电动力学第6章课件.pdf

第六章 狭义相对论 物理规律都是相对于一定参考系表述出来 的，宏观电磁场的普遍规律可以表述为麦克斯 韦方程组 ● 麦克斯韦方程组在哪些参考系中成立? ●参考系变换时，基本规律的形式如何改变？ ●基本物理量E 和B 如何变换? 在电动力学中参考系问题是一个基本的物理问 题，这个问题的解决是和新时空观的建立联系在 一起的 人们在研究高速运动现象，特别是电磁波的 传播现象时，揭示了旧时空观的局限性，建立 了新的时空观 相对论主要是关于时空的理论，它已经成为物 理学的主要基础之一： 狭义相对论：局限于惯性参考系的理论 广义相对论：推广到一般参考系和包括 引力场在内的理论 本章仅限于讨论狭义相对论 狭义相对论的主要内容： (1) 惯性参考系之间时空坐标的洛伦兹变换 (2) 物理规律的协变性 (3) 把电动力学基本规律表为协变形式 (4) 把力学基本规律推广为协变性的相对论力学 §6.1 相对论的实验基础 一、相对论产生的历史背景 ● 物理规律需要用一定的参考系表述出来 经典力学 惯性系 电磁现象的 适用于什么样 基本规律 的参考系？ ● 参考系问题在电动力学中变得更为突出 根据麦克斯韦方程组可以得到波动方 程，由波动方程得出电磁波在真空中的 传播速度为 c 从旧概念出发,电磁波只能够对一个特定参 考系的传播速度为c，因而： （1 ）麦克斯韦方程组也就只能对特殊参考系 成立 （2 ）由电磁现象可以确定一个特殊参考系 把相对于这个特殊参考系的运动称为绝对运动 19世纪末的多次实验结果都没有发现任何绝 对运动的效应 光速在任何惯性系中都等于 c，这个事实与 旧时空概念发生矛盾 反映新时空概念的相对论是在经典理论面临 变革的背景下提出来的 二、相对论的实验基础 按照旧时空观念，真空中电磁波沿任意方 向的传播速度只有在某个特殊参考系中才等于 c 如果能够精确测定各个方向光速的差异，就 可以确定地球相对与这特殊参考系的运动，或 者说相对于 “以太”的运动 迈克尔孙一莫雷实验 （1887年） ： 这是测量光速沿不同方向的差异的主要实验 地球绕太阳运动的速度约为30 km/s ，因而地 球相对于 “以太”参考系的运动速度υ 最小应 有同一数量级 迈克尔孙一莫雷实验装置如图6-1所示： ●由光源S发出的光线在 半反射镜M上分为两束： ●一束透过M ，被M1 反 射回到M ，再被M反射而 达目镜T； ●另一束被M反射至M2 ， 再反射回M而直达目镜T 设调整两臂长度使有效光程 lMM1=lMM2=l 设地球相对于 “以太”的绝对运动速度υ 沿 MM1方向 由于光线在不同的路 径中传播的时间不同, 因而有光程差,在目镜T 中将观察到干涉效应 用经典速度合成法则可以计算出光线的传 播时间 ●υ 表示观察者相对于以太的运动速度 ●u 表示观察者参考系中所看到的沿θ 方向 传播的光速 ●c 是以太参考系的光速 c2 u2 +υ 2 + 2uυ cosθ u c2 −υ 2 sin2 θ −υ cosθ 因此，在地球上观察到： ●沿υ 方向传播的光速为