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1、同学们好,第2页 共39页,结构框图,第三篇 相对论和时空,第3页 共39页,前言：相对论产生的历史背景和理性基础,经典物理：伽利略时期 19世纪末 经过300年发展，达到全盛的“黄金时代”,形成三大理论体系 机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典 力学 电磁运动: 以麦克斯韦方程为基础的电动力学 热运动: 以热力学三定律为基础的宏观理论以分子运 动、统计物理描述的微观理论,在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。 开尔芬(1899年除夕) 理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都已经解出，青年人不值得
2、选择一种将来不会有任何发展的事去做。 约利致普朗克的信,第4页 共39页,两朵乌云： 迈克尔孙 莫雷实验的“零结果” 黑体辐射的“紫外灾难”,三大发现：,电子：1894年，英国，汤姆孙 因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖 X射线：1895年，德国，伦琴 1901年获第一个诺贝尔物理奖 放射性：1896年，法国，贝克勒尔发现铀，居里夫妇 发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理奖,物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。 新理论：相对论、量子力学，深刻影响现代科技和人类生活。,暴风骤雨 20世纪物理学危机 物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。 列宁,第5页 共39页,相对论并不
3、神秘 摆脱日常生活经验的束缚，进行理性思维。,相对论的理性基础：对称性思想, 即物理规律不因人 （参考系）而异，参考系变换应 该是物理定律的对称操作。,一切惯性系对物理定律等价 狭义相对论 惯性系和非惯性系对物理定律等价 广义相对论,第6页 共39页,第一节 力学相对性原理 伽利略变换,一、力学相对性原理 力学定律在一切惯性系中数学形式不变。,第六章 狭义相对论,第7页 共39页,伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述,第8页 共39页,二、伽利略变换,S系和S系坐标轴相互平行, 且S系相对于S系沿 +x 方向以速率u运动，,当 O 和O重合时，令t = t = 0,坐标变换：,速度变换：,纯
4、数学问题：,第9页 共39页,1. 相对运动 引例：车在竖直向下的雨中行驶,第10页 共39页,位移：,速度：,加速度：,相对运动:物体相对于自身所在参考系的运动。,绝对运动相对运动牵连运动,牵连运动:物体所在参考系相对于静止参考系 的运动。,绝对运动:物体相对于静止参考系的运动。,第11页 共39页,物体A、B相对于地的加速度,第12页 共39页,注意:1. 暗含两个参考系中时间与空间测量的绝对性观念 2.可推广到多个坐标系间的变换,第13页 共39页,设S系相对于S系沿x方向以速率v运动，以O和 O 重合时为计时起点, y y Z Z ,伽利略 坐标变换：,伽利略 速度变换：,2. 伽利略
5、变换,第14页 共39页,以岸为参考系，分别写出船和艇的运动方程，令其坐标相等，得相遇条件。,解1：建立如图坐标系,第15页 共39页,第16页 共39页,思考：以船为参考系，相遇条件是什么？,若 的延长线过 ，则 、 相撞。,第17页 共39页,艇出发时：,相遇条件：,第18页 共39页,例题：河水自西向东流动，速度为10 kmh-1。一轮船在水中航行，船相对于河水的航向为北偏西30，相对于河水的航速为20 kmh-1 。此时风向为由东向西，风速为10 kmh-1 。试求在船上观察到的烟囱冒出的烟缕的飘向(设烟离开烟囱后很快就获得与风相同的速度)。,第19页 共39页,x东,根据相对速度公式
6、,第20页 共39页,第21页 共39页,图解法：,根据相对速度公式，,第22页 共39页,3. 力学相对性原理与伽利略变换相协调,第23页 共39页,经典力学规律具有伽利略变换不变性，伽利略变换是经典力学的对称操作。,牛顿第二定律及由其导出的一切经典力学定律，在不同惯性系中数学形式相同。,经典力学定律是自洽的。 伽利略变换中已经隐含了时空观念。,第24页 共39页,时间的测量：“钟”任何周期性过程均可用来计量时间。例如：行星的自转或公转；单摆；晶体振动；分子、原子能级跃迁辐射,第25页 共39页,在惯性系中的不同地点建立统一的时间坐标：,在不同惯性系中测量同一事件发生的时刻或两事件的时间间隔
