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1700988681 力学（物理类） [:1700973490]

1700988682 8.1　狭义相对论基本原理

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1700988684 8.1.1　经典理论的危机

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1700988686 由伽利略、牛顿等开创和建立起的牛顿力学包括运动学和动力学两部分内容．运动学的基础是运动的相对性和绝对时空观，它的表现形式之一是参考系之间的伽利略时空变换．动力学的基础是两组定律，第一组定律即为牛顿三定律，展开推演后可得动量、能量、角动量三组定理．第二组定律是相互作用力的结构性定律，其中如牛顿万有引力定律、胡克弹性力定律、库仑摩擦力定律等．在牛顿力学的结构中，第一组定律是稳定和完备的，它的实质性内容既不能被修正，也不能被扩充，否则便不成为牛顿力学．第二组定律是开放的，可以修正、完善和扩充．例如在弹性范围内胡克定律成立，在弹性范围外，物体的形变与所受作用力之间有非线性的关系．

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1700988688 在牛顿力学的逻辑系统中，牛顿的绝对时空观和三定律的地位是至高无上的，牛顿定律在所有惯性系中成立，牛顿力学的全部内容也必须在所有惯性系中成立，这就是牛顿力学中的相对性原理．相互作用力结构性定律中的牛顿万有引力定律、胡克弹性定律、库仑摩擦力定律等确实都满足相对性原理的要求，这也表现在定律中的常量是惯性系不变量．例如引力常量G、同一弹性介质体的杨氏模量E等，在不同惯性系中的测量值相同．

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1700988690 库仑于1785年发现了关于电荷间相互作用力的规律——库仑定律，标志着相互作用力的结构性定律开始扩展到电相互作用范围．半个世纪后，麦克斯韦建立起了电相互作用场完整的动力学理论基础，即麦克斯韦电磁场方程组，据此推测出空间某区域电磁场的变化可向四周传播，形成电磁波．光波实质上属于电磁波．当时的物理学家习惯于将光波、电磁波与机械波类比，认为这些波也必定是在介质中传播的．然而，光波、电磁波不仅能在空气、水和玻璃等实物介质中传播，而且也能在诸如太阳和地球之间无实物的空间中传播．这就促使物理学家需要假设存在着一种能传递光或电磁振动的介质，起先称为光以太，而后称为电磁以太，简称以太．麦克斯韦认为存在一个相对以太静止的参考系，简称以太系，在以太系中电磁场方程组成立．倘若称只有以太、没有实物介质的空间为真空，那么由场方程组可导得在以太系中电磁波的真空波速（即真空光速）为

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1700988695 其中ε0，μ0分别是真空介电常量和真空磁导率．依据惯性系间的伽利略变换，光速在不同的惯性系对应有不同的测量值．

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1700988697 以太系是一个特殊的参考系，如果地球系就是以太系，那么人类的诞生地又有理由重新成为宇宙的“中心”，这样的结论是物理学家无法接受的．如果地球系不是以太系，那么测出地球相对以太系的运动便是间接地证明了以太系的存在．为此，迈克耳孙（A. A. Michelson，1852—1931）希望通过光的干涉现象测量此种运动．他特意设计制作了后人以他的名字命名的干涉仪，主要部件是半透明反射镜G和两块相互垂直的平面反射镜M1与M2，它们的相对方位如图8-1所示．干涉仪随地球绕太阳运动的速度大小记为v，略去地球自转的附加速度，且不考虑太阳相对以太系运动的影响．设某时刻干涉仪相对以太系的速度v恰好沿着图示的G到M1连线方向，光源S发出波长为λ的光波遇G后分成两束．一束射向M1，再反射回G，并经G反射到观察屏T；另一束射向M2，再反射回G，并经G透射到T，两光束在T处相互叠加．在以太系中这两条光路如图8-2所示，设这两光束从G出发后分别经t1，t2时间返回G．将G到M1和M2的距离分别记为l1和l2，则有

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