狭义相对论-(2)PPT讲稿课件

狭义相对论(2)课件 “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-”热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验量子力学相对论自然和自然规律隐藏在黑暗之中，上帝说“让牛顿降生吧”，一切就有了光明；但是，光明并不久长，魔鬼又出现了，上帝咆哮说：“让爱因斯坦降生吧”，就恢复到现在这个样子。6-1 伽里略变换 绝对时空观一 力学的相对性原理 16世纪波兰天文学家哥白尼提出地动说,不仅教会反对,老百姓也难理解.垂直上抛的石头为什么落在原地.伽里略为解释此现象,举一例,从一平稳行驶的帆船的桅杆上落下的石子会落在桅杆下面而不是船尾.6-1 6-1 伽里略变换伽里略变换伽里略变换伽里略变换 绝对时空观绝对时空观绝对时空观绝对时空观力学(伽里略)的相对性原理：一个相对惯性系做匀速直线运动的参照系内部所发生的力学现象不会受到该参照系运动的影响.推论:所有惯性系里,力学现象遵从相同的规律因此所有惯性系从力学角度看都是等价的,不存在绝对静止的惯性系.二二 伽里略坐标变换伽里略坐标变换oxyzKOxyzuKxxut 二 伽里略坐标变换 K系相对K系沿x轴正方向以速度 u 运动,t=0 时,两坐标系重合.又因 ：(绝对质量)K 系:K系:总结:牛顿定律在伽里略坐标变换下保 持形式不变.满足力学相对性原理。绝对空间：x2-x1=x2-x1 一把尺子在所有惯性 系里长度相同，表明空间与运动无 关，所有惯性系在同一个空间里运 动，空间是绝对静止的。“绝对空间 就其本质而言是与任何外界事物无 关的，它从不运动，并且永远不变”（牛顿）。三 绝对时空观绝对时间：t=t,所有惯性系有统一的时间,“绝 对的真实的数学时间,就其本质而言,是永远均匀地流逝着,与任何外界无 关”(牛顿).三三 绝对时空观绝对时空观 牛顿以此说明水面呈抛物面表明水相对 绝对空间的转动。马赫反驳水相对其他宇宙天体的运动。桶转水不转桶水一起转水转桶不转牛顿桶实验：6-2 迈克尔逊-莫雷 实验*十九世纪电磁学麦克斯韦方程组 *麦氏方程组在伽氏变换下不是不变式，光 速在不同惯性系里不同。*光在以太中的速度为 c,以太充满宇宙,绝 对静止不动。实验结果:以太不存在.表明在所有惯性系里,电磁规律都相同,光速都是c.迈克尔迅 莫雷实验5-2 5-2 基本原理基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换迈克尔逊莫雷实验 美国物理学家。1852 年12月19日，1837年毕业于美国海军学院，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，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。迈克耳逊主要从事光学和光谱学方面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。1887年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-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。迈克尔逊在光谱研究和气象学方面所取得的出色成果，使他获得了1907年的诺贝尔物理学奖金。uuPM1M2 地球参照系：PM1 c u M1P c+u时间:光速M2Pcu 地球参照系：PM2M2Puu迈克尔逊-L=10m 0.40 0.01 4.7km/s莫雷(1887)8次往返 条 条 Joos 石英底坐挂在 0.75 0.002 1.5km/s (1930)金属罩内摄影 条 条期望 实测 以太速度两种选择:伽里略变换对:牛顿力学对(在伽氏变换下是不变式)麦氏方程组错（在伽氏变换下不是不变式）麦氏方程组对:伽氏变换错牛顿力学错 爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的 他认为，相对性原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，因此他认为作为绝对参照系和电磁场的荷载物的以太是不存在的 否定了绝对空间。按照相对性原理，光速在所有惯性系里都相同，关键是时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。否定了绝对时间相对论基本原理二二 基本原理基本原理一 基本原理 “还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”爱因斯坦对麦克尔逊莫雷实验的评价：爱因斯坦(Albert Einstein,18791955)20世纪最伟大的物理学改革家，相对论的创始人，主要科学业绩：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1916年创建的广义相对论1921年获诺贝尔物理学奖金1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系1912年用光量子概念建立了光化学定律1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础1924年提出了量子统计方法-玻色-爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个宇宙的时空结构爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人，二十世纪的哥白尼1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速度c追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好象在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年：英国杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家：1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦(英国),4.玻尔(丹麦，1922)，5.海森伯(德国，1932)，6.伽利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965),8.狄拉克(英国，1933)，9.