7、，所得的结果相同。时间测量与惯性系选择无关。,绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且，其本性在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。 牛顿,即：时间先于运动存在。没有时间，无法描述运动；而没有运动，时间照样存在和流逝。,第26页 共39页,2. 空间：用以表征物质及其运动的广延性,空间测量：刚性尺, 米 (SI制),米: 光在真空中(299792458)-1s的时间间隔内传播的 距离。,第27页 共39页,由伽利略变换：,直尺长度,即：尺的长度与其运动状态无关； 空间测量与惯性系的选择无关。,第28页 共39页,绝对空间就其本质而言，是与任何外界事物无关的，而且是永远相同和不动的。 牛
8、顿,空间先于运动存在，是盛放物质的容器和物质运动的舞台。,3. 绝对时空观,第29页 共39页,四、伽利略变换的困难,因速度 与参考系有关，所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化，经典电磁定律不具有伽利略变换的不变性。,第30页 共39页,2. 与高速运动(光的传播)的实验结果不符,真空中的光速： c,第31页 共39页,(1) 双星观察实验,对双星星光的观测，没有类似结果！,实验检验：,观察者接收到的子弹密度会呈周期性变化。,第32页 共39页,双星周期的测量 设有双星A、B，伴星B绕A和B的质心O逆时针旋转, 线速度u, 地球上接收器 S。,测量方法一： 1处t0时刻发出一束光, S接收该束
9、光时刻t1,按伽利略变换,2处t0T0/2时刻发出一束光, S接收该束光时刻t2,于是其半周期为,第33页 共39页,测量方法二：直接测全周期,1处t0时刻发出一束光, S接收该束光时刻,待伴星B旋至出发点下边缘1处，(t0+T0)时刻发出第二束光，则S收到该束光时刻为,测得全周期应为,显然,第34页 共39页,(2) 光行差现象,假设：光以“以太”为传播媒介，相对以太的速率为 c。地球和星辰曳引以太，与以太相对静止。所以，光对所有星体的速率为c。,实验检验：,结果：从地球上观测星体，一年内，望远镜轴转过一椭圆轨道。椭圆长轴相对于地球的视角均为,结论：如果存在以太，只能静止于绝对空间，地球、星
10、体均在以太海洋中运动。在地球上应存在“以太风”,第35页 共39页,以太风,第36页 共39页,由伽利略变换,第37页 共39页,解决困难的途径：,1) 否定相对性原理的普遍性，承认惯性系对电磁学定律不等价，寻找电磁学定律在其中成立的特殊惯性系。 2) 否定电磁学理论，重建具有对伽利略变换不变性的电磁学定律。 3) 否定伽利略变换，改造经典力学，寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为对称操作的新变换。,1)、2)无一例外遭到失败，爱因斯坦选择 3) 取得成功。,第38页 共39页,爱因斯坦的选择来自坚定的信念：,自然的设计是对称的，不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式，所有的物理规律都应
11、与惯性系的选择无关。 实验结果说明，在所有惯性系中，真空中的光速恒为c，伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观有问题，必须寻找新的变换，建立新的时空观。,“爱因斯坦把方法倒了过来，他不是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的，而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来，并且用它演绎出方程组应有的形式。” 洛仑兹,第39页 共39页,“我尊敬的迈克尔孙博士，您开始工作时，我还是个孩子，只有1米高，正是您将物理学家引向新的道路，通过您精湛的实验工作，铺平了相对论发展的道路，您揭示了光以太的隐患，激发了洛仑兹和菲兹杰诺的思想，狭义相对论正是由此发展而来的。没有您的工作，相对论今天顶多也只是一个有趣的猜想，您的验证使之得到最初的实验基础。”,“我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用，我对此感到十分遗憾。”,爱因斯坦1931年会见迈克尔孙，未得理解。,
