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。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1895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)*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*速度伏变换形公式*加速序度变村换在两相互滋作匀塌速直穴线运楚动的恼惯性甩系中,牛顿括运动宝定律拖具有渠相同妇的形刷式.*二、之经典故力学披的相宣对性赛原理结论呢：牛顿仓运动庭定律熔对任线何惯矮性系然都是遍成立阻的。推广率：对于崖所有辅的惯阅性系曲，牛框顿力壁学的黑规律符都应横有相破同的级形式——牛顿应力学掠相对扩性原增理。所有无的惯钳性系汉都是专相同某的，盒各个钓惯性宽系都灾是等烟价的件，不赖存在嫂特殊蒜的绝吨对的农惯性召系。三、场经典腾力学明的绝裙对时继空观1、时蓬间：同时浴性的反绝对伤性：在一阳惯性步系中忧同时帝发生虎的两阶件事咳，在笔其它扰惯性进系中泼也是验同时避发生贱的。在S系中休，t1=t2，则由t1'=筑t1，t2'=柜t2得在S'系中t1'=使t2'时间拣间隔仙测量杜的绝枯对性馆：在S系中两，Dt=t2-t1，则由t1'=号t1，t2'=觉t2得在S'系中Dt'=瞒t2'-倦t1'=砌t2-t1=Dt2、空械间（筋长度傍）：关于量长度辽的定米义及叛长度寄测量浙的说庸明：杆的告长度永由其木两端尚的坐吵标差荐确定l=x2-x1静止桐：端点躁坐标尝值不不随时院间变细化，葛坐标当测量名可在搂不同虎时刻母进行运动径：端点贺坐标伶值随壤时间环变化舅，坐堆标测胶量必松须在呆同时惰刻进只行若不摔是同埋时测册量，吹则坐狼标差弃就不貌是杆情的长揭度空间逝的绝虹对性S'中，贫杆静纠止，竟测得x2'、x1'，则l'=x2'-x1'S系运仁动，唱在S系中吗同时项测量掘，当权时刻妈为t时，x1'=x1-vt，x2'=x2-vtS系中拦测得l=x2-x1=(x2'+vt)-罢(x1'+vt)=x2'-和x1'=l'在彼改此相鸦对运娱动的萄惯性腹系中储，测困得同森一杆求的长丢度是肝相同朝的绝对骗时空稻概念：时菠间和环空间告的量简度和术参考范系无齿关,长度梅和时究间的出测量餐是绝智对的.牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理注意牛顿酱力学示的相路对性诸原理德，在纪宏观躲、低突速的手范围不内，农是与葛实验抖结果质相一煎致的.实践堡已证奸明,绝对南时空符观是亮不正悉确的.对于闯不同撤的惯钱性系池，电致磁现裙象基钉本规鹊律的符形式题是一咏样的俊吗凭？真空中的光速对于栽两个扛不同脂的惯章性参丸考系,光速上满足盆伽利好略变区换吗耳？球投出前结果:观察新者先串看到叶投出笔后的溜球，剃后看幻玉到投酷出前哨的球.试计汤算球哭被投数出前夫后的旗瞬间撞，球比所发督出的倚光波榴达到艰观察递者所些需要政的时超间.辰(根据伽利镜略变伪换)球投出后90洞0多年终前（块公元10村54年5月）毫一次守著名柏的超新许星爆掠发，睛这次姜爆发衡的残枣骸形懂成了体著名共的金苗牛星薪座的啦蟹状沾星云齐。北摘宋天龄文学赖家记锤载从观公元10旧54年~10糊56年均能画用肉浸眼观屑察,特别并是开冤始的23天,白天桌也能命看见.物质飞散速度l=5000光年AB当一拘颗恒追星在克发生扛超新黎星爆施发时,它的草外围功物质或向四恢面八芦方飞探散,即有币些抛浓射物父向着枕地球壮运动,现研插究超覆新星映爆发拘过程钥中光态线传谅播引炒起的豪疑问.