《狹義相對論》PPT課件.ppt
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第五篇近代物理基礎(chǔ),第八章狹義相對論基礎(chǔ),愛因斯坦,一個驚天的名字；愛因斯坦，一位擎天的巨人！有道是人乃萬物之靈，愛因斯坦則是人類之靈！他立足地球，放眼宇宙，在浩瀚的天空架起理論橋梁，他的理論正指引著地球人對神秘的太空進行不懈的探索。他是當之無愧的地球上“最杰出的人”！,一、狹義相對論和愛因斯坦,阿爾伯特．愛因斯坦（Albert．Einstein）1879年3月14日出生在德國西南距離慕尼黑八十五哩的烏耳姆城(Ulm)。父母都是猶太人。父親赫爾曼．愛因斯坦經(jīng)營著一個制造電器設(shè)備的小工廠。母親玻琳非常喜歡音樂，在小愛因斯坦六歲時就教他拉小提琴。小時侯，父親送給愛因斯坦一個羅盤。當他發(fā)現(xiàn)指南針不斷地指著固定的方向時，感到非常驚奇，覺得一定有什么東西深深地隱藏在這現(xiàn)象后面。他一連幾天很高興的玩這羅盤，還糾纏著父親和雅各布叔叔問了一連串問題。盡管他連“磁”這個詞都說不好，但他卻頑固地想要知道指南針為什么能指南。這種對自然現(xiàn)象的濃厚興趣，愛因斯坦直到老年還記憶猶新。,1：童年愛因斯坦,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,1905年，作為瑞士專利局的一名雇員，26歲的愛因斯坦發(fā)表了《論動體的電動力學》，奠定了“相對論”的基礎(chǔ)，“相對論”國際理論學界引起極大的震動。由于建立伽里略時空基礎(chǔ)上的牛頓力學在物理界的統(tǒng)治地位，當時理解和支持相對論的人甚少，德國、瑞士的許多老牌科學家既懷疑“相對論”，卻又無法駁斥，他們稱相對論為”詭辯論“。不過德國的理論權(quán)威、量子力學的創(chuàng)始人普朗克卻將愛因斯坦譽為二十世紀的哥白尼。,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,十九世紀末二十世紀初，由于力學、電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計物理學的相繼建立，不少物理學業(yè)家認為物理學的大廈已基本建成，物理理論上的一些原則問題已經(jīng)解決，今后的任務(wù)就是在已知規(guī)律的公式中的小數(shù)點后面加上幾位數(shù)字就行了，但是好景不長，在物理學晴朗的天空上出現(xiàn)了兩朵烏云。邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗。大量科學家經(jīng)過長期艱苦的勞動，卻無法用現(xiàn)成的物理理論解釋光速不因參考系變化的實驗事實和黑體單色輻射本領(lǐng)的實驗曲線。,,2：青年愛因斯坦,作為近代物理兩大支柱之一的相對論在申請諾貝爾物理學獎時，遭到德國日爾曼學派的反對。他們聲稱：若給“相對論”評獎，他們將集體退出評獎委員會。迫于壓力，又考慮到愛因斯坦對科學的無與倫比的貢獻，評委折中地把1921年的諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦的另一重大科學貢獻——光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)和光量子概念的提出。,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,3：愛因斯坦與諾貝爾獎,應(yīng)該指出：諾貝爾獎在愛因斯坦面前、在相對論面前實在是太微不足道了。在愛因斯坦理論寶庫中任意抽取一個小小的推論（譬如原子彈），就足以獲得諾貝爾獎?，F(xiàn)在看來，當年德國保守學派反對相對論評獎?wù)媸堑湫偷摹膀夫莺炒髽洹薄?第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,愛因斯坦對于科學事業(yè)的偉大貢獻是多方面的。他不僅是相對論的創(chuàng)始人，而且是一位多學科的理論研究家。他的科學業(yè)績主要包括四個方面：早期對布朗運動的研究；狹義相對論的創(chuàng)建；推動量子力學的發(fā)展；建立了廣義相對論，開辟了宇宙學的研究途徑。1905年創(chuàng)建的狹義相對論和1921年創(chuàng)建的廣義相對論是愛因斯坦的最重要的科學研究成果。,愛因斯坦離開人間半個多世紀了。他是燦爛的科學群星中最亮的一顆。