x4第四讲(相对论简介)

第四讲相对论简介generaltheoryofrelativity狭义相对论简介相对论包括两部分，一是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论（惯性系），另一是爱因斯坦在1915年创立的广义相对论（非惯性系），从根本上改变了牛顿力学中关于时间和空间的概念，建立了新的时空观。爱因斯坦生平简介1879年3月14日生于德国南部的小城乌尔姆。1896年10月，爱因斯坦考入苏黎世工业大学。1901年2月21日，爱因斯坦取得了瑞士国籍。爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人1905年，爱因斯坦先后在德国《物理学年鉴》发表了五篇论文。其中的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》是论述光电效应的。在《论运动物体的电动力学》中，爱因斯坦创立了令世人为之震惊的相对性理论，即狭义相对论。一、爱因斯坦的青少年时代1、1879年出生于德国的一个犹太人家庭，从小对几何学兴趣浓厚2、中学时代：表现平平3、大学时代：广泛阅读，培养了自学和独立思考的能力，对物理学兴趣与日俱增4、大学毕业：成为瑞士伯尔尼专利局的一名技术员5、划时代事件：利用业余时间研究物理学，获得革命性突破小时候的爱因斯坦。你能看出天才的影子吗?青年时期的爱因斯坦1879年3月14日出生在德国小城乌尔姆，他的父母都是犹太人。爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子。1888年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。就是这样一位光彩夺目的人物，在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉、想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的，而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”而所谓“和谐的人”，按照他的思路，就是既富有个性又有益于社会的人。爱因斯坦的上述基本教育思想，与我们所主张的尊重学生主体性、促进学生健康成长的素质教育思想是完全一致的。1905年，26岁的爱因斯坦尚未知名，小人物写出了大文章。爱因斯坦如果生长在当今中国，他的文章能否被认可，受重视，是值得怀疑的。我甚至怀疑刚三十岁出头的杨振宁先生，当年若不在普林斯顿大学，而在中关村原子能所就职，能否脱颖而出、名满天下，该打个大问号！年仅26岁的爱因斯坦，而且是一个瑞士专利局的职员，在大学里老师都不大看得起他，不愿意把他留下来做助教，他几次去请求，人家也不要他，他甚至于有几次几乎要失业了，几次在中学里面求职，最后在专利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作大概40多个小时。但尽管如此，这一年是他最辉煌的时期，因为他做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几项贡献。民国日报(1922年11月15日)载爱因斯坦到沪讯息一、爱因斯坦的青少年时代二、爱因斯坦的科学成就1、提出相对论1905年提出匀速运动体系的狭义相对论；1916年提出加速运动体系的广义相对论。主要内容(两个基本原理)相对性原理和光速不变原理如何理解相对论？2、光的量子论（获得诺贝尔奖）3、提出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。爱因斯坦与相对论关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释。光是怎样产生的？在空间如何传播？光是什么，是物质、振动、还是纯能？颜色是否为光必不可少？对于这许许多多的问题，科学已经作出了部分解释，但归根结底，这些问题尚未解答。不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，带来了物理学的两场革命，这就是相对论和量子论。为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，他们都是一些杰出的物理学大师，其中最为突出的是年轻的爱因斯坦。他对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革,提出了相对论学说。这一理论上的根本性突破，开辟了物理学的新纪元。狭义相对论基础主要内容：狭义相对论的基本假设相对论时空观洛仑兹变换式相对论性质量和动量相对论性能量相对论性力和加速度间关系在两个惯性系中考察同一物理事件一.