相对论演讲稿

列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家。爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的。他的科学业绩主要包括四个方面：早期对布朗运动的研究；狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论。1905年创建的狭义相对论和1916年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而1921年的诺贝尔物理学奖则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。爱因斯坦(A.Einstein)相对论给出了高速运动物体的力学规律，并从根本上改变了许多世纪以来所形成的有关时间、空间和运动的陈旧概念，建立了新的时空观，揭露了质量和能量的内在联系，开始了万有引力本质的探索。现在，相对论已经成为现代物理学以及现代工程技术不可缺少的理论基础。近代物理学相对论量子力学1900年—1930年揭示了微观世界的基本规律，使人们对自然界的认识产生了一个飞跃，为原子物理、固体物理和粒子物理学的发展奠定了理论基础。长度、时间、质量与参考系有关“同时”是相对的运动时钟变慢运动的尺变短质量与速度有关质量与能量不可分现代科学技术的两块理论基石“奇妙”的现象：建筑学馆第五章相对论基础Fundamentalsofrelativity力学相对性原理mechanicsrelativityprinciple经典力学时空观space-timeviewofclassicalmechanics狭义相对论的基本假设postulatesofspecialrelativity洛仑兹坐标变换Lorentzcoordinatetransformations同时的相对性relativityofsimultaneity狭义相对论的时空观space-timeviewofspecialrelativity相对论的动力学基础dynamicsfoundationofspecialrelativity一、力学相对性原理（伽利略Galileo相对性原理）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。§5.1力学相对性原理relativityprincipleofmechanics经典力学时空观space-timeviewofclassicalmechanics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。惯性系inertiasystem：牛顿定律成立的参考系，叫惯性参考系，简称惯性系。（循环定义？！）“一个远离其他一切物体，而且没有自转的物体是惯性参照系，一切相对于该物体做匀速直线运动的参照系也是惯性参照系。牛顿定律就是在这样的参照系中成立。”★你跳向船尾也不会比跳向船头来得远,虽然你跳在空中时,脚下的船底板向着你跳的反方向移动.★你把不论什么东西扔给你的同伴时,如果你的同伴在船头而你在船尾,你所用的力并不比你们两个站在相反位置时所用的力更大．★水滴将象先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾,虽然水滴在空中时,船已行驶了相当距离.只要运动是匀速的，你就无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是停着不动．伽利略实验yxZoS系二、伽利略变换(Galileantransformation)1、坐标系的建立'x'y'z'o'S系在两个惯性系中考察同一物理事件v设惯性系相对惯性系S以速度u作匀速直线运动s当时两坐标系的原点O与相重合。0tto2、实际观测t时刻在P点发生任一事件伽利略变换(Galileantransformation)ttzzyytvxxyxZoS系'x'y'z'o'S系vP(x,y,z,t)tzyx,,,ttzzyyvtxx逆变换正变换3、速度变换与加速度变换ttzzyyvtxxttzzyytvxxzzyyxxuuuuvuuzzyyxxuuuuvuuzzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaav两个都是惯性系，是恒量在两个不同的惯性系中aa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ma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在S系，点111,,zyx222,,zyx与点间的距离为：2/1212212212zzyyxxr2/1212212212zzyyxxr间的距离为：在系观测，点111,,zyx222,,zyx与点'S1212xxxx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在狭义相对论建立之前，科学家们普遍认为：时间和空间都是绝对的。可以脱离物质运动而存在，并且时间与空间没有任何联系。牛顿说：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流浙着，而且由于其本性，在均匀地、与任何其他外界事物无关地流浙着”；“绝对空间就其本质而言，是与任何外界事物无关、而且是永远相同和不动的。”