狭义相对论的基本概念课件

14-1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观14-2迈克尔逊－莫雷实验14-3狭义相对论的基本原理14-4狭义相对论的时空观大学物理学电子教案长江大学教学课件狭义相对论的基本概念14-1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观大学物理学电子1引言经典物理学的辉煌成就经典力学热力学与统计力学光学电动力学物理学经典物理近代物理力学热学电磁学光学相对论量子论从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实迈克尔逊——莫雷实验：否定了绝对参考系的存在；黑体辐射实验光电效应

原子的线状光谱

强调

近代物理不是对经典理论的简单否定。

近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。引言经典物理学的辉煌成就物理学经典物理近代物理力学相对论从经2狭义相对论的基本原理狭义相对论的一些结论广义相对论简介第十四章相对论狭义相对论(SpecialRelativity)研究:惯性系中物理规律及其变换揭示:时间、空间和运动的关系

广义相对论(GeneralRelativity)研究:非惯性系中物理规律及其变换揭示:时间、空间和物质分布的关系狭义相对论的基本原理第十四章相对论狭义相对论(Spec3爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955)

20世纪最伟大的物理学改革家，相对论的创始人，主要科学业绩：早期对布朗运动的研究狭义相对论的创建推动量子力学的发展建立了广义相对论1905年创建的狭义相对论1916年创建的广义相对论1921年获诺贝尔物理学奖金1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系1912年用光量子概念建立了光化学定律1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础1924年提出了量子统计方法--玻色-爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个宇宙的时空结构爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人，二十世纪的哥白尼爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—141895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速度c追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好象在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年：英国<<物理世界>>杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家：1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦(英国),4.玻尔(丹麦，1922)，5.海森伯(德国，1932)，6.伽利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965),8.狄拉克(英国，1933)，9.薛定谔(奥地利，1933),10.卢瑟福(新西兰)1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速度c追随一条光5狭义相对论的基本概念课件6狭义相对论的基本概念课件7狭义相对论的基本概念课件8*系相对于系以匀速沿轴运动，观察两参照系中同一事件的时空关系。一、伽利略变换经典力学的相对性原理14－1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观*系相对于系以匀速沿轴运动，观察两参照系9**10速度变换公式*速度变换公式*11加速度变换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.*加速度变换在两相互作匀速直线运动的惯性系中,12二、经典力学的相对性原理结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式——牛顿力学相对性原理。所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。二、经典力学的相对性原理结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成13三、经典力学的绝对时空观1、时间：同时性的绝对性：在一惯性系中同时发生的两件事，在其它惯性系中也是同时发生的。在S系中，t1=t2，则由t1'=t1，t2'=t2得在S'系中t1'=t2'时间间隔测量的绝对性：在S系中，Dt=t2-t1，则由t1'=t1，t2'=t2得在S'系中Dt'=t2'-t1'=t2-t1=Dt三、经典力学的绝对时空观1、时间：时间间隔测量的绝对性：142、空间（长度）：关于长度的定义及长度测量的说明：杆的长度由其两端的坐标差确定

l=x2-x1静止：端点坐标值不随时间变化，坐标测量可在不同时刻进行运动：端点坐标值随时间变化，坐标测量必须在同时刻进行若不是同时测量，则坐标差就不是杆的长度空间的绝对性S'中，杆静止，测得x2'、x1'，则l'=x2'-x1'S系运动，在S系中同时测量，当时刻为t时，x1'=x1-vt，x2'=x2-vt

S系中测得l=x2-x1=(x2'+vt)-(x1'+vt)=x2'-x1'=l'在彼此相对运动的惯性系中，测得同一杆的长度是相同的2、空间（长度）：关于长度的定义及长度测量的说明：空间的绝对15

绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理注意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.实践已证明,绝对时空观是不正确的.绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,16对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？真空中的光速对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一17球投出前结果: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，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.18

900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，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1054年~1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见.物质飞散速度l=5000光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.900多年前（公元1054年5月）一次著19实际持续时间约为22个月,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l=5000光年物质飞散速度ABA

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间实际持续时间约为22个月,这怎么解释?理论计算观察2014－2迈克尔逊－莫雷实验一、历史背景1、以太风实验的零结果麦克斯韦电磁理论与经典力学有若干不一致的地方。19世纪末电磁学有了很大发展1865年麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组;预言了电磁波的存在,并指出其速率各向均为c(真空中)(与参考系无关);

