2019年大学物理学(下册)第14章 狭义相对论.ppt
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1、第14章 狭义相对论基础,第五次索尔维会议与会者合影(1927年),N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等,本 章 内 容,14.1 经典力学的相对性和伽利略变换,14.2 狭义相对论基本原理和洛伦兹变换,14.3 相对论的时空观,14.4 相对论的动力学基础,“19世纪末,在已经基本建成的物理学科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”开尔文,“但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云” 开尔文,热辐射 实验,迈克尔逊- 莫雷实验,这两朵
2、乌云到底是什么回事儿?,14. 1 经典力学的相对性原理 伽利略变换,力学现象对一切惯性系来说,都遵从同样的规律;或者说 ,在研究力学规律时,一切惯性系都是等价的。,无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。,14.1.2 伽利略变换,14.1.1 力学的相对性原理,惯性系S,惯性系S,惯性系S相对 S 沿 X 方向以匀速 运动. 相对性原理告诉我们:,重合时,14.1.2.1 伽利略坐标变换,正变换,逆变换,设空间P点发生一个物理事件,其时空坐标为:,两个参考系中相应的坐标之间的关系,14.1.2.2 伽利略速度、加速度变换,正变换,逆变换,相对速度,是恒量,同一个运动在两个惯性系中:
3、,在经典力学中,因质量与物体的运动速度无关故有,即宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式均相同 力学的相对性原理,14.1.3 经典力学的时空观,(1) 长度是绝对的,与运动无关,用牛顿的话来说:“绝对空间,就其本性而言,与外界任何事物无关,永远是相同的和不动的”,(2) 时间间隔是绝对的, 与运动无关,由伽利略变换中对时间有,这表明: 经典力学认为时间间隔的测量和运动无关,是一个不变量,也即在这里同时性是绝对的。,用牛顿的话来说:“绝对的真实的数学时间,就其本质而言,是永远均匀地流逝着,与任何外界事物无关”,所以,在经典力学看来:,时间、长度、质量、力等 “同时性”和力学定律的形式,均是绝
4、对的,当时,人们对牛顿定律可以说达到了顶礼膜拜、乃至迷信的程度。 德国著名的物理学家普朗克曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了”,17世纪,笛卡尔首次将以太引入科学,作为传播光的媒质。惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。,14.1.4 迈克耳逊 - 莫雷实验,迈克耳逊 莫雷实验零的结果,说明了“以太”本身不存在,也即绝对静止的参考系是不存在的。,爱因斯坦曾这样评价迈克尔孙莫雷实验:“还在学生时代,我就在想这个问题了。
5、我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出结论:如果我们承认迈克耳孙的”零结果”是事实,那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法”,迈克耳逊 - 莫雷实验的评价,以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验。但结论却没有任何变化 迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说: “爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。,20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假
6、设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 .,Albert Einstein ( 1879 1955 ),14.2 狭义相对论的相对性原理 伽利略变换,14.2.1 狭义相对论的两条基本原理,1)相对性原理-一切彼此相对作匀速直线运动 的惯性系,对于描写运动的一切规律都是等价的。,原理1)实际上是伽利略力学相对性原理的推广,它不仅包含力学现象,而且包括一切其它的物理现象。,2)光速不变原理-真空中的光速相对任何惯性系,沿任意方向恒为C,且与光源的运动无关。,原理2)即光速不随观察者的运动而变化,光速不随光源的运动而变化 ,任何惯性系去测量光速都是C。,有
7、一速度为u的宇宙飞船沿x轴正方向飞行,飞船头尾各有一个脉冲光源在工作,处于船尾的观察者测的船头光源发出的光脉冲的传播速度大小为-;处于船头的观察者测的船尾光源发出的光脉冲的传播速度大小为-。,例,狭义相对论确认,时间和空间的测量值都是- ,它们与观察者的-密切相关.,(a) 狭义相对论的相对性原理 是 Newton力学相对性原理的发展或推广;,(b) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对,(c) 两者在观念上的变革,一切物 理学规律,力学规律,讨论,那么,对应狭义相对论的坐标变换又是什么呢?,14.2.2 洛伦兹变换,14.2.2.1 洛伦兹坐标变换,重合,如图所示,P点发生一物理事件,
8、其时空坐标为,两个参考系中相应的坐标之间的关系即为洛伦兹坐标变换,下面给出洛伦兹坐标变换,正变换,逆变换,说明与讨论,1 此变换将时间、空间和物质的运动密切联系起来,2 低速时,此变换与伽氏变换相一致,3 真空中的光速是一切物体运动速度的极限;,4 当 时,上式即退变为伽利略坐标变换式;,5 在洛仑兹速度变换下,光速不变;,6 洛仑兹变换是相对性原理的具体表达形式;,7 与 成线性关系,但比例系数,8 时空密不可分,不在独立。,14.2.2.2 洛伦兹速度变换,正 变 换,逆 变 换,说明与讨论:,1 物体运动的速度因观测者(惯性系)的运动而不同.,2 当 时,相对论下的速度变换又退回到了伽利
9、略变换,3 在惯性系的相对运动方向上速度分量不仅会改变,而且在垂直于相对运动的方向上,速度分量也会改变这与伽利略变换不同,14.3 狭义相对论的观察效应,14.3.1 同时性的相对性,在某个惯性系中观测到不同地的两事件是同时发生的,而在另一惯性系观测却未必是同时发生,即同时性是相对的,如图,由于在惯性系中光速沿任意方向的运动速度均为c,故对站在车厢中部的观察者看来,光同时到达车厢A和B两端,同时性的相对性可由洛仑兹变换式求得,假设S系的观察者发现空间两事件P1和P2同时发生,即有,由洛仑磁变换得:,讨论,如果 则 ,即在S系观测到不同地点同时发生的两事件,在S系观测却不同时发生同理,在S系观测
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