第06章相对论-1S.R.20120420
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相对论(关于时空和引力的基本理论)·狭义相对论的概念马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。
马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。
时空的观念是通过经验形成的。
绝对时空无论依据什么经验也不能把握。
休谟更具体的说:空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。
而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。
1905年爱因斯坦指出,迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的,光速是不变的。
而牛顿的绝对时空观念是错误的。
不存在绝对静止的参照物,时间测量也是随参照系不同而不同的。
他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。
创立了狭义相对论。
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。
在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。
现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。
我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。
四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。
在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。
在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。
另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。
值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。
概述相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无大质量物体扭曲时空改变物体行进方向关。
狭义相对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。
相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论提出于1905年,广义相对论提出于1915年(爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作,在1916年初正式发表相关论文)。
由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难,即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。
因此,在整个宇宙中不存在惯性观测者。
爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。
狭义相对论最著名的推论是质能公式,它说明了质量随能量的增加而增加。
它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量,但它不是导致原子弹的诞生的原因。
而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞,与有些天文观测到的现象符合。
狭义与广义相对论的分野传统上,在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期,人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。
随着相对论理论的发展,这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的,以这样一个相对的物理对象来划分物理理论,被认为较不能反映问题的本质。
目前一般认为,狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力(弯曲时空),即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题,而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。
用相对论的语言来说,就是狭义相对论的背景时空是平直的,即四维平凡流型配以闵氏度规,其曲率张量为零,又称闵氏时空;而广义相对论的背景时空则是弯曲的,其曲率张量不为零。
相对论原文(网摘)论动体的电动力学大家知道,麦克斯韦电动力学 -- 像现在通常为人们所理解的那样 -- 应用到运动的物体上时,就要引起一些不对称,而这种不对称似乎不是现象所固有的。
比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。
在这里,可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关,可是按照通常的看法,这两个物体之中,究竟是这个在运动,还是那个在运动,却是截然不同的两回事。