1888年赫兹(Hertz)在实验上证实了电磁波的存在。·这显然和伽利略变换矛盾,按伽利略变换,光速在一个参考系中若是c,在另一参考系中必不是c。14－2迈克尔逊－莫雷实验一、历史背景1、以太风实验的零21①没有质量；②完全透明；③对运动物体没有阻力；④非常刚性。爱因斯坦认为：这些困难是由于绝对空间和绝对时间的概念引起的。为不和伽利略变换矛盾,人们假设:宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质,电磁波靠“以太”传播。把以太选作绝对静止的参考系;电磁场方程组只在“以太”参考系成立;电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。按伽利略变换,电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀,而和此参考系相对于“以太”的速度有关。若此,如在地球上测光速,可能>c或<c，同时可以测出地球相对于以太的速度v——寻找“以太风”的热潮①没有质量；②完全透明；爱因斯坦认为：这22二、迈克尔逊－莫雷实验美国物理学家。1852年12月19日，1837年毕业于美国海军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席、美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。迈克耳逊主要从事光学和光谱学方面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。1887年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。迈克尔逊在光谱研究和气象学方面所取得的出色成果，使他获得了1907年的诺贝尔物理学奖金。二、迈克尔逊－莫雷实验美国物理学家。1852231、实验目的：测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。2、实验装置：迈克尔逊干涉仪3、实验原理：地球定沿GM1方向运动。若伽利略变换成立，光沿GM1速度为c-v，光沿M1G，速度c+v，光从G-M1-G所需时间为GM1M2v1、实验目的：2、实验装置：3、实验原理：地球定沿GM1方向24GM1M2v光沿GM2的速度和光沿M2G的速度光从G-M2-G所需时间为光沿GM2光沿M2GG点发出的两束光到达望远镜的时间差GM1M2v光沿GM2的速度和光沿M2G的速度光从G25光程差仪器旋转900，前后两次光程变化2d，干涉条纹移动测出条纹的离动DN，可由上式计算出地球相对以太的绝对速度。4、实验结果：零结果在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条纹的移动。实验表明：相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考系，以太假设不能采用；地球上沿各个方向的光速都是相等的。迈克耳逊—莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支柱。光程差仪器旋转900，前后两次光程变化2d，干涉条纹移动测2614－3狭义相对论的基本原理洛仑兹变换式一、狭义相对论的基本原理1、相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系对运动的描述都是等效的。2、光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。1)爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展力学规律说明：一切物理规律2)光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，把物理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。14－3狭义相对论的基本原理洛仑兹变换式一、狭义相对论27二、洛仑兹变换式1、洛仑兹变换及其逆变换2、说明将正变换中的速度反号，并将带撇的与不带撇的量相互交换，即得到逆变换；当v<<c时，b→

0，洛仑兹变换→伽利略变换式；b=v/c<<1，所以v<<c。*二、洛仑兹变换式1、洛仑兹变换及其逆变换2、说明*283、推导S系的坐标原点O，在S系中：x=0在S'系中：x'=-vt'或x'+vt'=0x=k(x'+vt')

S'系的坐标原点x'=k'(x-vt)

相对性原理，这两个惯性系是等价的，k=k'x'=k(x-vt)

y'=yz'=z对于y,z的关系，3、推导S系的坐标原点O，在S系中：x=0在S'系中：x29讨论t'与t的变换关系考虑光速原理。假设O'与O垂合瞬时(t'=t=0)，由重合点发出的沿Ox轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐标系中分别为：