他胸懷之博大、品格之崇高、學識之淵博、見解之深刻，將永遠是科技工作者的光輝典范。,4：科學巨匠愛因斯坦,愛因斯坦還是著名的社會活動家，二戰(zhàn)期間，他四處奔走呼吁，幫助和支持世界人民反法西斯的正義斗爭。特別是根據(jù)他的理論研制出的原子彈，給日本法西斯致命一擊。,愛因斯坦說：在科學殿堂里有三種人：一種人為了名利、一種人為了興趣、還有一種人為了真理、上帝將把前兩種人趕出科學殿堂。的確，愛因斯坦不知錢為何物，他曾把800美元支票用做書簽。,,,,,,,,,時兩坐標系重合,t時刻質(zhì)點在兩參照系下的坐標：,,,,,經(jīng)典時空觀中時間、空間不相干.,1.坐標變換關(guān)系,二、伽利略變換,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,S系,S’系,2.注意幾點,①.經(jīng)典時空中長度的量度是絕對的。,如在S和S’系中量度同一物體的長度是相同的。,,,,②.經(jīng)典時空中時間的量度是絕對的。,在S和S’系中時間量度相同。,,③.同時性是絕對的。,在S系同時發(fā)生的兩個事件，在S’系中也是同時發(fā)生的。,,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,3.伽利略速度變換,,由坐標變換公式對時間求導(dǎo),,經(jīng)典時空中速度滿足速度疊加原理。,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,4.伽利略加速度變換,,由速度變換公式對時間求導(dǎo),同理有,不同慣性系下，描寫同一質(zhì)點的加速度相同。,即經(jīng)典時空中牛頓第二定律適用于任何慣性系。,在慣性系中所有力學規(guī)律相同,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,三、經(jīng)典時空觀,經(jīng)典時空觀中時間與空間都是絕對的，彼此無關(guān)。,1.長度不變,2.時間不變,3.速度相加,4.絕對同時性,5.質(zhì)量不變,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,,慣性系中所有力學規(guī)律相同,機械波的傳播需要媒質(zhì)，當時物理學家們認為光波的傳播也需要一種媒質(zhì)----以太。,邁克爾遜為證明以太的存在，設(shè)計了測量地球在以太中運動速度的實驗。,地球相對以太以v運動，以太風從右邊吹來。,,1.經(jīng)路徑1往返時間為,2.經(jīng)路徑2往返時間為,四、邁克爾遜—莫雷實驗,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,兩束光到望遠鏡的時間差,在,條件下展開,①②光的光程差,3.將儀器旋轉(zhuǎn)90兩路光的光程差變化為,相應(yīng)干涉條紋移動數(shù)目為,,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,4.結(jié)論,①.以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，可在真空中傳播，以太不能作絕對參照系。,②.地球上各方向光速相同，與地球運動狀態(tài)無關(guān)。,由于邁克爾遜干涉儀可進行精密測量，1907年邁克爾遜獲諾貝爾物理學獎。,所用干涉儀可測出0.01個條紋的移動，完全可以測出0.4個條紋的移動。但實驗沒有發(fā)現(xiàn)移動。后來又在德國、美國、瑞士多次重復(fù)該實驗，得到的仍然是“0結(jié)果”。,第一講.經(jīng)典時空觀及其困難,1.相對性原理,2.光速不變原理,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,所有慣性參照系中物理規(guī)律都是相同的。,在所有慣性系中，光在真空中的速率相同，與慣性系之間的相對運動無關(guān)，也與光源、觀察者的運動無關(guān)。,一切物理規(guī)律（力、熱、聲、光、電）在慣性系中都相同。,光速不變否定了絕對時空概念。,狹義相對論否定了伽利略變換，愛因斯坦找出了洛侖茲變換，發(fā)表于1905年的《論動體的電動力學》論文中。,一、狹義相對論兩個基本原理,a：三維空間，沒有時間——則沒有運動和變化的死結(jié)構(gòu)；是不合理的,,,,,,b：二維空間+一維時間——在平面上運動，是不合理的。