大学物理第14章 相对论

BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论人们发现牛顿力学在这些领域不再适用！如原子、电子空间尺度m1010光、电磁波及粒子衰变sm1038运动速度牛顿的经典力学理论形成于十七世纪，对科技的发展起了巨大的推动作用。进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观和高速领域。BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论两朵乌云经典物理无法解释“迈克耳逊莫雷”实验经典物理无法解释黑体辐射的“紫外灾难”（1）为寻找解释“迈克耳逊莫雷”实验的方法催生了《狭义相对论》（2）为寻找解释“紫外灾难”的方法催生了《量子力学》《相对论》与《量子力学》是现代物理学的两大支柱物理学的发展要求对牛顿力学以及某些基本观念作出根本性的变革！物理学需要一场革命！相对论和量子力学就是从经典物理向近代物理变革的标志BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论质点力学刚体力学牛顿力学（经典力学）矛盾麦克斯韦电磁理论电磁波在真空中的速度（即光速）迈克耳逊-莫雷实验否定了以太的存在爱因斯坦提出了狭义相对论BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论第十四章狭义相对论BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论作业12468111213BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论20世纪最伟大的物理学家之一，先后创立狭义和广义相对论，1905年提出了光量子假设，1921年获得诺贝尔物理学奖，还在量子理论方面有重要贡献。爱因斯坦（1879─1955）1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为世纪伟人！BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论在介绍相对论之前，首先需要思考两个问题对于不同的参照系，力学定律的形式是一样的吗？第二个问题运动是物体位置随时间的变化，对运动规律描述都离不开长度和时间的测量。对于不同的参照系长度和时间的测量是一样的吗？两个问题看似简单，但它们是构筑力学大厦的基础牛顿经典力学是如何回答的？在牛顿经典力学里，描述物体的力学规律，首先必须选择参照系，经典理论只有在选定的参照系才有意义。第一个问题BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论本节主要内容§14-1伽利略相对性原理经典力学的时空观1伽利略变换2相对性原理3经典力学的时空观BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论两组时空坐标之间的关系称为坐标变换变换(坐标变换)：实验室参考系运动参考系SS寻找客观事件在两个参考系中相应的坐标值之间的关系变换BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论当时，0ttoo与重合一、伽利略变换xx'yy'voo'zz's'),,(zyxPvt)(x',y',z's空间坐标时间坐标伽利略坐标变换式SSvtxxyyzztt物理意义：伽利略变换是绝对时空观的直接反映。按经典时空观，时间和空间的测量彼此无关，与观测者运动状态无关。时空是绝对的。tvxxyyzztt逆变换正变换BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论伽利略加速度变换公式zzaayyaaxxaaamFamFaa对所有的惯性系，牛顿力学的规律具有相同的形式。——经典力学的相对性原理伽利略速度变换公式vuuxxyyuuzzuu对于不同的参照系，力学定律的形式是一样vtxxyyzzttBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论据伽利略变换，可得到经典时空观（1）同时的绝对性在同一参照系中，两个事件同时发生21tt据伽利略变换，在另一参照系中，11tt在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。同时的绝对性。二、经典力学时空观22tt21ttBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论（2）时间间隔的测量是绝对的在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为12ttt在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。时间间隔的绝对性。据伽利略变换，在另一参照系中，tt12ttt（3）长度测量的绝对性1x2xYX当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但必须同时测量。静止系中可不同时测t12ttBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论运动系中同时测运动系中不同时测静止系中，杆的长度为12xxl运动系中，杆的长度为12xxl据伽利略变换utxx11utxx2212xxl长度测量是绝对的。1x2xYXu1x2xYXu12xxlBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论经典力学时空观同时的绝对性。时间间隔的绝对性。长度测量是绝对的。结论：建立在伽利略变换基础上的绝对时空观和相对性原理回答了上面提出的两个问题。对于不同的参照系，力学定律的形式是一样对于不同的参照系长度和时间的测量是一样BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论实践已证明：牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的。注意喽！电磁规律不符合相对性原理！例如相对性原理有适用范围和条件走，带你去看看BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论m/s10998.21800cvccxxyyvoozzssc对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？真空中的光速对于两个不同的惯性参考系按伽利略变换光速??BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论cdt121ttvcdt2试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波到达观察者所需要的时间(根据伽利略变换)结果：观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球球投出后球投出前dvcvcvccBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元1054年~1056年均能用肉眼观察。特别是开始的23天，白天也能看见。km/s1500v物质飞散速度l=5000光年cvcAB当一颗恒星在发生超新星爆发时，它的外围物质向四面八方飞散，即有些抛射物向着地球运动，现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问。BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论实际持续时间约为22个月,这怎么解释?年25ABttt理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约vcltAA点光线到达地球所需时间cltBB点光线到达地球所需时间km/s1500v物质飞散速度l=5000光年cvcABBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论事实是电磁规律(麦克斯韦方程)不符合相对性原理？原因？vc'c按牛顿力学，对两个不同的惯性系，光速应该满足伽利略变换(光速与发光物体速度有关)m/s10998.21800c按照电磁理论，光速c是常量(与参考系无关)伽利略变换必须进行修正1、电磁场理论不对？2、建立在伽利略变换基础上的相对性原理有缺陷？BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论本节主要内容§14-2洛仑兹变换1狭义相对论两个基本原理2洛仑兹变换BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论2、光速不变原理：在所有惯性系中，光沿各方向的传播速度都是相等的，光速恒等于c。1、狭义相对性原理：物理定律在一切惯性系中都具有相同的数学表达形式。光速不变原理与伽利略变换是矛盾的，必须建立新的变换关系爱因斯坦提出两个假设一、狭义相对论基本原理问题：用何变换可以保证电磁理论的不变性呢？洛仑兹变换式BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论某一事件P在两惯性系中的时空坐标的关系为：二、洛仑兹变换z'z'yx'xyvo'o'ss)',',','(tzyx),,,(tzyxP从爱因斯坦两条基本原理出发，可导出洛仑兹坐标变换公式。2)/(1'cvvtxxyy'zz'22)/(1/'cvcvxtt2)/(1''cvvtxx'yy'zz22)/(1/''cvcvxtt正变换逆变换BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论洛仑兹坐标变换公式2)/(1cv1cv若cv0vtxx'yy'zz'tt'伽利略变换2)/(1'cvvtxxyy'zz'22)/(1/'cvcvxtt洛伦兹变换伽利略变换是洛伦兹变换在低速下的近似讨论BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论z'z'yx'xyvo'o'ss)',',','(tzyx),,,(tzyxP21'vtxxyy'zz'221/'cvxtt21''vtxx'yy'zz221/''cvxtt正变换逆变换令：cvBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论''2xcutt)''(tuxx'yy'zz2211cu则令正变换逆变换)('tuxxyy'zz'xcutt2'BeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论12xx22221)(cvvtxx22111)(cvvtx2212121cvttvxx221cvtvx2)/(1'cvvtxxBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论'1'2tttΔ221122221/1/cvcvxtcvcvxt221vvΔxcvΔt2122121vvxxcvtt22)/(1/'cvcvxttBeijingInformationScience&TechnologyUniversity第十四章相对论22/1/1cv)/1('2cvuuuxzz)/1('2cvuuuxyy2/1'cvuvuuxxx2/'1'