实际朴持续嫩时间教约为22个月,这怎宾么解蛛释?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14－2迈克阔尔逊劝－莫匀雷实谣验一、辞历史旅背景1、以唯太风糟实验游的零奴结果麦克罗斯韦权电磁姐理论竟与经辩典力串学有伤若干规不一同致的脉地方沃。19世纪举末电各磁学猫有了断很大桑发展18匠65年麦愉克斯箩韦(篮Ma砌xw捐el屯l)总结奇出电考磁场饼方程斯组;预言役了电猎磁波繁的存抬在,并指扭出其婚速率酷各向储均为c(真空渡中)(与参餐考系指无关);18央88年赫松兹(H舅er董tz溜)在实趣验上评证实慨了电庄磁波律的存匠在。·这显简然和愤伽利嫩略变隐换矛胀盾,按伽茎利略委变换,光速吵在一保个参霜考系英中若器是c,在另禾一参口考系然中必娃不是c。①没有惰质量弃；②完全曲透明肯；③对运认动物惑体没释有阻知力；④非常莫刚性准。爱因去斯坦性认为用：这违些困河难是爹由于葛绝对得空间忠和绝必对时悲间的祖概念南引起察的。为不造和伽售利略婆变换砖矛盾,人们曲假设:宇宙右中充菌满了撕叫“炒以太(e古th铃er巧)”的物懂质,电磁粱波靠教“以指太”如传播吐。把援以太死选作搂绝对比静止乒的参养考系;电磁蓬场方瓶程组只在破“析以太等”参抓考系生成立;电磁士波在“薯以太见”参淹考系膝中速率悟各向昂为c。按伽望利略问变换,电磁谎波相多对于弊其他怨参考会系(如地城球)速率志就不勒会各给向均蚕匀,而和蔬此参虑考系啦相对失于“努以太常”的斯速度月有关串。若此,如在达地球贫上测摊光速,可能>c或<c，同时导可以灰测出颈地球楼相对铜于以灵太的吵速度v——寻找讯“夺以晋太风保”纸的热弄潮二、独迈克皱尔逊启－莫鸦雷实快验美国耍物理头学家抬。18何52年12月19日，18伙37年毕摄业于金美国爸海军赏学院吗，曾荷任芝绪加哥厘大学弯教授错，美刚国科肉学促钉进协走会主备席、携美国警科学女院院防长；肆还被宝选为录法国到科学券院院苗士和持伦敦爪皇家决学会苗会员拌，19峡31年5月9日在山帕萨搭迪纳持逝世年。迈克梦耳逊挨主要断从事光学效和光横谱学方面毅的研讨究，蚁以毕已生精蜻力从死事光骨速的社精密奸测量棕。18筐87年他咱与莫然雷合蹄作，营进行冲了著刑名的店迈克苍耳孙-莫雷错实验驻，这咱是一光个最虑重大范的否蒸定性喇实验抽，它看动摇上了经学典物借理学台的基箭础。迈克例尔逊腾在光肢谱研流究和辨气象壁学方桂面所本取得被的出唉色成影果，龟使他丑获得工了19波07年的及诺贝奋尔物亩理学熟奖金吗。1、实唉验目芹的：测量幸运动祖参考宁系（略主要姻是地梳球）踩相对枯以太亚的速扰度。2、实状验装吸置：迈克镰尔逊辆干涉珠仪3、实庭验原根理：地球帜定沿GM1方向追运动季。若躁伽利告略变敏换成泪立，线光沿GM1速度乏为c-奇v，光沿M1G，速度c+墙v，光从G-辛M1-G所需扭时间茫为GM1M2vGM1M2v光沿GM2的速趴度和雕光沿M2G的速才度光从G-据M2-G所需酱时间兰为光沿GM2光沿M2GG点发版出的楼两束短光到伤达望规远镜冠的时郑间差光程泪差仪器谢旋转900，前防后两馒次光倾程变因化2d，干涉狡条纹迷移动测出针条纹裂的离简动DN，可由贩上式韵计算准出地县球相必对以汪太的室绝对甲速度阴。4、实诊验结宪果：零结碗果在不柿同季锄节，绵不同婚地理批条件组下做已实验炉，没刑有观忧察到逆条纹及的移险动。实验渴表明纺：相对雨以太拜的绝暂对运窜动是婆不存桂在的漆，以贼太不既能作绸为绝眉对参积考系冰，以重太假浮设不鉴能采牺用；地球说上沿甚各个鬼方向武的光汪速都擦是相救等的发。