狭义相对论31

第十五章——狭义相对论1第十五章狭义相对论“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验第十五章——狭义相对论2经典力学量子力学相对论微观领域高速领域普朗克量子力学的诞生相对论问世第十五章——狭义相对论3第十五章狭义相对论爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家。1905年，年仅26岁的爱因斯坦完成论文《论动体的电动力学》，独立完整地提出狭义相对论原理，后来又发展为广义相对论，在科学史上创造了史无前例的奇迹。1921年，爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。第十五章——狭义相对论4§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换§15.3狭义相对论的时空观§15.4狭义相对论的动力学第十五章狭义相对论第十五章——狭义相对论5§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换一.牛顿定律的局限性：宏观物体低速运动惯性系匀速行驶船上落下的小球A君B君局限性来源于对时空的认识。第十五章——狭义相对论6§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换什么是惯性系？牛顿运动定律成立的参照系是惯性系。相对惯性系作匀速运动的参照系是惯性系。不同惯性系是等价的吗？在不同惯性系中，物理定律的形式是否相同？在不同惯性系中测量同一物体的长度△l和同一物理过程所经历的时间△t是否相同？物理学对上述问题的回答，经历了从牛顿力学到相对论，乃至广义相对论的发展。第十五章——狭义相对论7二、经典力学的基本理论1.经典力学的时空观——绝对时空观§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换绝对时间绝对空间绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关yxoy’x’o’1x2x1x2x1'x2'xxy’x’y第十五章——狭义相对论8§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换2.经典力学的相对性原理在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。运动规律不同，但力学规律相同。经典力学的相对性原理在低速宏观领域是成立的。第十五章——狭义相对论9§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换3.伽利略时空坐标变换SSx,y,z,trt,z,y,xrx,y,z,tvt,z,y,xvx,y,z,tat,z,y,x'a正变换utxxyy逆变换伽利略变换式utx'xzz'tt'yyz'zt't在两个惯性系中分析描述同一物理事件t＝t'＝0时，S,S'系重合。t时刻，物体到达P点P(x,y,z;t)(x',y',z';t')rruyOzSx(x')O'z'y'S'第十五章——狭义相对论10§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换'aau'xxvvyy'vvzz'vvzzaayyaaxxaautxxyyzz'tt'SFmaFSma在牛顿力学中amFamF4.牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性•质量与运动无关•力与参考系无关第十五章——狭义相对论11§15.1经典力学的相对性原理伽利略变换三.伽利略变换的困难sm10998.2/1800cMaxwell电磁场方程组不服从伽利略变换分析：1.不同的惯性系可能是不等价的？2.麦克斯韦方程组不是普遍成立的，具有局限性？3.伽利略变换不成立！1905年，A.Einstein提出伽利略变换、绝对时空观的局限性，首次提出了狭义相对论的两个假设第十五章——狭义相对论12§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换一.爱因斯坦两条原理m/s458792299c1.光速不变原理在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值包括两个意思：光速不随观察者的运动而变化光速不随光源的运动而变化所有惯性系都完全处于平等地位，没有任何理由选某一个参考系，把它置于特殊的地位。2.相对性原理一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式第十五章——狭义相对论13zz'yy'221βcuxtt'21βutxx'二.洛伦兹变换xx'P(x,y,z;t)(x',y',z';t')uOSO'S'21βx'utxβx'2121βutxx'21βx221βcuxtt'x'βxut'21正变换SS§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换第十五章——狭义相对论14§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换211cuzz'yy'222'1utxctuc221xutx'uczz'yy'222''1utxctuc22'1x'utxuc逆变换第十五章——狭义相对论15§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换讨论(1)空间测量与时间测量相互影响，相互制约事件1事件21111,t,z,yx1111,t',z',y'x'2222,t,z,yx2222,t',z',y'x'时间间隔空间间隔12xxx12yyy12zzz12x'x'x'12y'y'y'12z'z'z'12ttt12t't't'SS'第十五章——狭义相对论16§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换21ΔΔβtuxx'yy'Δzz'Δ221ΔΔβcxutt'逆变换2ΔΔ'1x'utxβΔyy'Δzz'22ΔΔ'1t'uxctβ可见，两事件的时间间隔、空间间隔，在不同惯性系中观察，结果一般是不同的。这是相对论时空观和绝对时空观的根本区别。第十五章——狭义相对论17§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换(2)变换式中两组时空坐标的关系都是线性的，这是真实事件必须满足的条件。一个事件在两个惯性系中的时空坐标总是一一对应的。(4)一切物体的运动速度都不得超过光速c。(5)根据狭义相对论，时空是有关的，不是独立的。cu221c/u为虚数（洛伦兹变换失去意义）221/cuutxx'utxx'tt'(3)当uc洛伦兹变换简化为伽利略变换式第十五章——狭义相对论18§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换例北京和上海相距1000km，北京站的甲火车先于上海站的乙火车1.0×10-3s发车。现有一艘飞船沿从北京到上海的方向从高空掠过，速率恒为u=0.6c。求宇航员参考系中测得的甲乙两列火车发车的时间间隔，哪一列先开?解取地面为S系，和飞船一起运动的参考系为S'系，北京站为坐标原点，北京至上海方向为x轴正方向，依题意有OxS'O'm1010003xs100.13tSzyu精品课件！精品课件！第十五章——狭义相对论21§15.2爱因斯坦的两条原理洛仑兹变换m1010003xs100.13tt’0，说明上海站的乙火车先开，时序颠倒。若北京站的另一列丙火车先于北京站的乙火车1.0×10-3s发车，则宇航员参考系中测得哪一列火车先开？2221ΔΔΔ/cuxcutt's1025160110360101000100132833....由洛仑兹坐标变换，S'测得甲乙两列火车发车的时间间隔为S系中：