第八章 狭义相对论PPT讲稿.ppt
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1、第八章 狭义相对论第1页,共57页,编辑于2022年,星期三8.1 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理物理学的大综合物理学的大综合J.C.Maxwell(1831-1879)力热声光电磁经典物理学经典物理学I.Newton(1642-1727)第2页,共57页,编辑于2022年,星期三On27thApril1900,LordKelvinmentionedinalecture“Nineteenth-CenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight”the“beautyandclearnessoftheory”wasovershadowedby“
2、twoclouds”:thenullresultoftheMichelson-Morleyexperimenttheproblemsofblackbodyradiation.Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.(1900)LordKelvin(WilliamThomson)(1824-1907)乌云变彩霞乌云变彩霞相对论和量子力学相对论和量子力学第3页,共57页,编辑于2022年,星期三v狭义相对论以前的力学和时空观狭义相对论以前的力学和时空观描述物体
3、的运动需要选择参考系,并在参考系中建立坐标系。描述物体的运动需要选择参考系,并在参考系中建立坐标系。事件:物体在某一时刻处于某一位置事件:物体在某一时刻处于某一位置选择不同的参考系,对同一事件的描述是不同的。选择不同的参考系,对同一事件的描述是不同的。为了简单,只考虑两个相互作匀速直线运动的参考系为了简单,只考虑两个相互作匀速直线运动的参考系K和和K事件的时空坐标事件的时空坐标第4页,共57页,编辑于2022年,星期三在两个相互作匀速直线运动的参考系在两个相互作匀速直线运动的参考系K和和K中,中,事件的时空坐标之间有什么关系?事件的时空坐标之间有什么关系?时间的流逝时间的流逝在所有参考系中都相
4、同在所有参考系中都相同经典力学认为经典力学认为空间的距离在所有参考系中也是相同的空间的距离在所有参考系中也是相同的绝对时空观绝对时空观时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系第5页,共57页,编辑于2022年,星期三考虑两个相互作匀速直线运动的考虑两个相互作匀速直线运动的参考系参考系K和和K,它们相应的坐标轴,它们相应的坐标轴彼此平行,彼此平行,K系相对系相对K系的速度为系的速度为v,沿,沿x轴正方向。在轴正方向。在t=t=0时刻,时刻,两个参考系的坐
5、标原点重合。两个参考系的坐标原点重合。伽利略变换伽利略变换v伽利略变换伽利略变换第6页,共57页,编辑于2022年,星期三速度定义速度定义速度变换公式速度变换公式相对速度相对速度=绝对速度绝对速度-牵连速度牵连速度第7页,共57页,编辑于2022年,星期三v伽利略相对性原理伽利略相对性原理伽利略在伽利略在1632年出版的著作年出版的著作关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话把你和几个朋友关在一条大船甲板下的主舱里,再让你们带几只苍把你和几个朋友关在一条大船甲板下的主舱里,再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。舱内放一只大水碗,里面放几条鱼。然后蝇、蝴蝶和其它小
6、飞虫。舱内放一只大水碗,里面放几条鱼。然后挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐儿里。船停挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐儿里。船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行,鱼向各着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的个方向随便游动,水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力,朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力,你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离
7、都相等。当你仔细地观察这些事情后,再使船以任何速度前进。只要运动是匀速的,也不互这些事情后,再使船以任何速度前进。只要运动是匀速的,也不互左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化,你也无法左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化,你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。第8页,共57页,编辑于2022年,星期三一切惯性系对于描述运动的力学定律来说是完全等价的,一切惯性系对于描述运动的力学定律来说是完全等价的,不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系。不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系。一切惯性系中力学
8、定律都相同一切惯性系中力学定律都相同不存在绝对静止的参考系不存在绝对静止的参考系运动都是相对的,但时间和空间是绝对的运动都是相对的,但时间和空间是绝对的第9页,共57页,编辑于2022年,星期三v电磁场理论建立后呈现的新局面电磁场理论建立后呈现的新局面1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组,它的年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组,它的一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为式中式中c是真空中的电磁波传播速度,是真空中的电磁波传播速度,电磁波在真空中沿各方向的传播速度都等于光速电磁波在真空中沿各方向的传播
