第四章狹義相對論1.近代物理學的兩朵烏云19世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。英國著名物理學家W．湯姆孫WilliamThomson〔即開爾文勛爵〕發(fā)表了新年祝詞。他在回憶物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。2.一切力學現(xiàn)象原那么上都能夠從經(jīng)典力學得到解釋，對于電磁現(xiàn)象，已形成麥克斯韋電磁場理論，這種理論還可用來闡述波動光學的根本問題。熱現(xiàn)象，有了唯象熱力學和統(tǒng)計力學的理論。以經(jīng)典力學、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計力學為三大支柱的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)建成，而且根底牢固，宏偉壯觀3.他在展望20世紀物理學前景時，卻假設(shè)有所思地講道：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了……第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上……第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。4.兩朵烏云

第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論：邁克耳遜－莫雷實驗與“以太〞說；第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上?！隗w輻射與“紫外災難〞。5.光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學家給光找了個傳播介質(zhì)―“以太〞。〔ether或aether〕以太是希臘語，原意為上層的空氣，指在天上的神所呼吸的空氣。在宇宙學中，有時又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。6.邁克耳孫-莫雷實驗——

檢測以太實驗原理圖MSM2M1T以太風

設(shè)地球(光源和干涉儀)相對于“以太”速度：光相對于地球的速度：光相對于“以太”的速度:大小隨的方向而變化7.

實驗原理圖MSM2M1T以太風兩光線間存在光程差,出現(xiàn)干預條紋.將裝置轉(zhuǎn)動90度,干預條紋應移動(預計0.37條).反復實驗,“零結(jié)果〞.8.9.光速不變1887年，美國物理學家邁克爾孫與美國化學家、物理學家莫雷合作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗----邁克耳遜-莫雷實驗，即“以太漂移〞實驗。實驗結(jié)果證明，不管地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太〞之間沒有相對運動。10.洛倫茲洛倫茲，H．A．(HendrikAntoonLorentz,1853～1928〕，荷蘭物理學家。為了說明邁克孫-莫雷實驗的結(jié)果，他獨立地提出了長度收縮的假說，認為相對以太運動的物體，其運動方向上的長度縮短了。11.這兩朵烏云是指什么呢？熱輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗后來的事實證明,正是這兩朵烏云開展成為一埸革命的風暴,烏云落地化為一埸春雨,澆灌著兩朵鮮花.12.量子力學的誕生相對論問世深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活相對論量子力學近代物理兩大理論支柱13.1905年的愛因斯坦

一位在當時還不知名的瑞士專利局的職員阿爾伯特-愛因斯坦，1905年發(fā)表的一篇著名的論文中指出，只要人們愿意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念就是多余的。幾個星期之后，一位法國最重要的數(shù)學家亨利·龐加勒也提出類似的觀點。

“奇跡年〞----長久以來，它被用來描述1666年。英格蘭艦隊戰(zhàn)勝荷蘭無敵艦隊；同一年，牛頓奠定了他的微積分、顏色理論和引力理論的根底。這一年，牛頓24歲。

14.?物理學紀事?(AnnalenderPhysik)愛因斯坦在1905年發(fā)表了5篇劃時代的論文，分別為：?關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點?；?分子大小的新測定方法?；?熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動?；?論動體的電動力學?；?物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？?內(nèi)容涵蓋光量子假說、光電效應、分子大小測定、布朗運動、狹義相對論。愛因斯坦奇跡年100周年的2005年定為“國際物理年〞

15.

愛因斯坦的哲學觀念：自然界應當是和諧而簡單的.

理論特色：出于簡單而歸于深奧.AlbertEinstein(1879–1955)20世紀最偉大的物理學家,于1905年和1915年先后創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論,他于1905年提出了光量子假設(shè),為此他于1921年獲得諾貝爾物理學獎,他還在量子理論方面作出很多的重要的奉獻.16.

1.狹義相對論的相對性原理(relativityprincipleofspecialrelativity)：物理規(guī)律對所有慣性系都是一樣的,不存在任何一個特殊的慣性系．

2.光速不變原理(invarianceprincipleofvelocityoflight):在任何慣性系中,光在真空中的速率都相等.4.1.2愛因斯坦根本假設(shè)?包括兩個意思：

光速不隨觀察者的運動而變化

光速不隨光源的運動而變化愛因斯坦的二個根本假設(shè),放棄了以太參照系,又不必修改麥克斯韋方程組,光速不變與麥克斯韋方程組在慣性系中等價是一致的.17.4.2.1同時性的相對性§4.2愛因斯坦時空觀K問題：

在某一慣性系中的同時事件,在另一相對其運動的慣性系中是否是同時的?事件1事件2K系同時發(fā)生的兩事件,

t=0理想實驗：愛因斯坦火車站臺火車

時，C發(fā)一光信號事件1:A接收到光信號事件2:B接收到光信號同時不同時結(jié)論：“同時性〞具有相對性——光速不變原理的直接結(jié)果18.說明同時具有相對性,時間的量度是相對的.

和光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中同時發(fā)生的兩個事件,在相對于此慣性系運動的另一慣性系中觀察,并不一定是同時發(fā)生的.19.理想實驗：愛因斯坦火車站臺系：火車系：4.2.2時間延緩20.火車系：

用一個相對事件發(fā)生地靜止的鐘測量的兩個同地事件的時間間隔——原時(propertime)(固有時間)

0

該兩事件為異地事件,需用兩只鐘測出其時間間隔：非原時(運動時間τ)光信號：站臺系：21.

該兩事件為異地事件,需用兩只鐘測出其時間間隔：非原時(運動時間τ)光信號：站臺系：結(jié)論：原時最短.運動時鐘變慢效應——時間膨脹,時間延緩(timeexpansion)令∵22.運動的鐘走得慢時間的延緩23.狹義相對論的時空觀1〕兩個事件在不同的慣性系看來，它們的空間關(guān)系是相對的，時間關(guān)系也是相對的，只有將空間和時間聯(lián)系在一起才有意義.2〕時—空不互相獨立，而是不可分割的整體.3〕光速C是建立不同慣性系間時空變換的紐帶.

3）時，

.1〕時間延緩是一種相對效應.2〕時間的流逝不是絕對的，運動將改變時間的進程.〔例如新陳代謝、放射性的衰變、壽命等.〕注意24.

人類乘接近光速的光子火箭作星際旅行

無論目標有多遠，乘客在旅途上花費的固有時間原則上可以任意短。地球南門二（4光年）牛郎星（16光年）織女星（26.3光年）小麥哲倫星云（15萬光年）

在日常生活中時間延緩和長度收縮是完全可以忽略的,但運動速度接近光速時,這兩種效應就變得非常重要,在高能物理的領(lǐng)域里得到大量的實驗證實.25.

例1設(shè)想有一光子火箭以速率相對地球作直線運動，若火箭上宇航員的計時器記錄他觀測星云用去10min,則地球上的觀察者測得此事用去多少時間？運動的鐘似乎走慢了.解:設(shè)火箭為系、地球為S系26.時空隧道27.雙生子佯謬有一對雙生兄弟，其中一個跨上一宇宙飛船作長程太空旅行，而另一個那么留在地球。結(jié)果當旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年青。28.4.2.3長度收縮長度=在與長度方向平行的坐標軸上,物體兩端坐標值之差.(當物體運動時,兩端坐標必須同時記錄)測量尺兩端坐標xx29.光往返時間：入射路程：解得光脈沖從反射鏡返回到光源的時間：全程所用時間：棒靜止于K

系30.全程所用時間：解得：原長l0：在相對于觀察者靜止的參考系中測得的物體長度.長