大学物理第6章狭义相对论PPT课件下载推荐.ppt
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zzyyxxaaaaaa=a=a5a=a这就是说这就是说,力学规律力学规律(牛顿运动定律牛顿运动定律)在所有惯性系中在所有惯性系中都都具有相同的形式。
具有相同的形式。
或者说:
一切惯性系都是等价的。
力学相对性原理,或伽利略相对性原理。
应当注意:
是应当注意:
是力学规律力学规律(牛顿运动定律牛顿运动定律)的形式的形式不变,而不是所有不变,而不是所有力学量力学量的形式不变。
的形式不变。
结论:
1.力学的相对性原理力学的相对性原理力学相对性原理的另一种表述:
力学相对性原理的另一种表述:
在一个惯性系内部在一个惯性系内部所作的任何所作的任何力学的实验力学的实验都不能确定这一惯性系本身都不能确定这一惯性系本身是在静止状态还是在作匀速直线运动状态。
是在静止状态还是在作匀速直线运动状态。
6
(1)同时性是绝对的。
同时性是绝对的。
S
(2)时间间隔是绝对的。
时间间隔是绝对的。
或写为或写为S系系:
两事件同时发生,:
两事件同时发生,S系:
两事件也是同时系:
两事件也是同时发生的。
发生的。
2.经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观7小结:
小结:
同时性、时间间隔和空间距离都是绝对同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的,与惯性参考系的选择无关。
的,与惯性参考系的选择无关。
时间和空间是彼此独立的、互不相关的,并且时间和空间是彼此独立的、互不相关的,并且独立于物质和运动之外。
独立于物质和运动之外。
这就是这就是经典力学的时空观经典力学的时空观,也称绝对时空观。
也称绝对时空观。
S(3)空间间隔空间间隔(距离距离)是绝对的。
是绝对的。
8绝对时空观念只适用于绝对时空观念只适用于低速低速运动;
而在运动;
而在高速运动中,它的缺陷就明显表现出来了高速运动中,它的缺陷就明显表现出来了。
电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组,给出电磁电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组,给出电磁波波(光光)以恒定速度以恒定速度c在真空中传播在真空中传播常量常量四四.伽利略变换的困难伽利略变换的困难根据伽利略变换,光在不同惯性系中速度不同。
根据伽利略变换,光在不同惯性系中速度不同。
经典理论中认为光在以太中传播,于是以太可以被经典理论中认为光在以太中传播,于是以太可以被视为视为“绝对静止参考系绝对静止参考系”。
也即通过光学实验,可。
也即通过光学实验,可以区分惯性系的运动状态。
以区分惯性系的运动状态。
9于是必然导致以下结论之一:
于是必然导致以下结论之一:
一、麦克斯韦方程组不正确。
二、麦克斯韦方程组在伽利略变换下不满足力二、麦克斯韦方程组在伽利略变换下不满足力学相对性原理。
学相对性原理。
三、满足力学相对性原理的麦克斯维方程组不三、满足力学相对性原理的麦克斯维方程组不满足伽利略变换。
满足伽利略变换。
19世纪末叶,人们普遍相信第二种,也就是存世纪末叶,人们普遍相信第二种,也就是存在着在着“绝对参考系绝对参考系”。
1887年,迈克尔逊和莫年,迈克尔逊和莫雷设计了干涉仪实验,用来测量地球和以太之雷设计了干涉仪实验,用来测量地球和以太之间的相对速度。
间的相对速度。
10迈克尔逊干涉仪实验示意图迈克尔逊干涉仪实验示意图CMMl1l2l1=l2=l12Sv光源光源S发出的光线在发出的光线在半反射镜半反射镜C处分为两处分为两列,一列透过列,一列透过C经镜经镜M反射回到反射回到C再到接再到接收器收器,另一列由另一列由C到到M,反射后回到,反射后回到C再再到接收器。
两束光将到接收器。
两束光将在接收器处产生干涉在接收器处产生干涉条纹。
条纹。
在考虑了地球和以太间在考虑了地球和以太间的相互运动后,干涉条的相互运动后,干涉条纹将产生变化。
纹将产生变化。
11光束光束1:
CMC光束光束2:
CMC将整个仪器转将整个仪器转90,时间差将改变,导致干涉条纹,时间差将改变,导致干涉条纹移动,但是移动,但是实验中未观察到条纹移动!
实验中未观察到条纹移动!
A.A.Michelson,E.W.Morley实验示意图实验示意图CMMl1l2l1=l2=l12Sv12爱因斯坦说过:
爱因斯坦说过:
“如果我们承认迈克耳孙的零结果如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实,那么地球相对以太运动的想法就是错误的。
是事实,那么地球相对以太运动的想法就是错误的。
这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。
”2.在一个惯性系内不可能通过光的,或电磁的实验在一个惯性系内不可能通过光的,或电磁的实验来确定该惯性系相对于别的惯性系的运动,即来确定该惯性系相对于别的惯性系的运动,即电磁电磁现象也应服从相对性原理。
现象也应服从相对性原理。
1.伽利略变换不适用于电磁现象。
伽利略变换不适用于电磁现象。
为了挽救为了挽救“以太说以太说”,人们还提出过其他理论,人们还提出过其他理论,但是这些都被实验否定了。
于是我们有了结论:
但是这些都被实验否定了。
131905年年爱爱因因斯斯坦坦在在论论动动体体的的电电动动力力学学中中提提出出两条基本原理:
两条基本原理:
1.物理规律对所有惯性系都是一样的。
物理规律对所有惯性系都是一样的。
2.任何惯性系中,真空中光的速率都为任何惯性系中,真空中光的速率都为c。
若保持光速不变原理,若保持光速不变原理,这一规律称为这一规律称为光速不变原理。
光速不变原理。
光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾的,光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾的,就必须抛弃伽利略变换,就必须抛弃伽利略变换,也就是必须抛弃绝对时空观。
也就是必须抛弃绝对时空观。
这后来被称为这后来被称为爱因斯坦相对性原理。
爱因斯坦相对性原理。
6.2爱因斯坦狭义相对论的基本假设爱因斯坦狭义相对论的基本假设146.3洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换此时在共同原点发生的此时在共同原点发生的一个一个事件事件(如一个如一个闪光闪光),传传到到p点点:
PxySuutxoz各对应坐标轴相互平行,而当各对应坐标轴相互平行,而当t=t=0时两坐标系的时两坐标系的原点原点o与与o重合。
惯性系惯性系S相对相对S以恒定速度以恒定速度u沿沿x轴正方向运动轴正方向运动,y=y,z=zx?
