大学物理：相对论1（简）

第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）19991999年年1212月月2626日，爱因日，爱因斯坦被美国斯坦被美国时代时代周周刊评选为刊评选为“世纪伟人世纪伟人”第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学公众谓之人类最高智慧的象征公众谓之人类最高智慧的象征法国物理学家朗之万（法国物理学家朗之万（P.Langevin,1872 1946）曾这）曾这样评价过爱因斯坦：样评价过爱因斯坦：他的伟大可以与牛顿相他的伟大可以与牛顿相比拟；按我的意见，他也比拟；按我的意见，他也许比牛顿更伟大一些。因许比牛顿更伟大一些。因为他对于科学的贡献更深为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的入到人类思想基本概念的结构中。结构中。爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）爱因斯坦的主要科学贡献有四个方面：爱因斯坦的主要科学贡献有四个方面：（1）关于分子运动的研究关于分子运动的研究。1905年年分子热运动理分子热运动理论解释布朗运动，并提出测定分子大小的方法。论解释布朗运动，并提出测定分子大小的方法。（2）对量子物理学的贡献对量子物理学的贡献。1905年年光量子假说光量子假说；1906年年固体热容的量子理论；固体热容的量子理论；1916年年受激辐射受激辐射理论理论;1924年年玻色玻色-爱因斯坦量子统计理论。爱因斯坦量子统计理论。（3）相对论的建立。相对论的建立。1905年年狭义；狭义；1915-1916年年广义相对论。广义相对论。（4）关于宇宙学和统一场论的研究。关于宇宙学和统一场论的研究。广义相对论以广义相对论以后，爱因斯坦提出有限无边的宇宙模型，力图后，爱因斯坦提出有限无边的宇宙模型，力图建立建立引力场和电磁场的统一理论引力场和电磁场的统一理论。虽然未获成功，但目。虽然未获成功，但目前这些方面的研究，都与爱因斯坦的工作有关前这些方面的研究，都与爱因斯坦的工作有关.第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学学习狭义相对论的正确态度学习狭义相对论的正确态度 超越自我认识的局限超越自我认识的局限 自觉摆脱经验的束缚自觉摆脱经验的束缚以事实为依据以事实为依据 逐渐深化认识客观世界的过程逐渐深化认识客观世界的过程狭义相对论狭义相对论 是其中的一个环节，也有其局限性是其中的一个环节，也有其局限性 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然界应当是和谐自然界应当是和谐而简单的而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于深奥出于简单而归于深奥.第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观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狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观相对论性动量和能量相对论性动量和能量小结小结 第十四章第十四章 相对论相对论第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学教教 学学 要要 求求1 理解伽利略坐标、速度变换，了解经典时空观；理解伽利略坐标、速度变换，了解经典时空观；2 理解爱因斯坦两条基本原理，掌握洛伦茨变换；理解爱因斯坦两条基本原理，掌握洛伦茨变换；3 理解狭义相对论同时性、长度及时间的相对性，理解狭义相对论同时性、长度及时间的相对性，了解经典时空观和相对论时空观的差异；了解经典时空观和相对论时空观的差异；4 理解狭义相对论中质量与速度、质量与能量、理解狭义相对论中质量与速度、质量与能量、动量与能量的关系，能分析计算有关问题；动量与能量的关系，能分析计算有关问题；第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学J.C.Maxwell(1831-1879)相对论产生的历史背景相对论产生的历史背景力力热热 波波磁磁光光 电电物理学的大综合物理学的大综合经典物理学经典物理学I.Newton(1642-1727)第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学 迈克耳逊迈克耳逊莫雷莫雷“以太漂移以太漂移”实验。实验。黑体辐射实验黑体辐射实验“紫外灾难紫外灾难”。强调强调 近代物理是全新的理论，不是对经典的补充。近代物理是全新的理论，不是对经典的补充。狭义相对论狭义相对论量子力学量子力学两朵乌云两朵乌云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。新旧时新旧时空观的斗争空观的斗争能量连续与离散的斗争能量连续与离散的斗争开尔文爵士的开尔文爵士的“两朵乌云两朵乌云”：第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学(x)OzyS若若t0，S、S系重合系重合，t 时刻物体在时刻物体在P 点，点，其时、空关系为其时、空关系为:P(x,y,z;t)(x,y,z;t)rrvyOzSx 14-1 14-1 伽利略变换伽利略变换 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观 trrvvuuaatt 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学1 绝对时间绝对时间:时间均匀流逝时间均匀流逝,与物质运动无与物质运动无关关,所有惯性系有统一的时间所有惯性系有统一的时间.2 绝对空间绝对空间:空间与运动无关空间与运动无关,空间绝对静空间绝对静止止.空间的度量与惯性系无关空间的度量与惯性系无关,绝对不变绝对不变绝对时空观认为：绝对时空观认为：时间和空间是彼此独立、时间和空间是彼此独立、互不相关，并且独立于物质和运动之外。互不相关，并且独立于物质和运动之外。“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的、不变的。绝对的、真实的数物的，它永远是相同的、不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的、不依赖于任何外界事物。的、不依赖于任何外界事物。”牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学质量与运动无关质量与运动无关力与参考系无关力与参考系无关在两个惯性参考系中的在两个惯性参考系中的牛顿第二定律牛顿第二定律：伽利略通过实验观察指出：伽利略通过实验观察指出：力学现象力学现象对一切对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；即在研究力学惯性系来说，都遵从同样的规律；即在研究力学规律时规律时一切惯性系都是等价的一切惯性系都是等价的。这就是力学相对。这就是力学相对性原理或伽利略相对性原理。性原理或伽利略相对性原理。SFmaFSmaamFamF第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学222210EEct8001c3.010 m/s 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速度都等于光速222210BBct222222222222211E0,E0ctxyzct 若若即即2222222222222u12u 1E0cxyzctcx t 有有第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学光速相对于光速相对于以太系以太系？cc v?900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名月）一次著名的的超新星爆发超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名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的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元公元 1054年 1056年均能用肉眼观察均能用肉眼观察,特别是特别是开始的开始的 23 天天,白天也能看见白天也能看见.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,它的外围它的外围物质向四面八方飞散物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运即有些抛射物向着地球运动动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问疑问.第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学km/s1500v物质飞散速度物质飞散速度l=5000 光年光年cvcAB实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月,无法解释无法解释！年25ABttt理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约vcltA A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间cltBB 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2结果结果:先看到投出后的球，先看到投出后的球，计算投球前后的瞬间，球所发出的光波达计算投球前后的瞬间，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.(根据伽利略变换根据伽利略变换)球球投投出出后后vcv后看到投出前的球后看到投出前的球.第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学c光靠光靠“以太以太”媒质传播，媒质传播，相对静止的相对静止的“以太以太”，光，光的传播速度各向同性，恒的传播速度各向同性，恒为为c。弥漫于宇宙空间，无孔不入；弥漫于宇宙空间，无孔不入；密度极小，刚性很大（固体）；密度极小，刚性很大（固体）；切变模量很大；切变模量很大；对宏观物体的运动没有任何拖曳；对宏观物体的运动没有任何拖曳；现实现实课题课题测出地球参考系以太系的速度；测出地球参考系以太系的速度；用电磁学或光学的方法找出以太系用电磁学或光学的方法找出以太系。第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学14-2 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验1 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验的目的莫雷实验的目的寻找以太寻找以太系系2 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验的结果莫雷实验的结果 零结果零结果3 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验的装置与过程莫雷实验的装置与过程A.A.Michelson1852-1931Edward Morley18381923第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学对光线对光线：O M1 Ovvclclt111)/11(2221cclv以太风以太风P1M2MS2l1lvO对光线对光线：O M2 O)/11(22222ccltv2M2tv在在以太以太参照系中参照系中第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学)21(2222ccltv)1(2221ccltv12ttt32/clv两束光线的时间差两束光线的时间差当仪器转动当仪器转动/2 后，引起干涉条纹移动后，引起干涉条纹移动设设 ，且，且 21lllvC2222clNv22cltcv4.0N0N 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学1887年迈克耳逊和莫雷做实验用的实验台年迈克耳逊和莫雷做实验用的实验台 1907年迈克尔逊和莫雷因创制了精年迈克尔逊和莫雷因创制了精密的光学仪器而获得密的光学仪器而获得诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学（1）光的传播不需任何媒质，可在真空）光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，中传播，否定否定了以太的存在。了以太的存在。（3）迈克耳逊实验就其初衷来说是一）迈克耳逊实验就其初衷来说是一次失败的实验。次失败的实验。（2）迈克耳逊实验说明了地球上）迈克耳逊实验说明了地球上光速光速沿各个方向都是沿各个方向都是相同相同的（此时，的（此时，N0，所以无条纹移动）。所以无条纹移动）。