如果是磁体在运动,导体静止着,那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场,它在导体各部分所在的地方产生一股电流。
但是如果磁体是静止的,而导体在运动,那么磁体附近就没有电场,可是在导体中却有一电动势,这种电动势本身虽然并不相当于能量,但是它 -- 假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的 -- 却会引起电流,这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样。
诸如此类的例子,以及企图证实地球相对于“光媒质”运动的实验的失败,引起了这样一种猜想:绝对静止这概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性,倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的定律也一样适用,对于第一级微量来说,这时已经证明了的。
我们要把这个猜想(它的内容以后就称之为“相对性原理”①)提升为公设,并且还要引进另一条在表上看来同它不相容的公设:光在空虚空间里总是以一确定的速度V传播着,这速度同发射体的运动状态无关。
由这两条公设,根据静体的麦克斯韦理论,就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。
“光以太”的引入将被证明是多余的,因为按照这里所要阐明的见解,既不需要引进一个具有特殊性质的“绝对静止的空间”,也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每个点规定一个速度矢量。
这里所要阐明的理论 -- 像其他各种电动力学一样 -- 是以刚提的运动学为根据的,因为任何这种理论所讲的,都是关于刚体(坐标系)、时钟和电磁过程之间的关系。
对这种情况考虑不足,就是动体电动力学目前所必须克服的那些困难的根源。
人教版高中物理新课标教科书目录(全套)人教版高中物理新课标教科书目录(全套)必修1走进物理课堂之前物理学与人类文明第一章运动的描述1 质点参考系和坐标系…………………………………………………………102 时间和位移………………………………………………………………………143 运动快慢的描述──速度………………………………………………………164 实验:用打点计时器测速度 (21)5 速度变化快慢的描述──加速度 (28)第二章匀变速直线运动的研究1 实验:探究小车速度随时间变化的规律 (34)2 匀变速直线运动的速度与时间的关系 (37)3 匀变速直线运动的位移与时间的关系 (40)4 自由落体运动……………………………………………………………………455 伽利略对自由落体运动的研究 (48)第三章相互作用1 重力基本相互作用……………………………………………………………542 弹力 (57)3 摩擦力 (60)4 力的合成 (65)5 力的分解 (68)第四章牛顿运动定律 (71)1 牛顿第一定律……………………………………………………………………722 实验:探究加速度与力、质量的关系 (75)3 牛顿第二定律……………………………………………………………………794 力学单位制………………………………………………………………………835 牛顿第三定律……………………………………………………………………856 用牛顿定律解决问题(一) (89)7 用牛顿定律解决问题(二) (92)必修2第五章机械能及其守恒定律1 追寻守恒量 (2)2 功 (3)3 功率 (7)4 重力势能……………………………………………………………………………105 探究弹性势能的表达式 (14)6 探究功与物体速度变化的关系 (16)7 动能和动能定理 (18)8 机械能守恒定律 (22)9 实验:验证机械能守恒定律 (26)10 能量守恒定律与能源 (27)第六章曲线运动1 曲线运动……………………………………………………………………………322 运动的合成与分解 (34)3 探究平抛运动的规律 (38)4 抛体运动的规律 (41)5 圆周运动……………………………………………………………………………446 向心加速度…………………………………………………………………………487 向心力………………………………………………………………………………528 生活中的圆周运动 (56)第七章万有引力与航天1 行星的运动…………………………………………………………………………622 太阳与行星间的引力 (67)3 万有引力定律 (69)4 万有引力理论的成就 (72)5 宇宙航行……………………………………………………………………………746 经典力学的局限性 (79)选修1-1第一章电流一、电荷库仑定律 (2)二、电场 (8)三、生活中的静电现象……………………………………………………………12四、电容器…………………………………………………………………………16五、电流和电源……………………………………………………………………19六、电流的热效应…………………………………………………………………23第二章磁场一、指南针与远洋航海……………………………………………………………30二、电流的磁场……………………………………………………………………34三、磁场对通电导线的作用 (38)四、磁声对运动电荷的作用 (44)五、磁性材料………………………………………………………………………49第三章电磁感应一、电磁感应现象…………………………………………………………………54二、法拉第电磁感应定律 (60)三、交变电流………………………………………………………………………64四、变压器…………………………………………………………………………71五、高压输电………………………………………………………………………74六、自感现象涡流…………………………………………………………………78七、课题研究:电在我家中 (83)第四章电磁波及其应用一、电磁波的发现…………………………………………………………………90二、电磁光谱………………………………………………………………………94三、电磁波的发射和接收 (101)四、信息化社会 (105)五、课题研究:社会生活中的电磁波 (112)选修1-2第一章分子动理论内能一、分子及其热运动 (2)二、物体的内能 (7)三、固体和液体 (11)四、气体………………………………………………………………………………18第二章能量的守恒与耗散一、能量守恒定律 (24)二、热力学第一定律 (28)三、热机的工作原理 (31)四、热力学第二定律 (36)五、有序、无序和熵 (39)六、课题研究:家庭中的热机 (44)第三章核能一、放射性的发现 (49)二、原子核的结构 (54)三、放射性的衰变 (58)四、裂变和聚变 (62)五、核能的利用 (67)第四章能源的开发与利用一、热机的发展和应用 (74)二、电力和电信的发展与应用 (80)三、新能源的开发 (88)四、能源与可持续发展 (94)五、课题研究:太阳能综合利用的研究 (101)选修2-1第1章电场直流电路第1节电场 (2)第2节电源 (7)第3节多用电表 (15)第4节闭合电路的欧姆定律 (20)第5节电容器 (26)第2章磁场第1节磁场磁性材料 (32)第2节安培力与磁电式仪表 (36)第3节洛伦兹力和显像管 (41)第3章电磁感应第1节电磁感应现象 (47)第2节感应电动势 (51)第3节电磁感应现象在技术中的应用 (54)第4章交变电流电机第1节交变电流的产生和描述 (59)第2节变压器 (63)第3节三相交变电流 (68)第5章电磁波通信技术第1节电磁场电磁波 (73)第2节无线电波的发射、接收和传播 (75)第3节电视移动电话 (81)第4节电磁波谱 (85)第6章集成电路传感器第1节晶体管 (90)第2节集成电路 (96)第3节电子计算机 (100)第4节传感器 (107)选修2-2第1章物体的平衡 (1)第1节共点力平衡条件的应用 (2)第2节平动和转动 (6)第3节力矩和力偶 (8)第4节力矩的平衡条件 (11)第5节刚体平衡的条件 (14)第6节物体平衡的稳定性 (18)第2章材料与结构 (23)第1节物体的形变…………………………………………………………………24第2节弹性形变与范性形变 (28)第3节常见承重结构 (30)第3章机械与传动装置 (33)第1节常见的传动装置 (34)第2节能自锁的传动装置 (38)第3节液压传动……………………………………………………………………41第4节常用机构……………………………………………………………………46第5节机械…………………………………………………………………………49第4章热机 (52)第1节热机原理热机效率 (53)第2节活塞式内燃机 (56)第3节蒸汽轮机燃气轮机 (62)第4节喷气发动机…………………………………………………………………65第5章制冷机 (72)第1节制冷机的原理 (73)第2节电冰箱………………………………………………………………………76第3节空调器………………………………………………………………………80选修2-3第1章光的折射第1节光的折射折射率 (2)第2节全反射光导纤维 (6)第3节棱镜和透镜 (11)第4节透镜成像规律 (16)第5节透镜成像公式 (20)第2章常用光学仪器第1节眼睛……………………………………………………………………………26第2节显微镜和望远镜 (28)第3节照相机 (33)第3章光的干涉、衍射和偏振第1节机械波的衍射和干涉 (39)第2节光的干涉 (43)第3节光的衍射 (47)第4节光的偏振 (50)第4章光源与激光第1节光源……………………………………………………………………………56第2节常用照明光源 (60)第3节激光……………………………………………………………………………63第4节激光的应用 (66)第5章放射性与原子核第1节天然放射现象原子结构 (70)第2节原子核衰变 (74)第3节放射性同位素的应用 (78)第4节射线的探测和防护 (82)第6章核能与反应堆技术第1节核反应和核能 (88)第2节核裂变和裂变反应堆 (90)第3节核聚变和受控热核反应 (95)选修3-1第一章静电场1 电荷及其守恒定律 (2)2 库仑定律……………………………………………………………………………63 电场强度……………………………………………………………………………114 电势能和电势 (17)5 电势差………………………………………………………………………………236 电势差与电场强度的关系 (26)7 电容器与电容 (28)8 带电粒子在电场中的运动 (32)第二章恒定电流1 导体中的电场和电流 (40)2 电动势………………………………………………………………………………433 欧姆定律……………………………………………………………………………464 串联电路和并联电路 (49)5 焦耳定律……………………………………………………………………………546 电阻定律……………………………………………………………………………577 闭合电路欧姆定律 (62)8 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饱和汽与饱和汽压 (50)4 物态变化中的能量交换 (54)第十章热力学定律1 