大學物理學施建青版上冊上課3-1相對論基本原理和洛侖茲變換ppt課件

1、3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換 一一 伽利略變換式伽利略變換式 經(jīng)典力學的相對性原理經(jīng)典力學的相對性原理 對于任何慣性參照系對于任何慣性參照系 , 牛頓力學的規(guī)律都具有牛頓力學的規(guī)律都具有相同的形式相同的形式 . 這就是經(jīng)典力學的相對性原理這就是經(jīng)典力學的相對性原理 . 相對于不同的參考系相對于不同的參考系 , 經(jīng)典力學定律的形式是經(jīng)典力學定律的形式是完全一樣的嗎完全一樣的嗎 ？牛頓力學的回答牛頓力學的回答:3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換伽利略變換伽利略變換當當 時時0tt oo與與 重合重合txxvy

2、y zz tt 位置坐標變換公式位置坐標變換公式 經(jīng)典力學認為：經(jīng)典力學認為：1空間的空間的量度是絕對的，與參考系無關(guān)；量度是絕對的，與參考系無關(guān)；2時間的量度也是絕對的，與時間的量度也是絕對的，與參考系無關(guān)參考系無關(guān) .x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yy3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換zzaayyaa xxaa加速度變換公式加速度變換公式aaamF amFvxxuuyyuu zzuu 伽利略速度變換公式伽利略速度變換公式 在兩相互作勻速直線運動的慣性在兩相互作勻速直線運動的慣性系中，牛頓運動

3、定律具有相同的形式系中，牛頓運動定律具有相同的形式.x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yy3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換 相對于不同的參考系相對于不同的參考系 , 長度和時間的測量結(jié)果長度和時間的測量結(jié)果是一樣的嗎是一樣的嗎? 絕對時空概念：時間和空間的量度和參考系無絕對時空概念：時間和空間的量度和參考系無關(guān)關(guān) , 長度和時間的測量是絕對的長度和時間的測量是絕對的.牛頓的絕對時空觀牛頓的絕對時空觀牛頓力學的相對性原理牛頓力學的相對性原理二二 經(jīng)典力學的絕對時空觀經(jīng)典力學的絕對時空觀注注 意意 牛

4、頓力學的相對性原理，在宏觀、牛頓力學的相對性原理，在宏觀、低速的范圍內(nèi)，是與實驗結(jié)果相一致低速的范圍內(nèi)，是與實驗結(jié)果相一致的的 . 3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換（1 1同時的絕對性同時的絕對性據(jù)伽利略變換，據(jù)伽利略變換，S/S/系系21tt在其他慣性系中，兩個事件也一定同時發(fā)生。在其他慣性系中，兩個事件也一定同時發(fā)生。同時的絕對性同時的絕對性S S系系, ,21tt 兩個事件同時發(fā)生兩個事件同時發(fā)生V x y o1eventxyo2event3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換（2 2時間間隔的測量是絕對的

5、時間間隔的測量是絕對的S S系：兩個事件先后發(fā)生，系：兩個事件先后發(fā)生，其間隔為其間隔為12ttt在其他慣性系中，兩個事件的時間間隔不變。在其他慣性系中，兩個事件的時間間隔不變。時間間隔的絕對性。時間間隔的絕對性。據(jù)伽利略變換，據(jù)伽利略變換， 在在S S系中，系中，tttttt12V x y o1eventxyo2event3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換（3 3長度測量的絕對性長度測量的絕對性當桿的方向沿軸方向時，長度是桿的兩端的當桿的方向沿軸方向時，長度是桿的兩端的坐標差，但必須同時測量。坐標差，但必須同時測量。1x2xYX靜止系中可不同時測靜止

6、系中可不同時測靜止系中，桿的長度為靜止系中，桿的長度為12xxl運動系中，桿的長度為運動系中，桿的長度為12xxl3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換根據(jù)伽利略變換根據(jù)伽利略變換utxx11utxx22lxxxxl212長度測量是絕對的。長度測量是絕對的。3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換真空中的光速真空中的光速m/s10998. 21800c 對于兩個不同的對于兩個不同的慣性參考系慣性參考系 , 光速滿光速滿足伽利略變換嗎足伽利略變換嗎 ？?v ccx xy yvo oz z ssc三三 牛頓力學的困難牛頓力學

7、的困難（1 1電磁波和光不服從伽利略變換電磁波和光不服從伽利略變換3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換由麥氏方程組可解出光在任意慣性參照系中真空由麥氏方程組可解出光在任意慣性參照系中真空介質(zhì)的速度為介質(zhì)的速度為 即在即在S和和S系中，光在真系中，光在真空中的傳播速度一樣，這與伽利略速度變換矛盾。空中的傳播速度一樣，這與伽利略速度變換矛盾。00csmcv/15:伽利略變換3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換 900 多年前公元多年前公元1054年年5月一次著名的超新星爆發(fā)，月一次著名的超新星爆發(fā)， 這次爆發(fā)的殘骸形成

