爱因斯坦假设与洛伦兹变换

爱因斯坦假设与洛伦兹变换第1页，课件共51页，创作于2023年2月主要内容§1爱因斯坦假设与洛伦兹变换§2相对论时空观§3相对论速度变换公式§4相对论多普勒效应*§5狭义相对论中的动量质量和能量第2页，课件共51页，创作于2023年2月到19世纪末，经典物理学的发展已经相当成熟，“往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已”。但这时看似晴朗的物理学的天空却出现了“两朵乌云”。相对论和量子力学是近代物理学的两个基础理论，它们深刻改变人们对物质世界的认识。1测量地球相对“以太”运动的否定结果与存在绝对静止的“以太”参考系相矛盾。2黑体辐射规律与能量均分定理相矛盾。这导致相对论和量子力学的诞生。前言第3页，课件共51页，创作于2023年2月1879–1955AlbertEinstein爱因斯坦第4页，课件共51页，创作于2023年2月爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家之一,1905年、1915年先后创立狭义和广义相对论，1905年提出了光量子假设,1921年获得诺贝尔物理学奖；还在量子理论方面有重要贡献。AlbertEinstein第5页，课件共51页，创作于2023年2月20岁时，哥哥从地球出发乘飞船运行10年后再回到地球，弟兄见面的情景？哥哥20.5岁弟弟30岁飞船速度哥哥测的是原时，弟弟测的是两地时。一双生子效应（twineffect）第6页，课件共51页，创作于2023年2月

牛顿的时空观爱因斯坦的时空观牛顿的相对性原理伽利略变换相对性原理—光速不变原理洛仑兹变换运动学效应时间膨胀长度收缩相对运动二时空观对比革命性的第7页，课件共51页，创作于2023年2月对相对性已有的认识：以上两点认识说明：局限来源于对时空的认识牛顿定律有局限性牛顿定律适用于惯性系运动描述与参考系有关,运动规律与参考系无关。对牛顿力学的认识：三两点认识第8页，课件共51页，创作于2023年2月教育人们要超越自我，客观地看问题。相对性问题的核心是：物理规律是客观存在的，与参考系无关。即参考系平权，没有特殊的参考系。归根结底是：认识论方法论的问题。四结论第十六章狭义相对论基础

第9页，课件共51页，创作于2023年2月A君以我为标准的结果：B君问题是：教育人们超越自我如：什么是上？下？A君说：头朝上。B君也说：头朝上。科学的语言必须准确！

必须用规律来表述！万有引力定律：

下：指向地心A君看B君，大头朝下！第十六章狭义相对论基础

第10页，课件共51页，创作于2023年2月2自觉摆脱经验的束缚—以事实为依据牛顿相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理惯性系宏观低速惯性系所有参考系逐渐深化的过程五学习本章的正确态度1超越自我认识的局限适用范围第十六章狭义相对论基础

第11页，课件共51页，创作于2023年2月§16.1爱因斯坦假设与洛伦兹变换第十六章狭义相对论基础

第12页，课件共51页，创作于2023年2月

时间和空间，简称时空。物质的运动与时空的性质紧密相关，因此对时空性质的研究一直是物理学中的一个基本问题。物理学对时空的认识可以分为三个阶段：牛顿力学阶段、狭义相对论阶段和广义相对论阶段。

狭义相对论是惯性系中的时空的理论，不能处理涉及引力的问题。

广义相对论则把相对论推广到任意参考系，是关于时空和引力的理论。16.1.1经典力学时空观和伽利略变换第十六章狭义相对论基础

第13页，课件共51页，创作于2023年2月*一伽利略变换设S′系相对于S系以匀速v沿x轴运动，观察两参考系中同一事件的时空关系。则其后任意时刻当

t=t′=0时o与o′重合t=t′第十六章狭义相对论基础

第14页，课件共51页，创作于2023年2月*位置坐标变换关系速度变换公式第十六章狭义相对论基础

第15页，课件共51页，创作于2023年2月加速度变换公式

在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律具有相同的形式。*第十六章狭义相对论基础

第16页，课件共51页，创作于2023年2月二经典力学时空观1绝对空间：空间与运动无关,空间绝对静止；空间的度量与惯性系无关,绝对不变。2绝对时间：时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间。第十六章狭义相对论基础

