相对论-1(NY)资料.ppt

1,（Specialrelativity）,狭义相对论基础,2,相对论的创立,狭义相对论：1905年由爱因斯坦创立（26岁）。十年后又创立了广义相对论。,狭义相对论：它研究高速运动物体在惯性系中运动的规律以及物理量和物理规律在不同惯性系间的变换关系。狭义相对论揭示了时间、空间与运动的关系。,广义相对论：它研究在任意参考系中物体运动的规律以及它们在不同参考系之间变换的关系。广义相对论揭示了时间、空间与引力的关系。,3,爱因斯坦:Einstein二十世纪最伟大的物理学家二十世纪的哥白尼,现代时空(相对论）的创始人,相对论的建立是20世纪物理学发展史中最重要的成就之一。与量子论一起已成为现代高新技术的两大重要理论支柱。,4,爱因斯坦（AlbertEinstein，18791955）是20世纪最伟大的物理学家。他否定了牛顿的绝对时空观，于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论。另外，在普朗克能量子假设的基础上，爱因斯坦于1905年还提出了光量子假设。1916年被密立根的光电效应实验所证实，为此，他于1921年获得诺贝尔物理学奖金。量子理论的贡献是多方面的：1906年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定理论基础；1924年提出了量子统计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，于1917年开创了宇宙学研究的新纪元，导致宇宙膨胀理论，并于1946年后发展为宇宙大爆炸论。从1925年到临终的前一天，他一直不懈地致力于把引力场和电磁场统一起来的统一场论的研究；而统一场论的思想导致了20世纪70年代电弱统一（电磁相互作用与弱相互作用统一）理论的建立。,5,主要内容：,狭义相对论基本原理洛仑兹坐标变换同时性的相对性运动物体长度收缩运动时钟变慢相对论性质量、能量和动量,6,一、伽利略变换,1.事件与参照系,事件：有明确的地点与时间的一件事：P(x,y,z,t),参照系：不同参照系对同一事件发生的地点和时间的测量结果一般不同。例：,第一节伽利略变换和力学相对性原理,7,一、伽利略变换,1、坐标变换,8,2.速度变换,正变换,逆变换,速度变换矢量式：,9,3.加速度变换,正变换,逆变换,加速度变换矢量式：,10,系中测得的两点间距离,系中测得的两点间距离（两事件的空间间隔）,1.绝对空间间隔,经典力学认为空间两点间的距离是一个不变量，与参照系的选择和观察者的运动无关。,结论：,二、牛顿的绝对时空观,11,2.绝对时间间隔,经典力学认为时间的测量和运动无关，时间间隔是间间隔是一个不变量,结论：,经典力学绝对时空观,空间间隔和时间间隔对一切惯性系的观察者相同，与观察者及惯性系的运动无关，空间间隔与时间间隔相互独立。,如果把随惯性系而变看成是“相对”的，把不随惯性系而变看成是“绝对”的，那么经典力学中：,物体的坐标、速度、“同一地点”是相对的。空间和时间是相互独立的、互不相关的，并且独立于运动之外；质量是和运动无关的常量。,12,时间：是一种自然的流逝。“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，与外界事物无关。”,绝对时空观：,空间：是一种物质运动的场所。“绝对的空间就其本质而言与外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。”,在经典力学中，长度、时间及质量都是和运动无关的量，是一个不变量。,13,牛顿力学规律在伽利略变换(G-T)下形式不变。,牛顿力学相对性原理,力学规律在一切惯性系中都具有相同的形式。或说，力学规律在伽利略变换下形式不变。,（宏观低速物体的力学规律）,三、力学相对性原理,14,一、狭义相对论产生的背景和条件,2、根据麦克斯韦方程组，可得到真空中光速以普适恒量C的形式出现，但这与伽利略变换和经典力学绝对时空观是矛盾的。,麦克斯韦电磁场方程组不服从伽利略变换。,迈克尔逊-莫雷实验,以太说：宇宙中弥漫着一种无所不在的媒质，万物（包括光）相对于该媒质运动。以太实际上被认为是一种绝对空间。若以太存在，对地球上的观察者来，不同方向的光速应不同。,第二节狭义相对论的基本原理,15,迈克尔逊-莫雷实验：迈克尔逊干涉仪,零结果,结论：,1.不存在以太或绝对参照系；,2.各惯性系中光沿各方向传播速度相等。,16,迈克尔逊莫雷实验：,实验结果是否定的！,“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。”,17,1922年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话：,“还在学生时代，我就在想这个问题了。当时，我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实，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。”,爱因斯坦认为：物质世界的规律应该是和谐统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。在任何惯性系中光速都是各向为c，这样就自然地解释了迈克耳孙莫雷实验的零结果。,18,二.狭义相对论的两条基本原理,1.爱因斯坦相对性原理:物理定律在所有惯性系中具有相同的形式。2.光速不变原理：在任一惯性系中，所测得的光在真空中的传播速度都相等。,（1）Einstein的相对性原理是对Newton理论的发展；,19,（2）光速不变与伽利略速度变换针锋相对,经典力学,速度与参考系有关,(相对性),狭义相对论力学,与参考系有关,(相对性),只讨论惯性系称为狭义相对论,20,第三节洛伦兹坐标变换式,收缩因子,21,（1）时间、空间的测量与参照系的选择有关，时间、空间和物质运动三者彼此有关。,（2）vc时，,洛仑兹变换,伽利略变换,可见，伽利略变换是洛仑兹变换在低速下的极限形式。,22,（3）相对论指出，光速C是物体运动的极限速度。,高能粒子加速实验（电子加速）,加速电压提高至数百万伏eU=(1/2)mv2将失效。电子获得4.5Mev以上的能量，电子速率v几乎恒定不变。,23,解：,注意负号！,例观察者O测得一闪光灯在处，时闪光，另一观察者相对于O以-0.8C的速度沿轴XX运动，假设在时两参照系的原点重合，求他所测得的事件坐标。,24,25,例列车沿X轴正向以速度V由站台开出，车厢中挂了一排相邻间距为L的小球，在=0时刻同时落到车厢的地板上，问站台K上的人看到什么情况？,解：,26,同时性是相对的！,27,解：（1）,28,（2）,*许多问题都涉及到两个事件的空间间隔和时间间隔的确定，这时，一个有用的方法是把描述每一个事件的适当洛仑兹变换彼此相减。,29,例一短跑选手，在地球上以10S的时间从A到B跑完100米，.在飞行速度为0.98C沿B到A驶过的飞船中的观察者看来，这选手跑了多长时间和多长距离？,解：在K系中,30,31,由洛伦兹坐标变换可以导出相对论的速度变换公式：,第三节洛伦兹速度变换,逆变换,正变换,32,讨论：,1）当v、uc显然是不合理的。,34,解：,例K系中一光子沿与X轴成角方向飞行，系以速度V沿X轴正向运动，求系测得的光的飞行方向。,35,与X轴夹角为：,光速：,光速不变,36,真空中,37,38,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cv顶风，,光速c+v顺风，,来回时间：,迈克尔逊为证明以太的存在，设计了测量地球在以太中运动速度的实验。,39,2.在实验室S系观察,光速,光速,来回时间,40,两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：,41,干涉条纹移动数目为：,可推算出以太风的速度。根据理论，干涉仪可观察到0.4个条纹的移动，但实验没有发现条纹的移动。,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