伽利略变换设惯性系S和相对S运动的惯性系t时刻，物体到达P点*力学相对性原理和伽利略变换SProSuxoSyry正变换utxxyyzztt逆变换ttzzyytuxxSStzyxr,,,tzyxr,,,tzyxv,,,tzyxv,,,aaProSuxxoSyryoorr*速度变换与加速度变换zzyyxxvvvvuvvzzyyxxvvvvuvvzzyyxxaaaadtduaazzyyxxaaaatdduaazzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaa正逆两个都是惯性系u是恒量在两个惯性系中aa*牛顿的相对性原理SFmaFSma在牛顿力学中：力与参考系无关质量与运动无关amFamF宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同或牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变S2021012211vmvmvmvmS2021012211vmvmvmvm如：动量守恒定律三、经典力学时空观：长度和时间的测量与参照系无关，且相互独立、互不相关。*狭义相对论的基本假设一.伽利略变换的困难1)电磁场方程组不服从伽利略变换2)光速C迈克耳逊-莫雷的0结果3)高速运动的粒子英国物理学家开尔文*爱因斯坦的狭义相对论基本假设1.一切物理规律在任何惯性系中形式相同---相对性原理2.在任何惯性系中光在真空中的速度都相同——光速不变原理1）爱因斯坦的相对性理论是牛顿理论的发展讨论一切物理规律力学规律爱因斯坦2）光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对3）观念上的变革牛顿力学革命性时间标度长度标度质量的测量与参考系无关速度与参考系有关(相对性)狭义相对论力学长度时间质量与参考系有关光速不变(相对性)1狭义相对论的时空观一、同时的相对性由洛仑兹变换看同时性的相对性事件1事件2SS),(11tx),(11tx),(22tx),(22tx两事件同时发生21tt012ttt12ttt？在火车上BA、分别放置信号接收器0ttM发一光信号中点放置光信号发生器MSSuABM爱因斯坦火车SS地面参考系同时性的相对性--光速不变原理的直接结果，以爱因斯坦火车为例说明（同步钟）研究的问题两事件发生的时间间隔0tt发一光信号M事件1接收到闪光A事件2接收到闪光BSM发出的闪光光速为cMBMAAB同时接收到光信号SSuABM事件1、事件2同时发生0t:S?t:S?t事件1、事件2不同时发生事件1先发生M处闪光光速也为cS系中的观察者又如何看呢？BA随S运动迎着光AB比早接收到光0tSSuABM事件1接收到闪光A事件2接收到闪光B222121cuxcutttt0x若同时性的相对性0t已知xcut22222221cuxcutt2212111cuxcutt0在一个惯性系的不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系是不同时的。用洛仑兹变换式导出二.长度的相对性原长棒相对观察者静止时测得的它的长度（也称静长或固有长度）。0luSS棒静止在S'系中是静长0lS系测得棒的长度值是什么呢？长度测量的定义：对物体两端坐标的同时测量两端坐标之差就是物体长度动长（测量长度）事件1：测棒的左端事件2：测棒的右端1111,,txtx2222,,txtx120xxl12xxl0tSS221cutuxx由洛仑兹变换2201cull物体的长度沿运动方向收缩1、相对效应2201cull讨论Sou0lASo0lBSoBLALSouSS0lABoo)(a在S中的观察者在S'中的观察者2纵向效应3在低速下伽利略变换2201cullcu0ll在两参考系内测量的纵向（与运动方向垂直）的长度是一样的。火车钻洞假象实验。三、时间间隔的相对性在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔(同一只钟测量)，与另一系中，在两个地点的这两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。研究的问题是：固有时间一个物理过程用相对于它静止的惯性系上的标准时钟测量到的时间（原时）。用表示。一个物理过程用相对于它运动的惯性系上的标准时钟测量到的时间（两地时）。用t表示。观测时间afe0.弟弟.花开事件：花谢事件：Sxxxu),(1tx),(2txS处发生两个事件系xS12ttt（寿命）在S系中观察者测量花的寿命是多少？考察S中的一只钟0x两事件发生在同一地点t12ttt观测时间原时2222211cuxcuttcutuxx22221222212222121111cucuttcuxcutcuxcutttt原时最短，动钟变慢afe0.弟弟.SXxXuS在S系中观察者总觉得相对于自己运动的系的钟较自己的钟走得慢。Safe0.弟弟xuS.Sx结论：对本惯性系做相对运动的钟（或事物经历的过程）变慢。在系中观察者总觉得相对于自己运动的S系的钟较自己的钟走得慢。S双生子效应由因果律联系的两事件的时序是否会颠倒？四、时序与因果律时序:两个事件发生的时间顺序。在S'中：是否能发生先鸟死，后开枪？在S中：先开枪，后鸟死子弹前事件1：开枪),(11tx在S中：12tt后事件2：鸟死),(22tx2221111cucuxtt2222221cucuxtt221221212121)()(1)(cuttcxxutttt1212ttxxv子弹速度信号传递速度2221211cucuv)tt(012tt所以由因果率联系的两事件的时序不会颠倒。在S'系中：在S'系中：仍然是开枪在前，鸟死在后。狭义相对论时空观1、相对于观测者运动的惯性系沿运动方向的长度对观测者来说收缩了。2、相对于观测者运动的惯性系的时钟系统对观测者来说变慢了。3、长度收缩和时间膨胀