哈工大大学物理学第5章--狭义相对论(洛仑兹变换).ppt

第5章狭义相对论 5 1经典力学的相对性原理伽利略变换 1 伽利略变换式经典力学的相对性原理 坐标变换 速度变换 加速度变换 经典力学相对性原理 对一切惯性系 牛顿定律及其他力学规律的形式都是一样的 1 时间 空间与物质的运动无关 2 时间与空间无关 3 时间间隔 空间间隔的度量绝对不变 S系中必须同时测量长度两端 由 2 牛顿的绝对时空观 绝对空间 按其本性 不受外界事物的影响 总是保持不变并且不可移动 绝对的时间 按其本性独立地向前均匀流逝 而不受外界任何事物的影响 击前球上散射光速c 击后球上散射光速c v 应看到球先动后静止 是否c过大 L过小 天文实例 1731年英国一位天文爱好者观察到南方夜空的金牛座上一团云雾状东西 外型象螃蟹 称蟹状星云 距我们五千光年 观测表明以年0 21 速率膨胀 到1920年已膨胀到180 推算膨胀开始于860年前 即1060年左右 人们推算这是900年前一次超新星爆发抛出的气体壳层 这一点在我国史记中得到证实 宋会要 记载 客星 超新星 最初出现在北宋至和元年 公元1054年 位置在金牛座天关附近 白昼看起来赛过金星 历时23天 后慢慢暗下来 两年后 隐没 击球 3 伽利略相对性原理的困难 A B D c u c u c L 地球 L 5000光年u 1500公里 秒 年 年 50年 25年 2年 说明光速与光源运动无关 19世纪60年代麦克斯韦建立了解释电磁现象的方程 MaxwellEqution 并导出了电磁波的方程 4 光的波动性和 以太风 测量零结果 C为真空中的光速 但是 人们发现麦克斯韦电磁波方程不满足伽利略变换 是电磁波方程出了问题还是伽利略变换出了问题 如果要保证两者都正确 必须假定真空中存在着光的传播媒质 以太 机械波 声波 电磁波 光波 1 依靠弹性媒质传播 波速和声源速度无关 由弹性模量和媒质密度决定 如声波在空气中传播 2 声速会受到风的影响 即媒质相对选定参考系运动的影响 1 光速和光源速度无关 依靠弥漫宇宙的 以太 传播 光速很大 故 以太 应比钢还硬且星体在其中运动时要畅行无阻 2 光速会受到 以太 风的影响 即 以太 相对选定参考系运动的影响 转900 波程差 条纹移动 迈克耳逊 莫雷实验 寻找以太的实验 仪器可测量精度 实验结果未观察到地球相对于 以太 的运动 这意味着经典物理学出了问题 意味着什么绝对时间 绝对空间 伽利略变换等等都有问题 就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空 不存在以太 同一束光在不同参照系下观测值相同 1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到 这两朵乌云是指什么呢 热辐射实验 迈克尔逊 莫雷实验 后来的事实证明 正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴 乌云落地化为一埸春雨 浇灌着两朵鲜花 量子力学的诞生 相对论问世 经典力学 量子力学 相对论 微观领域 高速领域 今天来介绍相对论 爱因斯坦生平 爱因斯坦 AlbertEinstein 1879 1955 出生于德国符腾堡的乌尔姆镇 犹太人 1896年10月考入苏黎世工业大学攻读物理学 1900年8月毕业一度失业 1902年6月到伯尔尼瑞士专利局任技术员 1905年发表了阐述狭义相对论 光量子理论和布朗运动等四篇论文 推动了物理理论变革 1916年发表 广义相对论基础 由于光量子方面的贡献 1921年他荣获诺贝尔奖 他路过上海时得到获奖消息 1933年希特勒执政 他成为纳粹的迫害对象 幸而在美国讲学才未受迫害 同年定居美国 1955年4月18日逝世 一 狭义相对论的基本原理 1 相对性原理 2 光速不变原理 在所有的惯性系中 光在真空中传播的速率具有相同的值c c 2 99792458 108ms 1 一切物理规律对所有惯性参考系等价 忽然我领悟到这个问题的症结所在 这个问题的答案来自对时间概念的分析 不可能绝对地确定时间 在时间和信号速度之间有着不可分割的联系 利用这一新概念 我第一次彻底地解决了这个难题 爱因斯坦 5 2狭义相对论的基本原理洛仑兹变换 如果光速不变 1秒 1 5秒 爱因斯坦小车 u 二洛伦兹变换 1 满足相对性原理和光速不变原理 2 当质点速率远小于真空光速c时 该变换应能使伽利略变换重新成立 根据相对性原理 新的时空变换关系必须是线性 协变的 对s 系的原点o 有 和 即 设 对s系的原点o 有 和 即 设 根据相对性原理 根据光速不变原理 和 1 2 相乘 可得 1 2 时空坐标变换 令 逆变换 正变换 令 讨论 1 t 是t和x的函数 不仅是与空间坐标有关 而且与物质的运动有关 时间的测量在不同惯性系中是不同的 时间不是绝对的 和空