17-1-2相对论.ppt

1、教学的基本要求是：第一，掌握爱因斯坦狭义相对论的两个基本原理和在此基础上建立的洛伦兹变换；第二，掌握同时相对性、长度收缩和时间延迟的概念；第三，掌握牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空观及其区别；第三，掌握狭义相对论中质量、动量和速度的关系以及质量和能量的关系。19世纪末，牛顿定律在各个领域都取得了巨大的成功：不用说，在机械运动和分子物理学中，它成功地解释了气体的温度、压力和内能。在电磁学中，建立了一个可以推导出所有电磁现象的麦克斯韦方程。此外，还发现了力、电、光和声音遵循的能量转换和守恒定律。当时，许多物理学家陶醉于这些成就和胜利。他们认为物理学已经走到了尽头。1900年，英国物理学家开尔文在

2、他的文章展望20世纪物理学的发展中说，也就是说，物理学中没有什么新东西，而后世只需要再做一次实验，并在实验数据的小数点后加几个！毕竟，开尔文是一个重视现实并且有眼光的科学家。在上述文章中，他还说：这两朵乌云是什么意思？黑体辐射实验，迈克尔逊-莫雷实验，以及后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成了一场革命性的风暴，而这些乌云落入了一场春雨，浇了两朵花。普朗克量子力学的诞生和相对论的出现，这两个乌云是什么？经典力学、量子力学、相对论、微观场、高速场。今天，我们将介绍相对论。(经典力学遇到的所谓障碍是经典力学的时空观存在问题。相对论从根本上改变了经典的时空观。相对论可以分为狭义相对论和广义相对论：爱因

3、斯坦是人类最高智慧的象征，爱因斯坦的主要科学贡献：光量子理论、狭义相对论和广义相对论。阿尔伯特爱因斯坦于1895年在瑞士阿劳州立中学学习。他于1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院。1902年，他被聘为伯尔尼瑞士专利局的三级技术人员。1905年，爱因斯坦发表了六篇论文，提出了划时代的“光的量子理论”、“狭义相对论”和“布朗运动理论”。1.狭义相对论，限于惯性参照系，特别是对于高速运动的微观粒子，(1)狭义相对论的两个基本原理，a，相对论原理，b，光速不变原理，(3)关于时空结构与物质和运动关系的时空观，(2)洛伦兹变换，(4)相对论动力学和电动力学，(5)质能关系非惯性参照系被视为惯性参照系，

4、加速度场相当于重力场。所有物理定律适用于所有参照系。(2)广义相对论揭示了时空结构和物质的统一。(3)天体物理学的基本理论基础。光束弯曲当光束通过重力场时，它的轨道应该根据等效原理弯曲。例如，当星光经过太阳边缘时，我们应该观察光束的“位移”，这只能在日食期间发现。广义相对论的实验验证在1919年的日全食期间，一个国际代表团进行了一项调查。调查人员拍摄了日食时星空的照片，然后将这些照片与没有太阳的星空的相同部分进行比较，发现星星的位置发生了移动。这证实了爱因斯坦的预测，即光束在经过太阳附近时会发生偏移(角度偏移约为1.75)。引力场中光弯曲的一个必然推论是引力透镜的成像问题。早在1920年，爱丁

5、顿就提出引力场会聚成像可以作为广义相对论的一种检验；重力红移原子或光子的振动可以被视为最简单的时钟。光子振动频率的变化将光束的颜色转移到光谱的红色端，所以这被称为引力红移。在有巨大引力的地方，原子发出的光的波长变长，频率变小，太阳是一个巨大的引力场。水星近日点的岁差行星实际上并不按照椭圆运动，因为邻近天体的影响扰乱了这颗行星的运动。水星在所谓的近日点进动中尤为明显。根据开普勒的理论，行星每年都应该经过同一个近日点。然而，据观察，这个轨道点的位置相对于静止的恒星每100年改变大约13320”。如果考虑到所有可见已知行星的影响，水星近日点的进动值大约是每100年13237。牛顿万物定律预测的结果与

