大学物理狭义相对论基础全部内容课件.ppt
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1、- 精品-,阿尔伯特.爱因斯坦(1879 1955),同学们好!,物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念,而非公式,才是每一物理理论的开端。 爱因斯坦 物理学的进化,- 精品-,第八章 狭义相对论 *广义相对论简介,学时: 8 (狭义相对论);自学*广义相对论简介,- 精品-,- 精品-,前言:相对论产生的历史背景和物理基础,经典物理:伽利略时期 19世纪末 经过300年发展,到达全盛的“黄金时代”,- 精品-,物理学家感到自豪而满足,两个事例:,在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。 开尔芬(1899年
2、除夕),理论物理实际上已经完成了,所有的微分方程都已经解出,青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。 约利致普朗克的信,- 精品-,两朵乌云:,1. 迈克尔孙 莫雷实验的“零结果”2. 黑体辐射的“紫外灾难”,三大发现:,1. 电子:1894年,英国,汤姆孙 因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖2.X射线:1895年,德国,伦琴 1901年获第一个诺贝尔物理奖3.放射性:1896年,法国,贝克勒尔发现铀,居里夫妇发现钋和镭,共同获得1903年诺贝尔物理奖,物理学还存在许多未知领域,有广阔的发展前景。,实验结果与理论不符,- 精品-,两朵乌云暴风骤雨20世纪初物理学危机,物理学正在临产
3、中,它孕育着的新理论将要诞生了。 列宁,新理论:相对论、量子力学, 深刻影响现代科技和人类生活,一切惯性系对物理定律等价狭义相对论惯性系和非惯性系对物理定律等价广义相对论,- 精品-,相对论并不神秘需要摆脱日常生活(低速领域)经验的束缚,自觉地进行理性思维训练。,- 精品-,8.1 力学相对性原理 伽利略变换,- 精品-,伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述,- 精品-,二、伽利略变换,- 精品-,坐标变换:,速度变换:,- 精品-,速度变换分量式:,1. 时间:用以表征物质存在的持续性,物质运动、变化的阶段性和顺序性。,- 精品-,时间的测量:“钟”,任何周期性过程均可用来计量时间。例如:
4、行星的自转或公转;单摆;晶体振动;分子、原子能级跃迁辐射,- 精品-,由此在一个惯性系中的不同地点建立统一的时间坐标:,- 精品-,即:时间先于运动存在。没有时间,无法描述运动;而没有运动,时间照样存在和流逝。,2. 空间:用以表征物质及其运动的广延性,绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,而且,由于其本性在均匀的,与任何其它外界事物无关地流逝着。 牛顿,- 精品-,长度的测量:,长度 = 在与长度方向平行的坐标轴上,物体两端坐标值之差,注意:当物体静止时,两端坐标不一定同时记录; 当物体运动时,两端坐标必须同时记录。,- 精品-,由伽利略变换:,即:尺的长度与其运动状态无关; 空间测量与惯
5、性系的选择无关。,- 精品-,空间先于运动存在,是盛放物质的容器和物质运动的舞台。,绝对空间就其本质而言,是与任何外界事物无关的,而且是永远相同和不动的。 牛顿,- 精品-,- 精品-,牛顿第二定律及由其导出的一切经典力学定律在不同惯性系中数学形式相同。,由对称性思想:伽利略变换也应该是其它物理理论的对称操作,- 精品-,五、伽利略变换的困难,1. 伽利略变换不是经典电磁定律的对称操作,因速度 与参考系有关,所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化,经典电磁定律不具有伽利略变换的不变性。,- 精品-,2. 与高速运动(光的传播)的实验结果不符,真空中的光速: c,彼此矛盾!孰是孰非?实验检验!,(
