151相對論的誕生1(已修改)
2024-12-03 20:52 本頁面
【正文】 第一節(jié)：相對論的誕生 一． 相對論產(chǎn)生的科學背景 1.“ 以太風”測定的零結(jié)果 二． 愛因斯坦生平及主要貢獻 1. 生平 2. 主要科學貢獻 三． 狹義相對論 2. 時空觀的變革 3. 狹義相對論的局限性 四． 廣義相對論及其驗證 1. 廣義相對論的提出 2. 驗證廣義相對論的三大效應 ? 愛因斯坦 本節(jié)教學目的和要求 1. 了解相對論產(chǎn)生的科學背景； 2. 了解愛因斯坦的主要科學貢獻與思想方法； 3. 掌握狹義相對論和廣義相對論的基本原理及其主要結(jié)論； 4. 深刻理解相對論時空觀的科學與哲學意義。 一、相對論產(chǎn)生的科學背景 1. “以太風 ” 測定的零結(jié)果 17世紀到 19世紀末，科學家們?yōu)榱藢ふ乙环N力學模型來解釋光學現(xiàn)象，由此而發(fā)展起來一套以太理論。 波動說把光解釋成為由以太傳遞的橫向振動，解釋了大部分光學現(xiàn)象。 某些以以太為基礎構(gòu)造的理論看上去還得到了實驗的證實。 尋找以太 1. 1861年麥克斯韋把光看成是一種以波的形式通過以太傳播的電磁擾動。以太理論達到頂峰。 2. 以太如此重要，需要做個實驗證明它的存在。 3. 1879年麥克斯韋在致美國天文年鑒局托德的一封信中，提出了測定太陽系相對于傳播光的以太的運動速度的一個方案。 邁克耳遜 邁克耳遜（ A． A． Michelson，18521931）看到公開發(fā)表的麥克斯韋的信之后，嘗試去做這個實驗。 邁克耳遜先單獨做了一個實驗來測量地球穿過以太的效應，1881年他發(fā)表結(jié)果說沒有發(fā)現(xiàn)地球相對于以太的可以檢測的運動。 零結(jié)果 幾年后他又與一名化學教授莫雷（ 18381923）合作，以更高的精度重復了這個實驗， 1887年他們公布實驗結(jié)果，仍然沒有發(fā)現(xiàn)地球相對于以太的運動。 實驗的思想基礎 在以太這個參考系中光速是均勻的，所以通過測量不同方向上光的視速度，比較它們的差異，就可以確定地球相對于以太的速度。 光程差 1. 假設實驗室坐標系存在沿 C到 A速度為 v的以太風，那么相對實驗室的光速，從 A到 C為 cv，從 C到 A為 c+v， 2. 在 AB和 BA方向光速為 (c2v2)1/2。 3. 如果 AB=AC=L， 那么光在 AB、 AC間往返所需的時間分別為： 4. t1=2L/(c(1v2/c2)1/2)和 t2=t1/(1v2/c2)1/2 5. 兩者之差 △ t， 忽略高階小項后 ， 為 Lv2/c3。相應的光程差為 Lv2/c2。 條紋移動數(shù) 1. 實驗儀器轉(zhuǎn)動 90度，使得以太風從 A到 B，于是光程差為 lv2/c2，轉(zhuǎn)動前后的總變化為 2lv2/c2。 2. 設 λ為實驗所用光的波長，那么光程差的改變相應于條紋移動數(shù) n為 2lv2/(λc2)。 3. 邁克耳遜 莫雷的實驗長度為 11米，波長等于 107米。以太風，也就是地球繞太陽的軌道速度每秒 30公里，那么 n約等于 。 4. 。 無法觀察到預期結(jié)果 1. 為了保證精確，邁克耳遜和莫雷把實驗儀器浮在水銀上面，當儀器緩慢轉(zhuǎn)動時連續(xù)讀數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)最大的位移不超過 1%個條紋。 2. 實驗無法觀察到預期的 。 3. 他們還在一天的不同時間和相隔六個月后重復做這個實驗，均未發(fā)現(xiàn)任何條紋移動。 對零結(jié)果的可能解釋 1. 以太隨著地球一起運動，但這將使以太變得毫無意義?；蛘?， 2. 地球相當于以太靜止，但這幾乎是要倒退到中世紀以前的地心宇宙說?；蛘撸? 3. 根本沒有以太這種東西，但是光的波動說理論和麥克斯韋電磁理論都是建立在以太基礎之上的。 “ 大失敗” 1. 邁克耳遜他們?nèi)鐚嵉貓蟮懒怂麄兊膶嶒灲Y(jié)果，但他沒有意識到他所做的實驗給出的結(jié)果所具有的重大意義，他稱他的實驗是一次沒有給出預期結(jié)果的大失敗。 2. 但是正是這個實驗提醒人們必須重新審查被視為 “ 神圣 ” 的經(jīng)典物理學的根基。 3. 邁克耳遜為此而獲得 1907年的諾貝爾物理學獎，他也是獲得此獎的第一位美國人。 洛侖茲的理論 邁克耳遜 莫雷實驗的零結(jié)果大大震驚了當時的物理學家們，他們無法相信根本不存在以太這種東西， 為了維護以太理論，一些科學家又提出了各種不同的假設來解釋邁克耳遜 莫雷實驗的零結(jié)果。 其中最著名的就是菲茲杰拉德和洛倫茲的假說。 茲杰拉德 1. 1892年愛爾蘭物理學家菲茲杰拉德（ 18511901）對邁克耳遜 莫雷實驗的零結(jié)果提出了一種新奇的解釋。他認為地球穿過以太運動，一切物體都
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