11 相对论2

大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论第十四章相对论TheoryofRelativity§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观§14-2迈克耳孙-莫雷实验§14-3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式§14-4狭义相对论的时空观§14-5光的多普勒效应§14-6相对论性动量和能量重点大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论§4-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation一、力学的相对性原理一样！绝对时空这是牛顿天才的一个标志相对不同的参照系，长度和时间的测量结果都一样吗？Newton1642—1727Einstein1879—1955大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论§4-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation一、力学的相对性原理GalileoGalilei1564—1642不能区分船是静止还是匀速直线运动在一切惯性系中力学规律相同伽利略封闭船舱里的力学实验大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论§4-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯性系是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确切知道某一惯性系本身是否“绝对静止”，则用任何力学实验都不可能办到。-----------力学的相对性原理力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有惯性系都是等价的。一、力学的相对性原理大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论二、伽利略变换GalileanTransformation1、坐标系的建立在两个惯性系中考察同一物理事件S系惯性系)(Oxyz是S'系相对S系运动的速度v)(O'x'y'z''S系惯性系yxZoS系'x'y'z'o'S系v当时两坐标系的原点O与相重合。0tto大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论2、实际观测t时刻在P点发生任一事件伽利略变换ttzzyytxxvyxZoS系'x'y'z'o'S系vP(x,y,z,t)tzyx,,,ttzzyytxxv逆变换正变换S系:(x,y,z,t)tzyxS,,,系：大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论3、速度变换与加速度变换ttzzyytxxvttzzyytxxvzzyyxxuuuuuuvzzyyxxuuuuuuvzzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaav两个都是惯性系，是恒量在两个不同的惯性系中aa大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论自不同的惯性系，所观测到的同一质点运动的加速度是相同的，即物体的加速度具有伽利略变换下的不变性。三、牛顿定律具有伽利略变换不变性S惯性系,F,m,aS惯性系,F,m,aamFamFFFmm牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能守恒定律等）在伽利略变换下形式不变。结论：在牛顿力学中质量与运动无关力与参考系无关大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论四、经典力学的时空观1、事件所经历的时间与参照系的选择无关,,2211tttt1212,tttttttt无论从哪个惯性系进行观测事件所经历的时间间隔都相同2、空间两点间的距离与参照系的选择无关1212xxxx1212yyyy1212zzzzrr无论从哪个惯性系进行观测两点间的距离都相同3、经典力学的绝对时空观时间具有绝对性，空间具有绝对性，时间和空间是彼此分离不相关的大学物理§14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观GalileanTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论“宇宙系统的中心是不动的”；…“绝对空间是这样的，按照其本身的性质与无论什么样的其他任何事物无关，永远保持静止…”；“绝对时间是这样的，按其本身的性质与别的任何事物无关，平静地流逝着。”---牛顿《自然哲学之数学原理》§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论§14-2迈克耳孙-莫雷实验TheMichelson-MorleyExperiment§14-3狭义相对论的基本原理PrincipleofSpecialRelativity洛伦兹变换式LorentzTransformation§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论一、矛盾与机遇1865年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论。在1999年，英国广播公司（BBC）所评选出的1000年来最伟大的10位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名第九。后由英国杂志《物理世界》在100位著名物理学家中选出的10位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。麦克斯韦JamesClerkMaxwell1831--1879§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论一、矛盾与机遇麦克斯韦方程组（Maxwellequations）SdtBldESl0qSdDS0SdBSSlStDIldHd0§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论一、矛盾与机遇1、麦克斯韦方程组不具备伽利略变换不变性a)若伽利略变换正确，麦克斯韦方程组就必须修正;b)若麦克斯韦方程组正确，则伽利略变换就必须修正.以太理论的提出人们在研究机械波（例如声波）的传播过程，发现机械波的传播必须有弹性媒质。当时的物理学家认为可以用这个框架来解释一切波动现象。19世纪中期，麦克斯韦建立的电磁场理论，指出光是电磁波，并提出光是在以太中传播的假说。麦克斯韦方程组在伽利略变换下，对不同的惯性系具有不同的形式。§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论一、矛盾与机遇1、麦克斯韦方程组不具备伽利略变换不变性a)若伽利略变换正确，麦克斯韦方程组就必须修正;b)若麦克斯韦方程组正确，则伽利略变换就必须修正.以太理论的提出麦克斯韦方程组在伽利略变换下，对不同的惯性系具有不同的形式。以太假说的主要内容是：以太是传播包括光波在内的电磁波的弹性媒质，它充満整个宇宙空间。以太中带电粒子振动会引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播，这就是电磁波。并且认为以太就是人们一直在寻找的绝对静止参考系，只有在这个参考系中光速才是与方向无关的恒量。§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论一、矛盾与机遇2、光速问题狭义相对论建立以前，人们认为任何速度的叠加都满足伽里略变换。但在光速领域里却碰到了困难。以太就是绝对空间。以太中电磁波沿各方向传播的速度都等于恒量c。但在相对以太运动的惯性系中，按伽利略变换，电磁波沿各方向传播的速度并不等于恒量c，如下图中相对于光源运动的小车上所测得的光速。ucvucvuu由于地球自西向东转，因此无论如何，光相对于地球的传播速度不会是向各方向都相同的.§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论因果关系§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论1731年，英国的一位天文爱好者比维斯发现:星云的形状有点像螃蟹被取名为蟹状星云(CrabNebula)1920年，推算其膨胀开始时刻应在860年前—公元1060年左右。《宋会要》记载：“嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”10561054§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论《宋史·仁宗本纪》“（嘉佑元年三月）辛未，司天监言:自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没。”§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论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.l=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度AB§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月20日星期四第十四章相对论vcltAA点光线到达地球所需时间B点光线到达地球所需时间cltBl=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度AB§14-2,3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式PrincipleofSpecial