,1：三維時空的不合理性,（梨在平面上向著小孩跑，無論小孩的嘴張得多大，永遠吃不進這個梨）,2：四維時空概念,令,則以,為坐標構(gòu)成的四維空間成為平坦Minkovski空間。,兩時空點,的四維時空間隔,其微分表達式為（無限鄰近的兩點的時空間隔）,定義為：,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,二：四維時空概念,3：光速不變原理的數(shù)學表達,對于以光信號聯(lián)系的兩事件，顯然有：,,,光速不變原理,,（請問：上式如何反映光速不變）,,,,,,,,,,,,沿X軸勻速運動的兩慣性系在習慣空間的位型,沿X軸勻速運動的兩慣性系在閔氏空間的位型,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,arctan(iv/c),P點坐標在S系和S’系中坐標變換分別為：,,S為靜系，S’以v沿ox軸向右運動。,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,令膨脹因子,三、洛侖茲坐標變換,,,,這個公式洛侖茲1904年在愛因斯坦發(fā)表相對論之前就推導(dǎo)出來，他已經(jīng)走到了相對論的邊緣，但是由于受到根深蒂固的絕對時空觀的影響，面對已發(fā)現(xiàn)的相對時空表示式，沒有從中找到正確的物理含義。他說t是真正時間，t’是輔助量，僅為數(shù)學方便而引入的。洛侖茲到1909年還不能使自己完全相信相對論，他說：“在今天很多人提出了與昨天他們說的話完全相反的主張，我不知道科學是什么了”.為怨恨自己不能在500年前死去，在他逝世前一年（1927年）他更肯定地說，對于他只有一個真正時間t。,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,1：空間量度,S系：由,,,,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,兩式指出：某慣性系的空間度量不僅與另一慣性系的空間度量有關(guān)，而且和時間度量有關(guān)。,S’系,2：時間量度,S系,同理S’系,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,,兩式指出：某慣性系的時間度量不僅與另一慣性系的時間度量有關(guān)，而且和空間度量有關(guān)。,時間和空間是不可分割的。,四、洛侖茲速度變換,上下同除?t’有,2狹義相對論的基本原理及Lorentz變換,同理,S’系中,完全類似可得,討論,若在S系中測量光速,在S系和S’系中光速都是c。,2.狹義相對論基本原理及Lorentz變換,則S’系中,例1.觀察者甲、乙，分別靜止在慣性系S,S’中，S’相對S以u運動，S’中一個固定光源發(fā)出一束光與u同向，則,(1)乙測得光速為c.(2)甲測得光速為c+u;(3)甲測得光速為c-u；,正確的答案是：(A)(1),(2),(3)；(B)(1),(2)；(C)(2),(3)；(D)(1)[D],例2：用Lorentz坐標變換證明間隔不變原理。即在不同慣性系中測得的四維時空間隔是相等的。,,,證：,由Lorentz坐標變換,,,,證畢,2.狹義相對論基本原理及Lorentz變換,愛因斯坦列車,一、同時概念的相對性,由于光速不變，在S系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在S’系中不在是同時的了。,在列車中部一光源發(fā)出光信號，在列車中AB兩個接收器同時收到光信號，但在地面來看，由于光速不變，A先收到，B后收到。,3.相對論中的同時性、長度和時間,1.在S’系中同時不同地發(fā)生的兩事件,,,在S系中這兩個事件不是同時發(fā)生的。,2.在S’系中同時同地發(fā)生的兩事件,由,,在S系中這兩個事件是同時發(fā)生的。,3.幾點結(jié)論,①.在S’系中不同地點同時發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件不是同時發(fā)生的。,②.在S’系中相同地點同時發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件是同時發(fā)生的。,③.當v下載提示(請認真閱讀)
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