狭义相对论PPT课件

1、第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 第第 6 章章 狭义相对论根底狭义相对论根底相对论：给出了高速运动物体的力学规律；并从根相对论：给出了高速运动物体的力学规律；并从根本上改动了许多世纪以来构成的时空观和运动观，本上改动了许多世纪以来构成的时空观和运动观，建立了新的时空概念；提示了质能关系，并开场了建立了新的时空概念；提示了质能关系，并开场了万有引力本质的研讨。万有引力本质的研讨。相对论分为：狭义相对论、广义相对论相对论分为：狭义相对论、广义相对论狭义相对论狭义相对论狭义相对论的根本实际狭义相对论的根本实际洛伦兹变换式洛伦兹变换式相对论力学相对论力学

2、第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.1 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当当 时时0tt oo与与 重合重合txxuyy zz tt 位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学以为：经典力学以为：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 yuo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yy 一、一、 伽利略变换式伽利略变换式 一、一、 伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式第六章

3、第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 zzaayyaaxxaa三、加速度变换公式三、加速度变换公式aaamF amFuxxv vyyvvzzvv二、伽利略速度变换公式二、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系中，牛顿运动定律具有一样的方式系中，牛顿运动定律具有一样的方式.x xy yuo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xtuz z yy第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.2 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

4、照系 , 牛顿力学的规律都具有牛顿力学的规律都具有一样的方式一样的方式 . 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 , 经典力学定律的方式是经典力学定律的方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: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 . 第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 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

5、的丈量是绝对的长度和时间的丈量是绝对的.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6.3 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观实际已证明实际已证明 , 绝对时空观是不正确的绝对时空观是不正确的.时空观：绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远时空观：绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远均匀流逝着，与任何均匀流逝着，与任何 外界事物无关；绝对的空间就其外界事物无关；绝对的空间就其本质而言与任何本质而言与任何 外界事物无关，它从不运动，并且永外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。亦称绝对时空观远不变。亦称绝对时空观第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变

6、换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 对于不同的惯性系，电磁景象根本规律的方式对于不同的惯性系，电磁景象根本规律的方式是一样的吗是一样的吗 ？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 z ssc第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2结果结果:察看者先看到投出后的球，后看到投出前的球察看者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光

7、波到试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波到达察看者所需求的时间达察看者所需求的时间. (根据伽利略变换根据伽利略变换)球球投投出出后后vcv第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 900 多年前公元多年前公元1054年年5月一次著名的超新星迸发，月一次著名的超新星迸发， 这次迸发的残骸构成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文这次迸发的残骸构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学家记载从公元 1054年年 1056年均能用肉眼察看年均能用肉眼察看, 特别是开场特别是开场的的 23 天天, 白天也能看见白天也能看见 .km/s1500v物

8、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迸发时当一颗恒星在发生超新星迸发时, 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, 现研讨超现研讨超新星迸发过程中光线传播引起的疑问新星迸发过程中光线传播引起的疑问 .第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 实践继续时间约为实践继续时间约为 22 个月个月, 这怎样解释这怎样解释 ?年25ABttt实际计算察看到超新性迸发的强光的时间继续约实际计算察看到超新性迸发的强光的时间继续约l = 5000 光年光年cvc

9、km/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第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.4 迈克尔孙迈克尔孙 莫雷实验莫雷实验19世纪曾经建立了完善的电磁实际世纪曾经建立了完善的电磁实际麦克斯韦实际，麦克斯韦实际，假设用伽利略变换，光速在不同的惯性系中有不同假设用伽利略变换，光速在不同的惯性系中有不同的值，寻觅光速为的值，寻觅光速为 的参照系。的参照系。为了丈量地球相对于为了丈量地球相对于“以太的运动以太的运动 , 1881年年迈克尔孙用

10、他自制的干涉仪进展丈量迈克尔孙用他自制的干涉仪进展丈量, 没有结果没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果, 即未观测到地球相对即未观测到地球相对“以太的运以太的运动动 .001 c第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 设：设：PM1=PM2=L，仪器，仪器相对地球静止，相对地球静止， 地球相地球相对对“以态速度为以态速度为uSuLPTM1M2利用伽利略变换可得：利用伽利略变换可得：光由光由PM1P所用时间所用时间122221)1(22 cucLucLcucLucLt光

