狹義相對(duì)論講義

1、2005世界物理年 紀(jì)念?lèi)?ài)因斯坦狹義相對(duì)論誕生100周年與愛(ài)因斯坦逝世50周年。 讓物理走近大眾，讓世界擁抱物理第一頁(yè)，共十九頁(yè)。第二頁(yè)，共十九頁(yè)。主要內(nèi)容： A.愛(ài)因斯坦 20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。1879年3月14日生于德國(guó)烏耳姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。1905年，愛(ài)因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了史無(wú)前例的奇跡 建立了狹義相對(duì)論，推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)理論的革命。1955年4月19日在美國(guó)逝世。 相對(duì)論的基本原理 洛倫茲變換 相對(duì)論的四維形式 相對(duì)論的時(shí)空理論 相對(duì)論力學(xué) 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第三頁(yè)，共十九頁(yè)。 相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別

2、很大，很難被普通人所理解。人們都稱(chēng)贊愛(ài)因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句: 自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說(shuō)：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫(xiě)道: 上帝說(shuō)完多少年之后， 魔鬼說(shuō)：“讓愛(ài)因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 1905年，除去博士論文外，愛(ài)因斯坦連續(xù)發(fā)表了4篇重要論文，其中任何一篇，都?jí)虻蒙夏弥Z貝爾獎(jiǎng)。3月，發(fā)表了解釋光電效應(yīng)的論文，提出光子說(shuō)；5月，發(fā)表關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，間接證明了分子的存在；6月，發(fā)表“論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”的論文，提出了狹義相對(duì)論；9月發(fā)表了有關(guān)質(zhì)能關(guān)系式的論

3、文，指出能量等于質(zhì)量乘光速的平方E = mc2 。第四頁(yè)，共十九頁(yè)。狹義相對(duì)論的重點(diǎn)與難點(diǎn)本章難點(diǎn)：1、同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)鐘延緩效應(yīng)的相對(duì)性；2、相對(duì)論四維形式的理解；3、電動(dòng)力學(xué)相對(duì)論不變性的導(dǎo)出過(guò)程。* 本章重點(diǎn)： 1、深刻理解經(jīng)典時(shí)空理論和邁克爾遜實(shí)驗(yàn)； 2、熟記狹義相對(duì)論基本原理、洛侖茲變換； 3、理解同時(shí)的相對(duì)性和尺縮、鐘慢效應(yīng)，能夠 熟練利用洛侖茲速度變換解決具體問(wèn)題； 4、了解相對(duì)論四維形式和四維協(xié)變量； 5、掌握相對(duì)論力學(xué)的基本理論并解決實(shí)際問(wèn)題。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第五頁(yè)，共十九頁(yè)。1 歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)引言牛頓力學(xué)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論 1

4、9世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。兩朵烏云： 邁克耳遜莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn) 黑體輻射實(shí)驗(yàn) 近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的簡(jiǎn)單否定 近代物理不是經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論狹義相對(duì)論量子力學(xué) 近代物理學(xué)的兩大支柱，逐步建立了新的物理理論。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第六頁(yè)，共十九頁(yè)。正變換 在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略變換OZXYOZ(X)YvP(x, y, z) 在t t 時(shí)刻，物體運(yùn)動(dòng)到P 點(diǎn) 在t 0 時(shí)刻，物體在O 點(diǎn),系重合機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 Z第七頁(yè)，共十九頁(yè)。關(guān)于長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量 在每個(gè)慣性系放一個(gè)時(shí)鐘和一

5、把尺子，鐘和尺與參照系無(wú)關(guān)，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。 運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的測(cè)量：在同一時(shí)間去測(cè)量物體的兩端。 t1= t2 l = x2- x1XOY(x1 t1 )(x2 t2 )YvX機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第八頁(yè)，共十九頁(yè)。逆變換 伽利略坐標(biāo)變換式 伽利略速度變換式 伽利略加速度變換式 牛頓定律不變性結(jié)論：在一切慣性系中，經(jīng)典力學(xué)中的時(shí)空是絕對(duì)的 絕對(duì)時(shí)空觀 時(shí)間是絕對(duì)的 空間是絕對(duì)的 時(shí)空相互分離機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第九頁(yè)，共十九頁(yè)。二 力學(xué)相對(duì)性原理 (Galilean Principle of Relativity) 一切慣性系都是等價(jià)的，不存在特殊的慣性系。

