狭义相对论教案.ppt

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1、本章题头同学们好本章内容伽利略变换伽利略变换 经典时空的特征经典时空的特征爱因斯坦假设爱因斯坦假设 洛仑兹变换洛仑兹变换时间和空间的相对性时间和空间的相对性相对论动力学结论相对论动力学结论引言 相对论的创建是二十世纪物理学相对论的创建是二十世纪物理学 最伟大的最伟大的成就之一。成就之一。 19051905年爱因斯坦建立了基于惯性年爱因斯坦建立了基于惯性参考系的时间、空间、运动及其相互关系的参考系的时间、空间、运动及其相互关系的物理新理论物理新理论 狭义相对论狭义相对论。 19151915年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广，建立了惯性系进行推广，建立了

2、广义相对论广义相对论，进一，进一步揭示了时间、空间、物质、运动和引力之步揭示了时间、空间、物质、运动和引力之间的统一性质。间的统一性质。 本章介绍狭义相对论的基本原理。本章介绍狭义相对论的基本原理。 本章的基本问题本章的基本问题: : 1 1、经典时空观的内容是什么、经典时空观的内容是什么? ? 2 2、爱因斯坦为什么要修改经典时空观？、爱因斯坦为什么要修改经典时空观？ 3 3、新时空观又有那些内容？、新时空观又有那些内容？ 4 4、根据新时空观可以推出哪些重要结论？、根据新时空观可以推出哪些重要结论？历史背景在光波（电磁波）传播速度问题上，经典在光波（电磁波）传播速度问题上，经典 力学的绝对

3、时空观（伽利略变换）遇到难力学的绝对时空观（伽利略变换）遇到难 以克服的困难。以克服的困难。十九世纪末十九世纪末, 物理学进入鼎盛的电磁学时代。物理学进入鼎盛的电磁学时代。绝对静止的绝对静止的“以太以太”是否存在是否存在 ？寻找寻找“以太以太”的著名实验，得到否定的结果。的著名实验，得到否定的结果。物理学的晴空伽伽 利利 略略（1564-1642）牛牛 顿顿（1642-1722）麦克斯韦麦克斯韦（1831-1879）物物理理学学关关键键概概念念的的发发展展1600190018001700力学力学热力学热力学电磁学电磁学2000相对论相对论 量子力学量子力学爱因斯坦爱因斯坦（1879-1955）

4、 以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到20世纪初，已经取得了空前的成就。人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运动规律逐渐扩展到高速传播的电磁波（包括光波）的场物质运动规律。 随着对物质运动多样性的认识范围逐步扩大和深入的同时，也引起了对物质运动统一性问题的思考。 1900 1900年年, ,著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言： “ 在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，只剩下两朵乌云，一朵与在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，只剩下两朵乌云，一朵与麦克耳孙麦克耳孙- -莫雷实验（寻找莫雷实验（寻找“以太以太”）有关，另一朵与黑体辐射有关

5、。）有关，另一朵与黑体辐射有关。” 但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱近代物理学的两大理论支柱 相对论和量子力学的诞生。相对论和量子力学的诞生。谁是谁非如：牛顿定律如：牛顿定律力学规律力学规律在在 惯性系观察惯性系观察在在 惯性系观察惯性系观察 在一切惯性系中，在一切惯性系中，力学规律相同。力学规律相同。称为称为伽利略相对性原理伽利略相对性原理电磁学规律电磁学规律若若 处有两个电荷处有两个电荷对对 惯性系，电荷间惯性系，电荷间的相互作用的相互作用 为静电力。为静电力。对对 惯性系，是两

6、个运惯性系，是两个运动电荷，还有磁力作用。动电荷，还有磁力作用。 规律不相同规律不相同若若 处有一光源，处有一光源，迎着迎着 发射光波（电磁波）发射光波（电磁波）对对光速光速对对光速光速无实验根据无实验根据谁是谁非难以判断谁是谁非难以判断伽利略变换伽利略变换 经典时空观的特征结论经典时空观的特征结论: : 1 1、 2 2、 3 3、 4 4、vuuttrr不同惯性系中时空间隔相等不同惯性系中时空间隔相等不同惯性系中的运动速度不同不同惯性系中的运动速度不同aa经典力学在不同惯性系中有相同表述经典力学在不同惯性系中有相同表述 总之：经典时空观认为时间和空间是独立变化的参量，时间总之：经典时空观认

