狭义相对论讲义幻灯片.ppt

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1、狭义相对论讲义第1页，共19页，编辑于2022年，星期日2005世界物理年 纪纪念念爱爱因因斯斯坦坦狭狭义义相相对对论论诞诞生生100周周年年与与爱爱因因斯斯坦逝世坦逝世50周年。周年。让物理走近大众，让世界拥抱物理第2页，共19页，编辑于2022年，星期日第3页，共19页，编辑于2022年，星期日主要内容：主要内容：A.A.A.A.爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦 20202020世世世世纪纪纪纪最最最最伟伟伟伟大大大大的的的的物物物物理理理理学学学学家家家家。1879187918791879年年年年3 3 3 3月月月月14141414日日日日生生生生于于于于德德德德国国国国乌乌乌乌耳耳耳

2、耳姆姆姆姆，1900190019001900年年年年毕毕毕毕业业业业于于于于瑞瑞瑞瑞士士士士苏苏苏苏黎黎黎黎世世世世联联联联邦邦邦邦工工工工业业业业大大大大学学学学。1905190519051905年年年年，爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦在在在在科科科科学学学学史史史史上上上上创创创创造造造造了了了了史史史史无无无无前前前前例例例例的的的的奇奇奇奇迹迹迹迹 建建建建立立立立了了了了狭狭狭狭义义义义相相相相对对对对论论论论，推推推推动动动动了了了了整整整整个个个个物物物物理理理理学学学学理理理理论论论论的革命。的革命。的革命。的革命。1955195519551955年年年年4 4 4 4月月月

3、月19191919日在美国逝世。日在美国逝世。日在美国逝世。日在美国逝世。相对论的基本原理相对论的基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换 相对论的四维形式相对论的四维形式 相对论的时空理论相对论的时空理论 相对论力学相对论力学 相对论的实验基础相对论的实验基础 机动 目录 上页 下页 返回 结束 第4页，共19页，编辑于2022年，星期日 相相相相对对对对论论论论的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差别别别别很很很很大大大大，很很很很难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所理理理理解解解解。人人人人们们们

4、们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又常常常常常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大的的的的内内内内容容容容。这这这这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是

5、一切都成为光明。于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道后人续写道后人续写道:上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。机动 目录 上页 下页 返回 结束 1905190519051905年年年年，除除除除去去去去博博博博士士士士论论论论文文文文外外外外，爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦连连连连续续续续发发发发表表表表了了了了4 4 4 4篇篇篇篇重重重重要要要要论论论论

6、文文文文，其其其其中中中中任任任任何何何何一一一一篇篇篇篇，都都都都够够够够得得得得上上上上拿拿拿拿诺诺诺诺贝贝贝贝尔尔尔尔奖奖奖奖。3 3 3 3月月月月，发发发发表表表表了了了了解解解解释释释释光光光光电电电电效效效效应应应应的的的的论论论论文文文文，提提提提出出出出光光光光子子子子说说说说；5 5 5 5月月月月，发发发发表表表表关关关关于于于于布布布布朗朗朗朗运运运运动动动动的的的的论论论论文文文文，间间间间接接接接证证证证明明明明了了了了分分分分子子子子的的的的存存存存在在在在；6 6 6 6月月月月，发发发发表表表表“论论论论运运运运动动动动媒媒媒媒质质质质的的的的电电电电动动动动

7、力力力力学学学学”的的的的论论论论文文文文，提提提提出出出出了了了了狭狭狭狭义义义义相相相相对对对对论论论论；9 9 9 9月月月月发发发发表表表表了了了了有有有有关关关关质质质质能能能能关关关关系系系系式式式式的的的的论论论论文文文文，指指指指出出出出能能能能量量量量等等等等于于于于质质质质量量量量乘乘乘乘光光光光速的平方速的平方速的平方速的平方E=E=E=E=mcmcmcmc2 2 2 2 。第5页，共19页，编辑于2022年，星期日狭义相对论的重点与难点狭义相对论的重点与难点本章难点：本章难点：1 1、同时的相对性、时钟延缓效应的相对性；、同时的相对性、时钟延缓效应的相对性；2 2、相对

8、论四维形式的理解；、相对论四维形式的理解；3 3、电动力学相对论不变性的导出过程、电动力学相对论不变性的导出过程。*本章重点：本章重点：本章重点：本章重点：1 1 1 1、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验；、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验；、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验；、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验；2 2 2 2、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；3 3 3 3、理解同时的相对性和尺缩、钟慢效应，能够、理解同时的相对性和尺缩、钟慢效应，能够、理解同时的相对性