迈克素耳逊—莫雷区实验册一直馒被认榜为是茂狭义虎相对怪论的逃主要昂实验冷支柱猴。14－3狭义击相对潮论的筹基本亏原理必洛仑芽兹变者换式一、厉狭义臭相对悲论的浅基本背原理1、相鼻对性员原理吵：物理帽定律炒在所苦有的凳惯性告系中充都是线相同缘瑞的，拜即所手有惯箭性系刃对运鉴动的版描述桶都是宪等效厕的。2、光冷速不青变原盼理：真空椅中的掩光速恋是常奥量，沿它与委光源跃或观层察者结的的冤运动誓状态赞无关艇，即度不依踪蝶赖于决惯性撤系的垒选择去。1)爱因桥斯坦脾的理转论是昼牛顿江理论典的发糊展力学申规律说明圣：一切凭物理蛮规律2)光速经不变功与伽捆利略直的速仇度相主加原葬理针伶锋相扛对崭新标的现枣代时阳空观晒，引起共了物掀理学叔的一比次大培革命兴，把物彻理学炎由经愈典物轿理带抱入了酷近代裳物理抓的相狠对论协世界仇。二、老洛仑拉兹变类换式1、洛某仑兹册变换敞及其沟逆变剖换2、说以明将正支变换洪中的连速度信反号赞，并皱将带纽奉撇的觉与不井带撇隶的量最相互秩交换瞧，即骆得到托逆变笑换；当v<<珍c时，b→0，洛仑呼兹变旁换→伽利创略变榴换式森；b=v/诸c<<1，所以v<<距c。*3、推拼导S系的戒坐标辉原点O，在S系中陡：x=0在S央'系中诞：x'=爸-vt'或x'+vt'=黎0x=k(x'奴+v赤t')S'系的煎坐标矩原点x'用=k'(x-藏vt)相对鄙性原勒理，俩这两距个惯愈性系炎是等没价的共，k=霜k'x'卡=k(x-堪vt)y'暗=yz'虾=z对于y,户z的关良系，讨论t'与t的变份换关覆系考虑候光速叨原理托。假猴设O'与O垂合愚瞬时(t'=t=0惨)，由重肠合点婶发出浮的沿Ox轴前愁进的踩光信杜号，疏到达猪的坐叠标位退置，饶在两获个坐千标系责中分骗别为寻：x=青ct，x'个=c刮t'4、洛骨仑兹然坐标狼变换症的特救点相对早运动找对于插垂直驰于运扶动方马向的让空间窄尺寸置没有辅影响刘；运动闷方向征上距册离和昌时间压测量犁结果臭在变屈换中倒混合破起来踩；当物溪体的哗速度惯远小廉于光独速时宰，洛较仑兹黎变换内式就席变为亏伽俐惯略变叶换式锹。洛仑午兹坐击标变惊换说减明两折个物香体的倍相对购速度束不可染能超拣过光撇速。正变很换逆变浓换三、封洛仑担兹速察度变坦换S系S’系根据搞洛仑算兹变筝换1、速非度变趴换式2、速源度逆遗变换谅式vx<<c时，工洛仑清兹速交度变偷换式针变成惯伽利死略速挡度变主换式地；ux=c时，u'x=c洛仑撇兹速灯度变斯换本络身就妹包含咐光速帝极限逼的概厚念。3、说绞明例：倾设想蓝一飞声船以0.哲90轨c的速妄度在掀地球假上空活飞行顺，株如果寺这时举从飞仰船上壁沿速误度方纯向抛塔出一纲物体廊，物耕体相逆对飞恐船速四度为0.里90列c。问：盏从地秆面上菠看，伏物体幕速度祥多大自？解：选飞冻船参予考系起为S’系。地面往参考率系为S系。uxx¢15印-4狭义称相对码论的炊时空构观一、灶同时伍性的貌相对陷性1、同泉时性恭的相红对性在惯剪性系S中同挎时发妙生的潜两个姻事件扔，在呆惯性线系S’中一抗般来套说不凳再是翠同时市发生息的——同时键性的拖相对苏性。2、爱塔因斯族坦火坏车S‘但——爱因抗斯坦唉火车S—柳—地面记参考款系在S‘系中县，事酱件1与事棉件2同时碑发生被。在S系中百，事阅件1与事继件2不是灭同时陵发生筛。事件1：车拦厢后壁接深收器裳接收训到光领信号.事件2：车胞厢前壁接也收器丘接收内到光至信号.说明邪同时肯具有聪相对浸性，垃时间泊的量沸度是芒相对亩的.3、解友释在S'系中真，不疫同地拍点x1'与x2'同时狮发生悼两件浮事在S系中结论涝：不同谦地点订发生净的两练件事衣，对S'来说论是同害时发楼生的卸，而挺在S系中痒不一刃定是骗同时祥发生警的。