狭义相对论课件.ppt

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1、第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 狭义相对论课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.1 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理当当 时时与与 重合重合位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为：经典力学认为：1）空间的）空间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量

2、度也是绝对的，与）时间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关.*一、一、伽利略变换式伽利略变换式 一、一、伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 三、加速度变换公式三、加速度变换公式二、伽利略速度变换公式二、伽利略速度变换公式 在两相互作匀速直线运动的惯性在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式系中，牛顿运动定律具有相同的形式.*第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.2 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系,牛顿力

3、学的规律都具有牛顿力学的规律都具有相同的形式相同的形式.这就是经典力学的相对性原理这就是经典力学的相对性原理.相对于不同的参考系相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是经典力学定律的形式是完全一样的吗完全一样的吗？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的低速的范围内，是与实验结果相一致的.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关,长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的

4、.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理6.3 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观实践已证明实践已证明,绝对时空观是不正确的绝对时空观是不正确的.时空观：时空观：绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远均匀流逝着，与任何均匀流逝着，与任何 外界事物无关；绝对的空间就其外界事物无关；绝对的空间就其本质而言与任何本质而言与任何 外界事物无关，它从不运动，并且永外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。（亦称远不变。（亦称绝对时空观绝对时空观）第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换

5、对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗一样的吗？真空中的光速真空中的光速 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系,光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗？第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 球球投投出出前前结果结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球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到观察者所需要的时间.(根据根据伽利略变换伽利略变换)球球投投出出后后第六章第六章 狭义

6、相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆发爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状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星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察,特别是开始的特别是开始的 23 天天,白天也能看见白天也能看见.物质飞散速度物质飞散速度l=5000 光年光年AB 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,它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动

7、即有些抛射物向着地球运动,现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.4 迈克尔孙迈克尔孙 莫

8、雷实验莫雷实验19世纪已经建立了完善的电磁理论世纪已经建立了完善的电磁理论麦克斯韦理论，麦克斯韦理论，如果用伽利略变换，光速在不同的惯性系中有不同如果用伽利略变换，光速在不同的惯性系中有不同的值，寻找光速为的值，寻找光速为 的参照系。的参照系。为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动,1881年年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量,没有结果没有结果.1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果,即即未观测到地球相对未观测到地球相对“以太以太”的运的运动动.第六章第六章 狭义相对论

9、狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 设：设：PM1=PM2=L，仪器，仪器相对地球静止，相对地球静止，地球相地球相对对“以态以态”速度为速度为uSuLPTM1M2利用伽利略变换可得：利用伽利略变换可得：光由光由PM1P所用时间所用时间光由光由PM2P所用时间，由于装置随地球运动，该光所用时间，由于装置随地球运动，该光线所走的实际光路如下图所示。线所走的实际光路如下图所示。第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 LM2PPOut2由几何关系：由几何关系：两光线的时间差：两光线的时间差：光程差：光程差：第六章第六章 狭义相对论狭义相对论

10、伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 将整个装置转将整个装置转900，此时，两光线正好互换，所需时间差，此时，两光线正好互换，所需时间差光光 程程 差：差：转动前后总的光程差：转动前后总的光程差：转动前后条纹移动数：转动前后条纹移动数：若若L=11m,=5.9 10-7m(Na光）光）,u=30km/s,则有则有 N=0.37!结果：条纹不动！结果：条纹不动！第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Al

11、bert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相年先后创立了狭义相对论和广义相对论对论和广义相对论,他于他于1905年提年提出了光量子假设出了光量子假设,为此他于为此他于1921年年获得诺贝尔物理学奖获得诺贝尔物理学奖,他还在量子他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献理论方面具有很多的重要的贡献.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 6.5 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有所有的的惯

12、性系中都具有相同的表达形式惯性系中都具有相同的表达形式.2）光速不变原理：光速不变原理：真空中的光速是常量，它真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择选择.关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性.相对性原理是自然界的普遍规律相对性原理是自然界的普遍规律.所有的惯性参考系都是等价的所有的惯性参考系都是等价的.伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符狭义相对论的基本原理不符.一、一、狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 二二.

13、洛伦兹变换式洛伦兹变换式*设设：时，时，重合重合;事件事件 P 的时空的时空坐标如图所示坐标如图所示.长度长度的测量是和的测量是和同时性同时性概念密切相关概念密切相关.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 正正变变换换逆逆 变变 换换 光速光速在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来.*第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 1）与与 成线性关系，但比例系数成线性关系，但比例系数 .2）时间不独立，时间不独立，和和 变换相互交叉变

14、换相互交叉.3）时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略变换。伽利略变换。洛伦兹变换洛伦兹变换特点特点 意义：意义：基本的物理定律应该在基本的物理定律应该在洛伦兹变换洛伦兹变换下保下保持持不变不变.这种不变显示出物理定律对匀速直线运动这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性的对称性 相对论对称性相对论对称性.第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 定义定义由洛仑兹由洛仑兹坐标变换坐标变换上面两式之比上面两式之比洛仑兹速度变换：洛仑兹速度变换：第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 由洛仑兹变换知由洛仑兹变换知由上两

15、式得由上两式得同样得同样得第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 洛仑兹速度变换式洛仑兹速度变换式正变换正变换 逆变换逆变换第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 例：设想一飞船以例：设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，的速度在地球上空飞行，如果这如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速度相对飞船速度为为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？。问：从地面上看，物体速度多大？解：解：选飞船参考系为选飞船参考系为系。系。地面参考系为地面参考系为系。系。第六章

16、第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 例、在惯性系例、在惯性系S中，有两事件发生于同一地点，且第二中，有两事件发生于同一地点，且第二事件比第一事件晚发生事件比第一事件晚发生 t=2s；而在另一惯性系；而在另一惯性系S中，中，观测第二事件比第一事件晚发生观测第二事件比第一事件晚发生 t=3s那么在那么在S系系中发生两事件的地点之间的距离是多少？中发生两事件的地点之间的距离是多少？第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 伽利略变换伽利略变换 洛仑兹变换洛仑兹变换 解：令解：令S系与系与S系的相对速度为系的相对速度为u，有，有 u=2.24108 ms-1那么，在那么，在S系中测得两事件之间距离为：系中测得两事件之间距离为：=6.72108 m