狹義相對論的基本概念.ppt
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14-1伽俐略變換式牛頓的絕對時空觀14-2邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)14-3狹義相對論的基本原理14-4狹義相對論的時空觀,大學(xué)物理學(xué)電子教案,長江大學(xué)教學(xué)課件,狹義相對論的基本概念,引言,經(jīng)典物理學(xué)的輝煌成就經(jīng)典力學(xué)熱力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)光學(xué)電動力學(xué),從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理過渡時期的重要實(shí)驗(yàn)事實(shí),邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)：否定了絕對參考系的存在；黑體輻射實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)原子的線狀光譜,強(qiáng)調(diào),近代物理不是對經(jīng)典理論的簡單否定。,近代物理不是對經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論。,,狹義相對論的基本原理狹義相對論的一些結(jié)論廣義相對論簡介,第十四章,相對論,?狹義相對論(SpecialRelativity)研究:慣性系中物理規(guī)律及其變換揭示:時間、空間和運(yùn)動的關(guān)系?廣義相對論(GeneralRelativity)研究:非慣性系中物理規(guī)律及其變換揭示:時間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系,愛因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955),20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)改革家，相對論的創(chuàng)始人，主要科學(xué)業(yè)績：早期對布朗運(yùn)動的研究狹義相對論的創(chuàng)建推動量子力學(xué)的發(fā)展建立了廣義相對論,1905年創(chuàng)建的狹義相對論1916年創(chuàng)建的廣義相對論1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎金1906年用量子理論說明了固體熱容與溫度的關(guān)系1912年用光量子概念建立了光化學(xué)定律1916年提出自激發(fā)射和受激發(fā)射的概念，為激光的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)1924年提出了量子統(tǒng)計方法--玻色-愛因斯坦統(tǒng)計法。愛因斯坦用廣義相對論研究整個宇宙的時空結(jié)構(gòu),,愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)的哥白尼,1895年(16歲)：追光假想實(shí)驗(yàn)(如果我以速度c追隨一條光線運(yùn)動，那么我就應(yīng)當(dāng)看到，這樣一條光線就好象在空間里振蕩著而停滯不前的電磁場?？墒菬o論是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情。從一開始，在我直覺地看來就很清楚，從這樣一個觀察者來判斷，一切都應(yīng)當(dāng)象一個相對于地球是靜止的觀察者所看到的那樣按照同樣一些定律進(jìn)行。),1999年：英國>雜志推出的千年刊評選有史以來最杰出的十位物理學(xué)家：1.愛因斯坦(美籍德國人，1921*)，2.牛頓(英國)，3.麥克斯韋(英國),4.玻爾(丹麥，1922)，5.海森伯(德國，1932)，6.伽利略(意大利)，7.費(fèi)因曼(美國，1965),8.狄拉克(英國，1933)，9.薛定諤(奧地利，1933),10.盧瑟福(新西蘭),一、伽利略變換經(jīng)典力學(xué)的相對性原理,14－1伽俐略變換式牛頓的絕對時空觀,,速度變換公式,,加速度變換,,在兩相互作勻速直線運(yùn)動的慣性系中,牛頓運(yùn)動定律具有相同的形式.,二、經(jīng)典力學(xué)的相對性原理,結(jié)論：牛頓運(yùn)動定律對任何慣性系都是成立的。,推廣：對于所有的慣性系，牛頓力學(xué)的規(guī)律都應(yīng)有相同的形式——牛頓力學(xué)相對性原理。所有的慣性系都是相同的，各個慣性系都是等價的，不存在特殊的絕對的慣性系。,三、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀,1、時間：同時性的絕對性：在一慣性系中同時發(fā)生的兩件事，在其它慣性系中也是同時發(fā)生的。在S系中，t1=t2，則由t1=t1，t2=t2得在S系中t1=t2,時間間隔測量的絕對性：在S系中，Dt=t2-t1，則由t1=t1，t2=t2得在S系中Dt=t2-t1=t2-t1=Dt,2、空間（長度）：,關(guān)于長度的定義及長度測量的說明：桿的長度由其兩端的坐標(biāo)差確定l=x2-x1靜止：端點(diǎn)坐標(biāo)值不隨時間變化，坐標(biāo)測量可在不同時刻進(jìn)行運(yùn)動：端點(diǎn)坐標(biāo)值隨時間變化，坐標(biāo)測量必須在同時刻進(jìn)行若不是同時測量，則坐標(biāo)差就不是桿的長度,空間的絕對性S中，桿靜止，測得x2、x1，則l=x2-x1S系運(yùn)動，在S系中同時測量，當(dāng)時刻為t時，x1=x1-vt，x2=x2-vtS系中測得l=x2-x1=(x2+vt)-(x1+vt)=x2-x1=l,在彼此相對運(yùn)動的慣性系中，測得同一桿的長度是相同的,絕對時空概念：時間和空間的量度和參考系無關(guān),長度和時間的測量是絕對的.,牛頓力學(xué)的相對性原理，在宏觀、低速的范圍內(nèi)，是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的.,實(shí)踐已證明,絕對時空觀是不正確的.,對于不同的慣性系，電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎？,真空中的光速,對于兩個不同的慣性參考系,光速滿足伽利略變換嗎？,結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,試計算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達(dá)到觀察者所需要的時間.(根據(jù)伽利略變換),900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆發(fā)，這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文學(xué)家記載從公元1054年~1056年均能用肉眼觀察,特別是開始的23天,白天也能看見.,,物質(zhì)飛散速度,當(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時,它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散,即有些拋射物向著地球運(yùn)動,現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問.,實(shí)際持續(xù)時間約為22個月,這怎么解釋?,理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強(qiáng)光的時間持續(xù)約,A點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時間,B點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時間,14－2邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),一、歷史背景,1、以太風(fēng)實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果,麥克斯韋電磁理論與經(jīng)典力學(xué)有若干不一致的地方。,19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展1865年麥克斯韋(Maxwell)總結(jié)出電磁場方程組;預(yù)言了電磁波的存在,并指出其速率各向均為c(真空中)(與參考系無關(guān));1888年赫茲(Hertz)在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。這顯然和伽利略變換矛盾,按伽利略變換,光速在一個參考系中若是c,在另一參考系中必不是c。,①沒有質(zhì)量；②完全透明；③對運(yùn)動物體沒有阻力；④非常剛性。,愛因斯坦認(rèn)為：這些困難是由于絕對空間和絕對時間的概念引起的。,為不和伽利略變換矛盾,人們假設(shè):宇宙中充滿了叫“以太(ether)”的物質(zhì),電磁波靠“以太”傳播。把以太選作絕對靜止的參考系;電磁場方程組只在“以太”參考系成立;電磁波在“以太”參考系中速率各向?yàn)閏。,按伽利略變換,電磁波相對于其他參考系(如地球)速率就不會各向均勻,而和此參考系相對于“以太”的速度有關(guān)。若此,如在地球上測光速,可能>c或下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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