薛定谔(奥地利，1933),10.卢瑟福(新西兰)二 洛仑兹变换三洛仑兹变换三洛仑兹变换三洛仑兹变换三洛仑兹变换2.牛顿定律在洛氏变换下不是不变式,不满足相对性原理.3.u c,不能超光 速.当 u c 时,洛氏变换伽氏 变换.说明:1.每个参照系有自己的时间,时间和空 间有关,-四维时空.1.010.08.02.04.06.0关键式它体现了新的时空观相对论的时空观三 洛仑兹速度变换三三 洛仑兹速度变换洛仑兹速度变换讨论:1.0 时,洛变换 伽变换。2.在洛变换下,光速 不变,即在所有惯 性系里都是 c。3.实物粒子的速度不 可能等于或超过光 速。4.速度的y，z分量与 vx 有关。例1.已知 vx=c 求 vx vx=c 求 vx vx=vz=0,vy=c 求 v 解:L1L1KuKK 例2.一飞机以0.50c的速率相对地面飞行,飞行中 向前发射一导弹,导弹相对飞机速度为0.50c,方 向与飞机相同,求导弹相对地的速度.地面:k 系飞机:k系,相对k系 u=0.50c 导弹相对k系:vx=0.50c 导弹相对k系:XL2L2例3.0.99c0.99cAB求：A，B 的相对 速度解：设 A 为 K 系,静止不动.kKu地面为 k 系,相对 k 系速度 u=0.99 c.飞船B 在k系中速度 vx=0.99c.则在k系中速度 vx为:=0.999949497ccL3L35-4 相对论时空观一 同时的相对性K 系:x1,x2 在 t 时刻同时发生两件事.K 系:分别在 t1,t2 发生.5-4 5-4 相对论时空观相对论时空观相对论时空观相对论时空观 在一个惯性系里不同地点有两件事件同时发生,在另一惯性系里不再同时.原因-光速有限timeAA.swfTimeb.swf火车上的钟只能代表火车上的时间同时相对性.SWF1.同时的相对性的根源是光速有限。2.同时的相对性表明时间的量度是相 对的，每个惯性系有自己的时间。LILI 例：北京大学和华科大武昌分校的直线距离约 为1.1106m，两校在同一时刻开始上课。有 一首飞船沿北京到武昌方向在高空掠过，速 率恒为u=0.6c，问宇航员观察到哪个学校先上 课？两地开始上课的时间差是多少？解：KKK:K:大晚小早LI解：KK大晚小早K:K:例.一列火车长0.30km(火车上的人测量),以100 km/h 的速度行驶,地面上的人发现有两枚导弹 同时击中火车的车头和车尾,问火车上的人测 量的两导弹击中火车的车头和车尾的时间间隔.KKK系:导弹击中车尾x1;t 导弹击中车头-x2;tK系:导弹击中车尾x1;t1 导弹击中车头-x2;t2(x2;t2)(x1;t1)LILI(x2;t2)(x1;t1)用哪一个?先击中车头思考：地面上测量火车的长度是多少？二 钟慢效应K 系:x 处发生一事件 t1t2,经历 时间 t=t2 t1.K 系:t1;t2二二二二 钟慢效应钟慢效应钟慢效应钟慢效应t-原时;t-运动时uKK原时运动时 K系的观察者认为K系里的鈡走慢了，即 运动的鈡走慢了。因而K系里的一切活动都变慢了。K系的观察者认为K系里的鈡走慢了。说明:1.本征时（原时）间隔最短.2.运动时开始和结束的时间是用 不同地点的钟测量,两地点相距3.钟慢效应根源是同时的相对性，从另一惯性系看,不同地点的鈡 是不同步的。运动的钟走得慢 根源 光速不变原理时间延缓的实验验证：1966-1967年欧洲原子核研究中心（CERN）对粒子进行了研究。粒子是一种基本粒子，在静系中测得的寿命为0=2.210-6秒.当其加速到 u=0.9966C时,它漂移了八公里.依牛顿定律,寿命不变,故漂移距离为:依相对论:当粒子加速至於0.9966C时,寿命为:与实验情况吻合得很好!例:设想有一光子火箭以 的速率相对地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去 10 min,则地球上的观察者测得此事用去多少时间？解:地球上的观察者测得的 时间为运动时。LILI例LILI【例】孪生子佯谬和孪生子效应 1961年，美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出，寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为50次，而分裂的周期大约是2.4年，照此计算，人的寿命应为120岁。因此，用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。设想有一对孪生兄弟，哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。在各自的参考系中，哥哥和弟弟的细胞分裂周期都是2.4年。但由于时间延缓效应，在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比2.4年长，他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长，弟弟也比自己年轻。假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁年轻就成了难以回答的问题。孪生子佯谬孪生子佯谬孪生子佯谬孪生子佯谬 问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬（twin paradox）。如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为孪生子效应。1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了20310ns，而按广义相对论预言运动钟变慢184 23 ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。一般情况：K 系：在x1,t1;x2,t2 分别发生两件事,时间间 隔为 t=t2-t1.K系:先后次序可能颠倒,但因果关系不会颠倒.例:x1t1x2t2与 同号一般情况：一般情况：一般情况：一般情况：三 尺缩效应KKu哪一个对?K系中一把尺子,长度 ,在K系中尺长为:(两种做法)三三三三 尺缩效应尺缩效应尺缩效应尺缩效应关键:在 K 系中,必须同时测量尺的两端,因而 正确的是右式.说明:1.长度在运动方向上缩短.2.长度的测量是和同时性概念密切 相关.是测量效应.Xd-16.swfS:原时Xd-17.swfS:运动时收缩例二 一火箭长 10m,以 v=3 km.s-1 的速度飞行，在运动方向上，火箭缩短 _ m.欲使火箭收缩到原长的一半，应以 v=_ km.s-1 的速度飞行。即则得2.610