大学物理11相对论课件

2023/10/101①提高实验精度②扩大理论应用范围，解释自然现象相当完善的程度物理学的大厦已经建成以后任务晴朗天空！近代物理经典物理学发展到19世纪80年代4牛顿、惠更斯和菲涅耳——波动光学牛顿——经典力学2克劳修斯、玻耳兹曼——热力学和统计物理3安培、法拉第和麦克斯韦——电磁场理论2023/10/71①提高实验精度②扩大理论应用范围，解2023/10/102

人们对物理世界的解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。”在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在《元旦献词》中曾经说过：“在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。”与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云.2023/10/72人们对物理世界的解释已经达2023/10/103晴朗天空！以太之谜紫外光灾难使物理学界大为震惊！X射线（伦琴1895）放射性（居里1896）电子（汤姆逊1897）打破原子不可分的神话物理学许多领域一系列理论与实验尖锐矛盾正当欢欣鼓舞之时但是好景不长！迈克耳逊一莫雷实验黑体辐射实验相对论量子力学近代物理两大理论支柱2023/10/73晴朗天空！以太之谜紫外光灾难使物理学界大2023/10/104物理领域拓展宏观低速——经典物理微观低速——经典量子论微观高速——相对论量子理论宏观高速——相对论微观：l<10–5m

高速：v>106m/s观测角度不同，看到的现象不同，或者对事物的描述不同——相对性横看成岭侧成峰，远近高低各不同。——苏轼《题西林壁》2023/10/74物理领域拓展宏观低速——经典物理微观低速2023/10/105广袤的星空，神秘的宇宙，多少遐想在科学面前成为现实。相对论第三章2023/10/75广袤的星空，神秘的宇宙，多少遐想在科学面2023/10/106

AlbertEinstein

1879—19551921年获得诺贝尔物理学奖（光电效应）1915——广义相对论（非惯性系）从加速参照系与引力场等效的原理出发，提出新的引力理论和引力场中的时空结构。1905——狭义相对论（惯性系）运动物体的电动力学出发,提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质量和能量的内在联系。2023/10/76AlbertEinstein19212023/10/107船走吗?舟行而不觉也一、狭义相对论产生的历史背景1.经典力学的相对性原理力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律，或者说在研究力学规律时一切惯性系都是等价的。3.1狭义相对论的基本原理(简称:力学相对性原理)2023/10/77船走吗?舟行而不觉也一、狭义相对论产生的2023/10/1082.伽利略变换变换——不同参照系对同一运动的描述之间的数学对应关系。在两个惯性系中考察同一物理事件：t时刻，物体到达P点。约定重合时任意时刻K系静止2023/10/782.伽利略变换变换——不同参照系对2023/10/109(1)伽利略坐标变换

或2023/10/79(1)伽利略坐标变换或2023/10/1010(2)伽利略速度变换

(3)伽利略加速度变换

伽利略坐标变换

质点的加速度对伽利略变换是不变的。2023/10/710(2)伽利略速度变换(3)伽利略加速2023/10/10113.力学基本规律对伽利略变换具有不变性例：牛顿第二定律对伽利略变换具有不变性在K系中在K’系中又：动量、机械能守恒定律对伽利略变换具有不变性推广:经典力学中所有的基本规律对伽利略变换都具有不变性。2023/10/7113.力学基本规律对伽利略变换具有不变2023/10/1012（1）时间间隔：

有两个事件（两次闪光）系：系：闪光1闪光2由伽利略变换：结论：（绝对时间）不同的惯性系中，时间及间隔相同，与参照系选取无关。4、经典的时空观2023/10/712（1）时间间隔：有两个事件系：系：2023/10/1013（2）空间间隔：结论：不同的惯性系中，空间间隔不变，与参照系选取无关。（绝对空间）(3)时间与空间相互独立,彼此无关2023/10/713（2）空间间隔：结论：不同的惯性系中，2023/10/10145.伽利略变换与电磁理论的矛盾光速的数值起了特别重要的作用(1)伽利略变换下的光速2023/10/7145.伽利略变换与电磁理论的矛盾光速的2023/10/1015(2)麦克斯韦电磁理论中的光速(3)实验结果(迈克耳逊-莫雷实验)光或电磁波的运动不服从伽利略变换当时科学家解释：1.存在一种只适用于力学规律的相对性原理，但不适用电磁学。电磁规律在“以太”中成立。2.存在适用于二者的相对性原理，但电磁说得加以修正。3.存在适用于二者的相对性原理，但牛顿理论得加以修正。2023/10/715(2)麦克斯韦电磁理论中的光速(3)2023/10/1016

迈克耳逊—莫雷（Michelson—Morleg）实验以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的差异。由于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到条纹的移动。