9、和尺缩、钟慢效应，能够、理解同时的相对性和尺缩、钟慢效应，能够 熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题；熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题；熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题；熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题；4 4 4 4、了解相对论四维形式和四维协变量；、了解相对论四维形式和四维协变量；、了解相对论四维形式和四维协变量；、了解相对论四维形式和四维协变量；5 5 5 5、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。机动 目录 上页 下页 返回 结束 第6页，共19页，编辑于

10、2022年，星期日1 1 历史背景及重要实验基础历史背景及重要实验基础引言引言引言引言牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论 1919世世纪纪后后期期，经经典典物物理理学学的的三三大大理理论论体体系系使使经经典典物理学已趋于成熟。物理学已趋于成熟。两朵乌云：两朵乌云：迈克耳逊迈克耳逊莫雷莫雷“以太漂移以太漂移”实实验验 黑体辐射实验黑体辐射实验 近代物理不是对经典理论的简单否定近代物理不是对经典理论的简单否定近代物理不是对经典理论的简单否定近代物理不

11、是对经典理论的简单否定 近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论狭义相对论狭义相对论量子力学量子力学 近近代代物物理理学学的的两两大大支支柱柱，逐逐步步建建立立了新的物理理论。了新的物理理论。机动 目录 上页 下页 返回 结束 第7页，共19页，编辑于2022年，星期日正正变变换换 在两个惯性系中分析描述同一物理事件在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略变换一、伽利略变换OZXYOZ(X)YvP(x,y,z)在在t t 时刻，物体运动到时刻，物体运

12、动到P 点点 在在t 0 时刻，物体在时刻，物体在O 点点,系重合系重合机动 目录 上页 下页 返回 结束 Z第8页，共19页，编辑于2022年，星期日关于长度和时间的测量关于长度和时间的测量 在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与参在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与参照系无关，与内部结构无关，与运动无关。照系无关，与内部结构无关，与运动无关。n运动长度的测量：在同一时间去测量物体的两端。运动长度的测量：在同一时间去测量物体的两端。t1=t2 l=x2-x1XOY(x1 t1)(x2 t2)YvX机动 目录 上页 下页 返回 结束 第9页，共19页，编辑于2022年，星期日逆逆变变

13、换换 伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式 伽利略速度变换式伽利略速度变换式 伽利略加速度变换式伽利略加速度变换式伽利略加速度变换式伽利略加速度变换式 牛顿定律不变性牛顿定律不变性牛顿定律不变性牛顿定律不变性结论：在一切惯性系中，经典力学结论：在一切惯性系中，经典力学中的时空是绝对的中的时空是绝对的 绝对时空观绝对时空观 时间是绝对的时间是绝对的 空间是绝对的空间是绝对的 时空相互分离时空相互分离机动 目录 上页 下页 返回 结束 第10页，共19页，编辑于2022年，星期日二二 力学相对性原理力学相对性原理(Galilean Principle of Relativity)一切惯性系都是等价的，

14、不存在特殊的惯性系。一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。(1)(1)在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；不能在一个参照系内部做实验来确不能在一个参照系内部做实验来确定该参照系相对另一系的速度。定该参照系相对另一系的速度。三三 经典时空理论的局限性经典时空理论的局限性1 1、光速可变并与光源运动相关、光速可变并与光源运动相关XOYYvXO在在 系系光光速速各各向同性向同性系光速各向异性系光速各向异性 光沿光沿 系系Y轴传播的速度轴传播的速度 光沿光沿 系系X轴传播的速度轴传播的速度第11页，共19页，编辑于2022年，

15、星期日击前瞬间击前瞬间击前瞬间击前瞬间击后瞬间击后瞬间击后瞬间击后瞬间先出球，后击球先出球，后击球-先后颠先后颠倒倒举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：光传到乙的时间：2 2、麦氏方程不满足伽氏变换、麦氏方程不满足伽氏变换 机动 目录 上页 下页 返回 结束 第12页，共19页，编辑于2022年，星期日3 3、伽氏变换下麦氏方程等可变性的三种看法、伽氏变换下麦氏方程等可变性的三种看法 麦克斯韦方程不正确麦克斯韦方程不正确麦克斯韦方程不正确麦

16、克斯韦方程不正确 伽利略变换不适合高速运动伽利略变换不适合高速运动伽利略变换不适合高速运动伽利略变换不适合高速运动 电磁运动不服从相对性原理电磁运动不服从相对性原理电磁运动不服从相对性原理电磁运动不服从相对性原理4 4、“以太以太”概念及绝对参照系概念及绝对参照系 “以太以太”究竟为何物究竟为何物？（1 1）充充满满宇宇宙宙，透透明明而而密密度度很很小小（电电磁磁弥散空间，无孔不入）；弥散空间，无孔不入）；（2 2）具具有有高高弹弹性性。电电磁磁波波一一般般为为横横波波，以以太太应应是是一一种种固固体体 （G G是是切切变模量，变模量，是介质密度）；是介质密度）；（3 3）它只在牛顿绝对时空中