6、天文学观察到的结果相差100年43倍，其原因尚未解释。起初，这种现象被归因于另一颗行星的影响，它被提前命名为火神，但这颗行星从未被发现。广义相对论可以推导出牛顿万物定律中其他行星的所有结论，还可以给出水星近日点每百年缺失43个。17-1伽利略变换的经典力学旧时空观，17-2爱因斯坦的洛伦兹坐标变换假说，17-3狭义相对论的时空观；17-4狭义相对论动力学基础，1)伽利略坐标变换(简称“GT”)和经典时空观，2)伽利略相对论原理，例如)汽车沿X轴高速运动，人们打开汽车上的手电筒，灯光以光速在汽车中传播(K系统)，然后人在地面上传播(K系统)。人们在“GT”地面上测量的光速是：可以看出，“GT”下

7、的光速没有限制。麦克斯韦方程与伽利略变换不相容。自从牛顿定律建立以来，人们已经成功地解释了力、热、电、光和声音的现象。牛顿定律达到了顶峰，人们可以说已经达到了崇拜牛顿定律甚至迷信的程度。人们普遍认为牛顿定律是万能的。麦克斯韦在20世纪60年代建立了麦克斯韦方程来解释电磁现象。推导了电磁波方程。其中c是真空中的光速，你如何看待电磁波和光速？因为牛顿定律在人们的头脑中占主导地位。人们很自然地将机械波与牛顿定律成功解释的机械波进行比较。机械波、电磁波(光)1)的传播依赖于弹性介质，其波速由弹性模量和介质密度决定。例如，声波在空气中传播，以及2)波速是相对于参考系的波速，参考系相对于静止介质是静止的。

8、1)依靠遍布宇宙的“以太”(Aether)。c很大，所以“以太”应该比钢更硬，恒星应该在里面自由运动。2)C是相对于“以太”参照系的速度，而“以太”参照系是宇宙中绝对静止的参照系。根据上述分析，麦克斯韦方程只适用于绝对静止的“以太”参照系，根据“GT”，不同的光速应该在不同的参照系中测量。这意味着宇宙中有一个特殊的参照系以太参照系，其中光速是摄氏度，不同的光速将在其他惯性参照系中测量。但是仅仅这样想是不够的，因为物理学是一门实验科学。只有通过实验证明这个观点，我们才能真正找到这个绝对静止的参照系。如果我们真的找到了这个绝对静止的参照系，那么物质世界的画面就会更加清晰所有的物质都在这个绝对静止的

9、参照系中绝对运动。整个宇宙是一个充满“以太”的绝对空间。当时，许多科学家试图证实这个绝对静止的参照系，结果如何？每个人都花费了大量的精力，但是这个参照系还没有被发现，但是它为相对论的出现提供了实验基础。这些实验都是电磁实验，其中最著名的是阿米切尔森-莫利实验。这个实验的总的想法是，光到达以太的速度是C，地球在以太系统中运动，并按照伽利略的速度变化，在地球上测量的光速不是C，而是另一个值。在顺风和逆风骑自行车时，风速是不同的。孙鹤芝莫雷实验，为了测量地球相对于“以太”的运动，孙鹤芝在1881年用他自制的干涉仪测量了它，但没有结果。1887年，他和莫雷以更高的精确度再次做了这种实验，但仍然没有得到

10、任何结果，也就是说，没有观察到地球相对于“以太”的运动。让“以太”参考系统为S系统，实验室系统为S系统。人们为维护“以太”的概念做了各种努力，提出了各种理论，但这些理论与天文观测或其他实验相矛盾，最终都失败了。该仪器可以精确测量，并且在实验结果中没有观察到地球相对于“以太”的运动。迈克尔逊干涉仪通过干涉条纹运动来测量光速。然而，实验结果没有看到预期的条纹运动。干涉仪是一种高精度的仪器。这个结果只能得出这样的结论：当光向任何方向传播时，光速是相同的。结果是，人们在逆风和顺风骑自行车时感受到相同的风速。这不符合人们的逻辑，被称为实验的负面结果。让人惊讶！因为这意味着经典物理学有问题，这意味着绝对时

