大学物理04-相对论基础
15页1、11 1第四章第四章第四章第四章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 (Theory of relativityTheory of relativity)4-1 狭义相对论的基本假设4-2 洛仑兹变换4-3 狭义相对论时空观4-4 狭义相对论动力学基础华中师范大学物理学院 李安邦2 2位移位移变换关系变换关系ZSXYY X SZ P rrR OOavrSavrS系中:系中:rRr速度速度变换关系变换关系 vuv 加速度加速度变换关系变换关系adtuda有相对运动的两个参考系中,同一运动质点的位 矢、速度、加速度之间的关系回顾3 3伽利略变换伽利略变换 ttzzyyutxx或或ZXYOutu伽利略 速度变换式zzyyxxvvvvuvvzzyyxxvvvvuvv或或S 和 S 两坐标系的X 轴和X 轴方 向相同且重合。S 系相对S 系的 速度 u 为常数且沿着X轴正方向, O 与O 相重合的时刻 t = t =0 ttzzyyutxx伽利略 坐标变换式uPXSOZYS4 41、空间任意两点之间的距离对于任何的坐标系而 言都是相同的;与坐标系的选择无关。即:长度 是“绝对的”,或称之为
2、“绝对空间”。2、时间间隔也与坐标系的选择无关,在不同的坐 标系中时间的量度或间隔都是相同的。即:“绝对 时间”“绝对空间”、“绝对时间” 构成了经典力学的所谓 “绝对时空观”,这种观点同大量的日常经验相符合。3、空间与时间不相联系5 5经典力学遇到了一些困难经典力学遇到了一些困难6 61、速度合成律应用到光时出现的问题、速度合成律应用到光时出现的问题27 7速度合成律中的问题(续)速度合成律中的问题(续)夜空的金牛座上的夜空的金牛座上的“蟹状星云蟹状星云”,是,是900多年前 一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。多年前 一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。Vc cABlVcltAcltB km/sVl15005抛射速度千光年结论结论:在在 25 年持续看到超新星爆发时发出的强光。年持续看到超新星爆发时发出的强光。史书记载史书记载:强光从出现到隐没还不到两年。强光从出现到隐没还不到两年。矛盾矛盾矛盾矛盾8 82、以太风实验的零结果、以太风实验的零结果大海中轮船激起的波浪的传播速度只与洋流的速度 有关,而与轮船的航速无关。据此出现对前述问题 的一种解释:超新星发出的光,其传播速度与爆发 物的
3、速度无关,只与传播介质的运动状态有关。那么,这种传播介质是什么? 当时假设是一种叫做“以太(aether)”的物质。它在宇 宙中无处不在。能不能检测到这种物质?9 9地球在以太海洋中航行,可以感受到吹来的以太风。 在不同方向测得的光速应该有差别:地球在以太海洋中航行,可以感受到吹来的以太风。 在不同方向测得的光速应该有差别:迈克尔逊莫雷实验以精密的光学测量方式,试图 测出不同方向的光速之差。但得到的是零结果。1010进行伽利略坐标变换:进行伽利略坐标变换:02122222222222 xcu txcu tcx一维麦克斯韦方程一维麦克斯韦方程0122222 tcx形式不同!3、电磁学的麦克斯韦方程不服从伽利略变换:、电磁学的麦克斯韦方程不服从伽利略变换:1111 1892年爱尔兰的菲兹哲罗和荷兰的洛仑兹独立 提出了运动长度收缩的概念;年爱尔兰的菲兹哲罗和荷兰的洛仑兹独立 提出了运动长度收缩的概念; 1899年洛仑兹提出运动物体上的时间间隔将变 长及洛仑兹变换;年洛仑兹提出运动物体上的时间间隔将变 长及洛仑兹变换; 1904年庞加莱提出物体所能达到的速度有一最 大值真空光速;年庞加莱提出物
4、体所能达到的速度有一最 大值真空光速;迈克尔逊莫雷实验引起物理学界广泛的讨论 和探索,很多人试图在经典物理的框架内用形 形色色的理论来修补“以太风”的学说。1212狭义相对论狭义相对论(special relativity)的两条基本假设(原理)的两条基本假设(原理)1. 相对性原理相对性原理.物理定律在所有惯性系中都相同,即不存在 特殊的惯性系(物理定律的绝对性)。物理定律在所有惯性系中都相同,即不存在 特殊的惯性系(物理定律的绝对性)。2. 光速不变原理光速不变原理.在所有惯性系中,光在真空中的速率都等 于常量在所有惯性系中,光在真空中的速率都等 于常量c(真空中光速大小的绝对性)。狭义相对论建立的历史标志,是(真空中光速大小的绝对性)。狭义相对论建立的历史标志,是1905年由爱因斯坦发表题 为论动体的电动力学的文章,该文以极其清晰和高度简 洁的观点叙述了年由爱因斯坦发表题 为论动体的电动力学的文章,该文以极其清晰和高度简 洁的观点叙述了两条基本假设两条基本假设.是力学相对性原理的推广和发展。 绝对静止的参考系是不存在的。是力学相对性原理的推广和发展。 绝对静止的参考系是不存在的。
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