第四章相对论 ppt

1爱因斯坦简介(1879年3月14日－1955年4月18日)•1879年3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。在任工程师的叔父等人的影响下，爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。2•1894年，他的家迁到意大利米兰，继续在慕尼黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育，主动放弃学籍和德国国籍，只身去米兰。•1895年他转学到瑞士阿劳市的州立中学；1896年进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学，1900年毕业。•大学毕业就失业，临时教书维持生活。•1901年取得瑞士国籍。1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员，从事发明专利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究。•1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就，特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了物理学理论的革命。同年，以论文《分子大小的新测定法》取得苏黎世大学的博士学位。3•1908年兼任伯尔尼大学编外讲师。•1909年任苏黎世大学理论物理学副教授。•1911年任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任苏黎世联邦工业大学教授。•1914年，应M.普朗克和W.能斯脱的邀请，回德国任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授，直至1933年。1915年建成了广义相对论。他预言光线经过太阳引力场要弯曲，于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人的日全食观测结果所证实。•1922年11月13日上午10时爱因斯坦乘日本船“北野丸”于到达上海，在上海“一品香”餐厅设宴招待爱因斯坦夫妇。下午6时，中国文化教育界在画家、书法家王震(字一亭，1866—1938)家里设宴招待爱因斯坦夫妇。1922年11月才正式决定授于他1921年度的物理学奖(同时还决定把1922年度物理奖授予玻尔)。瑞典驻上海总领事正式通知了爱因斯坦。爱因斯坦夫妇都表示极为高兴（戴念祖,《物理》，1995.4.20）。4•1933年1月纳粹攫取德国政权后，爱因斯坦是科学界首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲学，未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时，9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪，星夜渡海到英国，10月转到美国普林斯顿，任新建的高等研究院教授，直至1945年退休。•1940年他取得美国国籍。•1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家L.西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议研制原子弹，二战结束后，开展了反对核战争的和平社会活动。•1955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不举行任何丧礼，不筑坟墓，不立纪念碑，骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。5红色——代表过去蓝色——代表未来黄绿——表连结过去到未来2005世界物理年对物理学家而言，这个标识象征的是光锥；对一般大众而言常被看成是沙漏，象征着爱因斯坦在时间相对性上渊博的见解及洞察力。6狭义相对论发表100周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。7§4-1狭义相对论基本假设一、经典力学的时空观在彼此相对作匀速直线运动的所有惯性系中，宏观低速物体运动所遵从的牛顿力学规律是完全相同的，或者说，研究力学规律时，一切惯性系都是等价的.1、力学相对性原理推论:一个惯性系中所作的任何力学实验都无法判断其静止还是匀速运动.89设惯性系S’相对惯性系S沿X轴正向匀速运动速度为u；t=t’=0时刻,O与O’重合.在两个惯性系中考察同一物理事件2、伽利略变换xoSyoSuxySStzyxr,,,tzyxr,,,tzyxv,,,tzyxv,,,aa10正变换utxxyyzztt逆变换ttzzyytuxxxxProSuoSyry伽利略坐标变换11速度变换与加速度变换zzyyxxaaaadtduaazzyyxxaaaatdduaazzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaazzyyxxvvvvuvvzzyyxxvvvvuvv正逆两个都是惯性系u是恒量12在两个惯性系中aaSFmaamFFSmaamF可见:牛顿第二定律具有伽利略变换不变性.同理可证其它力学定律也具有伽利略变换不变性.131)对于任意的两个惯性系时间、时间的间隔是一致的。（t=t’或t’=t△t=△t’)2)若将S系S’系的米尺较好后，在以后的任意时刻，两尺测得的长度相同。3)在S系中质量为m的物体在S’系质量也为m。)()(1212ttuxx12xx12xx3、经典力学的时空观14时间：自然的流逝，与物质及其运动无关。空间：物质运动的场所，与物质及其运动无关。牛顿：“绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与外界事物无关。”牛顿：“绝对的空间就其本质而言与外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。”