xt?
t15假定假定:
对任一点对任一点P有:
有:
即:
x=x+ut=0同理同理,考虑考虑S系系原点原点o,则则有有对对S系的原点系的原点o:
S系系:
x=0。
S系系:
x=-ut根据狭义相对论的根据狭义相对论的假设假设1相对性原理相对性原理,这两个,这两个惯性系是等价的,因此惯性系是等价的,因此PxySuutxoz16根据狭义相对论的假设根据狭义相对论的假设2光速不变原理:
光速不变原理:
联立解得联立解得PxySuutxoz17洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换:
SS正正变变换换SS逆逆变变换换18
(2)洛仑兹变换是物理定律的试金石。
洛仑兹变换是物理定律的试金石。
(3)这里值得一提的是这里值得一提的是,洛仑兹变换中的一个重要洛仑兹变换中的一个重要的因子的因子SS
(1)当当uc时时,洛仑洛仑兹变换式就变成伽利略变兹变换式就变成伽利略变换式:
换式:
19因而得出推论:
任何物体相对于另一物体的速因而得出推论:
任何物体相对于另一物体的速度不可能等于或大于真空中的光速。
度不可能等于或大于真空中的光速。
即真空中的光即真空中的光速速c是一切物体运动速度的极限。
是一切物体运动速度的极限。
这一推论与实验符合,也符合因果律的要求。
如果如果uc,则则就变为无穷大或有虚数值,这显然就变为无穷大或有虚数值,这显然是没有物理意义的。
是没有物理意义的。
206.4狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观1.长度收缩长度收缩S系:
系:
S系:
刚棒相对刚棒相对S系静止,系静止,沿沿x轴方向放置轴方向放置,长长度:
度:
(同时同时测量测量)zxySuox1x221即即:
相对棒运动的观察者测得的长度相对棒运动的观察者测得的长度l要比与要比与相对棒静止的观察者测得的长度相对棒静止的观察者测得的长度lo(固有长度或原固有长度或原长长)要要短一些。
短一些。
或者说或者说物体沿运动方向缩短物体沿运动方向缩短了。
了。
(同时同时)长度收缩是一种相对论效应,和物体的内部结长度收缩是一种相对论效应,和物体的内部结构没有关系。
由于长度只在运动方向上收缩,所以构没有关系。
由于长度只在运动方向上收缩,所以物体的形状、体积、密度等也会相应发生变化。
物体的形状、体积、密度等也会相应发生变化。
222.时间膨胀时间膨胀(或钟慢或钟慢)S系:
(用固定在用固定在S系中的时钟来量度系中的时钟来量度)S系:
(用固定在用固定在S系中的时钟来量度系中的时钟来量度)设两事件发生在设两事件发生在S系中的同一地点,但不系中的同一地点,但不同时刻,即同时刻,即23(同地同地)也也就就是是说说:
相相对对事事件件发发生生地地点点运运动动的的观观察察者者测测出出的的时时间间比比相相对对事事件件发发生生地地点点静静止止的的观观察察者者测测出出的的时间时间(称为称为固有时间或原时固有时间或原时)要长一些要长一些(时间膨胀时间膨胀)。
运动的时钟走得慢些运动的时钟走得慢些(钟慢钟慢)。
时间膨胀时间膨胀(钟慢钟慢)是相对性效应,与钟表的具体是相对性效应,与钟表的具体运转无关。
运转无关。
243.同时的相对性同时的相对性设设A、B两两事事件件同同时时发发生生在在S系系的的不不同同地地点点,即即S:
可见,在可见,在S系看来同时发生的事件,在系看来同时发生的事件,在S系看系看来就不是同时发生的。
所以同时性是相对的。
来就不是同时发生的。
既然同时性是相对的,那么早与晚的时间顺序既然同时性是相对的,那么早与晚的时间顺序是否也是相对的呢?
即一个参考系早发生的事件,是否也是相对的呢?
即一个参考系早发生的事件,在另一个参考系看来会晚发生呢?
在另一个参考系看来会晚发生呢?
是可能的。
但具有因果关系的事件的时序是不是可能的。
但具有因果关系的事件的时序是不会颠倒的。
会颠倒的。
25小结小结时空时空与与物质物质的运动是的运动是相互联系相互联系的的;
空间距空间距离、时间间隔、同时性也是离、时间间隔、同时性也是相对相对的的,它们随物,它们随物体与观察者的相对运动
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