3绝对时空观：牛顿力学认为，时间与空间互相独立，在两个作相对运动的惯性系中测量，时间间隔和长度都是相同的，即与参考系的选择无关。第17页，课件共51页，创作于2023年2月注意

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的。但在高速运动情况下则不适用。第十六章狭义相对论基础

牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理第18页，课件共51页，创作于2023年2月⑴事件：具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象例如：一个闪光在某一时刻t，到达某一地点（x,y,z）就是一个事件，其时空坐标是（x,y,z,t)。⑵时空坐标：一个事件发生的时间和地点，称为该事件的时空坐标或时空点。第十六章狭义相对论基础

三问题的提出1几个基本概念第19页，课件共51页，创作于2023年2月⑷时空变换：同一事件P在两个惯性系中时空坐标（）和（）间的变换关系。

时间零点的定义：⑶如何表示时间？在讨论时空性质时，我们关心的是时空坐标，而不必再去关心引入时空概念的事件。第十六章狭义相对论基础

时空坐标代表时间和长度的测量值，则时空变换反映了时间和空间与参考系选择的关系。第20页，课件共51页，创作于2023年2月对电磁现象的研究表明:

电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换。真空中的光速问题归结为：第十六章狭义相对论基础

2问题第21页，课件共51页，创作于2023年2月问题a：设有一列火车在地面上作匀速直线运动，还有两个结构完全相同的钟和两把完全相同的尺。在同一参考系中，这两个钟走得一样快，这两把尺的长度严格相等。现把其中的一个钟和一把尺放在火车上（动钟、动尺），另一个钟和另一把尺留在地面（静钟、静尺），并让这两把尺都沿着火车运动的方向放置。问：动钟和静钟哪个走得快？动尺和静尺哪个更长？—时空变换问题第十六章狭义相对论基础

第22页，课件共51页，创作于2023年2月球投出后问题b:试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间.球投出前(根据伽利略变换)

结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球！？第十六章狭义相对论基础

第23页，课件共51页，创作于2023年2月问题c当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问。l

=5000光年物质飞散速度AB第十六章狭义相对论基础

第24页，课件共51页，创作于2023年2月A

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间l

=5000光年物质飞散速度AB理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约，实际持续时间约为22个月，这怎么解释！？第十六章狭义相对论基础

第25页，课件共51页，创作于2023年2月16.1.2迈克耳孙-莫雷实验一历史背景11864年麦克斯韦预言光是电磁波。根据电磁学理论，光在真空中的传播速率为：其中ε0和μ0分别为真空介电常量和真空磁导率，与参考系无关。因此在任何惯性系中，光沿各个方向的传播速率都等于c。或者说，对于描述电磁波的传播来说，所有的惯性系都是平等的。第十六章狭义相对论基础

第26页，课件共51页，创作于2023年2月按伽利略速度变换，如果在某一惯性系S中沿各个方向的光速都是c,则在以速度v

运动的惯性系S′中观测，沿运动方向的光速为cv，沿反方向的光速为c+v。对于描述电磁波的传播来说,S系和S′系不平等。（1）修改电磁学理论，让它服从伽利略相对性原理。3解决这一矛盾有二种可能的选择2光速不变与伽利略相对性原理矛盾

第十六章狭义相对论基础

第27页，课件共51页，创作于2023年2月电磁学理论正确性已被实验验证，涉及电磁波的传播等高速运动，伽利略变换是否适用，没被实验验证，没有理由修改电磁学理论！？第十六章狭义相对论基础

（2）认为伽利略相对性原理和电磁学理论都正确，但电磁学定律只是在绝对静止的惯性系中成立。这一绝对静止的惯性系就是当时所谓的“以太”参考系。第28页，课件共51页，创作于2023年2月如果“以太”真的存在，地球就要相对“以太”运动，在地面上沿不同方向的光速就应该有差别！？按照光的“以太”假说，光在真空中传播也需要介质，这种介质称为“以太”；第十六章狭义相对论基础

