•450nm~490nm：蓝(Blue)•490nm~560nm：绿(Green)•560nm~590nm：黃(Yellow)•590nm~630nm：橙(orange)•630nm~780nm：红(red)•780nm以上：红外线(Infrared)18《大学物理》校级精品课程教学团队3.以太（ether）带来的麻烦由于以太的存在，带来以下两个方面的麻烦：1电动力学和力学相对性原理出现了很大的矛盾：电磁波在真空中的速度是一个与参考系无关的常量，但是牛顿力学中的相对性原理给出物体的速度和惯性系的选择有关。——“发射理论”双星的观测2地球与以太的关系是什么？怎样用实验证实以太存在？——“以太漂移实验”随着电磁理论的确立，以太的存在在物理学界得到了广泛的承认。但是也赋予其更多特殊甚至相互矛盾的性能：具有很强的“刚度”而又无所不在、无所不入、完全的弹性、不同的频率特性和相应的电磁属性等。19《大学物理》校级精品课程教学团队1.惯性参考系与非惯性参考系对于右图，处于不同参考系的观察者，有不同的结论：1)在地面参考系中，物体所受合外力为零，保持匀速直线运动状态。——牛顿第二定律成立2）在加速车厢参考系中，物体所受合外力为零，却有向后的加速度。——牛顿第二定律不成立！牛顿运动定律不是对任意参考系都适用的！二、力学相对性原理绝对时空观20《大学物理》校级精品课程教学团队•惯性系的定义：适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考系，简称惯性系，或相对于惯性系做匀速直线运动的参考系。•非惯性系：牛顿运动定律不适用的参考系，或相对于惯性系做加速运动的参考系。•根据天文观察，以太阳系作为参照系研究行星运动时发现行星运动遵守牛顿定律，所以太阳系是一个惯性系。•一般地，在研究地面上物体的运动时，由于地球对太阳的向心加速度和地面上物体对地心的向心加速度都较小。所以地球可以近似地看成是惯性系。21《大学物理》校级精品课程教学团队2.力学相对性原理伽利略变换式n力学相对性原理：在相对作匀速直线运动的所有惯性系里，物体的运动都遵从同样的力学定律；或者说在研究力学规律时一切惯性系都是等价的。这个原理称为伽利略相对性原理或力学相对性原理。伽利略变换式：''''xxutyyzztt=-ìï=ïí=ïï=î坐标变换uvvrrr-='速度变换aarr='加速度变换xut＇xxy＇yz＇z＇oouv＇xP22《大学物理》校级精品课程教学团队3.牛顿的绝对时空观•绝对空间：空间像一个大容器，它为物体运动提供了一个场所。•绝对时间：认为时间像一条川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生也罢，这条河流总是不断地，均匀地，不变地流失着。•按照牛顿的观点时间与空间是独立与物体运动之外，不受物质运动影响的，而具体物体的机械运动，则是在这种绝对的时空背景上进行，我们称其为牛顿的绝对时空观。23《大学物理》校级精品课程教学团队•为解决麦克斯韦方程组中真空中光速不符合力学的伽利略变换，有些人想用修改麦克斯韦电磁理论来解决这个问题。他们设想的是所谓发射理论：光和电磁波的发射与机械波不同，而是像微粒那样射出，麦克斯韦理论确定的光速c，不是相对于静止的以太空间，而是相对于发射体。•双星：两颗星靠得较近，彼此围绕共同的质心作椭圆运动。每颗星相对于我们地球来说，一段时间向着我们运动，另一段时间又会背离我们运动。•发射理论：光速是c+v’，v’是该星相对地球的运动速度在星与地球联线方向的分量，当该星向着我们运动时，v’＞0；当该星背离我们运动时，v'＜0。三、双星的观察24《大学物理》校级精品课程教学团队•发射理论对双星观察的奇妙推论：当星向着地球方向运动时，地球接收到的该星的光强应该增强；当星背离地球方向运动，地球接收到的该星光强会减弱；•该星由向着我们运动转变为背离我们运动时，我们会有一段时间接收不到该星的星光；该星由背离我们运动转变为向着我们运动时，我们会接收到不同位置的同一颗星的两个星光。•但是上述现象在所有的双星的观察中都没有出现，说明光的发射理论不正确。•结论：光速是一个恒量，与光的发射体的运动状态无关。25《大学物理》校级精品课程教学团队四、迈克尔孙－莫雷实验•也称“以太漂移”实验。目的是利用光的干涉的方法测量地球相对于以太的运动。•1881年-1887年间迈克尔孙先是独立实验，后又和莫雷合作多次进行实验，他们将干涉仪放在很重的石台上以维持稳定，并把此装置漂浮在水银面上，使之可以平稳地转动。为使光路尽量长，他们在石台上安置了许多面镜子，使光束来回反射8次。•预期当整个装置旋转90度后，干涉条纹将有0.4根移动。•实验的精度达到了一百亿分之五，但是仍然得到否定的结果。以太漂移的零结果被开尔文称为物理学天空中的乌云之一。26《大学物理》校级精品课程教学团队迈克尔孙－莫雷实验的理论探讨•收缩假说：爱尔兰物理学家斐兹杰惹（G.Fitzgerald)于1889年在英国《科学》杂志上发表一篇短文，提出了可以调和以太漂移0结果的假说。•1892年，荷兰物理学家洛伦兹从电子论角度，提出和斐兹杰惹相同的假说。•1904年，洛伦兹总结他多年的研究成果。找到了一种新的坐标变换关系，发现斐兹杰惹——洛伦兹收缩可以还原为这一变换的结果。这个新的变换关系后来就称之为洛伦兹变换。•法国科学家庞加莱提出了很多相对论的结论。但是他们都没有摆脱以太观念的束缚。新力学的创建是由一位名不见经传的专利局的技术员爱因斯坦完成的。27《大学物理》校级精品课程教学团队课堂练习答案：(B)伽利略相对性原理说的是（A）一切参照系中力学规律等价（B）一切惯性系中力学规律都是等价的（C）一切非惯性系力学规律不等价（D）任何参照系中物理规律等价