11、由光由PM2P所用时间，由于安装随地球运动，该光所用时间，由于安装随地球运动，该光线所走的实践光路如以下图所示。线所走的实践光路如以下图所示。第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 LM2PPOut2由几何关系：由几何关系：222POPPOP22222)2()2(utLct即：2122222)1(22 cucLucLt两光线的时间差：两光线的时间差：3221cLuttt 光程差：光程差：22cLutc 第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 将整个安装转将整个安装转900，此时，两光线正好互换，所需时间差，此时，两

12、光线正好互换，所需时间差3221cLuttt 22cLutc 光光 程程 差：差：转动前后总的光程差：转动前后总的光程差：2202cLu 转动前后条纹挪动数：转动前后条纹挪动数：2202/cLuN 假设假设L=11m , =5.910-7m (Na光光, u=30km/s ,那么有那么有 N=0.37 ! 结果：条纹不动！结果：条纹不动！ 第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 爱因斯坦的哲学观念：自然爱因斯坦的哲学观念：自然界该当是调和而简单的界该当是调和而简单的. 实际特征：出于简单而归于实际特征：出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstei

13、n ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创建了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子实际方面具有很多的重要的奉献 .第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6 . 5 狭义相对论的根本原理狭义相对论的根本原理 1爱因斯坦相对性原理：物理定律在一切的爱因斯坦相对性原理：物理定律在一切的惯性系中都具有一样的表达方式惯性系中都具有一样的表达方式 . 2光速不变原理：光速不变原理： 真空中的光速是常量，它真空中的光速是常量，它与光源或察看者的运

14、动无关，即不依赖于惯性系的与光源或察看者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择选择. 关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性 . 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. 一切的惯性参考系都是等价的一切的惯性参考系都是等价的 . 伽利略变换与狭义相对论的根本原理不符伽利略变换与狭义相对论的根本原理不符 .一、一、 狭义相对论的根本原理狭义相对论的根本原理第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 cu211二二 . 洛伦兹变换式洛伦兹变换式z z yx xyuo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP)(txutxxu2

15、1yy zz )(xctxctt2221uu 设设 ： 时，时， 重合重合 ; 事件事件 P 的时空的时空坐标如下图坐标如下图 .0tt,oo 长度的丈量是和同时性概念亲密相关长度的丈量是和同时性概念亲密相关.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 )(txxuyy zz )(xctt2u正正变变换换) (txxu yy zz ) (xctt2u逆逆 变变 换换 光速在任何惯性光速在任何惯性系中均为同一常量系中均为同一常量 ，利用它将时间丈量与利用它将时间丈量与间隔丈量联络起来间隔丈量联络起来 .z z yx xyuo o ss*) , , , (tzy

16、x),(tzyxP第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 1 与与 成线性关系，但比例系数成线性关系，但比例系数 .2 时间不独立，时间不独立， 和和 变换相互交叉变换相互交叉. 3 时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略变换。伽利略变换。 , txtx,1xtcu洛伦兹变换特点洛伦兹变换特点 意义：根本的物理定律应该在洛伦兹变换下保意义：根本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变持不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性的对称性 相对论对称性相对论对称性 .第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利

17、略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 tdxdvx dtdxvx 定义定义221cuuvdtxdx22211cuvcudttdx由洛仑兹由洛仑兹坐标变换坐标变换xxxvcuuvv21 上面两式之比上面两式之比洛仑兹速度变换：洛仑兹速度变换：第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 t ddyt dyd由洛仑兹变换知由洛仑兹变换知dttddtdy22211cuvcudttdx22211cuvcuvvxyy由上两式得由上两式得22211cuvcuvvxzz同样得同样得第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 洛仑兹速度变换式洛仑兹

18、速度变换式xxxvcuuvv21 22211cuvcuvvxyy22211cuvcuvvxzz正变换正变换 xxxvcuuvv2122211cuvcuvvxyy22211cuvcuvvxzz逆变换逆变换第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 例：想象一飞船以例：想象一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，的速度在地球上空飞行， 假设这假设这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速度相对飞船速度为为0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？。问：从地面上看，物体速度多大？解：解：选飞船参考系为选飞船参考系为系。系。S 地面参考系为地面参考系为系。系。Sxv S Suxx cu80.0 cvx90.0 xxxvcuuvv 2190.080.0180.090.0 ccc99.0 第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 例、在惯性系例、在惯性系S中，有两事件发生于同一地点，且第二中，有两事件发生于同一地点，且第二事件比第一事件晚发生事件