山东大学物理学院：《电动力学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第25讲 狭义相对论 §3.1 相对论的实验基础

电动力学》第25讲 第六章狭义相对论(1) §6.1相对论的理论基础 教师姓名:宗福建 单位:山东大学物理学院 2015年12月8日

《电动力学》第25讲 第六章 狭义相对论 (1) §6.1 相对论的理论基础 教师姓名： 宗福建 单位： 山东大学物理学院 2015年12月8日

本讲主要内容 61、相对论产生的历史背景 20世纪物理学上空的两朵乌云 62、相对论的实验基础 63、相对论的基本原理 相对性原理 光速不变原理 64、洛伦兹变换 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 2 本讲主要内容 1、相对论产生的历史背景 20世纪物理学上空的两朵乌云 2、相对论的实验基础 3、相对论的基本原理 相对性原理 光速不变原理 4、洛伦兹变换

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵鸟云” 6物理学发展到19世纪末期,可以说是达到相当完美、相当成熟的程 度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。 6例如,一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释,牛顿力学 以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。 对于电磁现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场统 理论,这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。 6至于热现象,也已经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于 物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能够 作出合理的说明 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 3 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程 度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。 例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学 以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。 对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统 一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。 至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于 物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够 作出合理的说明

相对论的实验基础 ⊕普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中,他回忆1875年在慕尼 黑大学学物理时,物理老师曾劝他不要学纯理论,因为物理学“是 门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学”,现在这门科学“看来 很接近于采取最稳定的形式 普朗克的另一位名师,柏林大学的基尔霍夫也说过类似的话,他说: 物理学已经无所作为,往后无非在已知规律的小数点后面加上几 个数字而已。” 6尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激,但他能够在此万里晴空 中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡,足见他富有远见。物理学发 展的历史表明,正是这两朵小小的乌云,终于酿成了一场大风暴。 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 4 相对论的实验基础 普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中，他回忆1875年在慕尼 黑大学学物理时，物理老师曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是 一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学”，现在这门科学“看来 很接近于采取最稳定的形式。 普朗克的另一位名师，柏林大学的基尔霍夫也说过类似的话，他说： “物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几 个数字而已。” 尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激，但他能够在此万里晴空 中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。物理学发 展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵鸟云” 6在历史跨入二十世纪的日子里,英国科学界声名显赫的元老开尔文 勋爵(英国著名物理学家W汤姆孙),于1900年4月27日在皇家学会 发表了一篇著名的讲演(还有说,19世纪的最后一天,1899年12月 31日)。 6文章一开始,开尔文就开门见山地写道:“动力学理论断言热和光 都是运动的方式,可是现在,这种理论的优美性和明晰性被两朵乌 云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的, 菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论;它包括这样一个问题:地球如 何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢?第二朵乌云是麦 克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。” 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 5 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 在历史跨入二十世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开尔文 勋爵(英国著名物理学家W.汤姆孙)，于1900年4月27日在皇家学会 发表了一篇著名的讲演（还有说，19世纪的最后一天，1899年12月 31日）。 文章一开始，开尔文就开门见山地写道：“动力学理论断言热和光 都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌 云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的， 菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论；它包括这样一个问题：地球如 何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦 克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵乌云” 6第一朵乌云——迈克耳孙一莫雷实验与“以太”说 破灭 6人们知道,水波的传播要有水做媒介,声波的传 播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播 太阳光穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的 星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上。光 波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么? 物理学家给光找了个传播介质—以太”。 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 6 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 第一朵乌云——迈克耳孙—莫雷实验与“以太”说 破灭 人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传 播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。 太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的 星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光 波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？ 物理学家给光找了个传播介质——“以太

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵乌云” 6最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。 牛顿在发现了万有引力之后,碰上了难题:在宇宙真 空中,引力由什么介质传播呢?为了求得完整的解决, 牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太” 是宇宙真空中引力的传播介质。 6后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太” 也是光波的传播介质 山东大学物理学院宗福建 7

山东大学物理学院 宗福建 7 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。 牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真 空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决， 牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太” 是宇宙真空中引力的传播介质。 后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太” 也是光波的传播介质

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵鸟云” 619世纪时,麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的 介质说成是一种没有重量,可以绝对渗透的“以太” “以太”既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者, 又具有机械力学的性质,它是绝对静止的参考系, 切运动都相对于它进行。这样,电磁理论与牛顿力学 取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的 概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学” 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 8 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的 介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。 “以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者， 又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一 切运动都相对于它进行。这样，电磁理论与牛顿力学 取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的 概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵鸟云” 6但是,肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了:地球以每秒 30公里的速度绕太阳运动,就必须会遇到每秒30公里的“以太风” 迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个问题的严 生,引起人们去探讨“以太风”存在与否 6为了观测“以太风”是否存在,1887年,美国物理学家迈克尔孙 与美国化学家、物理学家莫雷合作,在克利夫兰进行了一个著名 的实验--迈克耳逊-莫雷实验,即“以太漂移”实验。实验结果 证明,不论地球运动的方向同光的方向一致或相反,测出的光速 都相同,在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而,根 本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。 山东大学物理学院宗福建 9

山东大学物理学院 宗福建 9 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒 30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风” 迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产 生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。 为了观测“以太风”是否存在，1887年，美国物理学家迈克尔孙 与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名 的实验----迈克耳逊-莫雷实验，即“以太漂移”实验。实验结果 证明，不论地球运动的方向同光的方向一致或相反，测出的光速 都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根 本找不到“以太”或“绝对静止的空间

相对论的实验基础 61物理学上空的“两朵乌云” 6然而,斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的 “出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境,使得 “实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自 由运动着”的结论。尽管开尔文倾向静止以太说 并赞同收缩假说,但是他好像还是理智地认为, 这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态 度:“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓 密的。” 山东大学物理学院宗福建

山东大学物理学院 宗福建 10 相对论的实验基础 1.物理学上空的“两朵乌云” 然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的 “出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得 “实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自 由运动着”的结论。尽管开尔文倾向静止以太说 并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为， 这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态 度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓 密的