11 相对论1解析

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24日星期一第十四章相对论理学院物理系王强2020年2月24日星期一第十四章相对论爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家之一，1879年3月14日出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了6篇论文，在物理学3个领域作出了具有划时代意义的贡献—创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在3个不同领域做出了历史性的杰出贡献—建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。爱因斯坦获得1921年的诺贝尔物理学奖爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人二十世纪的哥白尼大学物理§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24日星期一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24日星期一第十四章相对论§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24日星期一第十四章相对论二、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24日星期一第十四章相对论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24日星期一第十四章相对论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24日星期一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24日星期一第十四章相对论四、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§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24日星期一第十四章相对论§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24日星期一第十四章相对论一、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。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.2、光速问题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.若光在S系中速度为c,则光在系中沿轴正方向的速度应为c–v;而沿轴负方向的速度应为c+v。SXX§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24日星期一第十四章相对论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。”§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24日星期一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24日星期一第十四章相对论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PrincipleofSpecialRelativityandLorentzTransformation理学院物理系王强2020年2月24日星期一第十四章相对论l=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度AB理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约。实际持续时间约为22个月,这怎么解释?年25ABttt§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24日星期一第十四章相对论3、迈克耳孙-莫雷实验TheMichelson-MorleyExperimentS1M2M'1M1G2Gv著名的否定性实验（1881～1887）,动摇了经典物理学的基础。时间差的改变将导致干涉仪干涉条纹的移动.但观察的结果却出乎意料，观察不到预期值，多次改进实验仍是如此.实验得到的结果困扰了当时的科学界.S1M2M'1M1G2Gv§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24日星期一第十四章相对论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．近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,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.§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24日星期一第十四章相对论二、狭义相对论的两个基本原理（**重点**）1、相对性原理RelativityPrinciple在所有惯性系中，一切物理定律的表示都是完全相同的，即具有完全相同的数学表达式，即在研究物理规律时，一切惯性系是等价的.2、光速不变原理PrincipleofConstancyofLightVelocity在所有惯性系中，真空中光沿各方向传播速率都等于一个恒量C,与光源和观察者的速度无关1905年26岁的爱因斯坦，不固守传统的时空观和经典力学的观念，在对实验结果和前人工作进行仔细分析和研究的基础上，从一个全新的角度考虑所有问题，提出了(《论动体的电动力学》)狭义相对论的两个基本假设：§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24日星期一第十四章相对论三、洛伦兹变换LorentzTransformation(重点)某事件在S系中的时空坐标为:（x,y,z,t)同一事件在系中的时空坐标为:tzyx,,,SyxZoS系'x'y'z'o'S系vP(x,y,z,t)tzyx,,,当时两坐标系的原点O与相重合0tto§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24日星期一第十四章相对论三、洛伦兹变换某事件在S系中的时空坐标为（x,y,z,t)同一事件在系中的时空坐标为tzyx,,,SyxZoS系'x'y'z'o'S系vP(x,y,z,t)tzyx,,,当时两坐标系的原点O与相重合0tto222)(1)(1ccxttzzyyctxxvvvv正变换逆变换222)(1)(1ccxttzzyyctxxvvvv洛仑兹变换§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24日星期一第十四章相对论令:,则:cv222)(1)(1ccxttzzyyctxxvvvv222)(1)(1c