11、间、绝对空间、伽利略变换等等都是无稽之谈。像乌云一样，它覆盖了物理学的晴空。有些人感到沮丧，我们信奉的牛顿定律不起作用。这难道不是科学的毁灭吗？有些人不相信实验的真实性，继续为实验改进实验设备。而且，春天是夏天造的，秋天是冬天造的；在平坦的土地上进行高山实验的精确度越来越高，越来越多的人可以做实验，甚至几乎每个大学都可以做，但是结果还是一样的，地球上的光速与地球的速度无关。有些人不相信实验的真实性，继续改进实验设备进行实验。而且，春天是夏天造的，秋天是冬天造的；在平坦的土地上进行高山实验的精确度越来越高，越来越多的人可以做实验，甚至几乎每个大学都可以做，但是结果还是一样的，地球上的光速与地球的

12、速度无关。他总是为任何看似无可非议的问题提出理由。例如，他怀疑一米等于一米，一秒等于一秒。他说：“人们已经弄清楚了时间和空间，所以他们不再研究它。我从小就不明白，长大后我会继续学习。他发展了相对论。”。正是这样一个人，年仅26岁的爱因斯坦在1905年提出了两个假设，创立了狭义相对论(并在1916年发表了广义相对论)。当然，这不再是一个假设，而是两个基本原则。谁突破了旧传统观念的束缚！阿尔伯特爱因斯坦(1879 - 1955)，1。狭义相对论的两个基本原理。相对论原理：所有的物理定律都等同于所有的惯性参照系。注：相对论原理实际上是伽利略相对论原理的延伸，但它不仅包括机械现象，还包括所有其他物理现

13、象。也就是说，所有的惯性系统都是相互平等的，没有一个系统比其他系统更特别，所有的惯性系统都是平等的。这意味着不可能通过实验来确定这个参考系统和其他参考系统之间的差异。没有特别的参照系。绝对参照系的存在被否认。当然，要找到一个电磁波速度有特殊值的参照系是不可能的。显然这是反对燃气轮机，但迈克尔逊-莫雷实验的负面结果是不可避免的。有些人觉得很难理解，如果光速不变的原则没有得到满足，因果关系就会颠倒过来，但是这种现象从来没有出现过。x，注：a)惯性系统；2)不要认为狭义相对论是迈克尔逊-莫雷实验的直接结果，它是近半个世纪大量实验的总结；当然，迈克尔逊-莫雷实验对证实狭义相对论有重要影响。1)光速不变

14、原理的适用条件；2)洛伦兹坐标变换(简称LT)，由荷兰人洛伦兹发现，他发现麦克斯韦方程在这种变换下具有不变性。2.洛伦兹坐标变换(简称LT)，即麦克斯韦方程在不同的惯性系统中具有相同的形式。这种转变源于相对论。有了惯性参照系s，s，如果在空间的某一点p发生了什么事，它的时间和空间就会坐为一体，所谓的坐标变换就是找出它们之间的关系。但在下结论之前，我们必须指出两点：(3)当坐标轴的原点和点重新组合时，它将作为公共计时的起点。1)坐标轴相互平行；2)系统相对于系统沿X轴匀速直线运动；(都是指这个参照系，以后不用声明)，(1)时间和空间是统一的，变换要求是线性的。所谓的时空是一致的，这意味着同一参考系中一个事件的时间间隔和空间间隔与它们发生的时间和地点无关。具体来说，条形AB是沿X轴放置的，无论它放在X轴的什么位置，长度都是相同的。一个物体从高处落下，但无论是现在还是以后，都需要相