第二十章狭义相对论课件.ppt
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- 第二十 狭义相对论 课件
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1、1895年年(16岁岁):追光假想实验:追光假想实验(如果我以速如果我以速度度c追随一条光线运动,那么我就应当看到,追随一条光线运动,那么我就应当看到,这样一条光线就好象在空间里振荡着而停这样一条光线就好象在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验,滞不前的电磁场。可是无论是依据经验,还是按照麦克斯韦方程,看来都不会有这还是按照麦克斯韦方程,看来都不会有这样的事情。从一开始,在我直觉地看来就样的事情。从一开始,在我直觉地看来就很清楚,从这样一个观察者来判断,一切很清楚,从这样一个观察者来判断,一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照
2、同样一些定律进行。所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年:英国年:英国杂志推出的千年刊评选有史杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家:以来最杰出的十位物理学家:1.爱因斯坦爱因斯坦(美籍德国人,美籍德国人,19211921*),2.2.牛顿牛顿(英国英国),3.3.麦麦克斯韦克斯韦(英国英国),4.),4.玻尔玻尔(丹麦,丹麦,1922)1922),5.5.海森伯海森伯(德国,德国,1932)1932),6.6.伽利略伽利略(意大利意大利),7.7.费因曼费因曼(美国,美国,1965),8.1965),8.狄拉克狄拉克(英国,英国,1933)1933),9.9.薛定谔薛定谔(
3、奥地利,奥地利,1933),10.1933),10.卢卢瑟福瑟福(新西兰新西兰)xxtt 牛顿的绝牛顿的绝对时空观对时空观相对不同的参照系,长度和时间相对不同的参照系,长度和时间的测量结果都一样吗?的测量结果都一样吗?如何区别如何区别“普通时间普通时间”与绝对时间与绝对时间?如何从诸多的惯性系中找到?如何从诸多的惯性系中找到“绝绝对参照系对参照系”?绝对时空不能观测,也不能用任何实绝对时空不能观测,也不能用任何实验证明。但是,它在理解牛顿定律中验证明。但是,它在理解牛顿定律中所起的巨大作用,迫使牛顿引进这一所起的巨大作用,迫使牛顿引进这一概念。概念。一样!一样!人类无能为力,人类无能为力,只有
4、上帝知道!只有上帝知道!第二十章第二十章 狭义相对论狭义相对论201伽利略变换和力学相对性原理伽利略变换和力学相对性原理一、伽利略坐标变换式和绝对时空观一、伽利略坐标变换式和绝对时空观用空间坐标(用空间坐标(x、y、z)和时间坐标)和时间坐标t描述事件。描述事件。Z()X XYOSv(,)(,)P x y z tx y z t YSOZxxvt令两系原点令两系原点O和和O重合时为记时起点,重合时为记时起点,t=t=0则有:则有:xxvtyyzztt xxvtyyzztt伽利略坐伽利略坐标正变换标正变换伽利略坐伽利略坐标逆变换标逆变换隐含牛顿力学的绝对时空观:隐含牛顿力学的绝对时空观:空间独立存
5、在、永恒不变、绝对静止的;空间独立存在、永恒不变、绝对静止的;时间与物质运动无关,在永恒、均匀地流逝。时间与物质运动无关,在永恒、均匀地流逝。二、伽利略速度变换公式二、伽利略速度变换公式 xxyyzzuuvuuuu dxdxvdtdtdydydtdtdzdzdtdt伽利略速度伽利略速度变换公式变换公式以以 和和 分别表示同一质点分别表示同一质点P在在S系和系和S系中的速度,系中的速度,则:则:uu三、力学相对性原理三、力学相对性原理 xxyyzzdududtdtdududtdtdududtdt xxyyzzaaaaaa aaFFmm力学相对性原理(或伽利略相对性原理):力学相对性原理(或伽利略
