电动力学课件61狭义相对论

1、1第 六 章Special relativity电动力学22005世界物理年 纪念爱因斯坦纪念爱因斯坦狭义相对论诞生狭义相对论诞生100周年与爱因周年与爱因斯坦逝世斯坦逝世50周年。周年。 让 物 理 走 近大众，让世界拥抱物理34主要内容：主要内容： 相对论的基本原理相对论的基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换 相对论的四维形式相对论的四维形式 相对论的时空理论相对论的时空理论 相对论力学相对论力学 相对论的实验基础相对论的实验基础 机动 目录 上页 下页 返回 结束 5 机动 目录 上页 下页 返回 结束 6狭义相对论的重点与难点狭义相对论的重点与难点本章难点：本章难点：1 1、同时的相对性、时

2、钟延缓效应的相对性；、同时的相对性、时钟延缓效应的相对性；2 2、相对论四维形式的理解；、相对论四维形式的理解；3 3、电动力学相对论不变性的导出过程、电动力学相对论不变性的导出过程。* * 机动 目录 上页 下页 返回 结束 71 1 历史背景及重要实验基础历史背景及重要实验基础 19 19世纪后期，经典物理世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。典物理学已趋于成熟。两朵乌云：两朵乌云： 黑体辐射实验黑体辐射实验 近代物理学的两近代物理学的两大支柱，逐步建立大支柱，逐步建立了新的物理理论。了新的物理理论。机动 目录 上页 下页 返回 结束 8正正变变换换

3、vtxxyy zz tt 在两个惯性系中分析描述同一物理事件在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略变换一、伽利略变换OZXYOZ(X)YvP(x, y, z) 在在t t 时刻，物体运动到时刻，物体运动到P 点点 在在t 0 时刻，物体在时刻，物体在O 点点, ,系重合系重合:tzyxr,: t ,z ,y,xr rr 机动 目录 上页 下页 返回 结束 Z关于长度和时间的测量关于长度和时间的测量 在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与参照系无关，与内部结构无关，与运动无关。参照系无关，与内部结构无关，与运动无关。 运动长度的测

4、量：在同一时间去测量物体的两端。运动长度的测量：在同一时间去测量物体的两端。 t1= t2 l = x2- x1XOY(x1 t1 )(x2 t2 )Y vX212212212)()()(zzyyxxr2121()()xxxvtxvt12xx 222212121()()()rxxyyzz r机动 目录 上页 下页 返回 结束 10逆逆变变换换ttzzyytvxx,xxyyzzuuv uuuu 伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式 伽利略速度变换式伽利略速度变换式,xxxyyzzduaaaaaaadt Fm aFam 时间是绝对的时间是绝对的 空间是绝对的空间是绝对的t t x x 时空相互分离时空

5、相互分离机动 目录 上页 下页 返回 结束 二二 力学相对性原理力学相对性原理 ( (Galilean Principle of Relativity) 一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。(1)(1)在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；不能在一个参照系内部做实验来确不能在一个参照系内部做实验来确定该参照系相对另一系的速度。定该参照系相对另一系的速度。 三三 经典时空理论的局限性经典时空理论的局限性1 1、光速可变并与光源运动相关、光速可变并与光源运动相关zzyyxxuuuu

6、vuu,cossin0 xxyyzzuuvcvuucuuXOYYvXOcu在在 系系光速各光速各向同性向同性系光速各向异性系光速各向异性 光沿光沿 系系Y轴传播的速度轴传播的速度, 0 xucos0,sinycvuuc22ucvucv 光沿光沿 系系X轴传播的速度轴传播的速度12乙ttcvc 先出球，后击球先出球，后击球 -先后颠倒先后颠倒甲举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾)(vcltclt 2 2、麦氏方程不满足伽氏变换、麦氏方程不满足伽氏变换 tBEvttvtt BEvBt 机动 目录 上页 下页 返回 结束 133 3、伽氏变换下麦氏方程等

7、可变性的三种看法、伽氏变换下麦氏方程等可变性的三种看法 4 4、 “以太以太”概念及绝对参照系概念及绝对参照系 （1 1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；弥散空间，无孔不入）；（2 2）具有高弹性。电磁波一般为横波，）具有高弹性。电磁波一般为横波，以太应是一种固体以太应是一种固体 （G G是切是切变模量，变模量，是介质密度）；是介质密度）；（3 3）它只在牛顿绝对时空中静止不动，）它只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。即在特殊参照系中静止。 Gv光借助光借助“以太以太”媒质传播，媒质传播，相对静止的相对静止的“以太以太”，光的，

8、光的传播速度各向传播速度各向同性，均为同性，均为C C 。机动 目录 上页 下页 返回 结束 伽利略变换伽利略变换 相对性原理相对性原理 麦克斯韦方程麦克斯韦方程三三 迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验莫雷实验P1M2M2l1lvO111lltc v c v122211/lcvc对光线（对光线（1） ：OMO1地球系地球系u机动 目录 上页 下页 返回 结束 152M2vt对光线（对光线（2）OMO22222222222211/llltuccvvc设设lll21)1 (2)1 (222212212cvclcvclttt)(cv22122vlc光程差光程差N光程差与条纹移动关系光程差与条纹移动关系仪器转

9、动仪器转动2/21222212)1 (2)1 (2cvclcvclttttc 2tc122cvl 2N 机动 目录 上页 下页 返回 结束 161 1、地球相对以太静止论、地球相对以太静止论 迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验的零结果，说明了莫雷实验的零结果，说明了“以太以太”本身不存在。本身不存在。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。18811881年迈克耳逊第一次实年迈克耳逊第一次实验，预期验，预期04.0N18871887年迈克耳逊和莫雷改年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期进实验，预期4 .0N实验结果实验结果0N 迈克耳逊干涉仪精度可观测到迈克耳逊

10、干涉仪精度可观测到0.010.01个条纹的移动。个条纹的移动。19071907年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖四四 对实验结果的几种解释对实验结果的几种解释 机动 目录 上页 下页 返回 结束 17 恒星光行差现象（恒星光行差现象（17271727年发现）：年发现）： 观察恒星光线的视方向与观察恒星光线的视方向与“真实真实”方向之间有一夹角，这方向之间有一夹角，这说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相对恒星不到光行

11、差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相对恒星的运动速的运动速度度与光速合成的方向。与光速合成的方向。 cvvcvtg1理论计算：理论计算：对太阳光的实验观测：对太阳光的实验观测：0 00573. 041smv/100 .34 地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。机动 目录 上页 下页 返回 结束 18 机动 目录 上页 下页 返回 结束 vc vvc vAB地球地球1219假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为假定认为沿相对以太运动方向上物