在同框一地云点同刺时发怎生的犁两件歼事，溉则在可不同哑的惯息性中吸是同本时发坡生的虫。若t1‘<蹦t2’，S‘系中舞，事蜜件1早于咽事件2；但拐是随眼着x2’-x1‘的取膀值不馒同，t2-t1就可摊能小于纵零、卧大于妹零或傍等于仙零，两含事件穗的先展后次轿序在昨不同滑的惯拥性系健中可刚能发喘生颠渡倒。#同时央具有语相对史意义#例1、地贵球上,在甲犹地x1处江时刻t1出生映一小切孩去小甲在乙妹地x2处蓬时刻t2出生口一小键孩朋小乙两小剧孩的扛出生饱完全革是两菠独立荒事件鲜。甲乙··x1

x2S·若甲永乙两横地相殿距x2-x1=迅30剖00公里t2-t1=较0.络00袖6秒,即甲索先乙快后甲--场-哥,乙--给-弟·飞船萄上看,★若u=毙0.榨6c,可得t2-t1=0耀,甲乙涝同时俭出生不分爹哥弟★若u=茄0.摩8c可得t2-t1<0鸡,甲后晒乙先甲--猾-弟蛙乙--卡-哥时序餐倒了!孪生轨子效雁应(t姥wi号n虑ef望fe告ct隐)设想兽：一对叼年华痛正茂宵的孪掠生兄壁弟,哥哥掩告别晒弟弟,登上虾访问天牛郎脑织女色的旅蹄程。妹归来衫时,阿哥值仍是赏风度稀翩翩屿一少令年,而迎吹接他制的胞期弟却围是白婆发苍字苍一类老翁立了,真是圾“表天擦上方组七日,地上晶已千捐年”稼。讨论奔：1)这样祸的现亩象能悲够发碗生Cs原子史钟证妻明：19像71年美闯国空送军将Cs原子认钟放陡在飞益机上,沿赤垦道向休东和理向西茎绕地删球一梅周。篮回伴到原胃处后,分别原比静项止在升地面换上的活钟慢59美n蹲s和刮快27达3福ns田(1谊n气s践=镰10-9s)。结论知：相对演于一墓惯性接系的哨加速炭度越腔大的泻钟，捕走得狮越慢雷。与昌上述孪生咏子问陶题所症预期轿的效闷应一额致。2)按照棍相对歇的观胖点,会不感会弟典弟看摘自己帐是少狸年,而哥护哥是诊老翁它了呢?－－福－孪生缺子佯探谬(t这wi当n刺pa田ra从do剂x)答案障：不松会原因殖：实际书上,天(航天光器)、地(地球)两个精参考达系是寒不对回称的,地--斜-可以联是一今个惯思性系；天--趴-不是宽惯性毫系,有加速狗度,故能摆返回,否则肆他将协一去露不复钱返,兄弟乓永别予了。这超用出狭遣义相要对论槐的范滔围,需用枕广义而相对筛论讨蜜论(广义胜相对题论讨远论有严格忆的证咽明,实验达证明偿见上俊：Cs原子赏钟)。所以捷：Tw圆in堤e南ff糖ec汇t而非Tw门in怕P急ar瓣ad意ox♀试试甜看:有加叛速度秤的那钻个人诵变年壳轻了衬。按那此道昂理,若人狗相对险地面射多作盐加速挡运动,生命圣过程潜将进著行得符缓慢宇一些,不易浩衰老,对身完体会骑有好裕处。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、南长度洁的收屑缩固有长度当

时.

固有长度盐：物肃体相啊对静董止时痛所测雹得的喇长度.（最长）洛伦普兹收仗缩:运动物体奖在运迫动方裕向上林长度收缩.长度慕收缩抽是一住种相对效应,此结蚀果反搁之亦遍然.注意例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

系运刺动辞的茂钟饶走消得扫慢三、嘱时间兴的延匠缓系同一地点B

发生两事件在S系中枪观测换两事忆件发射一光信号接受一光信号时间间隔B固有时间竞：同一地点袭发生碧的两事件没的时散间间拿隔.时间自延缓躬：运动的钟刷走得慢.固有时间狭义储相对灵论的梯时空孔观1）两个太事件尤在不亡同的护惯性贸系看丹来，堆它们动的空阳间关券系是之相对塘的，抗时间淘关系慈也是丹相对牵的，恋只有度将空型间和忠时间裹联系可在一蛙起才姐有意坦义.2）时—空不门互相膨独立