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第十八章 相对论18-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观18-2 迈克尔孙-莫雷实验18-3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换第第18-118-1讲讲一一 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理18-1 18-1 伽利略变换关系伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观一一 以太假设以太假设18-2 18-2 迈克尔孙迈克尔孙莫雷实验莫雷实验二二 迈克尔孙莫雷实验迈克尔孙莫雷实验18-3 18-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换式式一一 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理二二 洛伦兹变换式洛伦兹变换式18-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观伽利略变换伽利略变换当当t=t=0时时,O与与O重合重合 xxt vyy zz tt位置坐标变换公式位置坐标变换公式经典力学认为：经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系）空间的量度是绝对的，与参考系无关；无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .OOV.P(x,y,z,t) (xyzt)xxzzaayyaaxxaa加速度变换公式加速度变换公式aaFmaFmaxxuuvyyuuzzuu伽利略速度变换伽利略速度变换OOV.P(x,y,z,t) (xyzt)xx 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果长度和时间的测量结果是一样的吗是一样的吗? 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关 , 长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致低速的范围内，是与实验结果相一致的的 . 实践已证明实践已证明 , 绝对时空观是不正确的绝对时空观是不正确的. 对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗是一样的吗 ？真空中的光速真空中的光速80012.998 10 m/sc 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系 , 光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗 ？ccv?x xy yvo oz z ssc球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2结果结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间到观察者所需要的时间. (根据根据伽利略变换伽利略变换)球球投投出出后后vcv 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的超新星月）一次著名的超新星爆发，爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察, 特别是开始的特别是开始的 23 天天, 白天也能看见白天也能看见 .km/s1500v物质飞散速度物质飞散速度l = 5000 光年光年cvcAB 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动, 现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问 . 超新星爆炸的遗超新星爆炸的遗迹迹. .距离约距离约3500035000光光年。一颗巨大的恒年。一颗巨大的恒星在燃烧了数百万星在燃烧了数百万年后坍缩崩溃成了年后坍缩崩溃成了一个黑洞，黑洞在一个黑洞，黑洞在吸进周围气体的同吸进周围气体的同时，还将外层的一时，还将外层的一些物质，包括铁、些物质，包括铁、镍离子和气体抛射镍离子和气体抛射出去。当这些喷气出去。当这些喷气撞击包围恒星的稠撞击包围恒星的稠密气体时，发出光密气体时，发出光芒来。这些气体的芒来。这些气体的温度高达温度高达15001500万度。万度。l = 5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度ABAltcv A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间BltcB 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月, 这怎么解释这怎么解释 ?25BAttt 年理论计算观察到超新性爆发理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约的强光的时间持续约18-2 迈克尔孙-莫雷实验 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动 , 1881年年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果, 即未观测到地球相对即未观测到地球相对“以太以太”的运的运动动 .vsGM1M2TG M1 G1lltccvvG M2 G22221ltccv22c tlc v2222NlcvG M2c22vcv-M2 Gcv-22vcvsM2M1l12GMGMGT设设“以太以太”参考系为参考系为S系，实验室为系，实验室为 系系s s（从（从 系看）系看）2222Nlcv410m,500nm,3 10 m/sl v0.4N 人们为维护人们为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力， 提出了提出了各种理论各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以失败告终验相矛盾，最后均以失败告终 .仪器可测量精度仪器可测量精度0.01N 实验结果实验结果 未观察到地球相对于未观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动. 0N18-3 18-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理两条基本原理两条基本原理相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理和洛仑兹变换和洛仑兹变换 一一 狭义相对论的狭义相对论的 1 1）相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相）相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式同的表达形式. .2 2）光速不变原理：真空中的光速是常量）光速不变原理：真空中的光速是常量, ,不依赖于惯不依赖于惯 和光速不变紧密联系在一起的是：和光速不变紧密联系在一起的是： 长度是相对的长度是相对的; ; 时间是相对的时间是相对的; ; 同时性是相对的同时性是相对的性系的选择性系的选择. .说明同时具有相对性，时间的量度是相对的说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 .二洛伦兹变换式二洛伦兹变换式222221/1xvtxv cyyzztvx ctv c设设 时，时， 重合重合; ;事件事件P P 的时空坐标的时空坐标0tt,o oOOV.P(x,y,z,t) (xyzt)xx222221/1xvtxv cyyzztvx ctv c逆变换逆变换1 1）x,tx,t 不独立，不独立，x x和和t t 变换相互交叉变换相互交叉. . 2 2） 时，洛时，洛伦兹变换伦兹变换 伽伽利略变换利略变换。 cv洛伦兹变换特点洛伦兹变换特点22222222211111111v cv cxxyyzzvttv cv cc v逆变换的矩阵形式逆变换的矩阵形式意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变变. .这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性性 相对论对称性相对论对称性 . .1 x ，t 与x，t成线性关系，但比例系数 时间不独立， 时间、空间坐标相关联，说明在相对论中，时空的测量互不分离。 vc时，洛伦兹变换失去意义，意味着光速c是自然界中的极限速率。洛伦兹变换特点