大学物理学施建青版上册上课3-1相对论基本原理和洛仑兹变换PPT演示课件

1、3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换1 一一 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有牛顿力学的规律都具有相同的形式相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理这就是经典力学的相对性原理 . 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是经典力学定律的形式是完全一样的吗完全一样的吗 ？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换2伽利略变换伽利略变换当当 时时0tt oo与与 重合重合txx

2、vyy zz tt 位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为：经典力学认为：1）空间的）空间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与）时间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关 .x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxpx xt vz z yy3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换3zzaayyaa xxaa加速度变换公式加速度变换公式aaamf amfvxxuuyyuu zzuu 伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式 在两相互作匀速直线运动的惯性在两相互作匀速直线运动的惯性

3、系中，牛顿运动定律具有相同的形式系中，牛顿运动定律具有相同的形式.x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxpx xt vz z yy3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换4 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果长度和时间的测量结果是一样的吗是一样的吗? 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关 , 长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空

4、观注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致低速的范围内，是与实验结果相一致的的 . 3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换5（1 1）同时的绝对性）同时的绝对性据伽利略变换，据伽利略变换，s s/ /系系21tt在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。同时的绝对性同时的绝对性s s系系, ,21tt 两个事件同时发生两个事件同时发生v x y o1eventxyo2event3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换6（

5、2 2）时间间隔的测量是绝对的）时间间隔的测量是绝对的s s系：两个事件先后发生，系：两个事件先后发生，其间隔为其间隔为12ttt在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。时间间隔的绝对性。时间间隔的绝对性。据伽利略变换，据伽利略变换， 在在ss系中，系中，tttttt12v x y o1eventxyo2event3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换7（3 3）长度测量的绝对性）长度测量的绝对性当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但坐标差，但必须同时测量。必须同时测量

6、。1x2xyx静止系中可不同时测静止系中可不同时测静止系中，杆的长度为静止系中，杆的长度为12xxl运动系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为12xxl3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换8根据伽利略变换根据伽利略变换utxx11utxx22lxxxxl212长度测量是绝对的。长度测量是绝对的。3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换9真空中的光速真空中的光速m/s10998. 21800c 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系 , 光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗 ？?v ccx xy yvo oz

7、 z ssc三三 牛顿力学的困难牛顿力学的困难（1 1）电磁波和光不服从伽利略变换）电磁波和光不服从伽利略变换3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换10由麦氏方程组可解出光在任意惯性参照系中（真空由麦氏方程组可解出光在任意惯性参照系中（真空介质）的速度为介质）的速度为 即在即在s和和s系中，光在真系中，光在真空中的传播速度一样，这与伽利略速度变换矛盾。空中的传播速度一样，这与伽利略速度变换矛盾。00csmcv/15:伽利略变换3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换11 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）

8、一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆发爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察, 特别是开始的特别是开始的 23 天天, 白天也能看见白天也能看见 .km/s1500v物质飞散速度物质飞散速度l = 5000 光年光年cvcab 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动, 现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的

9、疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换12实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月, 这怎么解释这怎么解释 ?年25abttt理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l = 5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度abvclta a 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间cltbb 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换13（2 2）以太的假设）以太的假

10、设 “以太以太”是人们假想的，充满宇宙空间是人们假想的，充满宇宙空间的一种绝对静止的物质。的一种绝对静止的物质。 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动 , 1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果没有结果 .1887年他与莫雷以更高的精度重年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果, 即即未观测未观测到地球相对到地球相对“以太以太”的运动的运动 .3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换14（3 3）质量随速度的增加而增加）质量随速度的增加而增加190

11、1年考夫曼在确定镭发出的年考夫曼在确定镭发出的 射线（高射线（高速运动的电子束）荷质比的实验中首先看速运动的电子束）荷质比的实验中首先看到，电子的荷质比与其运动速度有关，假到，电子的荷质比与其运动速度有关，假设电子的电荷设电子的电荷 不随速度而变化，则它的不随速度而变化，则它的质量就要随速度的增加而增大质量就要随速度的增加而增大 e3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换15 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的. 理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.albert einstein (

12、 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家, 于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相年先后创立了狭义相对论和广义相对论对论和广义相对论, 他于他于1905年提年提出了光量子假设出了光量子假设, 为此他于为此他于1921年年获得诺贝尔物理学奖获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献理论方面具有很多的重要的贡献 .3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换16四狭义相对论的基本原理四狭义相对论的基本原理1）相对性原理相对性原理：物理定律在：物理定律在所有的惯性系所有的惯性系中都具有相同的表达形式中都

13、具有相同的表达形式 . 2）光速不变原理光速不变原理： 真空中的光速是常量，真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择惯性系的选择. 相对性原理是自然界的普遍规律相对性原理是自然界的普遍规律. 所有的惯性参考系都是等价的所有的惯性参考系都是等价的 . 伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理不符不符 .3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换17说明同时具有相对性，时间的量度是相对的说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 . 和和光速不变光速不变紧密联系在一起的是：在某

14、一惯性系紧密联系在一起的是：在某一惯性系中中同时同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并一惯性系中观察，并不一定是同时不一定是同时发生的发生的 .3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换18cv211五洛伦兹变换式五洛伦兹变换式z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxp)(12txtxxvvyy zz )(1222xctxcttvv 设设 ： 时，时， 重合重合 ; 事件事件 p 的时空的时空坐标如图所示坐标如图所示 .0tt,oo 长度长度的测量是和的测量是和同时性同时性概念密切相关概念密切相关.3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换19)(txxvyy zz )(2xcttv正正变变换换) (txxv yy zz ) (2xcttv逆逆 变变 换换 光速光速在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来 .z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxp3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换201） 与与