8、了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文學家記載從公元學家記載從公元 1054年年 1056年均能用肉眼觀察年均能用肉眼觀察, 特別是開始特別是開始的的 23 天天, 白天也能看見白天也能看見 .km/s1500v物質(zhì)飛散速度物質(zhì)飛散速度l = 5000 光年光年cvcAB 當一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時當一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時, 它的外圍物質(zhì)向它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散四面八方飛散, 即有些拋射物向著地球運動即有些拋射物向著地球運動, 現(xiàn)研究超現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問 .3 - 1 3 - 1

9、 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換實際持續(xù)時間約為實際持續(xù)時間約為 22 個月個月, 這怎么解釋這怎么解釋 ?年25ABttt理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強光的時間持續(xù)約理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強光的時間持續(xù)約l = 5000 光年光年cvckm/s1500v物質(zhì)飛散速度物質(zhì)飛散速度ABvcltA A 點光線到達點光線到達地球所需時間地球所需時間cltBB 點光線到達點光線到達地球所需時間地球所需時間3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換（2 2以太的假設以太的假設 “以太是人們假想的，充滿宇宙空間以太是人們假想的，充滿宇宙空間的一種絕

10、對靜止的物質(zhì)。的一種絕對靜止的物質(zhì)。 為了測量地球相對于為了測量地球相對于“以太的運動以太的運動 , 1881年邁克爾孫用他自制的干涉儀進行測量年邁克爾孫用他自制的干涉儀進行測量, 沒有結(jié)果沒有結(jié)果 .1887年他與莫雷以更高的精度重年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實驗新做了此類實驗,仍得到零結(jié)果仍得到零結(jié)果, 即未觀測即未觀測到地球相對到地球相對“以太的運動以太的運動 .3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換（3 3質(zhì)量隨速度的增加而增加質(zhì)量隨速度的增加而增加1901年考夫曼在確定鐳發(fā)出的年考夫曼在確定鐳發(fā)出的 射線高射線高速運動的電子束荷質(zhì)比的實驗中

11、首先看速運動的電子束荷質(zhì)比的實驗中首先看到，電子的荷質(zhì)比與其運動速度有關(guān)，假到，電子的荷質(zhì)比與其運動速度有關(guān)，假設電子的電荷設電子的電荷 不隨速度而變化，則它的不隨速度而變化，則它的質(zhì)量就要隨速度的增加而增大質(zhì)量就要隨速度的增加而增大 e3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換 愛因斯坦的哲學觀念：自然愛因斯坦的哲學觀念：自然界應當是和諧而簡單的界應當是和諧而簡單的. 理論特色：出于簡單而歸于理論特色：出于簡單而歸于深奧深奧.Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世紀最偉大的物理學家, 于1905年和1915年先后創(chuàng)立了狹義相對論和

12、廣義相對論, 他于1905年提出了光量子假設, 為此他于1921年獲得諾貝爾物理學獎, 他還在量子理論方面具有很多的重要的貢獻 .3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換四狹義相對論的基本原理四狹義相對論的基本原理1相對性原理：物理定律在所有的慣性系相對性原理：物理定律在所有的慣性系中都具有相同的表達形式中都具有相同的表達形式 . 2光速不變原理：光速不變原理： 真空中的光速是常量，真空中的光速是常量，它與光源或觀察者的運動無關(guān)，即不依賴于它與光源或觀察者的運動無關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇慣性系的選擇. 相對性原理是自然界的普遍規(guī)律相對性原理是自然界的普遍規(guī)

13、律. 所有的慣性參考系都是等價的所有的慣性參考系都是等價的 . 伽利略變換與狹義相對論的基本原理伽利略變換與狹義相對論的基本原理不符不符 .3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換說明同時具有相對性，時間的量度是相對的說明同時具有相對性，時間的量度是相對的 . 和光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中同時發(fā)和光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中同時發(fā)生的兩個事件，在相對于此慣性系運動的另一慣性系中觀察，生的兩個事件，在相對于此慣性系運動的另一慣性系中觀察，并不一定是同時發(fā)生的并不一定是同時發(fā)生的 .3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換

14、相對論基本原理和洛侖茲變換cv211五洛倫茲變換式五洛倫茲變換式z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP)(12txtxxvvyy zz )(1222xctxcttvv 設設 ： 時，時， 重合重合 ; 事件事件 P 的時空的時空坐標如圖所示坐標如圖所示 .0tt,oo 長度的測量是和同時性概念密切相關(guān)長度的測量是和同時性概念密切相關(guān).3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換)(txxvyy zz )(2xcttv正正變變換換) (txxv yy zz ) (2xcttv逆逆 變變 換換 光速在任何慣性光速在任何慣性系中均為同一常量系中均為同一常量 ，利用它將時間測量與利用它將時間測量與距離測量聯(lián)系起來距離測量聯(lián)系起來 .z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP3 - 1 3 - 1 相對論基本原理和洛侖茲變換相對論基本原理和洛侖茲變換1）