时空观的革命相对论ppt课件

第八章 时空观的革命-相对论,1,理论物理学家。创立了狭义相对论和广义相对论。他用光量子理论说明了光电效应。提出固体热容量的量子理论以及玻色爱因斯坦的量子统计法。晚年致力于宇宙学和统一场的研究。,爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）,2,惯性系：,简单地说，没有加速度的系统称惯性系 地球自转，向心加速度约3.410-2 m/s2 ，计算不太精确时，地面参考系可作近似惯性系。地球绕太阳公转的向心加速度6.110-3 m/s2也可忽略。 惯性系是参考系在宇宙中不断外推的极限，是关于参考系的理想模型。 一切对惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。,与力学相对性原理相关的一些概念,3,牛顿观点： 绝对的真正的的数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性在均匀地、与任何其它外界事物无关地流逝着； 绝对的空间就其本质而言，是与任何外界事物无关，而且永远是相同和不动的。,绝对时空观,4,绝对空间犹如一只无限扩大的箱子，与里面有无物件无关；绝对时间犹如一条不断流淌的长河，与其中有无船只无关。两者彼此独立，互不相关。 绝对时空观符合人们的日常生活。,时间与空间相互独立与物质的存在和运动无关,绝对时空观,马赫对这种绝对空间观做出了评判，并提出一种“相对主义”的观点。,5,相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗?,绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关 , 长度和时间的测量是绝对的.,绝对时空观中的测量问题,（1）同时的绝对性,在同一参照系中，两个事件同时发生,据伽利略变换，在另一参照系中，,在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。,同时是绝对的。,6,（2）时间间隔的测量是绝对的,在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为,在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。,时间间隔是绝对性。,据伽利略变换， 在另一参照系中，,（3）长度测量的绝对性,当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但必须同时测量。,静止系中可不同时测,7,运动系中同时测,运动系中不同时测,静止系中，杆的长度为,运动系中，杆的长度为,据伽利略变换,长度测量是绝对的。,8,结论： 空间两点距离是一个不变量，与参照系的选择和观察者的运动无关。 时间的测量和运动无关,是一个不变量。,经典力学认为 空间和时间是相互独立的、互不相关的，并且独立于运动之外。 长度、时间及质量都和运动无关，是不变量。,9,在一切惯性系中，力学现象都服从相同的力学规律。在描述力学现象时，一切惯性系都等价。,力学相对性原理,推论：在一个惯性系内的观察者所做的任何力学实验，都不能判断该惯性系绝对运动的速度。,10,力学相对性原理也称伽利略相对性原理,伽利略于1632年关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话描述了匀速前进的萨尔维阿帝大船上的力学现象，都和地面上一样地发生。,舟行而不觉,11, 系, 系,OO重合,伽利略变换,（以数学形式体现了力学相对性原理）,12,两事件 P1、P2,不同惯性系测两事件的时间间隔相同,时间间隔绝对（运动的钟快慢不变）,不同惯性系测两事件的空间间隔相同,空间间隔绝对（运动的尺长度不变）,13,力学相对性原理：,14,结论：牛顿定律在不同惯性系中有相同形式。能量、动量、角动量守恒定律及由牛顿定律导出的一切力学体系的行为规律在不同惯性系中均有相同形式。,15,相对运动和运动合成的牛顿力学中是无法区分的,16,牛顿力学的困难,相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。 爱因斯坦,狭义相对论产生背景,17,(1)速度合成律中的问题,18,结果: 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换),19,900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发， 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公元 1054年 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .,物质飞散速度,当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .,20,超新星爆炸的遗迹.距离约35000光年。一颗巨大的恒星在燃烧了数百万年后坍缩崩溃成了一个黑洞，黑洞在吸进周围气体的同时，还将外层的一些物质，包括铁、镍离子和气体抛射出去。当这些喷气撞击包围恒星的稠密气体时，发出光芒来。这些气体的温度高达1500万度。,21,实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?,理论计算观察到超新性爆发的 强光的时间持续约,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,22,对两次观察而言 Fe=Fe+Fm 有 F eFe 因 q=q 所以，两次观察看到的电场必不相等 E E,(2)电磁现象不服从伽利略变换,23,24,经典物理学的基本困难,牛顿力学中：,一切惯性系等价的 无需绝对静止或运动的概念,在一个惯性系不可能通过任何力学实验 得到该参考系相对绝对静止参考系的速度,电磁学中：,光的一种电磁波 光的传播满足Maxwell方程组，且速度为c.,Maxwell方程组不是伽利略不变式，那么Maxwell方程组是在那个参考系中成立的呢？,(正确),来自电磁学的挑战,25,若认为Maxwell方程是在绝对静止的以太参考系中成立的，则可以通过测量光的速度得到地球相对绝对静止参考系的速度。,以太 参照系,可断言:,(1)有绝对静止系与绝对运动系,(2)可利用光学实验测出惯性系的绝对运动速度,(3)一切惯性系等价的相对性原理对光学不成立,若上述光学实验成功,经 典 物 理 学 的 基 本 困 难,26,电磁学规律与伽利略变换的矛盾： 经典力学满足的相对性原理不是普遍原理? 电磁学理论不正确，必须加以修正? 方案：保留电磁学规律，推广相对性原理，修正经典力学。,凭啥？,27,19世纪末，在光的电磁理论发展过程中，有人认为宇宙间充满着一种叫做“以太”的介质，光是靠“以太”来传播的。并且把这种“以太”选作绝对静止的参考系。凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动。根据这观点，历史上一些物理学家设计出了各种实验，希望通过运动参考系中所发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。1881年，迈克耳孙-莫雷设计了一个实验，企图利用光干涉的方法，测量地球相对于“以太”的绝对速度，从而确定“以太”的存在。,（3）以太实验的零结果,28,迈克耳孙-莫雷实验,29,实验原理图,迈克耳孙-莫雷实验否定了绝对参考系的存在,30,31,由 l1 = l2 = l,两束光线的时间差,当仪器转动 p / 2 后，引起干涉条纹移动,实验结果:,迈克耳孙 莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。,仪器可测量精度,32,狭义相对论基本原理,爱因斯坦认为相对性原理是普遍的 1905年，爱因斯坦提出狭义相对性原理，推广了伽利略相对性原理，指出一切惯性系中，所有的物理规律都是相同的。 同时提出了光速不变原理，找到了惯性系间正确的坐标变换式（洛仑兹变换），由此建立了相对论力学，创立了新的时空观，并对电磁学也有了更深入的理解。,33,1、狭义相对性原理：在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。,2、光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速恒为c。,物理,符合这两条原理的变换是洛仑兹变换,狭义相对性的基本原理：,34,1. Einsein的理论是Newton的理论的发展,意义:,一切物理规律,力学规律,相对性原理有了新的含义,取低速极限下，相对论力学的结果应与牛顿力学一致,相对论动能在低速条件下与牛顿力学一致。,35,3. 相对论是二十世纪初物理学的伟大成就之一，它建立了新的时空观，并在此基础上给出了高速运动物体的力学规律。 在宇宙星体，基本粒子，原子能等研究领域中，都要用到相对论力学。,36,宏观,经典力学（即牛顿力学）适用于,狭义相对论适用于,低速（远小于光速）,宏观,高速（与光速可比）,经典力学是相对论力学在低速时的近似,37,