6、相对性原理):对于不同的惯性系,牛顿定律和其他基本规律的形式都对于不同的惯性系,牛顿定律和其他基本规律的形式都相同。相同。202狭义相对论的基本假设与洛仑兹变换狭义相对论的基本假设与洛仑兹变换1、以太风实验的零结果、以太风实验的零结果麦克斯韦电磁理论与经典力学有若干不一致的地方。麦克斯韦电磁理论与经典力学有若干不一致的地方。19世纪末电磁学有了很大发展世纪末电磁学有了很大发展 1865年麦克斯韦年麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组总结出电磁场方程组;预言了电磁波的存在预言了电磁波的存在,并指出其速率各向均为并指出其速率各向均为c(真空中真空中)(与参考系无关与参考系无关);1888年
7、赫兹年赫兹(Hertz)在实验上证实了电磁波的存在实验上证实了电磁波的存在。在。这显然和伽利略变换矛盾这显然和伽利略变换矛盾,按伽利略变换按伽利略变换,光速光速在一个参考系中若是在一个参考系中若是c,在另一参考系中必不是在另一参考系中必不是c。一、一、迈克尔逊莫雷实验历史迈克尔逊莫雷实验历史没有质量;没有质量;完全透明;完全透明;对运动物体没有阻力;对运动物体没有阻力;非常刚性。非常刚性。爱因斯坦认为:这些困难是由于绝对空间和爱因斯坦认为:这些困难是由于绝对空间和绝对时间的概念引起的。绝对时间的概念引起的。为不和伽利略变换矛盾为不和伽利略变换矛盾,人们假设人们假设:宇宙中充满了叫宇宙中充满了叫
8、“以太以太 (ether)”(ether)”的物质的物质,电磁波靠电磁波靠“以太以太”传播。把以传播。把以太选作绝对静止的参考系太选作绝对静止的参考系;电磁场方程组只在电磁场方程组只在“以太以太”参考系成立参考系成立;电磁波在电磁波在“以太以太”参考系中速率各向为参考系中速率各向为c c。按伽利略变换按伽利略变换,电磁波相对于其他参考系电磁波相对于其他参考系(如地球如地球)速率就速率就不会各向均匀不会各向均匀,而和此参考系相对于而和此参考系相对于“以太以太”的速度有关。的速度有关。若此若此,如在地球上测光速如在地球上测光速,可能可能 c或或 c,同时可以测出,同时可以测出地球相对于以太的速度地
9、球相对于以太的速度 v寻找寻找“以太风以太风”的热潮的热潮2.蟹状星云蟹状星云 蟹状星云到地球的距离大约蟹状星云到地球的距离大约5千千光年光年,而爆发中抛射物的速度而爆发中抛射物的速度V大约是大约是1500Km/s,按伽利略变换按伽利略变换,地球上可地球上可持续持续25年能看到超星星爆发时所发出年能看到超星星爆发时所发出的强光的强光.实际上实际上:还不到两年还不到两年.3.高速运动的粒子的质量高速运动的粒子的质量随速度增加而增加随速度增加而增加 1901年考夫曼在确定镭发出年考夫曼在确定镭发出的的 射线射线(高速运动的电子束高速运动的电子束)荷荷质比质比e/m的实验中首先发现:的实验中首先发现
10、:电子的荷质比与速度有关。电子的荷质比与速度有关。为更多的人用越来越精密为更多的人用越来越精密的测量不断地重复的测量不断地重复 爱因斯坦爱因斯坦(Einstein)经过经过10年的年的沉思沉思,于于1905年发表了年发表了 论动体的论动体的电动力学作出了对整个物理学都电动力学作出了对整个物理学都有变革意义的回答。有变革意义的回答。美国物理学家。美国物理学家。1852 年年12月月19日,日,1837年毕业于美国海军学院,曾任芝加年毕业于美国海军学院,曾任芝加哥大学教授,美国科学促进协会主席、哥大学教授,美国科学促进协会主席、美国科学院院长;还被选为法国科学院美国科学院院长;还被选为法国科学院院
11、士和伦敦皇家学会会员,院士和伦敦皇家学会会员,1931年年5月月9日在帕萨迪纳逝世。日在帕萨迪纳逝世。迈克耳逊主要从事迈克耳逊主要从事光学和光谱学光学和光谱学方方面的研究,以毕生精力从事光速的精密面的研究,以毕生精力从事光速的精密测量。测量。1887年他与莫雷合作,进行了著名年他与莫雷合作,进行了著名的迈克耳孙的迈克耳孙-莫雷实验,这是一个最重大莫雷实验,这是一个最重大的否定性实验,它动摇了经典物理学的的否定性实验,它动摇了经典物理学的基础。基础。迈克尔逊在光谱研究和气象学方面迈克尔逊在光谱研究和气象学方面所取得的出色成果,使他获得了所取得的出色成果,使他获得了1907年年的诺贝尔物理学奖金。
