【正文】 引 言 17世紀至 19世紀，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大的綜合 : 第一次是牛頓力學(xué)體系的建立 —經(jīng)典力學(xué) 第三次是麥克斯韋的電磁理論的建立 —經(jīng)典電磁理論 第二次是熱力學(xué)定律、能量守恒定律 —熱力學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué) 海王星的發(fā)現(xiàn)（ 1846在 Leverrier“ 筆尖下看到”） 各種物質(zhì)運動形式可以相互轉(zhuǎn)化，而且有定量關(guān)系 氣體動理論是用牛頓理論研究大量微觀分子的運動 大至日月星辰，小至分子原子，無不為牛頓理論所包羅 描述世俗物體和天體的運動規(guī)律的統(tǒng)一理論 把電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)合成一體 電磁理論成功解釋了波動光學(xué) 19世紀末，人們感到 經(jīng)典物理似乎可以解決 所有問題 。 1887年的邁克耳遜 —莫雷實驗的 “零結(jié)果” 1900年瑞利和金斯用經(jīng)典的能量均分定理說明黑體輻射問題，出現(xiàn)了所謂的 “紫外災(zāi)難” 熱和光的動力學(xué)理論上空的 “兩朵小烏云”。 ―物理學(xué)的大廈已基本建成，后輩物理學(xué)家只要做些修補工作就行了。 ” 1900年，英國物理學(xué)家威廉 湯姆遜 (Kelvin)在新世紀的祝詞中說道： ―The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.‖ 1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象，說明原子不是物質(zhì)的基本單元， 原子是可分的 。 近代物理（ 20世紀）包括： 人類跨入 20世紀的時候，物理學(xué)迎來了新紀元 —從經(jīng)典物理走向了近代物理 。 Michelson－ Morley實驗 ?相對論 黑體輻射 ?量子論 ▲ 相對論 ◆ 狹義相對論 (Special Relativity)（ 1905） 研究 : 慣性系 中物理規(guī)律及其變換 揭示 : 時間 、 空間和運動的關(guān)系 ◆ 廣義相對論 (General Relativity)（ 19151916） 研究 :非慣性系 中物理規(guī)律及其變 換 揭示 : 時間 、 空間與引力的關(guān)系 1892年 和 獨立提出運動長度收縮的概念 。 關(guān)于狹義相對論的 主要的工作 1899年 從 “ 以太 ” 論出發(fā) ， 導(dǎo)出了 Lorentz 變換 。 1904年 龐加萊 提出物體質(zhì)量隨運動速度增加而增加 ， 極限速度為光速 c。 1905年愛因斯坦 171。論動體的電動力學(xué) 187。給出相對論的物理基礎(chǔ) 。 愛因斯坦的預(yù)言 ， 其它人甚至都沒想象過 。 1925 Heisenberg 矩陣力學(xué) ◆ 量子力學(xué)的建立： （ 嶄新概念 ） 量子力學(xué) ? 原子、分子、原子核、固體 量子電動力學(xué)（ QED） ? 電磁場 量子場論 ? 原子核和粒子 ◆ 量子力學(xué)的進一步發(fā)展： 1924 de Broglie 電子具有波動性 1928 Dirac 相對論波動方程 1927 Davisson， 電子衍射實驗 1926 Schroedinger 波動方程 ▲ 量子力學(xué) ◆ 舊量子 論的形成： （ 沖破經(jīng)典－量子假說 ） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 電磁輻射能量量子化 1913 原子能量量子化 狹義相對論 （ Special Relativity） Albert Einstein（ 1879—1955） 德裔美國科學(xué)家 1921年因 光電效應(yīng)的解釋 獲諾貝爾物理獎 人只有獻身于社會，才能找出那短暫而有風(fēng)險的生命的意義。 愛因斯坦 ?早期對 布朗運動 的研究 ?1905年創(chuàng)建 狹義相對論 ?1916年創(chuàng)建 廣義相對論 ?1906年用量子理論說明了 固體熱容 與溫度的關(guān)系 ?1912年用 光量子 概念建立了光化學(xué)定律 ?1916年提出 自激發(fā)射和受激發(fā)射 的概念，為激光出現(xiàn)奠定基礎(chǔ) ?1924年提出了 量子統(tǒng)計方法 玻色 愛因斯坦統(tǒng)計法。 ?用廣義相對論研究整個 宇宙的時空結(jié)構(gòu) ?大統(tǒng)一理論 的提出 167。 1 牛頓相對性原理和伽利略變換 167。 2 伽利略變換的困難 ， 邁克爾遜－莫雷實驗 167。 3 狹義相對論的基本原理 洛侖茲變換 167。 4 狹義相對論的時空觀 167。 5 相對論的質(zhì)量和動量 167。 6 狹義相對論力學(xué)的基本方程 167。 7 相對論能量 167。 8 相對論動量 —能量關(guān)系 本章目錄 經(jīng)典力學(xué) 狹義相對論 牛頓的時空觀 愛因斯坦的時空觀 牛頓的相對性原理 伽利略變換 相對性原理、光速不變原理 革命性的 洛侖茲變換 運動學(xué)效應(yīng) 時間膨脹 長度收縮 重新認識 運動與時空 的概念 包括兩個方面： －－ 相對性原理 描述 有所不同，之間存在一個變換關(guān)系－－ 變換式 甲君 以我為標準： 甲君說：頭朝上 乙君也說：頭朝上 乙君 問題是 ： 甲君 看 乙君， 大頭朝下！ 如：什么是上？下？ 用科學(xué)的語言來表述 萬有引力定律 ： 下：指向地心 相對性 原理的核心： 物理規(guī)律是客觀存在的，與參考系無關(guān)。 