0N 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验的莫雷实验的“零零”结果分析结果分析麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 伽利略变换伽利略变换 绝对参考系绝对参考系相对性原理相对性原理 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验“以太以太”“零零”结果结果麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 相对性原理相对性原理 伽利略变换伽利略变换光速与参照系无关光速与参照系无关 (光速不变原理光速不变原理)寻求新变换寻求新变换 (满足相对性原理满足相对性原理)洛仑兹变换洛仑兹变换 修改牛顿定律使之满足相对性原理修改牛顿定律使之满足相对性原理第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学 14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式1 爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理（物理学相对性原理）（物理学相对性原理）2 光速不变原理光速不变原理 关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性.与伽利略变换不符与伽利略变换不符.第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学洛伦兹洛伦兹（H.A.Lorentz，18531928），荷兰物理学家。变换式），荷兰物理学家。变换式原来是洛伦兹在原来是洛伦兹在1904年研究电磁年研究电磁场理论时提出来的，当时并未给场理论时提出来的，当时并未给予正确解释。予正确解释。第二年，爱因斯坦从新的观点独第二年，爱因斯坦从新的观点独立地导出了这个变换式。立地导出了这个变换式。18531928 获获1902诺贝尔奖诺贝尔奖第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学xxP(x,y,z;t)(x,y,z;t)v OS OS第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学22211xvtxyyzzvxtct22211x vtxyyzzvxtct正变换：正变换：逆变换：逆变换：2211vcvc 时空坐标变换式时空坐标变换式第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学关于洛伦兹时空坐标变换式的讨论：关于洛伦兹时空坐标变换式的讨论：（1）因时空坐标都是实数，故）因时空坐标都是实数，故为实数，要求为实数，要求vc。可知，物体的速度上限为。可知，物体的速度上限为c，vc时洛伦兹变换无意义。时洛伦兹变换无意义。22211cv （2）v/c1时，洛伦兹变换变为伽利略变换时，洛伦兹变换变为伽利略变换.故故vc叫做经典极限条件。叫做经典极限条件。（3）时空不再是各自独立、绝对的，而是相）时空不再是各自独立、绝对的，而是相互联系的。互联系的。()xxvt2()vttxc 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学例例 两个惯性系两个惯性系S与与S相对速度为相对速度为0.8c，在，在S系中观系中观测，一事件发生在测，一事件发生在t1=0 s,x1=0 m处，第二个事件处，第二个事件发生在发生在t2=510-7 s，x2=-120 m处，试求在处，试求在S系中系中测得两事件的空间和时间坐标。测得两事件的空间和时间坐标。例例 地面参照系地面参照系S中，在中，在x=1.0 106m 处，于处，于t=0.02s 时刻爆炸了一颗炸弹。如果有一沿时刻爆炸了一颗炸弹。如果有一沿x轴正方轴正方向、以向、以v=0.75c速率运动的飞船，试求在飞船参考速率运动的飞船，试求在飞船参考系系S 中的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点（空间中的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点（空间坐标）和时间。若按伽利略变换，结果又如何？坐标）和时间。若按伽利略变换，结果又如何？第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学三三 洛伦兹洛伦兹速度变换式速度变换式2221(1)(1)xxxyyxzzxuvdxuvdtucudyuvdtucudzuvdtuc )ucv1(uu)ucv1(uuucv1vuux2zzx2yyx2xx 222;11xttx cxyyzzt vv第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学 （1）uxc，vc时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略伽利略变换变换.。（2）c与与v无关，无关，光速不变光速不变 xxxxucucucuc （3）运动速度的上限是运动速度的上限是cxxxxucucucuc 讨论：讨论：第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学例例 在在S系测得光信号速度为系测得光信号速度为c，求在相对，求在相对S沿沿x 方向方向以以v 匀速运动的匀速运动的 S 系测得光信号的速度。系测得光信号的速度。ySOzxx yS zO vc 不管不管v 多大，在多大，在 S系中测得光速仍然是系中测得光速仍然是c 追赶光是徒劳的！追赶光是徒劳的！c 是一切物质运动的极限速率是一切物质运动的极限速率 例例 物体相对于物体相对于S系的速度为系的速度为ux=0.8c,S系相对于系相对于S系的速度为系的速度为v=0.6c，求，求S系中物体的速度大小。系中物体的速度大小。第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学小小 结结狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理洛伦兹坐标变换洛伦兹坐标变换时间间隔和空间间隔时间间隔和空间间隔洛伦兹速度变换洛伦兹速度变换 )()(2xcvttzzyyvtxx )()(2xcvttzzyyvtxx 211vc 第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学 )()(2xcvttzzyytvxx xxvtyyzzvttxc 2()()预预 习习:14-4 狭义相对论时空观狭义相对论时空观作作 业业:大学物理习题集大学物理习题集 本章练习一本章练习一