17、静止不动，）它只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。即在特殊参照系中静止。光光借借助助“以以太太”媒媒质质传传播播，相相对对静静止止的的“以以太太”，光光的的传传播播速速度度各各向向同同性性，均均为为C C。机动 目录 上页 下页 返回 结束 伽利略变换伽利略变换 相对性原理相对性原理 麦克斯韦方程麦克斯韦方程第13页，共19页，编辑于2022年，星期日三三 迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验莫雷实验 假假假假定定定定相相相相对对对对性性性性原原原原理理理理不不不不成成成成立立立立，麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程的的的的形形形形式式式式仅仅仅仅在在在在以以以以太太太太中中

18、中中成成成成立立立立。因因因因此此此此在在在在地地地地球球球球上上上上可可可可以以以以设设设设计计计计实实实实验验验验来来来来验验验验证证证证地地地地球球球球相相相相对对对对“以以以以太太太太”的的的的速度。反过来可以通过实验寻找速度。反过来可以通过实验寻找速度。反过来可以通过实验寻找速度。反过来可以通过实验寻找“以太以太以太以太”静止的绝对参考系。静止的绝对参考系。静止的绝对参考系。静止的绝对参考系。假假假假定定定定在在在在“以以以以太太太太”中中中中光光光光速速速速各各各各项项项项同同同同性性性性且且且且恒恒恒恒等等等等于于于于C C C C，而而而而在在在在其其其其它它它它参参参参考考考

19、考系系系系 光速各项异性。光速各项异性。光速各项异性。光速各项异性。假假假假定定定定太太太太阳阳阳阳与与与与以以以以太太太太固固固固连连连连，地地地地球球球球相相相相对对对对于于于于以以以以太太太太的的的的速速速速度度度度就就就就应应应应当当当当是是是是地地地地球球球球绕太阳的运动速度。绕太阳的运动速度。绕太阳的运动速度。绕太阳的运动速度。对光线（对光线（1）：地球系地球系以太风以太风以太风以太风机动 目录 上页 下页 返回 结束 第14页，共19页，编辑于2022年，星期日对光线（对光线（2）设设光程差光程差光程差与条纹移动关系光程差与条纹移动关系仪器转动仪器转动引起干涉条引起干涉条引起干涉

20、条引起干涉条纹的移动：纹的移动：纹的移动：纹的移动：机动 目录 上页 下页 返回 结束 第15页，共19页，编辑于2022年，星期日1 1、地球相对以太静止论、地球相对以太静止论 地地地地球球球球为为为为绝绝绝绝对对对对参参参参照照照照系系系系，光光光光速速速速在在在在地地地地球球球球上上上上恒恒恒恒为为为为 C C C C 且且且且各各各各向向向向同同同同性性性性。这这这这样样样样显显显显然然然然光光光光程程程程差差差差为为为为零零零零，在在在在地地地地球球球球上上上上实实实实验验验验条条条条纹纹纹纹不不不不移移移移动动动动。但但但但此此此此解解解解释释释释必必必必然然然然得得得得出出出出地

21、地地地球球球球是是是是宇宇宇宇宙宙宙宙中中中中心心心心的的的的结结结结论论论论，同同同同时时时时太太太太阳阳阳阳光光光光在在在在地地地地球球球球周周周周围围围围各各各各向向向向同同同同性性性性，但但但但太太太太阳阳阳阳相相相相对对对对地球运动，仍不符合经典速度合成。地球运动，仍不符合经典速度合成。地球运动，仍不符合经典速度合成。地球运动，仍不符合经典速度合成。迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验的零结果，说明了莫雷实验的零结果，说明了“以太以太”本身不存在。本身不存在。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。18811881年迈克耳逊第一次实年迈克耳逊第一次

22、实验，预期验，预期18871887年迈克耳逊和莫雷改年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期进实验，预期实验结果实验结果迈克耳逊干涉仪精度可观测到迈克耳逊干涉仪精度可观测到0.010.01个条纹的移动。个条纹的移动。19071907年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖四四 对实验结果的几种解释对实验结果的几种解释 机动 目录 上页 下页 返回 结束 第16页，共19页，编辑于2022年，星期日 恒星光行差现象（恒星光行差现象（17271727年发现）：年发现）：观观察察恒恒星星光光线线的的视视方方向向与与“真真实实”方方向向之之间间有有一一夹夹