12、的诺贝尔物理学奖金。二、迈克尔逊莫雷实验二、迈克尔逊莫雷实验1、实验目的:测量运动参考系(主要是地球)相对以太、实验目的:测量运动参考系(主要是地球)相对以太的速度。的速度。2、实验装置:、实验装置:迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪3、实验原理:、实验原理:地球定沿地球定沿GM1方向运动。若伽方向运动。若伽利略变换成立,光沿利略变换成立,光沿GM1速度速度为为c-v,光沿,光沿M1G,速度,速度c+v,光,光从从G-M1-G所需时间为所需时间为12221/llltcvcvcvcuc cuc cu22cuGM1M2v光沿光沿GM2的速度和光沿的速度和光沿M2G的速度的速度光从光从G-M2-G所需时间
13、为所需时间为1/222cv光沿光沿GM2光沿光沿M2G21/21/22222221/lltcvcvcG点发出的两束光到达望远镜的时间差点发出的两束光到达望远镜的时间差121/22222222222221/1/2 11 2lltttcvccvclvvl vvcccccc GM1M2v光程差光程差22/c tlvc 仪器旋转仪器旋转900,前后两次光程变化,前后两次光程变化2 ,干涉条纹移动,干涉条纹移动2222lvNc 4、实验结果:、实验结果:零结果零结果在不同季节,不同地理条件下做实验,没有观察到条在不同季节,不同地理条件下做实验,没有观察到条纹的移动。实验表明:纹的移动。实验表明:相对以太
14、的绝对运动是不存在的,以太不能作为绝相对以太的绝对运动是不存在的,以太不能作为绝对参考系,以太假设不能采用;对参考系,以太假设不能采用;地球上沿各个方向的光速都是相等的。地球上沿各个方向的光速都是相等的。迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支柱。要实验支柱。三、狭义相对论的基本假设三、狭义相对论的基本假设相对性原理:在彼此作匀速直线运动的一切惯性参考系相对性原理:在彼此作匀速直线运动的一切惯性参考系中,物理定律是相同的。(爱因斯坦相对性原理)中,物理定律是相同的。(爱因斯坦相对性原理)说明:相对性原理不仅适用于力学现象,而且适用于一说明:相
15、对性原理不仅适用于力学现象,而且适用于一切物理现象。切物理现象。光速不变原理:在彼此作匀速直线运动的一切惯性参光速不变原理:在彼此作匀速直线运动的一切惯性参考系中,光在真空中的速率都相等。考系中,光在真空中的速率都相等。说明:在真空中光的速度和频率与发射体的运动无关,光说明:在真空中光的速度和频率与发射体的运动无关,光沿各个方向传播的速率都相同。沿各个方向传播的速率都相同。四、洛仑兹坐标变换公式四、洛仑兹坐标变换公式变换需满足:变换需满足:(1)满足相对性原理和光速不变原理这两个基本假设)满足相对性原理和光速不变原理这两个基本假设(2)当两惯性系的相对速度远小于真空中的光速时,变)当两惯性系的
16、相对速度远小于真空中的光速时,变换关系应过渡为伽利略变换。换关系应过渡为伽利略变换。Z()X XYOSv(,)(,)P x y z tx y z t YSOZ()xxvt ()xxv t 由于一组由于一组 与一组与一组 相对应,作合理猜测:相对应,作合理猜测:(,)x t(,)x t,x t为比例系数,与为比例系数,与 无关。无关。逆变换为:逆变换为:yoxzKvYOXZK.xxyoxzKYOXK.t t由光速不变原理:由光速不变原理:ctx ctx ()()ctctvtcv t()()ctctvtcv t2222()c ttcv tt两式相乘:两式相乘:因此,因此,211vc21xvtxvc
17、 221vtxctvc 21xvtxvc22211xvtxvcyyzzvxtctvc 22211xvtxvcyyzzvxtctvc 洛仑兹正变换(洛仑兹正变换(S变到变到S)洛仑兹逆变换(洛仑兹逆变换(S变到变到S)()ttxc()xxctyy zz()ttxc()xxct yy zz cv/令:令:;112说明:说明:1、洛仑兹变换代表任何一个物理事件在两个彼此作匀速、洛仑兹变换代表任何一个物理事件在两个彼此作匀速 直线运动的惯性参考系中空间坐标、时间坐标的变换直线运动的惯性参考系中空间坐标、时间坐标的变换 关系。关系。2、运用此变换处理问题时,应注意两组时空坐标是否代、运用此变换处理问题时
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