x=ct，x'=ct'讨论t'与t的变换关系考虑光速原理。假设O'与O垂合瞬时(t304、洛仑兹坐标变换的特点相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没有影响；运动方向上距离和时间测量结果在变换中混合起来；当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略变换式。洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。正变换逆变换4、洛仑兹坐标变换的特点相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸31三、洛仑兹速度变换S系S’系根据洛仑兹变换1、速度变换式三、洛仑兹速度变换S系S’系根据洛仑兹变换1、速度变换式322、速度逆变换式vx<<c时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度变换式；ux=c时，u'x=c洛仑兹速度变换本身就包含光速极限的概念。3、说明2、速度逆变换式vx<<c时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度33例：设想一飞船以0.90c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？解：选飞船参考系为S’系。地面参考系为S系。uxx¢例：设想一飞船以0.90c的速度在地球上空飞行，如果这时从3415-4狭义相对论的时空观一、同时性的相对性1、同时性的相对性在惯性系S中同时发生的两个事件，在惯性系S’中一般来说不再是同时发生的——同时性的相对性。2、爱因斯坦火车S‘——爱因斯坦火车S——地面参考系在S‘系中，事件1与事件2同时发生。在S系中，事件1与事件2不是同时发生。15-4狭义相对论的时空观一、同时性的相对性1、同时性35事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.说明同时具有相对性，363、解释在S'系中，不同地点x1'与x2'同时发生两件事在S系中结论：不同地点发生的两件事，对S'来说是同时发生的，而在S系中不一定是同时发生的。在同一地点同时发生的两件事，则在不同的惯性中是同时发生的。若t1‘<t2’，S‘系中，事件1早于事件2；但是随着x2’-x1‘的取值不同，t2-t1就可能小于零、大于零或等于零，两事件的先后次序在不同的惯性系中可能发生颠倒。#同时具有相对意义#3、解释在S'系中，不同地点x1'与x2'同时发生两件事在S37例1、地球上,在甲地x1处时刻t1出生一小孩小甲在乙地x2处时刻t2出生一小孩小乙两小孩的出生完全是两独立事件。甲乙··x1

x2S·若甲乙两地相距x2-x1=3000公里

t2-t1=0.006秒,即甲先乙后甲---哥,乙---弟·飞船上看,★若u=0.6c,可得t2-t

1=0,甲乙同时出生不分哥弟★若u=0.8c可得t

2-t

1<0,甲后乙先

甲---弟乙---哥时序倒了!例1、地球上,甲乙··x138孪生子效应(twineffect)设想：一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别弟弟,登上访问牛郎织女的旅程。归来时,阿哥仍是风度翩翩一少年,而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了,真是“天上方七日,地上已千年”。讨论：1)这样的现象能够发生Cs原子钟证明：1971年美国空军将Cs原子钟放在飞机上,沿赤道向东和向西绕地球一周。回到原处后,分别比静止在地面上的钟慢59ns和快273ns(1ns=10-9s)。

结论：相对于一惯性系的加速度越大的钟，走得越慢。与上述孪生子问题所预期的效应一致。孪生子效应(twineffect)设想：一对年华正茂的孪生392)按照相对的观点,会不会弟弟看自己是少年,而哥哥是老翁了呢?－－－孪生子佯谬(twinparadox)答案：不会原因：实际上,天(航天器)、地(地球)两个参考系是不对称的,地---可以是一个惯性系；天---不是惯性系,有加速度,故能返回,否则他将一去不复返,兄弟永别了。

这超出狭义相对论的范围,需用广义相对论讨论(广义相对论讨论有严格的证明,实验证明见上：

Cs原子钟)。所以：Twineffect

而非TwinParadox♀试试看:有加速度的那个人变年轻了。按此道理,若人相对地面多作加速运动,生命过程将进行得缓慢一些,不易衰老,对身体会有好处。2)按照相对的观点,会不会弟弟看自己是少年,而哥哥是老40标尺相对系静止在S系中测量测量为两个事件要求在系中测量二、长度的收缩标尺相对系静止在S系中测量测量为两个事件要求在41固有长度当

时.

固有长度：物体相对静止时所测得的长度.（最长）洛伦兹收缩:运动物体在运动方向上长度收缩.长度收缩是一种相对效应,此结果反之亦然.注意固有长度当时42例1设想有一光子火箭，相对于地球以速率飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为15m，问以地球为参考系，此火箭有多长？火箭参照系地面参照系解：固有长度例1设想有一光子火箭，相对43在S系例2一长为1m的棒静止地放在平面内，在系的观察者测得此棒与轴成角，试问从S系的观察者来看，此棒的长度以及棒与Ox轴的夹角是多少？设想系相对S系的运动速度.解：在

系在S系例2一长为1m的棒静止地44运动的钟走得慢三、时间的延缓运动的钟走得慢三、时间的延缓45系同一地点B

发生两事件在S系中观测两事件发射一光信号接受一光信号时间间隔B系同一地点B发生两事件在S系中观测两事件发射一光信号46固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.时间延缓：运动的钟走得慢.固有时间固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.时间延缓：运47狭义相对论的时空观

1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义.

2）时—空不互相独立，而是不可分割的整体.

3）光速C是建立不同惯性系间时空变换的纽带.

