[理学]第三章狭义相对论.ppt

本章小结 一、伽里略变换 二 、速度变换　 三、力学相对性原理 第2节 狭义相对论的实验基础和历史条件 第3节 相对论基本原理、洛仑兹变换 第5节 相对论的动力学 　1859年，法国天文学家发现水星近日点进动， 　1874年，纽曼(Neuman)在理论上，从牛顿引力理论导出引力场 中任一点场强为无限大。 为统一解决这两个问题愛因斯坦提出了广义相对论。 二、广义相对论的两条基本原理： 1、等效原理 （1）弱等效原理：局域惯性系与非惯性系是等价的 （2）强等效原理：任何物理实验（包括力学、电磁和其它等等） 都不能区分引力和惯性力的效果。 2、广义相对性原理 　所有参考系都是平权的，物理定律必须具有适用于任何参考系的性质。 ?爱因斯坦的电梯实验 　在牛顿力学中，惯性力不是真实力，是虚构力。爱因斯坦构想了一个理想的电梯实验，证明了在均匀引力场中，任何力学实验都不可区分引力和惯性力的效果. 　设有一电梯相对地球静止，则电梯里的一切物体都受到引力的作用，如果没有其他力与之平衡，则所有物体都以相同的加速度g落向地板。例如，一观察者用手拿着一个蘋果，当他松手时，蘋果就会以g的加速度落向地板。电梯中的观察者根据这些现象和自己长期生活在地球上的经验，即可判断此时，电梯是相对于地球为静止的　 g 　设想将电梯移至无引力场作用的空间，并以加速度g相对固定的恒星“向上”运动，当观察者将手中的蘋果放开时，蘋果在惯性力的作用下也会以g的加速度落向地板。 g 　如果观察者先前不知道电梯是处于地球的引力场中还是处于无引力场的空间作加速运动，仅根据电梯中的力学实验（即蘋果的“自由落体”实验），他无法判断电梯是相对于地球静止还是在无引力场中作加速运动。 由此可推论到： 　（1）在非惯性系中构造一个引力场，就可作惯性系来处理； （2）反之，可以构想一个非惯性系来代替引力场； （3）让电梯在引力场中自由下落，使惯性力抵消引力。 　根据惯性系的定义：参考系内不受外力作用的物体将保持惯性运动。然而，不受外力，尤其是引力是很难实现的。由上面的实验可知，在狭小的参考系内是无法区分引力和惯性力的。 　那么，有惯性力的参考系是非惯性系，而有引力的参考系也不是惯性系，只有在引力场中自由下落的物体才是惯性系。 　由于引力场源在大尺度上并不均匀，各点的引力强度g并不相等，不能用同一加速度来构成大范围的惯性系，只能在引力场中足够的小范围内构成局部惯性系。这种惯性系称为局域惯性系。 　上述原理即为弱等效原理。－－即其只限于用力学的方法不能区分引力和惯性力。 　后来，愛因斯坦把上述思想推广到，用一切物理实验都不能区分引力和惯性力。就是强等效原理。 　愛因斯坦依据等效原理和广义相对性原理，然后借助于黎曼几何和张量分析，在1915年11月建立了广义相对论。 三、广义相对论的实验验证 　广义相对论实质是一种引力理论。该理论提出：有引力场（即有物质）的空间是弯曲的黎曼空间，空间的曲率体现为引力场的强度，取决于物质的分布；空间和时间不能脱离物质而独立存在。 愛因斯坦提出了三个实验验证： （1）光线在引力场中的偏转； （2）引力红移； （3）水星近日点的进动。 1、光线在引力场中的偏转 曰 A 光子有质量m=h??c2，当然应受到引力场的作用。 　广义相对论的观点：在远离太阳处，引力场近似为零，光以直线传播。其等效于光在引力场中自由下落的电梯中传播；而相对于引力场（源）静止的参考系中传播的光子，等效于在无引力场中加速的电梯中 传播，光线是弯曲的。 （因为光子水平运动的同时 电梯在自由下落）。 　愛因斯坦算出星光经过太阳边缘时有1.75//的偏转，并在1919年5月29日发生日全蚀时，由英国天文学家愛丁顿和載森观察到而获证实。 2、引力红移 　相对论提出：引力场强度越强的地方时钟越慢，同种原子在质量大的天体表面比在质量小的天体表面发光的频率低。这种由于引力作用使光谱线向低频方向移动的现象，叫引力红移。 在弱引力场中，红移量为 式中：M－天体质量；R－天体半径； 　　　?0－固有频率，?－远离场源处测量的频率。 对太阳上的光在地球上测量，其红移量为 　由于红移量非常小，所以直到1961年才有测量偏差小于5%的测量结果。但1959年在哈佛塔利用穆斯堡尔效应测量?射线的引力兰移，得到满意的结果。 3、水星近日点的进动 任何行星都有进动，水星的进动较明显。 　牛顿力学预言每百年有5557.2//的进动，而实验观测是5600.73//的进动。长期以来得不到解释。爱因斯坦的广义相对论预言值比牛顿理论多43.03“，理论与观察值接近。 4、雷达回波延迟 　1967－1970从地球向金星、水星发射雷达讯号，一种经过太阳，另一种不经过太阳。两者比较，