6、1) 双星观察实验,- 精品-,光速与光发射体的运动无关,不遵从伽利略变换。,对双星星光的观测,没有发现由于伽利略变换引起的结果。对1054年超新星爆发光度衰变观测等实验同样没有发现由于伽利略变换引起的结果。,双星:两颗绕共同质心做椭圆运动的恒星系星星的华尔兹。,- 精品-,(2)光行差现象,假设:光以“以太”为传播媒介,相对以太的速率为 c。地球和星辰曳引以太,与以太相对静止。所以,光对所有星体的速率为 c 。,实验检验:,- 精品-,结果:从地球上观测星体,一年内,望远镜轴转过一椭圆轨道。椭圆长轴相对于地球的视角均为,- 精品-,迈克尔孙干涉仪,- 精品-,由伽利略变换,光线1、2相遇,出
7、现干涉条纹,将装置转动90度,干涉条纹应移动(预计0.37条)。反复实验,“零结果”,- 精品-,1、2、无一例外遭到失败,爱因斯坦选择 3、取得成功。,- 精品-,爱因斯坦的选择来自坚定的信念:,自然的设计是对称的,不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式,所有的物理规律都应与惯性系的选择无关。 实验结果说明,在所有惯性系中,真空中的光速恒为c ,伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观有问题,必须寻找新的变换,建立新的时空观。,“爱因斯坦把方法倒了过来,他不是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的,而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来,并且用它演绎出方程组应有的形式。” 洛仑兹
8、(荷兰.18531928),- 精品-,爱因斯坦1931年会见迈克尔孙,“我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用,我对此感到十分遗憾。”,- 精品-,8.2 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换,一.狭义相对论的两条基本原理,1. 狭义相对性原理:一切物理定律在所有的惯性系中都有相同数学形式。,- 精品-,2. 光速不变原理:在所有的惯性系中,真空中的光速恒为 c ,与光源或观察者的运动无关。,- 精品-,速率极限:指能量和信息传播速率的极限。,揭示出真空的对称性质:对于光的传播而言,真空各向同性,所有惯性系彼此等价。,- 精品-,- 精品-,在 S, 中,真空中光速均为 c,- 精品-,设
9、x 坐标变换满足线性关系:,- 精品-,洛仑兹坐标变换:,- 精品-,注意:,- 精品-,2. 速度变换,根据速度定义得:,- 精品-,速度变换公式,正变换:,逆变换:,- 精品-,3. 洛仑兹变换的意义,(1) 洛仑兹变换是不同惯性系中时空变换的普遍公式,- 精品-,(2) 与光速不变原理、真空中光速为极限速率的实验 事实相协调。,(3) 建立了新的时空观(8.3 ),- 精品-,(4) 给出了对物理定律的约束条件:相对论的对称性,即物理定律在洛仑兹变换下的不变性。,狭义相对论的普遍原理包含在这样一个假设里:物理定律对于(从一个惯性系转移到另一个任意选定的惯性系的)洛仑兹变换是不变的。这是对
10、自然规律的限制性原理,它可以与不存在永动机这样一条作为热力学基础的限制性原理相比拟。 爱因斯坦,- 精品-,女人肖像(毕加索。1937),- 精品-,阿维农少女(毕加索。1907)视觉艺术中的相对论革命的开始,- 精品-,一. 狭义相对论的基本原理,二. 洛仑兹变换,上讲:8.2,物理定律在所有的惯性系中都有相同的数学形式。,在所有惯性系中,真空中的光速都恒为c。,- 精品-,8.3 狭义相对论时空观(难点),- 精品-,日常生活经验:在一个惯性系中同时发生的两个事件,在其它惯性系中看来,也是同时发生的。“同时”概念与参考系选择无关。,虽然彭加勒才华横溢,洛伦兹学识渊博。但他们都不敢迈出决定性