23、角角，这这说说明明若若以以太太存存在在，将将不不能能被被地地球球拖拖动动。若若被被拖拖动动则则地地球球上上将将看看不不到到光光行行差差现现象象。地地球球上上观观察察天天体体的的方方向向，应应是是地地球球相相对对恒恒星星的的运运动动速速度度与光速合成的方向。与光速合成的方向。理论计算：理论计算：对太阳光的实验观测：对太阳光的实验观测：2 2 2 2、拖曳理论、拖曳理论、拖曳理论、拖曳理论 地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。机动

24、目录 上页 下页 返回 结束 第17页，共19页，编辑于2022年，星期日 静静静静止止止止光光光光源源源源光光光光速速速速为为为为C C C C，运运运运动动动动光光光光源源源源光光光光速速速速改改改改变变变变，且且且且各各各各向向向向同同同同性性性性。这这这这样样样样在在在在地地地地球球球球上上上上用用用用静静静静止止止止光光光光源源源源做做做做实实实实验验验验，条条条条纹纹纹纹当当当当然然然然不不不不移移移移动动动动。麦麦麦麦氏氏氏氏方方方方程程程程在在在在地地地地球球球球上上上上精精精精确确确确成成成成立立立立，但但但但在在在在以以以以太太太太中中中中形形形形式式式式不不不不同同同同。

25、仍仍仍仍认认认认为为为为以以以以太太太太存存存存在在在在，这这这这样样样样阳光在地球上不为阳光在地球上不为阳光在地球上不为阳光在地球上不为C C C C。3 3 3 3、发射理论、发射理论、发射理论、发射理论机动 目录 上页 下页 返回 结束 这这这这一一一一说说说说法法法法与与与与双双双双星星星星实实实实验验验验相相相相矛矛矛矛盾盾盾盾。若若若若光光光光速速速速与与与与光光光光源源源源运运运运动动动动有有有有关关关关，则则则则在在在在1 1处处处处光光光光速速速速相相相相对对对对地地地地球球球球为为为为C+vC+v，2 2处处处处光光光光速速速速相相相相对对对对地地地地球球球球为为为为C C

26、v v。在在在在同同同同一一一一时时时时刻刻刻刻观观观观看看看看B B星星星星不不不不应应应应是是是是一一一一亮亮亮亮点点点点。B B星星星星不不不不同同同同时时时时刻刻刻刻发发发发出出出出的的的的光光光光在在在在同同同同一一一一时时时时刻刻刻刻到到到到达达达达地地地地球球球球，拍拍拍拍摄摄摄摄照照照照片片片片应应应应是是是是一一一一条条条条很很很很短短短短的的的的亮亮亮亮线线线线。但但但但实实实实验验验验结结结结果果果果均均均均为为为为亮亮亮亮点点点点，说说说说明明明明光光光光速速速速与与与与光光光光源源源源运运运运动动动动无无无无关关关关。19241924年年年年用用用用日日日日光光光光做

27、做做做迈迈迈迈氏氏氏氏实实实实验验验验，仍仍仍仍然然然然无无无无移移移移动动动动，证证证证明明明明双双双双星星星星实实实实验验验验正正正正确。确。确。确。地球地球12第18页，共19页，编辑于2022年，星期日假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为则在地球上观测，光沿则在地球上观测，光沿MM1M时间：时间：沿沿MM2M无收缩无收缩：洛洛洛洛仑仑仑仑兹兹兹兹在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上建建建建立立立立了了了了一一一一套套套套惯惯惯惯性性性性系系系系间间间间的的的的变变变变换换换换关关关关系系系系，可可可可证证证证明明明明麦麦麦麦克克克克斯

28、斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程在在在在此此此此变变变变换换换换下下下下不不不不变变变变。但但但但他他他他没没没没有有有有突突突突破破破破经经经经典典典典时时时时空空空空观观观观，没没没没有有有有建建建建立立立立相相相相对对对对论论论论，并并并并对对对对自自自自己己己己结结结结果果果果持持持持怀怀怀怀疑疑疑疑态态态态度度度度。长长长长度度度度为为为为什什什什么么么么会会会会收收收收缩缩缩缩，长长长长度度度度定定定定义是什么，变换中时间的意义是什么义是什么，变换中时间的意义是什么义是什么，变换中时间的意义是什么义是什么，变换中时间的意义是什么？因此因此同理：同理：4 4、收缩假定（收缩假定（收缩假定（收缩假定（1892189218921892年洛仑兹年洛仑兹年洛仑兹年洛仑兹斐兹杰惹）斐兹杰惹）斐兹杰惹）斐兹杰惹）机动 目录 上页 下页 返回 结束 第19页，共19页，编辑于2022年，星期日