3）时，.1）时间延缓是一种相对效应.2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等.）注意狭义相对论的时空观3）48例3设想有一光子火箭以速率相对地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min,则地球上的观察者测得此事用去多少时间？运动的钟似乎走慢了.解:设火箭为系、地球为S系例3设想有一光子火箭以4914-5光的多普勒效应yOxSvO’y’S’x’zZ’xWW’B为光源B，A为探测器，B放在S‘系的原点O’，A放在S系的原点O，S‘相对于S系以速度v运动。有两个相同的钟W和W’分别放在S系和S’系中，并在B与A重合时，两钟开始计时。S‘系中B发出一频率为nB，波数为N的光信号，S’系测得此脉冲信号得时间间隔为DtB，S系测得此脉冲信号得时间间隔应为DtA=gDtB，A接收光信号的时间为14-5光的多普勒效应yOxSvO’y’S’x’zZ’x50光源发出的波数与接收器接收的波数是相等的光源发出的光频率称为本征频率。当光源与探测器相远离时，探测器测得光的频率要小于光的本征频率，这就是红移现象。光源与探测器相向运动，探测器接收到的频率当光源与探测器相向运动时，探测器测得光的频率要大于光的本征频率，这就是蓝移现象。光源发出的波数与接收器接收的波数是相等的光源发出的光频率称为51小结伽俐略变换式牛顿的绝对时空观迈克尔逊－莫雷实验狭义相对论的基本原理小结伽俐略变换式牛顿的绝对时空观52作业大学物理习题集,练习二十二作业5314-1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观14-2迈克尔逊－莫雷实验14-3狭义相对论的基本原理14-4狭义相对论的时空观大学物理学电子教案长江大学教学课件狭义相对论的基本概念14-1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观大学物理学电子54引言经典物理学的辉煌成就经典力学热力学与统计力学光学电动力学物理学经典物理近代物理力学热学电磁学光学相对论量子论从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实迈克尔逊——莫雷实验：否定了绝对参考系的存在；黑体辐射实验光电效应

原子的线状光谱

强调

近代物理不是对经典理论的简单否定。

近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。引言经典物理学的辉煌成就物理学经典物理近代物理力学相对论从经55狭义相对论的基本原理狭义相对论的一些结论广义相对论简介第十四章相对论狭义相对论(SpecialRelativity)研究:惯性系中物理规律及其变换揭示:时间、空间和运动的关系

广义相对论(GeneralRelativity)研究:非惯性系中物理规律及其变换揭示:时间、空间和物质分布的关系狭义相对论的基本原理第十四章相对论狭义相对论(Spec56爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955)

20世纪最伟大的物理学改革家，相对论的创始人，主要科学业绩：早期对布朗运动的研究狭义相对论的创建推动量子力学的发展建立了广义相对论1905年创建的狭义相对论1916年创建的广义相对论1921年获诺贝尔物理学奖金1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系1912年用光量子概念建立了光化学定律1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础1924年提出了量子统计方法--玻色-爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个宇宙的时空结构爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人，二十世纪的哥白尼爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—1571895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速度c追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好象在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年：英国<<物理世界>>杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家：1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦(英国),4.玻尔(丹麦，1922)，5.海森伯(德国，1932)，6.伽利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965),8.狄拉克(英国，1933)，9.薛定谔(奥地利，1933),10.卢瑟福(新西兰)1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速度c追随一条光58狭义相对论的基本概念课件59狭义相对论的基本概念课件60狭义相对论的基本概念课件61*系相对于系以匀速沿轴运动，观察两参照系中同一事件的时空关系。一、伽利略变换经典力学的相对性原理14－1伽俐略变换式牛顿的绝对时空观*系相对于系以匀速沿轴运动，观察两参照系62**63速度变换公式*速度变换公式*64加速度变换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.*加速度变换在两相互作匀速直线运动的惯性系中,65二、经典力学的相对性原理结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式——牛顿力学相对性原理。所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。二、经典力学的相对性原理结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成66三、经典力学的绝对时空观1、时间：同时性的绝对性：在一惯性系中同时发生的两件事，在其它惯性系中也是同时发生的。在S系中，t1=t2，则由t1'=t1，t2'=t2得在S'系中t1'=t2'时间间隔测量的绝对性：在S系中，Dt=t2-t1，则由t1'=t1，t2'=t2得在S'系中Dt'=t2'-t1'=t2-t1=Dt三、经典力学的绝对时空观1、时间：时间间隔测量的绝对性：672、空间（长度）：关于长度的定义及长度测量的说明：杆的长度由其两端的坐标差确定

l=x2-x1静止：端点坐标值不随时间变化，坐标测量可在不同时刻进行运动：端点坐标值随时间变化，坐标测量必须在同时刻进行若不是同时测量，则坐标差就不是杆的长度空间的绝对性S'中，杆静止，测得x2'、x1'，则l'=x2'-x1'S系运动，在S系中同时测量，当时刻为t时，x1'=x1-vt，x2'=x2-vt