7、为时间和空间是独立变化的参量，时间和空间的测量与观察者的运动没有关系。和空间的测量与观察者的运动没有关系。 时间、空间、运动在时间、空间、运动在经典时空中是分割的，没有体现出他们的联系。经典时空中是分割的，没有体现出他们的联系。两种哲学观念“以太以太” ” 论的观点：论的观点：假设整个宇宙都充满着一种绝对假设整个宇宙都充满着一种绝对静止的特殊媒质静止的特殊媒质 “ “以太以太”（ether,ether,又称又称能媒）。它是能媒）。它是优于其它参考系的绝对参考系。物理定律在优于其它参考系的绝对参考系。物理定律在 “ “以太以太” ” 参参考系中具有最简单的形式，而对别的参考系，考系中具有最简单的

8、形式，而对别的参考系， 有可能要有可能要改变形式。电磁学定律在不同惯性系有不同的形式是正常改变形式。电磁学定律在不同惯性系有不同的形式是正常现象。现象。 在物理学史上企图发现在物理学史上企图发现 “ “以太以太” ” 曾作过许多努力（如：斐索实验、曾作过许多努力（如：斐索实验、 光行差测量、双星周期测量以及麦克耳孙光行差测量、双星周期测量以及麦克耳孙- -莫雷精密的光干涉实验等莫雷精密的光干涉实验等等），但没有成功，最精密的实验所测到的也是等），但没有成功，最精密的实验所测到的也是“零结果零结果”。爱因斯坦的观点：爱因斯坦的观点：相信自然界有其内在的和谐规律。相信自然界有其内在的和谐规律。（必

9、定存在和谐的力学和电磁学规律。）（必定存在和谐的力学和电磁学规律。）相信自然界存在普遍性的相对性原理。相信自然界存在普遍性的相对性原理。（必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用。）（必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用。）相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。迈-莫实验以太以太光光 对对 地球地球光光 对对 以太以太地球地球 对对 以太以太 若能用实验证明光波对若能用实验证明光波对地球的相对运动地球的相对运动 符合符合上述规律，则地球对以太上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，的绝对运动将被证实，“

10、以太以太” 观点成立。观点成立。迈克耳孙设计了一种检验方法：迈克耳孙设计了一种检验方法： 根据根据“以太以太”观点，充满宇宙观点，充满宇宙的的“以太以太”是一切运动的绝对参是一切运动的绝对参考系。考系。 光波靠光波靠 “以太以太” 传播，光传播，光对对 “以太以太” 的绝对速度为的绝对速度为 。若在若在地球地球上固定一光源上固定一光源 ， 按伽利略的速度合成法则，按伽利略的速度合成法则，地地球对以太的绝对运动球对以太的绝对运动必满足：必满足：或或迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验寻找寻找 “ “以太以太” ” 失败实失败实例例 若能用实验证明光波对若能用实验证明光波对地球的相对运动地球的相对运

11、动 符合符合上述规律，则地球对以太上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，的绝对运动将被证实，“以太以太” 观点成立。观点成立。迈克耳孙设计了一种检验方法：迈克耳孙设计了一种检验方法： 根据根据“以太以太”观点，充满宇宙观点，充满宇宙的的“以太以太”是一切运动的绝对参是一切运动的绝对参考系。考系。 光波靠光波靠 “以太以太” 传播，光传播，光对对 “以太以太” 的绝对速度为的绝对速度为 。若在若在地球地球上固定一光源上固定一光源 ， 按伽利略的速度合成法则，按伽利略的速度合成法则，地地球对以太的绝对运动球对以太的绝对运动必满足：必满足：或或迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验寻找寻找 “ “以