沒有特殊的參考系，即 參考系平權(quán) 。 平權(quán)就是各向同性，就是對稱性。 從哥白尼到愛因斯坦 參考系的選擇 從哥白尼的 日心說 到愛因斯坦的 廣義相對論 的過程，是人們逐步擺脫 以自我為核心 的過程。 紀念哥白尼誕辰 500周年學(xué)術(shù)會的標題 牛頓的相對性原理 狹義相對性原理 廣義相對性原理 適用范圍 慣性系 宏觀低速 慣性系 所有參考系 逐漸深化的過程 167。 1 牛頓的相對性原理和伽利略變換 設(shè) 慣性系 S 相對 S以勻速 u運動的慣性系 S? t 時刻 物體到達 P點 通常： 實驗室參考系 為 S系 運動參考系 為 S39。系 y z x O . P(x , y , z , t ) ）（ tzyx ???? ,x?y?z?O?u?ut一 . 伽利略變換 (Galilean transformation) 在 兩個慣性系 中考察 同一物理事件 正變換 utxx ???yy ??zz ??tt ??逆變換 ttzzyytuxx??????????SS?? ?tzyxr ,?? ?tzyxr ????? ,??????a?a??Pr?o?S?ux?xoSyr??y?x?xut— 伽利略變換 坐標和時間變換 : 速度變換與加速度變換 zzyyxxu?????????????zzyyxxu?????????????正變換 逆變換 正變換 utxx ???yy ??zz ??tt ??trdd ?? ??tr????dd ???ttutxtxdddddd ???用 S系的時間求導(dǎo) 牛頓時空： 時間量度與參考系無關(guān) 即 tt ??速度變換 zzyyxxaaaatuaa???????ddzzyyxxaaaatuaa????????ddzzyyxxaaaaaa??????zzyyxxaaaaaa??????正 逆 zzyyxxu?????????????zzyyxxu????????????? 加速度變換 在兩個 慣性系 中 aa ?? ??兩個都是慣性系 u是恒量 求導(dǎo) 二 .牛頓的相對性原理 （力學(xué)相對性原理 ） S F? m a?F??S? m? a??amF ?? ?amF ???? ??在牛頓力學(xué)中 力與參考系無關(guān)，質(zhì)量與運動無關(guān)。 根據(jù)伽利略相對性原理，只能知道一個慣性系 相對于一個慣性系的速度，而不能根據(jù)任何 力學(xué)實驗 決定某一個慣性系是否“絕對靜止”。 結(jié)論： 牛頓運動定律對 任何慣性系 都是成立的。 推廣： 對于所有的慣性系，牛頓力學(xué)的規(guī)律都應(yīng)有相同的形式 ——力學(xué)相對性原理 。 在任何慣性系中觀察，同一力學(xué)現(xiàn)象將按同樣的形式發(fā)生和演變。 各個慣性系都是等價的，不存在特殊的絕對的慣性系。 宏觀低速 物體的力學(xué)規(guī)律 在任何慣性系中 形式相同 或 牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變 或 牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式 S2021012211 ???????? mmmm ???S?如：動量守恒定律（以兩質(zhì)點碰撞為例） 利用伽利略變換 1 1 2 2 1 1 0 2 2 0m m m m? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?牛頓的相對性原理 動量守恒定律在伽利略變換下形式不變 任何兩個事件之間的時間間隔，對于所有的觀察者來說都一樣。 三、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀 伽利略變換的核心思想是經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀 伽俐略變換實質(zhì)上是以數(shù)學(xué)形式反映了牛頓力學(xué)所持的經(jīng)典時空觀。 經(jīng)典力學(xué)認為： 物體的運動雖在時間和空間中進行，但是時間的流逝、空間的性質(zhì)與物體的運動之間沒有任何聯(lián)系。 任何兩個事件之間的空間間隔，對于所有的觀察者來說都一樣； 時間是絕對的，空間是絕對的。 時間： ?同時性的絕對性： 在一慣性系中同時發(fā)生的兩件事，在其它慣性系中也是同時發(fā)生的。 在 S系中， t1=t2， 則由 t139。=t1， t239。=t2 得在 S39。系中 t139。= t239。 ?時間間隔測量的絕對性： 在 S系中， Dt=t2t1， 則由 t139。=t1， t239。=t2 得在 S39。系中 Dt39。=t239。t139。=t2t1=Dt 長度： ?長度的定義及長度測量的說明： 桿的長度由其兩端的坐標差確定 l =x2x1 靜止 ：端點坐標值不隨時間變化， 坐標測量 可在不同時刻 進行 運動 ：端點坐標值隨時間變化， 坐標測量 必須在同時刻 進行 若不是同時測量， 則測得的坐標差就不是桿的長度。 ?空間的絕對性 在 S39。中，桿靜止，測得 x239。、 x139。，則 l39。=x239。x139。 在 S中，桿運動，在 S系中同時測量，當時刻為 t 時， x1=x139。+vt， x2=x239。+vt S系中測得 l=x2x1=(x239。+vt)(x139。+vt)=x239。x139。=l39。 絕對時空觀 ：彼此相對運動的慣性系中，測得同一桿的長度是相同的。 絕對時空觀 僅在宏觀 低速 范圍成立，但被人們理所當然地絕對化了。對 高速 運動物體，須打破這種觀點。 x39。xy 39。yv?o 39。oz 39。z39。ssc?167。 2 伽利略變換的困難，邁克爾遜－莫雷實驗 一、 光速問題 對兩個不同的慣性參考系 ,