第八章小结

学期活动

了解相对论的发展历史和爱因斯坦的科学思想。

爱因斯坦是 20 世纪最伟大的物理学家，对现代物理学的两大支柱——量子力学和相对论的建立与发展均做出了杰出的贡献。爱因斯坦在其一生的科学研究生涯中，在物理学各个领域都做出了开创性的工作，极大地推动了现代物理学的发展。

1905 年，爱因斯坦连续发表了 4 篇划时代的重要论文。他在第一篇论文中提出了光量子假说，成功解释了光电效应，对量子力学的建立产生了重要影响。第二篇论文对布朗运动给出了正确解释。第三篇论文建立了狭义相对论，完美解决了世纪之交的以太疑难，否定了牛顿的绝对时空观，建立了全新的相对论时空观，对现代物理学产生了深远的影响。第四篇论文给出了著名的质能方程，开启了核能利用的时代。1906 年，爱因斯坦提出固体比热理论，是固体量子理论的开创者；1915 年以一已之力完成广义相对论，建立了一个关于时空和引力的全新理论，对时空的本质有了更加深刻的认识，开启了物理学新的时代，影响深远。广义相对论提出的所有预言，都在之后的 100 年内被一一证实。广义相对论被公认为 20 世纪人类认识自然最伟大的科学成果之一。物理学家玻恩曾说过，广义相对论“把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起”。1916 年，爱因斯坦提出受激辐射理论，是激光理论的开拓者；1917 年发表关于宇宙学的论文，开启了现代宇宙学的研究；1924 年完成波色 - 爱因斯坦统计，预言了波色 - 爱因斯坦凝聚并在 70 年后被实验证实；1935 年与合作者提出 EPR 佯谬，对量子力学的发展产生重要影响，并直接催生了对量子纠缠和量子通信的研究。

爱因斯坦具有超人的智慧和深刻的物理直觉，对现代物理学做出了无可匹敌的重大贡献，他的科学思想和哲学思想影响深远，是一座难以企及的高峰。

20世纪初相对论的建立是现代物理学的一次革命，了解相对论的发展历史和爱因斯坦的科学思想有助于我们更好地学习和掌握现代物理学知识，提高分析问题和解决问题的能力及创新能力。通过阅读相关书籍和查阅有关资料，进一步了解相对论的发展历史和爱因斯坦的科学思想，并在此基础上撰写读书报告。

活动要求：

（1）整理并总结相对论的发展历史以及对相对论的建立有过贡献的科学家。

（2）总结爱因斯坦对建立相对论的主要贡献。

（3）通过爱因斯坦的科学生涯总结爱因斯坦的科学思想。

（4）以小组的形式进行展示与交流。

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第八章牛顿定律的局限性与相对论初步

基本概念和基本规律

狭义相对论基本原理

相对性原理：物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式。

光速不变原理：真空中的光速在所有惯性系中都是相同的，与光源和观测者的速度无关。

广义相对论基本原理

等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。

广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。

基本方法

通过爱因斯坦建立相对论的过程，感受思想实验的方法。

通过对相对论效应和实验验证的学习，认识理论演绎、科学推理和科学论证的方法。

知识结构图

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复习与巩固

如果一个人以接近光速的速度在长直的街道上运动，那么在他眼里，街道边建筑物的高度和宽度会有什么变化？
一列高铁高速经过一座静止长度与高铁相同的桥梁，列车上的观察者认为桥梁和列车哪个更长？桥梁上的观察者认为哪个更长？
高楼顶楼的钟和一楼的钟相比，哪个走得慢？

8–18

测量光速可以有不同的方法，比如在月球上放置一个反射镜，在地球上向月球发射一束激光，反射回地面后通过激光的行返时间来计算光速。图8–18所示为法国物理学家菲索利用旋转齿轮法来测量光速的装置，当齿轮静止时，光束穿过齿缝经平面镜反射后能被观察者看到；当齿轮旋转时，如果反射光返回时正好碰到齿轮，观察者就看不到光，如果反射光返回时正好转到下一个齿缝，观察者就能看到光。设此时反射镜到齿轮的距离为 L，齿轮转速为 n = 1 000 r/s，齿轮的齿数为 m = 720，要想测出光速，L 需要多长？如何增加这个长度？
如果光速只有 \(\frac{c}{3}\) 甚至更小，相对论效应是更显著还是更不易看到？
如果引力常量 G 增大，牛顿力学的适用范围是变大还是变小？
地球绕太阳公转轨道的近日点会有进动吗？不考虑其他天体的影响，地球近日点进动值比水星近日点进动大还是小？简述理由。
牛顿引力理论和爱因斯坦广义相对论在描述地球和太阳之间的相互作用时有什么不同？
太阳的寿命约为 100 亿年，太阳形成至今已经演化了约 50 亿年？再过 50 亿年，太阳将进入什么阶段？太阳这类小质量恒星最后会演化成什么样的致密天体？
*有人说，宇宙是无限的，宇宙中的恒星也是无限多的，因此在宇宙中的任意一点，无限多恒星的光叠起来都足以达到太阳的亮度，即不应该有黑夜。如何用现代宇宙学理论来分析解决这个悖论？