《大学物理课件第四章狭义相对论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理课件第四章狭义相对论（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的。 理论特色：出于简单而归于深奥。,爱因斯坦（Albert Einstein，18791955），20世纪最伟大的物理学家，先后于1905年和1915年创立了狭义相对论和广义相对论。他于1905年提出了光量子假设，为此于1921年获得诺贝尔物理学奖。他还在量子理论方面具有很多重要的贡献。,第四章 狭义相对论,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形成的时空观和运动观，建立了新的时空概念；揭示了质能关系，并开始了对万有引力本质的研究。,狭义相对论:,广义相对论:,研究两个不同惯性系的观察者所 观察到的物理现象有什么不同。,研
2、究一切参照系(不限于惯性系)中的观察者所观察到的物理现象有什么不同。,引 言,牛 顿 力 学,麦克斯韦电磁场理论,热力学与经典统计理论,两朵乌云：,迈克耳逊莫雷“以太漂移”实验,黑体辐射实验,19 世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,University physics AP Fang,迈克耳逊莫雷“以太漂移”实验,红色激光造成的迈克耳逊干涉环,迈克耳逊莫雷实验是为了观测“以太”是否存在而作的一个实验，是在1887年由阿尔伯特迈克耳孙与爱德华莫雷合作，在美国的克利夫兰进行的。,机械波的传播需要媒质，当时物理学家们认为光波的传播也需要一种媒质-以太。,迈克尔逊为证明以太的
3、存在，设计了测量地球在以太中运动速度的实验。,地球相对以太以 v 运动，以太风从右边吹来。,1.在实验室S系观察,光速 c v 顶风，,光速 c +v 顺风，,来回时间,2.在实验室S系观察,光速,光速,来回时间,两束光到望远镜的时间差,展开, 光的光程差,3.将仪器旋转90两路光的光程差变化为,干涉条纹移动数目为,可推算出以太风的速度，干涉仪可测出0.01个条纹的移动，但实验没有发现移动。,后来又在德国、美国、瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。迈克尔逊在 70 高龄时仍在做这方面的工作。,4.结论,.以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。,.地球
4、上各方向光速相同，与地球运动状态无关。,电磁理论与牛顿力学相对性原理的矛盾,迈克耳逊,美国物理学家，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席,美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员。迈克耳逊主要从事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（迈克耳孙干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克耳逊-莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。,由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成
5、的光谱学和基本度量学研究，迈克耳逊于1907年获诺贝尔物理学奖金。,绝对时间,绝对空间,绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关,一.牛顿力学绝对时空观,4.1 牛顿力学时空观 经典力学的相对性原理与伽利略变换,长度和时间的测量与参照系无关。,说明：空间（x, y, z）与时间t 彼此独立，互不联系。任何事件所经历的时间间隔有绝对不变的量值，任何两点间的距离（即空间间隔）也有绝对不变的量值，它们与参照系的选择或观测者的运动状态无关。,在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。,二. 经典力学的相对性原理,经典
6、力学相对性原理与绝对时空观密切相关,牛顿力学：,相互作用是客观的，分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关。,宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。,如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变。,三. 伽利略变换,正变换,逆变换,伽利略变换式,在两个惯性系中分析描述同一物理事件,在 t 0 时刻，物体在 O 点, S , S 系重合。t 时刻，物体到达 P 点,P,(x, y, z; t ),(x, y, z; t),u 是恒量,速度变换和加速度变换式为,由定义,并注意到,写成分量式,速度变换,正,逆,加速度变换,结论：在两个惯性系中,在牛顿力学中,四. 牛顿运动定律具有伽利略变换的
7、不变性,质量与运动无关,力与参考系无关,五、伽利略变换的困难,1. 伽利略变换不是经典电磁定律的对称操作,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。,2. 与高速运动(光的传播)的实验结果不符,真空中的光速： c,彼此矛盾！,(1) 双星观察实验,对双星星光的观测，没有发现由于伽利略变换引起的结果。光速与光发射体的运动无关，不遵从伽利略变换。,双星：两颗绕共同质心做椭圆运动的恒星系,3、迈克耳逊-莫雷实验的零结果,1、2、无一例外遭到失败，爱因斯坦选择 3、取得成功。,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
8、的惯性系中有相同的数学形式，所有的物理规律都应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（荷兰.18531928）,“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。”,4.2 狭义相对论的基本原理,一.狭义相对论的两条基本原理,1. 狭义相对性原理： 一切物理定律在所有的惯性系中都有相同数学形式。,2.