S系中测得l=x2-x1=(x2'+vt)-(x1'+vt)=x2'-x1'=l'在彼此相对运动的惯性系中，测得同一杆的长度是相同的2、空间（长度）：关于长度的定义及长度测量的说明：空间的绝对68

绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理注意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.实践已证明,绝对时空观是不正确的.绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,69对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？真空中的光速对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一70球投出前结果: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，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.71

900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，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1054年~1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见.物质飞散速度l=5000光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.900多年前（公元1054年5月）一次著72实际持续时间约为22个月,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l=5000光年物质飞散速度ABA

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间实际持续时间约为22个月,这怎么解释?理论计算观察7314－2迈克尔逊－莫雷实验一、历史背景1、以太风实验的零结果麦克斯韦电磁理论与经典力学有若干不一致的地方。19世纪末电磁学有了很大发展1865年麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组;预言了电磁波的存在,并指出其速率各向均为c(真空中)(与参考系无关);

1888年赫兹(Hertz)在实验上证实了电磁波的存在。·这显然和伽利略变换矛盾,按伽利略变换,光速在一个参考系中若是c,在另一参考系中必不是c。14－2迈克尔逊－莫雷实验一、历史背景1、以太风实验的零74①没有质量；②完全透明；③对运动物体没有阻力；④非常刚性。爱因斯坦认为：这些困难是由于绝对空间和绝对时间的概念引起的。为不和伽利略变换矛盾,人们假设:宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质,电磁波靠“以太”传播。把以太选作绝对静止的参考系;电磁场方程组只在“以太”参考系成立;电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。按伽利略变换,电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀,而和此参考系相对于“以太”的速度有关。若此,如在地球上测光速,可能>c或<c，同时可以测出地球相对于以太的速度v——寻找“以太风”的热潮①没有质量；②完全透明；爱因斯坦认为：这75二、迈克尔逊－莫雷实验美国物理学家。1852年12月19日，1837年毕业于美国海军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席、美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。迈克耳逊主要从事光学和光谱学方面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。1887年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。迈克尔逊在光谱研究和气象学方面所取得的出色成果，使他获得了1907年的诺贝尔物理学奖金。二、迈克尔逊－莫雷实验美国物理学家。1852761、实验目的：测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。2、实验装置：迈克尔逊干涉仪3、实验原理：地球定沿GM1方向运动。若伽利略变换成立，光沿GM1速度为c-v，光沿M1G，速度c+v，光从G-M1-G所需时间为GM1M2v1、实验目的：2、实验装置：3、实验原理：地球定沿GM1方向77GM1M2v光沿GM2的速度和光沿M2G的速度光从G-M2-G所需时间为光沿GM2光沿M2GG点发出的两束光到达望远镜的时间差GM1M2v光沿GM2的速度和光沿M2G的速度光从G78光程差仪器旋转900，前后两次光程变化2d，干涉条纹移动测出条纹的离动DN，可由上式计算出地球相对以太的绝对速度。4、实验结果：零结果在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条纹的移动。实验表明：相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考系，以太假设不能采用；地球上沿各个方向的光速都是相等的。迈克耳逊—莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支柱。光程差仪器旋转900，前后两次光程变化2d，干涉条纹移动测7914－3狭义相对论的基本原理洛仑兹变换式一、狭义相对论的基本原理1、相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系对运动的描述都是等效的。2、光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。1)爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展力学规律说明：一切物理规律2)光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，把物理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。14－3狭义相对论的基本原理洛仑兹变换式一、狭义相对论80二、洛仑兹变换式1、洛仑兹变换及其逆变换2、说明将正变换中的速度反号，并将带撇的与不带撇的量相互交换，即得到逆变换；当v<<c时，b→

0，洛仑兹变换→伽利略变换式；b=v/c<<1，所以v<<c。*二、洛仑兹变换式1、洛仑兹变换及其逆变换2、说明*813、推导S系的坐标原点O，在S系中：x=0在S'系中：x'=-vt'或x'+vt'=0x=k(x'+vt')

