大学物理下相对论 01.ppt

赵言诚 物理学 经典物理 现代物理 力学 热学 电磁学 光学 相对论 量子论 非线性 时间 t 关 键 概 念 的 发 展 力学 电磁学 热学 相对论 量子论 1600 1700 1800 1900 爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥. Albert Einstein 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 . 第九章 狭义相对论基础 相对论：给出了高速运动物体的力学规律；并从根本上改变了许多世纪以来形成的时空观和运动观，建立了新的时空概念；揭示了质能关系，并开始了万有引力本质的研究。 相对论分：狭义相对论 广义相对论 A君 B君 §9.1 伽利略变换 经典力学的相对性原理 研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件 实验室参考系 运动参考系 一、伽利略变换 在不同的惯性系中， 考察同一物理事件。 问题： P 设：开始 t=t′=0 时，O、O′重合 t时刻，物体到达P点 分量式: 正变换 逆变换 P 惯性系 结论：在两个惯性系中 速度变换 正 加速度变换 逆 惯性系 牛顿力学时空观的特点： 1、同时性是绝对的 由 t=t? 可见，两个事件的同时性与观察者的运动状态无关 2、时间间隔与空间间隔是绝对的 3、力学规律在一切惯性系都是等价的 二、 经典力学的相对性原理 牛顿力学： 相互作用是客观的，分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关。 宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同 或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。 或 牛顿力学规律是伽利略不变式。 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；或说，研究力学规律时，一切惯性系 都是等价的。 如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变 三、 经典力学的时空观 时空观：绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远均匀 流逝着， 与任何 外界事物无关；绝对的空间就其 本质而言与任何外界事物无关，它从不运动，并且 永远不变。（亦称绝对时空观） 说明：空间（x, y, z)与时间t 彼此独立，互不联系。任何事件 所经历的时间间隔有绝对不变的量值；任何两点间的 距离（即空间间隔）也有绝对不变的量值，它们与参 照系的选择或观测者的运动状态无关。 狭义相对论产生的历史背景 1.伽利略速度变换的困惑 19世纪,一些人认为电磁波和机械波一样,是在某一种媒质中传播的,该媒质被称为“以太”。认为以太是绝对静止的,并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极大的弹性模量,但又不产生任何阻力等一些特性。 在茫茫 “以太”的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地球,地球以怎样的速度在 “以太”的海洋中航行,在其中飞行的地球上应该感到迎面吹来的 “以太风”。如果在地面上让光线在平行和垂直于“以太风”的方向上传播,它们应有不同的速度。 “以太”假说使麦克斯韦电磁理论和牛顿力学发生矛盾。设有一个电磁信号,以速度 u 相对于以太传播,取以太为惯性系S,则在S系中测得光速为 c ,按伽利略变换,在以恒定速度u 相对以太作匀速直线运动的另一惯性系S?中观测者,测得光速为c± u (正负号分别相对于u 和c 的方向相反和相同),即麦克斯韦方程组中的光速在不同的惯性系中不具有等价性。这样就出现了电磁定律和经典力学的基础 — 伽利略变换之间的矛盾。如何解决这一矛盾,当时有如下三种不同意见: ⑴认为只存在一种适用于力学规律的相对性原理,但不 适用于电磁学。在电磁现象中存在一个特别优越的惯性系以太 ,只有在以太这个绝对静止的参照系中麦克斯韦方程中的光速取值为： 即在以太参考系中光速各向同性,在其它系中光速不满足各向同性。 ⑵认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,但电磁理论应当加以修正。 ⑶认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,但牛顿力学应当加以修正。 19世纪的大多数物理学家为解决这个矛盾都选择了前两种途径,即认为伽利略变换是正确的,以太也是存在的 由此引出了历史上著名的迈克尔逊--莫雷实验。