物理课件至6月16日电磁感应-狭义相对论

狭义相对论2Albert

Einstein(1879.3.14.

–

1955.4.18.

)20世纪最伟大的物理学家。①

创立狭义相对论。②

创立广义相对论。③

建立质能关系。④

提出光量子假设(1921年

物理学奖)。⑤

量子理论创始人之一。他和玻尔有关量子力学的论争是科学史上影响深远的事件。⑥

首次提出引力场方程，开创现代宇宙学。⑦

在布朗运动、受激辐射理论、玻色—爱因斯坦统计及其凝聚现象都有关键性贡献。⑧

场论的尝试。3相对论时空观与人们固有的时空观念差别很大，普通人理解有

。英国诗人波谱歌颂牛顿：自然界和自然界的规律隐藏于

中，上帝说：让牛顿去吧。于

都成为光明。后人续写：很多年后，说：让爱因斯坦去吧。于

又回到

中。4以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到19世纪末20世纪初，已经取得了空前的成就(力，热，声，光，电磁学)。人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运动规律逐渐扩展到高速的电磁波（包括光波）的场物质运动规律。伽 利

略（1564-1642）麦克斯韦（1831-1879）…牛

顿（1642-1722）……物理学关键概念的发展1600

1800

19001700力学热力学电磁学伽 利

略（1564-1642）麦克斯韦（1831-1879）…牛

顿（1642-1722）…物理学关键概念的发展1700力学热力学电磁学1900年,著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：“在物理学的天空，一切都已

洁净了，只剩下两朵乌云，一朵与麦克耳孙-莫雷实验（寻找“以太”）有关，另一朵与黑体辐射有关。”但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱——相对论和量子力学的诞生。1600

1800

19002000相对论

量子力学…爱因斯坦

…（1879-1955）19

世纪末，物理学晴朗天空中飘着的“两朵乌云”。量子力学的诞生7相对论的建立黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验一、回顾:

牛顿力学的时空观1.

牛顿的绝对时空观：时间、空间与物质无关。时间和空间彼此无关。时间间隔和空间间隔的度量绝对不变。两个物理事件的时间间隔，从任何一个惯性参考系来测量都是完全一样的；任意给定的空间两点的距离，在任何一个惯性参考系中测量所得结果是相等的。——(牛顿力学的)力学相对性原理：对不同的惯性系，牛顿定律及其它力学基本定律的形式都是一样的(即：任何惯性系都是平权的)。82.

伽利略变换设t0=t0´

=0

时，S

与S

´重合。t

时刻：x

x

vty

yz

zt

txyy'vS

´xx´

vt

o

o'ySx

xu

u

vuy

uyuz

uz再求导a

aF

ma

F

maF

F,

m

m

坐标变换速度变换故经典力学认为：一切惯性系中的力学规律都是相同的。那么自然要问：这个结论能否推广到其它物理规律（如电磁学规律）呢？(经典的速度叠加公式)(v

恒定)物理事件

vCBvAB

vAC919世纪中叶，麦克斯韦电磁理论已经牢固地建立起来了。一，麦氏电磁理论给出真空中的光速为c

=2.99×108

m/s。按牛顿时空观，c应该只是相对于某个特定的参考系的速度。相对于其它的参考系由伽利略速度变换有c

c

-v二，若某处有两个电荷。相对电荷 的惯性系中，电荷间的相互作用为静电力。相对电荷运动的惯性系中，电荷间还有磁力。三，麦克斯韦方程组在伽利略变换下无法保持不变。惯性系之间并不等价！光速（电磁规律）

从伽利略变换10三种选择:第一，伽利略相对性原理是普遍原理，应修改电磁理论使之符合伽利略相对性原理及变换；修改麦克斯韦方程会推导出一系列新的电磁现象。但是这些

的新电磁现象却从没有被观测到过。所以这种观点很快就被抛弃了！11三种选择:第二，伽利略相对性原理只对力学规律适用，不适用于电磁领域，因而电磁规律可以不符合伽利略相对性原理；“以太”论：，假设整个宇宙都充满着一种特殊媒质——“以太”。电磁波就是以“以太”为媒质的波动。1(ether)2，相对于“以太”

的参考系是优于其它惯性参考系的绝对参考系。物理定律在绝对参考系中具有最简单的形式，而对别的参考系，有可能要改变形式。电磁学定律在不同惯性系有不同的形式是正常现象12三种选择:第二，伽利略相对性原理只对力学规律适用，不适用于电磁领域，因而电磁规律可以不符合伽利略相对性原理；在物理学史上企图发现“以太”曾作过许多努力：光行差测量、双星周期测量：光速与光源速度无关。麦克耳孙-莫雷精密的光

