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1、15-1伽利略变换关系 牛顿力学相对性原理遇到的的困难15-2 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式15-3 狭义相对论的时空观,大学物理学电子教案,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,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； 经典物理学解释热辐射现象时：出现“紫外灾难”； 放射性现象的发现：原子是可分的。 光电效应 原子的线状光谱,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,相对论, 狭义相对论 (Special Relativity) 研究 : 惯性系中物理规律及其变换 揭示
2、: 时间、空间和运动的关系 广义相对论(General Relativity) 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 ( Albert Einstein, 18791955 ),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
3、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
4、(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),“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。” 苏轼题西林壁,不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无关的客观规律.,15-1伽利略变换关系,“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。” 爱因斯坦,自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变量（对称性），以便超越自我认
5、识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘. 现代物理方法论精髓,一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理,对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .,问：相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是完全一样的吗 ？,牛顿力学的回答:,伽利略变换,经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .,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.,问：相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗?,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.,二 经
6、典力学的绝对时空观,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 .,“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地流逝着, 与任何外界无关.” “绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动, 并且永远不变.”,实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.,问：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 ？,三 光速依赖于惯性参考系的选取吗,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),900
7、 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,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 .,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,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了各种理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验
8、事实相矛盾，最后均以失败告终 .,实验结果 未观察到地球相对于“以太”的运动.,爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥.,Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献 .,15-2 狭义相对论的基本原理,一狭义相对论的基本原理,1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 .,2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它与
9、光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.,关键概念：相对性和不变性 .,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性参考系都是等价的 .,伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 .,说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 .,和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的 .,二洛伦兹变换式,设 ： 时， 重合 ; 事件 P 的时空坐标如图所示 .,长度的测量是和同时性概念密切相关.,光速在任何惯性系中均为同一常量 ，利用它将时间测量与距离测量联系起来 .,意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变 . 这种
10、不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性 相对论对称性 .,* 三 洛伦兹速度变换,光速不变,一 同时的相对性,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.,15-3 狭义相对论的时空观,结论 ：沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的， 在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义；只有在同一地点， 同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时的 .,在 S 系,在 系同时同地发生的两事件,二 长度的收缩,标尺相对 系静止,在 S 系中测量,在 系中测量,固有长度,当 时 .,固有长度：物体相对静止时所测得的长度
11、.（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 .,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 15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？,解 ：固有长度,运 动 的 钟 走 得 慢,三 时间的延缓,系同一地点 B 发生两事件,在 S 系中观测两事件,时间间隔,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,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
12、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 . ）,人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行,无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间原则上可以任意短。,在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.,例2 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 10 min , 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,小 结,伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观狭义相对论基本原理狭义相对论的狭义相对论的时空观,作业思考题： P260 1，2，4，6习 题： P262 7，9，12，16预 习： 15-4，15-5,