牛顿对绝对时间空间的看法：开尔文（英国）LordWilliamThomsonKelvin,1824~1907Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.1900乐观的世纪末普朗克的老师对他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”普朗克（德国）MaxPlank,1858~194717二、经典力学遇到的困难180010997925.21smc1)电磁场方程组不服从伽利略变换，电磁场理论证明:光在真空中的传播速度与参照系的选择无关.“以太(ether)”假说，其主要内容是：以太是传递包括光波在内的电磁波的弹性介质，它是充满整个宇宙空间，它不被物体运动所拖曳。182)迈克尔逊-莫雷实验：后来又在德国、美国、瑞士多次重复该实验，得到的仍然是“0结果”。迈克尔逊在70高龄时仍在做这方面的工作。①.以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。②.地球上各方向光速相同，与地球运动状态无关。迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量，1907年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖。19迈克尔逊—莫雷实验：20三、狭义相对论的两个基本假设1.相对性原理:在所有惯性系中，一切物理规律都具有相同的数学表达形式，即对物理规律而言，一切惯性系都是等价的.该原理是对力学相对性原理的扩展光速不变原理与伽利略速度变换原理相矛盾.2.光速不变原理：在所有惯性系中，光在真空中沿各个方向传播的速率都等于恒定值c，与光源和观察者的运动状态无关.观念上的变革21§4-2洛伦兹变换1、洛伦兹坐标变换O和O’在初时刻同时发出闪光，StzyxP,,,StzyxP,,,两个相对运动的参照系的时空坐标变换•由光速不变原理可知：22222tczyx(1)22222tczyx(2)xoSyoSuxyPrr重合和oo设S’系以速率u沿S系的X轴正方向运动;时刻设0tt22由于客观事实是确定的,且空间各向同性均匀:utxxt处，时刻在0aub(7)tzyx,,,tzyx,,,与的关系应线性对应tbxax(3)txt(4)yy(5)zz(6)23将(3)、(4)、(5)、(6)代入(2)中，并与(1)式比较系数，可确定系数a、b、、，从而可得变换结果为：zzyyzzyy正变换221cuutxx逆变换221cutuxx2221cuxcutt2221cuxcuttcucu,122通常令272.(x,y,z,t)与(x’,y’,z’,t’)一一对应，表明客观事件不会因为描述而改变，只是在不同的坐标系中的时间和位置有差别而已；，则时，当11.322cucu，，ttutxx4.因为客观事件是真实的，各坐标值不能出现虚数(由可见)，故应有uc，一切物体的运动速度都不可能超过光速c；22/1cu5.若S’系沿X轴负方向运动，则u取负值。这与伽利略变换相同，可见，低速运动规律包含在高速运动规律中.1.同一事件在不同惯性系中的时间坐标、空间坐标均不相同，而且时间坐标和空间坐标紧密相连；物理意义：28考察空间中的两个不同事件:事件1(如发射炮弹)SS),,,(1111tzyx),,,(1111tzyx),,,(2222tzyx),,,(2222tzyx事件2(如击中目标)两事件在两个坐标系中的时间间隔和空间间隔有如下关系：21cutuxx212cucuxtt21cutuxx212cucuxtt或29例题30二、洛伦兹速度变换公式设从S系看,点P的速度为v(vx,vy,vz),从S´系看,点P的速度为v(vx´,vy´,vz´)tzvtyvtxvzyxdd,dd,ddtzvtyvtxvzyxdd,dd,dd由洛伦兹坐标变换公式)dd(dtuxxzzyyddddxcuttddd2那么2dd)dd(ddcxut-tuxtxvxtxcuutxdd1dd2xxucuuv21同理:xyyvcuvv21xzzvcuvv2131xxxvcuuvv2122211cuvcuvvxyy22211cuvcuvvxzz22211cuvcuvvxzzxxxvcuuvv2122211cuvcuvvxyy正变换逆变换32对洛仑兹变换的说明：2.洛仑兹变换反映新的时空观。3.洛仑兹变换满足光速不变原理。S系：光速cvx12cccuucS系：光速例：1.洛仑兹变换是狭义相对论的核心。12xxxvcuuvv在L-T中，时间和空间密切相关，不再相互独立，与物质运动有关。334.低速时u＜＜c，洛仑兹变换转化为伽利略变换。,ttutxx,)(12cuutxx22)(1cuxcutt5.若为虚数，洛仑兹变换无意义；)(1,2cucu6.常数c给出了应用狭义相对论和经典力学的界定：当u＜＜c时，经典力学足够精确，当u→c时，必须考虑相对论效应。L-T：G-T：光速c是物质运动的极限速度。34例在太阳参考系中观察，一束星光垂直射向地面．速率为c，而地球以速率u垂直于光线运动。求在地面上测量，这束星光的速度的大小与方向各如何？35解：36例：设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体相对飞船的速度为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？解：地面参考系为系，选飞船参考系为系，SSSxuSxxv,80.0cucvx90.0xxxvcuuvv21c99.090.080.0180.090.0cc37课后作业第四章：习题4-1、4-2、4-338一、同时性的相对性§4-3狭义相对论的时空观39说明同时具有相对性，时间的量度是相对的。和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的。40同时的相对性clttBA0BAttS'(AB):、静止SB2l0AS(AB):u、以速度运动SBA2lvAAtultc0BBtultc0411）同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。2）当速度远远小于c时，两个惯性