迈克耳逊—莫雷实验没有观测到预期的条纹移动，称为零结果，说明光速不变。实验结果：没有测出以太速度，光速和麦氏理论一致实验目的：寻找以太惯性系，测出地球相对以太速度2023/10/716迈克耳逊—莫雷（Michels2023/10/1017二、狭义相对论的两个基本假设(两个基本原理)1.狭义相对性原理在所有惯性系中,一切物理学定律都具有相同的数学表达式。2.光速不变原理在所有惯性系中，光在真空中的速率都相等(等于C)。确认两个假设,就必彻底抛弃绝对时空观,修改伽利略变换2023/10/717二、狭义相对论的两个基本假设(两个基本2023/10/1018三、洛仑兹坐标变换1.表达式或其中2023/10/718三、洛仑兹坐标变换1.表达式或其中2023/10/10192.三点说明(1)当时,经典极限条件(2)时间、空间相互关联并与参照系的运动有关。(3)真空中的光速是一切实际物体运动速度的上限。2023/10/7192.三点说明(1)当2023/10/10203.四点注意(1)适用条件:当时,与重合并且(2)洛仑兹变换是指同一事件在不同惯性系中两组时空坐标的变换。(3)各惯性系中的时间、空间的量度基准必须一致。2023/10/7203.四点注意(1)适用条件:当2023/10/1021(4)时间间隔和空间间隔2023/10/721(4)时间间隔和空间间隔2023/10/1022四、洛仑兹速度变换2023/10/722四、洛仑兹速度变换2023/10/1023由洛仑兹时空坐标变换式知同理2023/10/723由洛仑兹时空坐标变换式知同理2023/10/1024洛仑兹速度变换式逆变换正变换2023/10/724洛仑兹速度变换式逆变换正变换2023/10/1025一维洛仑兹速度变换式2023/10/725一维洛仑兹速度变换式2023/10/1026例1：在惯性系K中，有两个事件A、B同时发生在X轴上相距1000m的两点，而在另一惯性系K’中测得这两事件发生的地点相距2000m,求在K’系中测得这两个事件的时间间隔。K系：K’系：解:又则2023/10/726例1：在惯性系K中，有两个事件A2023/10/1027例2：观察者甲和乙分别静止于两个惯性系K和K’中，甲测得在同一地点发生的两个事件的时间间隔为4s,而乙测得这两个事件的时间间隔为5s,求乙测得这两个事件发生的地点的距离。甲:乙：解:又则甲乙2023/10/727例2：观察者甲和乙分别静止于两个惯性系2023/10/1028例3：设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体相对飞船速度为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？s2023/10/728例3：设想一飞船以0.80c的速度在2023/10/1029解：选飞船参考系为S'系地面参考系为S系2023/10/729解：选飞船参考系为S'系地面参考系为S2023/10/1030一、狭义相对论的两个基本假设(两个基本原理)1.狭义相对性原理在所有惯性系中，一切物理学定律都具有相同的数学表达式2.光速不变原理在所有惯性系中，光在真空中的速率都相等(等于C)小结2023/10/730一、狭义相对论的两个基本假设(两个基本2023/10/1031二、洛仑兹坐标变换逆变换正变换空间间隔与时间间隔2023/10/731二、洛仑兹坐标变换逆变换正变换空间间隔2023/10/1032三、洛仑兹速度变换逆变换正变换2023/10/732三、洛仑兹速度变换逆变换正变换2023/10/1033一维洛仑兹速度变换式2023/10/733一维洛仑兹速度变换式2023/10/1034X射线的发现（伦琴1895）

19世纪末，阴极射线是物理学研究课题，许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，2-3厘米木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。2023/10/734X射线的发现（伦琴1895）2023/10/10351895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新射线——初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。X射线发现才4天，美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。企业家蜂拥而至，出高价购买X光射线技术。50万，100万，出价越来越高。“哪怕是1000万，”，伦琴淡淡的一笑答道：“我的发现属于全人类。但愿这一发现能被全世界科学家所利用。这样，就会更好地服务于人类……”因此，伦琴没有申请专利权。他知道，如果这项技术被一家大公司独占，穷人就出不起钱去照X光照片。爱迪生得知这个消息后深受感动。他为接收X光发明了一种极好的荧光屏，和X光射线管配合使用，也没有申请专利权。在诺贝尔逝世五年以后，首次颁发他所奠基的诺贝尔奖。伦琴是第一个获物理奖的人。他高兴地接收了诺贝尔奖金，但是却把数额为5万瑞典克罗纳的奖金转赠给沃兹堡大学。

2023/10/7351895年12月22日，伦琴和他夫2023/10/1036放射性（居里1896与夫人)

伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然物体是否也能产生Ｘ光那样的放射现象呢？由于有着家庭的背景，贝克勒尔捷足先登，从诸多发光物体中，最后选择到铀盐。最初他认为是由太阳激发铀盐的荧光，但是，由于天连续阴雨绵绵，贝克勒尔不得不把用黑纸包的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉，结果底片仍旧被铀盐感光了，铀元素自身也能产生辐射的现象，再一次引起了人们的关注。贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象，引起了人们对原子核问题的关注。贝克勒尔获1903年诺贝尔奖2023/10/736放射性（居里1896与夫人)2023/10/1037

居里夫人认为:不应只有一种元素能自发辐射，其他元素是否也有同样的性质?她进行了艰苦的提炼工作，终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强400倍!1898年7月，为纪念自己的祖国波兰，居里夫人宣布这种元素为“钋”。1898年12月，居里夫人又宣布发现了镭(radium)!2023/10/737居里夫人认为:不应只有2023/10/1038在阴极射线的争论中，J.J.汤姆生认为带电微粒说更符合实际。X射线的发现宣布后，他立即用X射线轰击