实验：光速与地球速度无关，否定地球在“以太”中穿行。斐索流水实验：光速与媒介速度无关，否定“以太”拖拽假说最终得到关于“以太”存在的

都是零结果。13三种选择:第三，不必修改电磁理论，另找一个新的能使电磁规律符合的变换，并且保证在低速领域又回到伽利略变换。爱因斯坦认为：相信自然界有其内在的和谐规律。(必定存在和谐的力学和电磁学规律)相信自然界存在普遍性的相对性原理。(必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用)相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。狭义相对论新的时空观141905年,

年仅26岁的爱因斯坦

两篇

：《论运动物体的电动力学》①《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》②建立了狭义相对论。①

Annalen

der Physik,

1905,

17:

891②

Annalen

der Physik,

1905,

17:

639~64115二、爱因斯坦时空观狭义相对论的两个基本假设：爱因斯坦相对性原理：一切物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的惯性系。光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速率相等。光速与光源的运动速度无关。10016c

光速只跟两个标量相关。而标量的大小跟参考系的选择无关。O双星系统AB地球pvvv

vq宇宙中存在大量这种物理双星。精密的天文观测表明，双星的像是很清晰的两个光点，没有发现亮弧现象。p点vp<vq距离地球近q点vq=c+v但距离地球远两恒星A和B都绕质心近似做圆周运动。A星到达地球的光线。按照“以太”观点：u

v

cos(

)

c有可能在p、q两处同时看到A星。所以A星的像将是一段亮弧，而非一个亮点。17有两种方法测量A星的运动周期。第一，测量A星两次到达q点的时间差。第二，测量A星从q点到p点的时间差(半周期)，乘以二。地球vvpv

vqq

pp

q距离地球近距离地球远两种方法得到周期不同精密的天文观测表明，两种方法得到的周期相同这只能解释为光速与光源运动速度无关。按照“以太”观点：u

v

cos(

)

cO双星系统AB181964-1966年，欧洲核子中心的实验直接验证了光速不变的原理：以0.99975c的高速飞行的

0

介子，在飞行中辐射光子，得到光子的 速度数值仍然是c

.光速与光源运动速度无关。19设有如下实验：y

y'x'xA'B'M

v

光到达A'和光到达B'这两事O件不同时发生！4.

由光速不变原理得出的有关结论1）同时性的相对性在S'系中观察：光到达A'和光到达B'这两事件同时发生。在S系中观察：可见，两物理事件是否同时发生，不是

，而是依赖于参考系的选择，即必须相对于某参考系而言。这就是同时性的相对性。对不同参考系,

同样两事件之间的时间间隔不同。

即：时间的度量是相对的,并且与相对运动速度有关。相对论效应之一：同时性的相对性202）时间膨胀（运动参考系中时间变慢）设S'系中，A'点有一闪光光源，在Y'轴放一反射镜YY'dC'在S'系看：两事件时间间隔：YCLLX'XX'C

Xc在S系看：

t

2

dd

2L

vt

/

22t

2

Lc 2

d

/

c

显然：t

t1

v

/

c

2

t

A'Y'dA'21在S

系同一地点发生的两个事件的时间间隔为t在S系测同样两事件的时间间隔总是要长一些：定义：在某一参考系同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫作原时。2d

/

c1

(v

/

c)2t

tt

显然：t为原时。原时最短相对论效应之二：时间膨胀效应（钟慢效应）1

(v

/

c)

2tc

t

2

dYcLLY'dX'A'

c

X相对于事件发生地运动的坐标系中时间变慢，在一切(惯性)坐标系中对同一事件的时间测量中，原时最短。22记为：例:

一宇宙飞船以

v

=

9

103

m/s

的速率相对地面匀速飞行，飞船上的钟走了5s，地面上的钟测量经过了多少时间？解：2c1

v所以，当v

<<c时:t

与参考系无关，又回到牛顿时空观。5.000000002s

t

223310819103原时

5s则：

t

5

1(

v

c

)2则:lvt0.9931081.8107

52.6m例:

带正电的介子是一种不稳定的粒子，当它时，平均t

=2.510-8s，然后衰变为一个

介子和一个中微子。在产生一束v

=0.99c的

介子，并测得它在衰变之前通过的平均距离为52m。这些测量结果说明什么？解：若不考虑相对论效应

t

t

=

2.5

10-8s它在

走过的距离为：l

vt

0.993108

2.5108

7.4m考虑时间膨胀效应：10.99t

t

2.5108=1.8

10-7s24例：

在飞船上