相对论1解析课件

1、爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家之一，1879年3月14日出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。 爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在 3 个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。 爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖,爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人 二十世纪的哥白尼,第十四章 相 对 论 Theor

2、y of Relativity,14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 14-2 迈克耳孙-莫雷实验 14-3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式 14-4 狭义相对论的时空观 14-5 光的多普勒效应 14-6 相对论性动量和能量,4-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 Galilean Transformation,在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。,在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯性系是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确切知道某一惯性系本身是否“绝对静止”，则用任何力学

3、实验都不可能办到。,-力学的相对性原理,力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有惯性系都是等价的。,一、力学的相对性原理,二、伽利略变换 Galilean Transformation,1、坐标系的建立,在两个惯性系中考察同一物理事件,S系 惯性系,是S系相对S系运动的速度,系 惯性系,当 时两坐标系的原点O 与 相重合。,2、实际观测,t 时刻在P点发生任一事件,伽利略变换,( x, y , z , t ),逆变换,正变换,3、速度变换与加速度变换,在两个不同的惯性系中,自不同的惯性系，所观测到的同一质点运动的加速度是相同的，即物体的加速度具有伽利略变换下的不变性。,三、牛顿定律具有伽利略变

4、换不变性,牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能守恒定律等）在伽利略变换下形式不变。,结论：,在牛顿力学中,质量与运动无关,力与参考系无关,四、经典力学的时空观,1、事件所经历的时间与参照系的选择无关,无论从哪个惯性系进行观测事件所经历的时间间隔都相同,2、空间两点间的距离与参照系的选择无关,无论从哪个惯性系进行观测两点间的距离都相同,3、经典力学的绝对时空观,时间具有绝对性，空间具有绝对性，时间和空间是彼此分离不相关的,14-2 迈克耳孙-莫雷实验 The Michelson-Morley Experiment 14-3 狭义相对论的基本原理 Principle of Special Rel

5、ativity 洛伦兹变换式 Lorentz Transformation,一、矛盾与机遇,1、麦克斯韦方程组不具备伽利略变换不变性,麦克斯韦方程组在伽利略变换下，对不同的惯性系具有不同的形式。,a) 若伽利略变换正确，麦克斯韦方程组就必须修正;,b) 若麦克斯韦方程组正确，则伽利略变换就必须修正.,2、光速问题,由于地球自西向东转，因此无论如何，光相对于地球的传播速度不会是向各方向都相同的.,若光在S 系中速度为c , 则光在 系中沿 轴正方向的速度应为c v ;而沿 轴负方向的速度应为c + v 。,1731年，英国的一位天文爱好者比维斯发现: 星云的形状有点像螃蟹被取名为蟹状星云(Cra

6、b Nebula),1920年，推算其膨胀开始时刻应在860年前公元1060年左右。,宋会要记载：“嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。 ”,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 .,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,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 ?,3、迈克耳孙-莫雷实验 The Michelson-Morley Experiment

7、,著名的否定性实验（18811887）, 动摇了经典物理学的基础。,时间差的改变将导致干涉仪干涉条纹的移动.但观察的结果却出乎意料，观察不到预期值，多次改进实验仍是如此.实验得到的结果困扰了当时的科学界.,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,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.,二、狭义相对论的两个基本原理 （*重点*）,1、相对性原理 Relativity Principle,在所有惯性系中，一切物理定律的表示都是完全相同

8、的，即具有完全相同的数学表达式，即在研究物理规律时，一切惯性系是等价的.,2、光速不变原理 Principle of Constancy of Light Velocity,在所有惯性系中，真空中光沿各方向传播速率都等于一个恒量C , 与光源和观察者的速度无关,1905年26岁的爱因斯坦，不固守传统的时空观和经典力学的观念，在对实验结果和前人工作进行仔细分析和研究的基础上，从一个全新的角度考虑所有问题，提出了(论动体的电动力学)狭义相对论的两个基本假设：,三、洛伦兹变换 Lorentz Transformation (重点),某事件在 S 系中的 时空坐标为: （x, y, z, t ),同一

9、事件在 系中的 时空坐标为:,(x, y , z , t ),当 时两坐标系的原点O 与 相重合,三、洛伦兹变换,当 时两坐标系的原点O 与 相重合,正变换,洛仑兹变换,令: , 则:,正变换,逆变换,正变换,逆变换,令: , 则:,令: , 则:,正变换,逆变换,当 v c 时， =(v /c) 0 , 可得：,正变换,逆变换,伽利略变换,例1： 在 S 系中观察到两个事件同时发生在 x 轴上，其空间 （14-15） 距离是 1103 m，在 S 系中观察到这两个事件的空间 距离是 2103 m，求在 S 系中这两个事件的时间间隔。,解：,正变换,例2：在 S 系中观察到两个事件发生在空间同一地点，第二事 件发生在第一事件以后2s，在另一相