“以太”充满整个宇宙空间，并且是绝对静止的；在“以太”参考系中，沿各个方向的光速都是c。第29页，课件共51页，创作于2023年2月第十六章狭义相对论基础

v地球c光对以太v地球对以太光对地球u11m臂长s底盘1镜2镜玻片O迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹相对速率590nml=地球s底盘1镜2镜玻片O迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹相对速率二迈克耳孙-莫雷实验第30页，课件共51页，创作于2023年2月G

M1

G设“以太”参考系为系，是绝对静止系；实验室(地球)为系，相对以太的速度为

v光对以太的速度为c光对地球的速度为u1迈克耳孙-莫雷实验分析GM1M2T2212cc（）lv-=考察光路1第十六章狭义相对论基础

光对以太地球对以太光对地球uvc第31页，课件共51页，创作于2023年2月GM1M2T（从系看）G

M2M2

GG

M2

G考察光路2第十六章狭义相对论基础

光对以太地球对以太光对地球uvc第32页，课件共51页，创作于2023年2月两束光线到达望远镜的时间差为两光束的光程差为把整个仪器旋转90度，时间差变号，旋转前后两次的光程变化为2ΔL。第十六章狭义相对论基础

第33页，课件共51页，创作于2023年2月仪器可测量精度实验结果说明:未观察到地球相对于“以太”的运动。

应该观察到干涉条纹的移动2实验结果:

结论：作为绝对参考系的以太不存在。

在地面上沿不同方向的光速相等。第十六章狭义相对论基础

第34页，课件共51页，创作于2023年2月

以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验。1881年到1887年期间，迈克耳孙和莫雷使用由迈克耳孙发明的干涉仪，试图通过测量不同方向光速的差别来测量地球相对“以太”的运动。近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但结论却没有任何变化。第十六章狭义相对论基础

第35页，课件共51页，创作于2023年2月零实测结果：经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找“以太”著名的“零结果”。第十六章狭义相对论基础

迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.第36页，课件共51页，创作于2023年2月爱因斯坦的思路爱因斯坦把伽利略相对性原理加以推广，让电磁学理论服从推广后的相对性原理，坚信相对性原理是自然界普遍规律的表现，揭示了同时性具有相对性。在1905年发表的题为《论动体的电动力学》的论文中，提出狭义相对论所依据的两条基本假设，创建了狭义相对论。16.1.3爱因斯坦的假设第十六章狭义相对论基础

第37页，课件共51页，创作于2023年2月1相对性原理物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式。对于描述物理定律，所有的惯性参考系都是平等的，不存在特殊的绝对惯性系。2光速不变原理在所有惯性系中，光在真空中的传播速率都等于c，与光源和观察者运动状态无关。观察者测得的光速都等于c。例如：1964年对速度为0.99975c的介子（光源）衰变发射的

射线进行了测量，验证光速不变。第十六章狭义相对论基础

第38页，课件共51页，创作于2023年2月第十六章狭义相对论基础

关键概念：相对性和不变性伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符狭义相对论的基本原理与实验事实相符合这两条基本原理是狭义相对论的基础.引导爱因斯坦提出光速不变原理和创建狭义相对论的基本线索是电磁学，而迈克耳孙莫雷实验的否定结果不占据主导地位。但是爱因斯坦还在学生时代就在思考光速与物体运动之间的关系，并高度评价迈克耳孙莫雷实验的科学意义。第39页，课件共51页，创作于2023年2月设时

*16.1.4

洛伦兹变换事件P的时空坐标如图所示重合洛伦兹坐标变换式从爱因斯坦提出的两条基本原理出发，简单导出洛伦兹变换。

第十六章狭义相对论基础

第40页，课件共51页，创作于2023年2月伽利略变换：？？在同一个惯性系中任意两个时空点都是等价的。这要求新变换只能是线性变换，在变换关系式中只包含坐标和时间的一次项。*一由时空的均匀性确定变换式第十六章狭义相对论基础

第41页，课件共51页，创作于2023年2月新变换可以表示为：按爱因斯坦相对性原理，系和S系是等价的，有：*得第十六章狭义相对论基础

第42页，课件共51页，创作于2023年2月设想当原点

O′和

O重合时，由原点发出一个闪光。光速与参考系的运动无关，无论在

S′系还是在S系中观察,有：二