——绝对时空观absolutespace-timeview显然，绝对时空观符合人们日常的经验和习惯。§5.2狭义相对论的基本原理postulateofspecialrelativity洛伦兹坐标变换Lorentzcoordinatetransformations不同惯性系中电磁规律是否相同?如果不同，则必然导致各惯性系不等价——应存在一个特殊的惯性系（以太），没找到！如果相同，则坐标变换后方程组的形式应保持不变。两种可能：伽利略变换是正确的，麦克斯韦方程组必予以修正麦克斯韦方程组是正确的，伽利略变换必予以修正一、伽利略变换的困难1)19世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c是常量。伽利略变换：以u速度运动光源发出的光速不再是c。2)Maxwell方程组对伽利略变换非协变——通过电磁实验可以找到“绝对参照系”,迈克耳逊-莫雷实验的“零”结果物理学界大为震惊:实验结果与伽利略变换乃至整个经典力学不相容。为了在绝对时空观的基础上统一说明这些实验结果，洛伦兹等人提出各种假设，但都没有成功。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，另辟蹊径，从一个全新的角度考虑所有问题，提出两个基本假设。二、爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设Einstein’stwobasicpostulatesofspecialrelativity1.狭义相对论的相对性原理在任何惯性系中，一切物理规律都相同，即具有相同的数学表达式。或：所有惯性系对于描述物理现象都是等价的。2.光速不变原理光在真空中的速度与发射体的运动状态无关，即在彼此作匀速直线运动的任一惯性系中，所测得的光在真空中沿各个方向的速率是相等的。无须寻找特殊的惯性系（也无法寻找）讨论1、Einstein的相对性原理是Newton理论的发展一切物理规律力学规律2、光速不变原理与伽利略的速度相加原理针锋相对，否定了伽利略坐标变换，动摇了绝对时空观和经典力学体系。观念上的变革牛顿力学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)时空观的革命3、尊重事实，实践是检验真理的标准光速不变是在实验基础上提出的，并不断被实验证实。牛顿力学定律是经过长期实践检验的，它应是新坐标变换式和新的力学规律在一定条件下的近似。4、创新就要勇于摒弃原有的东西三、洛仑兹变换Lorentztransformation爱因斯坦根据两个基本假设，建立了新的坐标变换公式——洛仑兹变换式洛伦兹为弥补经典理论的缺陷提出——但他不具有相对论思想——爱因斯坦是给予正确解释第一人。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)(1cvcvxttzzyycvvtxx逆变换正变换222)(1)(1cvcxvttzzyycvtvxx洛仑兹变换（Lorentztransformation）22211cvxttzzyyvtxx正变换逆变换22211cxvttzzyytvxx当vc时，=(v/c)0,可得：ttzzyyvtxx正变换逆变换ttzzyytvxx伽利略变换令:,则:cv例5-1在K系中观察到两个事件发生在空间同一地点，第二事件发生在第一事件以后2s，在另一相对K系运动的K`系中观察到第二事件是在第一事件事件3s之后发生的，求在K`系中这两个事件的空间间隔。解：22211cvxttzzyyvtxx正变换21vtxx21212121)()(ttvxxxx3522211xctxcvtt21212121)()(xxctttt21023cmcxx82121053120例5-2乙乘飞行器相对甲沿x轴作匀速直线运动。甲测得两个事件的时空坐标为x1=6104m，y1=z1=0，t1=210-4s；x2=12104m，y2=z2=0，t2=110-4s，，如果乙测得这两个事件同时发生于t`时刻，求：1乙对于甲的运动速度是多少？2乙所测得的两个事件的空间间隔是多少？乙所测得这两个事件的时间间隔是xcvtt2211212212121xxcvtttt解：1设乙对甲的运动速度为v，由洛仑兹变换乙x甲xv012tt22442441)1061012()102101(cvcv2cv2由洛仑兹变换vtxx211乙所测得的这两个事件的空间间隔:21212121ttvxxxxm41020.5,dtdxux,dtdyuydtdzuz,tdxdux,tdyduytdzduz22211cvxttvtxx),(112vdtdxxd),(1122dxcvdttddxcvdtvdtdxtdxdux2xxxucvvuu21系S系S设一质点P在空间的运动，由速度的定义，从S和系来看，其速度分别是：S§5.3相对论速度变换公式Velocitytransformofrelativity2211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu21同样可得洛仑兹速度变换式逆变换正变换2211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu212211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu21例5-3设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射