S'系的坐标原点x'=k'(x-vt)

相对性原理，这两个惯性系是等价的，k=k'x'=k(x-vt)

y'=yz'=z对于y,z的关系，3、推导S系的坐标原点O，在S系中：x=0在S'系中：x82讨论t'与t的变换关系考虑光速原理。假设O'与O垂合瞬时(t'=t=0)，由重合点发出的沿Ox轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐标系中分别为：

x=ct，x'=ct'讨论t'与t的变换关系考虑光速原理。假设O'与O垂合瞬时(t834、洛仑兹坐标变换的特点相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没有影响；运动方向上距离和时间测量结果在变换中混合起来；当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略变换式。洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。正变换逆变换4、洛仑兹坐标变换的特点相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸84三、洛仑兹速度变换S系S’系根据洛仑兹变换1、速度变换式三、洛仑兹速度变换S系S’系根据洛仑兹变换1、速度变换式852、速度逆变换式vx<<c时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度变换式；ux=c时，u'x=c洛仑兹速度变换本身就包含光速极限的概念。3、说明2、速度逆变换式vx<<c时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度86例：设想一飞船以0.90c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为0.90c。问：从地面上看，物体速度多大？解：选飞船参考系为S’系。地面参考系为S系。uxx¢例：设想一飞船以0.90c的速度在地球上空飞行，如果这时从8715-4狭义相对论的时空观一、同时性的相对性1、同时性的相对性在惯性系S中同时发生的两个事件，在惯性系S’中一般来说不再是同时发生的——同时性的相对性。2、爱因斯坦火车S‘——爱因斯坦火车S——地面参考系在S‘系中，事件1与事件2同时发生。在S系中，事件1与事件2不是同时发生。15-4狭义相对论的时空观一、同时性的相对性1、同时性88事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.说明同时具有相对性，893、解释在S'系中，不同地点x1'与x2'同时发生两件事在S系中结论：不同地点发生的两件事，对S'来说是同时发生的，而在S系中不一定是同时发生的。在同一地点同时发生的两件事，则在不同的惯性中是同时发生的。若t1‘<t2’，S‘系中，事件1早于事件2；但是随着x2’-x1‘的取值不同，t2-t1就可能小于零、大于零或等于零，两事件的先后次序在不同的惯性系中可能发生颠倒。#同时具有相对意义#3、解释在S'系中，不同地点x1'与x2'同时发生两件事在S90例1、地球上,在甲地x1处时刻t1出生一小孩小甲在乙地x2处时刻t2出生一小孩小乙两小孩的出生完全是两独立事件。甲乙··x1

x2S·若甲乙两地相距x2-x1=3000公里

t2-t1=0.006秒,即甲先乙后甲---哥,乙---弟·飞船上看,★若u=0.6c,可得t2-t

1=0,甲乙同时出生不分哥弟★若u=0.8c可得t

2-t

1<0,甲后乙先

甲---弟乙---哥时序倒了!例1、地球上,甲乙··x191孪生子效应(twineffect)设想：一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别弟弟,登上访问牛郎织女的旅程。归来时,阿哥仍是风度翩翩一少年,而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了,真是“天上方七日,地上已千年”。讨论：1)这样的现象能够发生Cs原子钟证明：1971年美国空军将Cs原子钟放在飞机上,沿赤道向东和向西绕地球一周。回到原处后,分别比静止在地面上的钟慢59ns和快273ns(1ns=10-9s)。

结论：相对于一惯性系的加速度越大的钟，走得越慢。与上述孪生子问题所预期的效应一致。孪生子效应(twineffect)设想：一对年华正茂的孪生922)按照相对的观点,会不会弟弟看自己是少年,而哥哥是老翁了呢?－－－孪生子佯谬(twinparadox)答案：不会原因：实际上,天(航天器)、地(地球)两个参考系是不对称的,地---可以是一个惯性系；天---不是惯性系,有加速度,故能返回,否则他将一去不复返,兄弟永别了。

这超出狭义相对论的范围,需用广义相对论讨论(广义相对论讨论有严格的证明,实验证明见上：

Cs原子钟)。所以：Twineffect

而非TwinParadox♀试试看:有加速度的那个人变年轻了。按此道理,若人相对地面多作加速运动,生命过程将进行得缓慢一些,不易衰老,对身体会有好处。2)按照相对的观点,会不会弟弟看自己是少年,而哥哥是老93标尺相对系静止在