功和内能……………………………………………………………………………602 热和内能……………………………………………………………………………623 热力学第一定律能量守恒定律 (65)4 热力学第二定律 (69)5 热力学第二定律的微观解释 (74)6 能源和可持续发展 (81)选修3-4第十一章机械振动1 简谐运动 (2)2 简谐运动的描述 (6)3 简谐运动的回复力和能量 (12)4 单摆 (14)5 外力作用下的振动………………………………………………………………18第十二章机械波1 波的形成和传播…………………………………………………………………242 波的图象…………………………………………………………………………283 波长、频率和波速………………………………………………………………304 波的反射和折射…………………………………………………………………335 波的衍射…………………………………………………………………………386 波的干涉…………………………………………………………………………417 多普勒效应………………………………………………………………………44第十三章光1 光的折射…………………………………………………………………………502 光的干涉…………………………………………………………………………553 实验:用双缝干涉测量光的波长 (57)4 光的颜色色散……………………………………………………………………605 光的衍射…………………………………………………………………………646 波的干涉…………………………………………………………………………687 全反射……………………………………………………………………………738 激光 (78)第十四章电磁波1 电磁波的发现……………………………………………………………………2 电磁振荡…………………………………………………………………………853 电磁波的发射和接收……………………………………………………………884 电磁波与信息化社会……………………………………………………………925 电磁波谱…………………………………………………………………………98第十五章相对论简介1 相对论诞生 (104)2 时间和空间的相对性 (107)3 狭义相对论的其他结论 (114)4 广义相对论简介 (117)选修3-5第十六章动量守恒定律1 实验:探究碰撞中的不变量 (2)2 动量守恒定律(一) (6)3 动量守恒定律(二) (11)4 碰撞…………………………………………………………………………………145 反冲运动火箭……………………………………………………………………6 用动量概念表示牛顿第二定律 (23)第十七章波粒二象性1 能量量子化:物理学的新纪元 (28)2 科学的转折:光的粒子性 (32)3 崭新的一页:粒子的波动性 (40)4 概率波………………………………………………………………………………445 不确定的关系 (46)第十八章原子结构1 电子的发现………………………………………………………………………522 原子的核式结构模型 (57)3 氢原子光谱………………………………………………………………………604 玻尔的原子模型 (63)5 激光………………………………………………………………………………69第十九章原子核1 原子核的组成……………………………………………………………………742 放射性元素的衰变 (79)3 探测射线的方法 (83)4 放射性的应用与防护 (86)5 核力与结合能……………………………………………………………………906 重核的裂变…………………………………………………………………………947 核聚变 (100)8 粒子和宇宙 (108)。
为了弄懂相对论,钱学森存疑了十几年我可以实事求是地告诉大家,钱老从小很聪明,但聪明只占一部分,勤奋是更重要的一部分。
他从小学、中学到大学都没跳过级,他是一步一步、扎扎实实攀登上科学高峰的。
首先他从小就很爱学习,勤奋学习。
吃饭的时候总是一边吃饭一边看书,连头都不抬一下。
为此,他妈妈必须经常把别的菜换到他面前,要不然他就总是夹面前那一盘菜。
大家不要期望天上掉馅饼,换在今天这个场合,可以说,不要期望天上给你掉下个一百分,你要靠自己的努力。
如果有些同学比较聪明,那也不能就靠那点小聪明,小聪明是不能做出大成就的。
钱老在美国上学的时候,有一年圣诞节,一个犹太学生在大家都出去玩的时候去教室学习,他就想,应该没有别人在吧?大家知道,犹太人既聪明又勤奋,这在世界上是出了名的,这名学生当然也这么认为。
于是,他把收音机打开,边听广播边看书。
过了不久,有人在隔壁敲墙了。
这个犹太学生就纳闷了:是谁呀?竟然还有人在圣诞节也来学习不成?过去一看,是中国人钱学森。
钱学森告诉他,你的收音机声音太大,影响我了!原来,在这个犹太学生来学习之前,钱学森早已经在这里自习很长时间了。
第二个,就是他求知的欲望非常强烈,学习就要有这种求知的欲望。
他说在师大附中念高中的时候,吃了午饭大家没事就在教室里面侃大山,什么话题都说。
有一次,一个同学说:“你们知不知道,现在世界上出了一个科学大师叫爱因斯坦,他的相对论可了不得,我们现在学的物理,只知道距离是相对的,可你们知不知道时间也是相对的?时间还可以是弯曲的?”中学生的钱学森听到这个故事之后,就非要找一本爱因斯坦的书来读,结果就在那个时候的师大附中的图书馆里终于找到一本讲《相对论》的小册子,他立即借出来阅读。
他说:“当时我虽没读懂,但这却激起了我对科学的极大兴趣。
”一直到十几年以后,他在美国加州理工学院航空系学习,同时也选修物理学,学量子力学、相对论等等,这才了却了他青少年时代的心愿。
他这种求知欲望,促使他发奋学习,这为他后来的科学事业奠定了深厚的理论基础。