12、太以太” ” 失败实失败实例例以太以太光光 对对 地球地球光光 对对 以太以太地球地球 对对 以太以太续8地球地球光光 对对 以以太太地地球球 对对 以以太太光光 对对 地地球球底盘镜镜玻片11 m臂长臂长l l = 590 590 nm迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验假如存在假如存在 “以太以太”， 的的大小必与传播方向有关。大小必与传播方向有关。绕中心绕中心O O 转动干涉仪，转动干涉仪，两臂光程差必改变，两臂光程差必改变，干涉条纹必有移动。干涉条纹必有移动。干涉仪转过干涉仪转过 90，两臂位置取向互换，两臂位置取向互换，光程差改变达极大，光程

13、差改变达极大，条纹移动量亦达极大。条纹移动量亦达极大。相对速率若若 “以太以太” 观点成立，观点成立，预期有预期有 0.4 根条纹移动量。根条纹移动量。（仪器的灵敏度，可判断（仪器的灵敏度，可判断0.01 0.01 根条纹的移动量）。根条纹的移动量）。30 km / s地球绝对地球绝对速度属假速度属假设。在估算设。在估算 干涉条纹移动干涉条纹移动量时用地球的公量时用地球的公转速度转速度 。这并不影响实验原理。这并不影响实验原理。实测实测结果结果 经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找条纹

14、移动。在历史上曾被称为有关寻找 “以太以太” 著名的著名的 “零结零结果果”。寻找寻找 “ “以太以太” ” 失败实失败实例例地球地球底盘镜镜玻片迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹相对速率地球地球底盘镜镜玻片11 m臂长臂长l l = 590 590 nm迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹相对速率双星观测B双星观测双星观测两颗绕共同重心两颗绕共同重心 旋转的恒星旋转的恒星A、B光速与光源运动状态无关的实例光速与光源运动状态无关的实例这里着重讨论这里着重讨论 B（伴星）的运动（伴星）的运动B E光速光速沿沿光可追上光可追上BEB E光，并光，并同时到达同时到达 ，因此，伴星的

15、像，因此，伴星的像E不是一个亮点，而是不是一个亮点，而是一个亮弧一个亮弧。用伽利略的速度合成将会出现下述问题用伽利略的速度合成将会出现下述问题B E光速光速沿沿B E光速光速沿沿1.E天文台天文台BAB2.若用两种方法测量伴星的运动周期：若用两种方法测量伴星的运动周期：路程B EB E但光速一是测量伴星相继两次通过一是测量伴星相继两次通过B B点所经历的时间；二是测量伴星由点所经历的时间；二是测量伴星由B B运动到运动到B B 所经历的时间（半周期）乘二。两种方法测所得结果并不相等，这是因为在所经历的时间（半周期）乘二。两种方法测所得结果并不相等，这是因为在第二种方法中，第二种方法中，信号传送

16、所需时间不同。信号传送所需时间不同。 宇宙中存在大量这种物理双星，有些甚至肉眼也能分辨。宇宙中存在大量这种物理双星，有些甚至肉眼也能分辨。精密的天文观测表明，双星的像是很清晰的两个光点，没有精密的天文观测表明，双星的像是很清晰的两个光点，没有发现亮弧现象。而且两种方法测周期的结果一样。这只能用发现亮弧现象。而且两种方法测周期的结果一样。这只能用光速与光源运动状态无关的观点，才能得到圆满的解释。光速与光源运动状态无关的观点，才能得到圆满的解释。两个基本假设 对所有惯性系，对所有惯性系， 光在真空中的速率光在真空中的速率 物理规律都是相同的。物理规律都是相同的。 在任何惯性系中，在任何惯性系中， 都等于同一量值都等于同一量值 c c 。洛仑兹变换 光到达光到达 B B 为事件为事件 2 2设：设： 光到达光到达 A A 为事件为事件 1 1对对 ：两事件同时发生，：两事件同时发生，对对 ：两事件非同时发生。两事件非同时发生。即即 “ “ 同时同时 ” ” 是相对的。是相对的。（与惯性系有关）（与惯性系有关）( (中点）中点）根据爱因斯坦的光速不变原理，不论对根据爱因斯坦的光速不变原理，不论