11、的革命的一步,去重新检验我们的同时性概念。这个概念或许不只是从我们的父辈那儿学来的,而简直就像经过漫长的进化过程遗传到我们的基因中的一样。 杨振宁,爱因斯坦认为: 同时性概念是因参考系而异的,在一个惯性系中认为同时发生的两个事件,在另一惯性系中看来,不一定同时发生。同时性具有相对性。,- 精品-,在同一惯性系中的“对时”:即在同一惯性系中建立起统一的时间坐标,,讨论1:“对时”,- 精品-,问题:在某一惯性系中的同时事件,在另一相对其运动的惯性系中是否是同时的?,在不同惯性系中的“对时”:需要首先检验不同惯性系中的“同时”概念是否一致。,由洛仑兹变换,- 精品-,即:一个惯性系中的同时、同地事
12、件,在其它惯性系 中必为同时事件;一个惯性系中的同时、异地事件,在其它惯性系 中必为不同时事件。,结论: 同时性概念是因参考系而异的,同时性具有相对性。,- 精品-,理想实验:爱因斯坦火车,在 系中,两闪电的光信号是否同时到达 呢?,- 精品-,对 系:两闪电的光信号同时到达 ,而不是 ,闪电击中车头和车尾为不同时事件。(击中 先发生),- 精品-,设在 系中,两闪电的光信号同时到达 的中点 ,对 系:闪电击中车头和车尾为同时事件,在 S 系中,两闪电的光信号同时到达 而不是 C ,为不同时事件。(击中 A 先发生)。,- 精品-,费曼物理学讲义中的插图,B:两个事件同时发生A:车头事件先发生
13、,- 精品-,问题:在某一惯性系中的同步钟,在另一相对其运动的惯性系中是否仍然是同步的?,究竟哪一个正确?二者同样真实,同时性是相对的。(和左、右的相对性类似),由洛仑兹变换:,- 精品-,在 中看来,两参考系中各处的钟不可能同时对准,在一个参考系内各处相互对准了的钟,在其它参考系看来是没有对准的,对 O(O),迎面而来的钟超前。,由洛仑兹变换:,- 精品-,1.每个惯性系中的观察者都认为本系内各处的钟是校对同步的。2.每个惯性系中的观察者都认为其它系内各处的钟是未校对同步的。3.不同惯性系内的钟只有在相遇时才能直接彼此核对读数,其它时刻只能靠本系内各处的同步钟对照。,注意:,- 精品-,-
14、精品-,与因果律是否矛盾?,有因果关联或可能有因果关联的事件时序不变,无因果关联的事件才可能发生时序变化。狭义相对论不违背因果律,即在 系中观测,事件1有可能比事件2先发生、同时发生、或后发生,时序有可能倒置。,- 精品-,事件1:某天孩子 A 在甲地出生;事件2:24小时后孩子B在乙地出生;事件1和事件2无因果关联。,事件1和事件2可能有因果关联,无论在哪个参考系中,孩子 A 先出生。,例.设甲、乙两地相距12000km,- 精品-,事件1和事件2无因果关联,也不可能有因果关联,可能在某个飞船上的观察者看来,乙地小孩 B 先出生。,事件1:某天孩子 A 在甲地出生;事件2:0.03秒后孩子B
15、在乙地出生;事件1和事件2无因果关联。,设甲、乙两地相距12000km,- 精品-,二.时间量度的相对性(时间膨胀、动钟变慢),- 精品-,该两事件为异地事件,需用两只钟测出其时间间隔:非原时 (观测时间),- 精品-,- 精品-,思考:若信号系统相对于站台静止,结果如何?,- 精品-,注意:“原时”概念,- 精品-,例如:起跑冲线的时间间隔地面系测量飞船系测量运动员系测量,非原时非原时原时,在一切时间测量中,原时最短!,由洛仑兹变换可直接得出时间膨胀:,- 精品-,在一切时间测量中,原时最短!,例:在地球系和飞船系中观测对方 系内一盘棋的时间间隔,- 精品-,在地球参考系中观测飞船系内的下棋
16、时间:,- 精品-,在飞船参考系中观测地球系内的下棋时间:,- 精品-,实验验证:,1) 子衰变,宇宙射线和大气相互作用时能产生介子衰变,在大气上层放出子。这些子的速度约为 0.998c,如果在实验室中测得静止子的寿命为 试问,在8000 m 高空由介子衰变放出的子能否飞到地面?,显然,子不能飞到地面。,按照相对论理论,应该如何计算?,- 精品-,按照相对论理论,地面参考系测得的子的寿命应为,- 精品-,实验验证:,2)飞机载铯原子钟环球航行,1971年: 地球赤道地面钟: A 地球赤道上空约一万米处钟 向东飞行: B 向西飞行: C,A,B,C 对太阳参考系均向东,- 精品-,- 精品-,练
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