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狭义相对论,第 六 章,Special relativity,电动力学,2005 世界物理年 纪念爱因斯坦狭义相对论诞生100周年与爱因斯坦逝世50周年。 让物理走近大众，让世界拥抱物理,主要内容：,A.爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家。1879年3月14日生于德国乌耳姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹 建立了狭义相对论，推动了整个物理学理论的革命。1955年4月19日在美国逝世。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1905年，除去博士论文外，爱因斯坦连续发表了4篇重要论文，其中任何一篇，都够得上拿诺贝尔奖。3月，发表了解释光电效应的论文，提出光子说；5月，发表关于布朗运动的论文，间接证明了分子的存在；6月，发表“论运动媒质的电动力学”的论文，提出了狭义相对论；9月发表了有关质能关系式的论文，指出能量等于质量乘光速的平方E = mc2 。,狭义相对论的重点与难点,本章难点： 1、同时的相对性、时钟延缓效应的相对性； 2、相对论四维形式的理解； 3、电动力学相对论不变性的导出过程。*,本章重点： 1、深刻理解经典时空理论和迈克尔逊实验； 2、熟记狭义相对论基本原理、洛仑兹变换； 3、理解同时的相对性和尺缩、钟慢效应，能够 熟练利用洛仑兹速度变换解决具体问题； 4、了解相对论四维形式和四维协变量； 5、掌握相对论力学的基本理论并解决实际问题。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1 历史背景及重要实验基础,引言,两朵乌云：, 近代物理不是对经典理论的简单否定, 近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论,机动 目录 上页 下页 返回 结束, 在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event),一、伽利略变换,O,Z,X,Y,O,Z,(X),Y,P,(x, y, z), 在t t 时刻，物体运动到P 点,机动 目录 上页 下页 返回 结束,Z,关于长度和时间的测量, 在每个惯性系放一个时钟和一把尺子，钟和尺与参照系无关，与内部结构无关，与运动无关。,运动长度的测量：在同一时间去测量物体的两端。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二 力学相对性原理 (Galilean Principle of Relativity),三 经典时空理论的局限性,1、光速可变并与光源运动相关,光沿 系Y轴传播的速度,光沿 系X轴传播的速度,举一例：光速与光源运动速度相关出现的矛盾,2、麦氏方程不满足伽氏变换,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、伽氏变换下麦氏方程等可变性的三种看法,麦克斯韦方程不正确,伽利略变换不适合高速运动,电磁运动不服从相对性原理,4、 “以太”概念及绝对参照系,“以太”究竟为何物？,（1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）； （2）具有高弹性。电磁波一般为横波，以太应是一种固体 （G是切变模量，是介质密度）； （3）它只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,三 迈克耳逊 莫雷实验,对光线（1） ：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,对光线（2）,设,光程差,光程差与条纹移动关系,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零，在地球上实验条纹不移动。但此解释必然得出地球是宇宙中心的结论，同时太阳光在地球周围各向同性，但太阳相对地球运动，仍不符合经典速度合成。,迈克耳逊莫雷实验的零结果，说明了“以太”本身不存在。,该实验被认为是狭义相对论的主要实验支柱之一。,1881年迈克耳逊第一次实验，预期,1887年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期,实验结果,四 对实验结果的几种解释,机动 目录 上页 下页 返回 结束,恒星光行差现象（1727年发现）： 观察恒星光线的视方向与“真实”方向之间有一夹角，这说明若以太存在，将不能被地球拖动。若被拖动则地球上将看不到光行差现象。地球上观察天体的方向，应是地球相对恒星的运动速度与光速合成的方向。,2、拖曳理论,地球不是绝对参照系。但由于以太很轻，地球在以太中运动可以拖动以太一起运动。但这种说法与光行差现象矛盾。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。,3、发射理论,机动 目录 上页 下页 返回 结束,这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球为Cv。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍然无移动，证明双星实验正确。,假定认为沿相对以太运动方向上物体长度收缩为 则在地球上观测，光沿MM1M时间：,洛仑兹在此基础上建立了一套惯性系间的变换关系，