第七章 狭义相对论力学基础

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大学物理学第七章 狭义相对论力学基础

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第七章 狭义相对论力学基础7-1 迈克尔逊-莫雷实验 7-2 狭义相对论的两个基本假设 7-3 洛伦兹坐标变换和速度变换 7-4 同时的相对性、长度收缩和时间延缓 7-5 相对论动力学基本方程 7-6 相对论的质量、动量和能量的关系 7-7 广义相对论简介

April 22, 2011

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第七章 狭义相对论力学基础

Albert Einstein ( 1879 – 1955 )现代时空的创始人, 被誉为“ 现代时空的创始人 被誉为“20 世纪的哥白尼” 年和1915年 世纪的哥白尼”, 于1905年和 年和 年 先后创立了狭义相对论和广义相对 他于1905年提出了光量子假设 年提出了光量子假设, 论, 他于 年提出了光量子假设 为此他于1921年获得诺贝尔物理学 为此他于 年获得诺贝尔物理学 奖, 他还在量子理论方面具有很多 的重要的贡献 . 爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的 爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 哲学观念 爱因斯坦的理论特色：出于简单而归于深奥 爱因斯坦的理论特色：出于简单而归于深奥. 理论特色

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第七章 狭义相对论力学基础

狭义相对论1905:讨论不同惯性系对事件的描述 ： 狭义相对论

相对论

广义相对论1915:涉及到非惯性系包括引力场在 ： 广义相对论 内的理论*经典力学(即牛顿力学 适用范围： 经典力学 即牛顿力学)适用范围： 即牛顿力学 适用范围

宏观、低速(远小于光速 远小于光速) 宏观、低速 远小于光速*狭义相对论适用于：宏观、高速 狭义相对论适用于：宏观、

(可与光速比拟 可与光速比拟) 可与光速比拟*经典力学是相对论力学在低速时的近似

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牛顿力学的困难1)

对于不同的惯性系， 对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？ 电磁场方程组不服从伽利略变换 真空中的光速

c=

1

ε 0 µ0

= 2.998 × 10 m/s8

光速C 光速C ——

在哪个参考系中测的? 在哪个参考系中测的?

对于两个不同的 惯性参考系 , 光速满 足伽利略变换吗 ？

so

y

s'o' z'

y' v

v v v c ' = c ± v?高速运动的粒子? 高速运动的粒子?

v v c

x' x

z

2)迈克耳孙-莫雷实验测量以太风 2)迈克耳孙-莫雷实验测量以太风 迈克耳孙

零结果

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迈克尔孙 — 莫雷实验 为了测量地球相对于“以太” 为了测量地球相对于“以太”的运动 , 1881 年 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量 没有结果 . 1887年

他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验, 年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 仍得到零结果, 仍得到零结果 运 动.April 22, 2011 Page 6

未观测到地球相对“以太” 即未观测到地球相对“以太”的

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M2

G M1

M2

M22

s

G T

v v

v cv -v

v -v

G

c v2

v c

c2 v2

系看) (从 s' 系看)

设“以太”参考系为S系，实验室为 s' 以太”参考系为 系 GM 2 = GM 1 = l 系 G M1 G G M2 G T

s

G M1

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2l l l M t2 = t1 = + 2 2 c 1 v c c v c + v v 2 2 v = c t ≈ l v N = 2 ≈ 2l v 2 2 λ λc c 安徽大学出版社2Page 7

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l = 10 m , λ = 500 nm , v = 3 × 10 m/s 仪器可测量精度 N → 0.01 N ≈ 0.44

v N = ≈ 2l 2 λ λc 2

2

实验结果

N = 0

未观察到地球相对于“以太”的运动 观察到地球相对于“以太”的运动. 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了 但这些理论或与天文观察， 各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实 验相矛盾，最后均以失败 失败告终 验相矛盾，最后均以失败告终 .April 22, 2011 Page 8

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解释天文现象的困难 900 多年前(公元 多年前(公元1054年5月)一次著名的超新星 年 月 一次著名的超新星 爆发， 爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状 星云。 星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能 均能 用肉眼观察, 用肉眼观察 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 . 当一颗恒星在发生超新星爆发时, 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, 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 . 物质飞散速度 v = 1500 km/s A B

3)

v v c+v

v c

l = 5000 光年

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第七章 狭义相对论力学基础

试计算球被投出前后的瞬间， 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 根据伽利略变换 到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后

v cd

d t1 = c

v v v v c +v

d t 2 = c+vPage #

t1 > t 2ANHUI UNIVERSITY

结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球 结果 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 观察者先看到投出后的球April 22, 2011

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第七章 狭义相对论力学基础

7-2 狭义相对论的两个基本假设1905年，爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》中提出： 年 爱因斯坦在《论运动物体的电动力学》中提出

: 空间是均匀及各向同性的， 相对性原理 (relativity principle ):空间是均匀及各向同性的， 时间也是均匀的，不存在特殊的惯性系. 时间也是均匀的，不存在特殊的惯性系.物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 . 所有 光速不变性原理(invariance principle of velocity of light):真空

中的光速既不依赖于光源的运动， 中的光速既不依赖于光源的运动，也不依赖于接收器的 运动，在所有惯性系中，它具有相同的数值. 运动，在所有惯性系中，它具有相同的数值. *由这两个假设可以直接导出整个狭义相对论. 由这两个假设可以直接导出整个狭义相对论 爱因斯坦的相对性原理深刻矛盾

旧时空观

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大学物理学 伽利略的速度合成定理矛 …… 此处隐藏：3482字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……