9、速度都等于光速第10页,共57页,编辑于2022年,星期三从伽利略变换来看,电磁波的传播显然不满足相对性原理从伽利略变换来看,电磁波的传播显然不满足相对性原理如果电磁波在某一惯性系如果电磁波在某一惯性系K中中沿各方向的传播速度为沿各方向的传播速度为c,则在相对则在相对K系速度为系速度为v的的K系中系中在在v方向上方向上电电磁波的磁波的传传播速度播速度为为c-v,在在-v方向上方向上电电磁波的磁波的传传播速度播速度为为c+v。在在K系中电磁波传播速度各向同性,大小均为系中电磁波传播速度各向同性,大小均为c;而所有相对而所有相对K系运动的其它系运动的其它K系中电磁波的传播速度不再各向同性系中电磁波
10、的传播速度不再各向同性K系可以被认为是绝对静止的,称为绝对惯性系,或叫做以太系系可以被认为是绝对静止的,称为绝对惯性系,或叫做以太系其它惯性系相对它都是运动的,做绝对运动。其它惯性系相对它都是运动的,做绝对运动。第11页,共57页,编辑于2022年,星期三在光学的早期研究中,设想光波象机械波一样,需要在介质中传播在光学的早期研究中,设想光波象机械波一样,需要在介质中传播这种介质称为以太(这种介质称为以太(ether),光波就是以太中振动的传播),光波就是以太中振动的传播物理学家曾设想过以太的一些性质物理学家曾设想过以太的一些性质它存在于真空中,又能够穿透任何透明物质,其密度一定很小它存在于真空
11、中,又能够穿透任何透明物质,其密度一定很小光是横波,以太具有切变模量;光速很大,以太的切变模量很大光是横波,以太具有切变模量;光速很大,以太的切变模量很大在力学中无法探测和证实的绝对惯性系在电磁理论中又复活了在力学中无法探测和证实的绝对惯性系在电磁理论中又复活了摆在物理学家面前的课题摆在物理学家面前的课题测出我们的地球参考系相对绝对参考系(以太系)的速度有多大测出我们的地球参考系相对绝对参考系(以太系)的速度有多大第12页,共57页,编辑于2022年,星期三v迈克尔孙迈克尔孙-莫雷实验莫雷实验入射光入射光设地球相对以太系的速度为设地球相对以太系的速度为v,方向沿干涉仪的一臂,方向沿干涉仪的一臂
12、G1M2或者说地球上的观察者感受到的以太风速向左为或者说地球上的观察者感受到的以太风速向左为v。以太风以太风光在以太系中沿各方向的传播速度都是光在以太系中沿各方向的传播速度都是c在地球参考系中光沿各方向的传播速度不同在地球参考系中光沿各方向的传播速度不同第13页,共57页,编辑于2022年,星期三光在光在G1M2上来回所需时间上来回所需时间光在光在G1M1上来回所需时间上来回所需时间相应的光程差相应的光程差实验中将干涉仪绕竖直轴旋转实验中将干涉仪绕竖直轴旋转900,干涉仪的两条支路地位互换,干涉仪的两条支路地位互换,滞后的时间差和光程差改变符号,结果引起干涉条纹移动。滞后的时间差和光程差改变符
13、号,结果引起干涉条纹移动。干涉条纹移动数干涉条纹移动数第14页,共57页,编辑于2022年,星期三实验中采用的数据大致如下:实验中采用的数据大致如下:1881年迈克耳孙年迈克耳孙干涉仪的实验精度干涉仪的实验精度1887年迈克耳孙和莫雷合作改进了干涉仪,年迈克耳孙和莫雷合作改进了干涉仪,光路多次反射达到光路多次反射达到没有观测到条纹的移动没有观测到条纹的移动实验结果:实验结果:没有观测到条纹的移动没有观测到条纹的移动第15页,共57页,编辑于2022年,星期三迈克尔孙和莫雷以后进一步改进仪器,并在不同季节迈克尔孙和莫雷以后进一步改进仪器,并在不同季节和地球上不同地方多次实验都得到相同的否定结果和
14、地球上不同地方多次实验都得到相同的否定结果这似乎得出地球相对以太系的运动速度恒为零这似乎得出地球相对以太系的运动速度恒为零地球参考系就是绝对参考系,就是宇宙的中心地球参考系就是绝对参考系,就是宇宙的中心伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间存在矛盾伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间存在矛盾第16页,共57页,编辑于2022年,星期三v爱因斯坦的选择爱因斯坦的选择面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的矛盾,存在三种选择:矛盾,存在三种选择:(1)相对性原理只适用于力学,不适用于电磁学)相对性原理只适用于
15、力学,不适用于电磁学(2)麦克斯韦电磁理论还不够完善)麦克斯韦电磁理论还不够完善(3)麦克斯韦电磁理论是正确的,相对性原理是适用于)麦克斯韦电磁理论是正确的,相对性原理是适用于力学和电磁学的普遍原理,而伽利略变换必须抛弃。力学和电磁学的普遍原理,而伽利略变换必须抛弃。爱因斯坦坚信第三种选择,他领悟到伽利略变换中牛顿绝对时空观爱因斯坦坚信第三种选择,他领悟到伽利略变换中牛顿绝对时空观原来是头脑中的抽象推测,并没有实验事实的支持。原来是头脑中的抽象推测,并没有实验事实的支持。马赫的思想:马赫的思想:“凡不能由实验证实的概念和陈述凡不能由实验证实的概念和陈述都不应在物理学中占有任何地位。都不应在物理
16、学中占有任何地位。”爱因斯坦开始寻找与相对性原理和麦克斯韦电磁理论和谐一致的爱因斯坦开始寻找与相对性原理和麦克斯韦电磁理论和谐一致的新的时空变换新的时空变换第17页,共57页,编辑于2022年,星期三v爱因斯坦的假设爱因斯坦的假设为了得出新的时空变换,为了得出新的时空变换,爱因斯坦提出两条基本假设:爱因斯坦提出两条基本假设:(1)狭义相对性原理:物理定律在所有惯性系中都相同)狭义相对性原理:物理定律在所有惯性系中都相同(2)光速不变原理:真空中的光速等于)光速不变原理:真空中的光速等于c,与光源的运动无关,与光源的运动无关爱因斯坦从迈克尔孙实验结果认识到,不存在绝对静止的参考系,爱因斯坦从迈克
17、尔孙实验结果认识到,不存在绝对静止的参考系,相对性原理不仅对于力学,而且对于电磁学,亦即对整个物理学都相对性原理不仅对于力学,而且对于电磁学,亦即对整个物理学都是成立的。一切惯性系对物理规律来说都是等价的。是成立的。一切惯性系对物理规律来说都是等价的。在一个惯性系内部所作的任何物理实验在一个惯性系内部所作的任何物理实验都不能确定惯性系本身的运动状态都不能确定惯性系本身的运动状态第18页,共57页,编辑于2022年,星期三8.2 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观一、一、同时的相对性同时的相对性BACCBAC”B”A”第19页,共57页,编辑于2022年,星期三二、二、长度的相对性长度的相对性
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