1狭义相对论基本01.ppt

* 第10章 狭义相对论基础 哈尔滨工程大学理学院 伽利略变换 洛仑兹变换 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。 爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），20世纪最伟大的物理学家，先后于1905年和1915年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重要的贡献。 第10章 狭义相对论基础 A君 B君 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，并开始了对万有引力本质的研究。 相对论分：狭义相对论 广义相对论 10.1 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 牛顿力学的绝对时空：长度和时间的测量与参照系无关。 10.1.1 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 P 分量式： 正变换 逆变换 速度变换 正 逆 惯性系 加速度变换 惯性系 结论：在两个惯性系中， 。 10.1.2 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；或者说，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。 10.1.3 经典时空观 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。 几代科学家为了找到“以太”设计了各种实验，其中最著名的实验即为“迈克尔逊—莫雷实验”。 由经典力学时空观，时间和空间与观测者无关，是绝对不变的，可设想：在所有的惯性系中一定存在一个相对空间静止的参照系，而由力学相对性原理可知，不可能用力学方法判断哪一个参照系是绝对静止的。这就促使人们用其它方法来寻找绝对参照系。 10.1.4 迈克尔逊—莫雷实验 目的：测出地球相对“以太”的运动效应。 设：PM1=PM2=L，仪器相对地球静止，地球相对“以太”速度为u S u L P T M1 M2 利用伽利略变换可得： 光由P—M1—P所用时间 光由P—M2—P所用时间，由于装置随地球运动，该光线所走的实际光路如下图所示： L M2 P P′ O ut2 由几何关系： 两光线的时间差： 光程差： 将整个装置转90°，此时，两光线正好互换，所需时间差： 光 程 差： 转动前后总的光程差： 转动前后条纹移动数： 若L=11m ，?=5.9?10-7m (Na光）， u=30km/s，则有?N=0.37 ! 结果：条纹不动！ 对于迈克耳逊—莫雷实验，玻恩总结说： “光和电磁力除非与物体相联系是永不可能观察到的。没有任何物质的空洞根本不是观察的对象。……从现在起原来被认为是实物的以太从理论中消失了。” 迈克耳逊—莫雷实验的结果否定了以太的存在。 10.2 狭义相对论基本假设 洛仑兹变换 牛顿力学的困难： （1）电磁场方程组不服从伽利略变换。 （2）光速C——在哪个参考系中测得？ 迈克耳逊—莫雷实验的 0 结果，当时 被形容为“物理学晴朗天空上出现的一朵乌 云”。 （3）高速运动的粒子。 与参照系运动无关。 10.2.1 狭义相对论的基本假设 1905年，爱因斯坦在德国物理学杂志上发表了他首篇关于相对论文章《论动体的电动力学》。在这里，他把下面的两个基本假设作为相对论理论的出发点： （1）相对性原理：物理学定律在所有惯性系中都是相同的，即：描述物理学现象所有惯性系都是等价的 。（数学形式） （2）光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速各向相同的量值c，与光源的运动无关。 讨论 （2）光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对。 （3）观念上的变革。 牛顿力学 速度与参考系有关 （相对性） 时间标度 长度标度 质量的测量 与参考系无关 （1）爱因斯坦的理论是牛顿理论的彻底取代。 光速不变原