9、光速不变原理： 在所有的惯性系中,真空中的光速恒为 c ，与光源或观察者的运动无关。, c 是自然界的极限速率,速率极限：指能量和信息传播速率的极限。, 揭示出真空的对称性质：对于光的传播而言，真空各向同性，所有惯性系彼此等价。,二、狭义相对论时空观,日常生活经验：在一个惯性系中同时发生的两个事件，在其它惯性系中看来，也是同时发生的。“同时”概念与参考系选择无关。,爱因斯坦认为： 同时性概念是因参考系而异的，在一个惯性系中认为同时发生的两个事件，在另一惯性系中看来，不一定同时发生。同时性具有相对性。,理想实验：爱因斯坦火车,在 系中，两闪电的光信号是否同时到达 呢？,对 系：两闪电的光信号同时
10、到达 ，而不是 ，闪电击中车头和车尾为不同时事件。（击中 先发生）,二.时间量度的相对性（时间膨胀、动钟变慢）,该两事件为异地事件，需用两只钟测出其时间间隔：非原时 （观测时间）,注意：“原时”概念,在一切时间测量中，原时最短！,三.空间量度的相对性（动尺缩短）,若两端坐标不同时测量，其测量结果不是长度，而只是两事件的空间间隔,设尺相对于 系静止,动尺缩短！,长度测量,注意： 1）尺缩效应只在相对运动方向上发生； 2）尺缩效应是高速运动物体的测量形象， 不是视觉形象。,结论： 空间间隔的测量是相对的，物体的长度与惯性系的选择有关； 在一切长度测量中原长最长； 在惯性系中测量相对其运动的尺，总得
11、到比原长小的结果 动尺缩短。,因为物体的视觉效应是由同时抵达眼睛的光线形成的。而同时抵达眼睛的光线不一定是物体两端同时发出的。,2、速度变换公式,正变换：,逆变换:,3. 洛仑兹变换的意义,(1) 洛仑兹变换是不同惯性系中时空变换的普遍公式,(2) 与光速不变原理、真空中光速为极限速率的实验 事实相协调。,(3) 建立了新的时空观,(4) 给出了对物理定律的约束条件：相对论的对称性，即物理定律在洛仑兹变换下的不变性。,狭义相对论的普遍原理包含在这样一个假设里：物理定律对于（从一个惯性系转移到另一个任意选定的惯性系的）洛仑兹变换是不变的。这是对自然规律的限制性原理，它可以与不存在永动机这样一条作
12、为热力学基础的限制性原理相比拟。 爱因斯坦,4.4 狭义相对论动力学基础,一.改造经典力学的两条原则,改造后的力学定律必须是洛仑兹变换的不变式.,思路：重新定义质量、动量、能量，使相应的守恒定律在相对论力学中仍然成立。,二、质量概念的修正,质速关系：,满足对应原理的要求：,三.质能关系,将质速关系按幂级数展开，得,两边同乘以 得,四、能量与动量的关系,于是,1.相对论动量,满足对应原理,五.相对论动力学基本方程,从相对论角度审视经典力学的基本定律：,1.惯性定律保持不变，在相对论中成立。,2.牛顿第二定律,注意动量与速度v的关系，不再是线性关系。 当vc时，相对论动量与经典动量一致。,讨论：,
13、（1）力既可以改变物体的速度，也可改变物体的质量,（2）力与加速度 的方向一般不会相同；,满足对应原理,4.5 狭义相对论的意义和局限,一.相对论把对称性思想提高到作为构建物理理论的出发点的高度,2.相对论把对称性思想提高到作为构建物理理论的出发点的高度,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（荷.18531928 ）,4.相对论不变性成为约束其它理论的原则之一，用以排除、改造不符合相对性原理的规律。,二.相对论改变了人类的观念和生活,2.时空观、物质观的深化,人类以崭新观念探讨人与宇宙的关系，建立人与自然和谐发展的新自然观,自从广义相对论出现以来，不能再把空间时间看做舞台，把物质看做演员；两者的性质如此密切相关，人们几乎可以把它们称作同一种事物的不同名称。薛定谔,三.相对论不是终极理论,相对论只是物理理论发展中的一个台阶，它不能穷尽各层次事物间的相互联系和作用方式，相对论不是终极理论。,4.扩大了人类实践活动的领域,