6、(1)在一切相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng)慣性系中牛頓力學(xué)定律具有相同形式；不能在一個(gè)參照系內(nèi)部做實(shí)驗(yàn)來(lái)確定該參照系相對(duì)另一系的速度。 三 經(jīng)典時(shí)空理論的局限性1、光速可變并與光源運(yùn)動(dòng)相關(guān)XOYYvXO在 系光速各向同性系光速各向異性 光沿 系Y軸傳播的速度 光沿 系X軸傳播的速度第十頁(yè)，共十九頁(yè)。擊前瞬間擊后瞬間先出球，后擊球 -先后顛倒舉一例：光速與光源運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)出現(xiàn)的矛盾光傳到乙的時(shí)間：光傳到乙的時(shí)間：2、麥?zhǔn)戏匠滩粷M足伽氏變換 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十一頁(yè)，共十九頁(yè)。3、伽氏變換下麥?zhǔn)戏匠痰瓤勺冃缘娜N看法 麥克斯韋方程不正確 伽利略變換不適合高速運(yùn)動(dòng) 電磁運(yùn)動(dòng)不服從相對(duì)性原理4、

7、“以太”概念及絕對(duì)參照系 “以太”究竟為何物？（1）充滿宇宙，透明而密度很小（電磁彌散空間，無(wú)孔不入）；（2）具有高彈性。電磁波一般為橫波，以太應(yīng)是一種固體 （G是切變模量，是介質(zhì)密度）；（3）它只在牛頓絕對(duì)時(shí)空中靜止不動(dòng)，即在特殊參照系中靜止。 光借助“以太”媒質(zhì)傳播，相對(duì)靜止的“以太”，光的傳播速度各向同性，均為C 。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 伽利略變換 相對(duì)性原理 麥克斯韋方程第十二頁(yè)，共十九頁(yè)。三 邁克耳遜 莫雷實(shí)驗(yàn)假定相對(duì)性原理不成立，麥克斯韋方程的形式僅在以太中成立。因此在地球上可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證地球相對(duì)“以太”的速度。反過(guò)來(lái)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找“以太”靜止的絕對(duì)參考系。假定

8、在“以太”中光速各項(xiàng)同性且恒等于C，而在其它參考系 光速各項(xiàng)異性。假定太陽(yáng)與以太固連，地球相對(duì)于以太的速度就應(yīng)當(dāng)是地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)速度。 對(duì)光線（1） ：地球系以太風(fēng)機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十三頁(yè)，共十九頁(yè)。對(duì)光線（2）設(shè)光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系儀器轉(zhuǎn)動(dòng)引起干涉條紋的移動(dòng)：機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十四頁(yè)，共十九頁(yè)。1、地球相對(duì)以太靜止論 地球?yàn)榻^對(duì)參照系，光速在地球上恒為 C 且各向同性。這樣顯然光程差為零，在地球上實(shí)驗(yàn)條紋不移動(dòng)。但此解釋必然得出地球是宇宙中心的結(jié)論，同時(shí)太陽(yáng)光在地球周?chē)飨蛲裕?yáng)相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，仍不符合經(jīng)典速度合成。 邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)

9、果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。1881年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果邁克耳遜干涉儀精度可觀測(cè)到0.01個(gè)條紋的移動(dòng)。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)四 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾種解釋 機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十五頁(yè)，共十九頁(yè)。 恒星光行差現(xiàn)象（1727年發(fā)現(xiàn)）： 觀察恒星光線的視方向與“真實(shí)”方向之間有一夾角，這說(shuō)明若以太存在，將不能被地球拖動(dòng)。若被拖動(dòng)則地球上將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應(yīng)是地球相對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)速度與光速合成的方向。 理論計(jì)算：對(duì)太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：2、

10、拖曳理論 地球不是絕對(duì)參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運(yùn)動(dòng)可以拖動(dòng)以太一起運(yùn)動(dòng)。但這種說(shuō)法與光行差現(xiàn)象矛盾。機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十六頁(yè)，共十九頁(yè)。 靜止光源光速為C，運(yùn)動(dòng)光源光速改變，且各向同性。這樣在地球上用靜止光源做實(shí)驗(yàn)，條紋當(dāng)然不移動(dòng)。麥?zhǔn)戏匠淘诘厍蛏暇_成立，但在以太中形式不同。仍認(rèn)為以太存在，這樣陽(yáng)光在地球上不為C。3、發(fā)射理論機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 這一說(shuō)法與雙星實(shí)驗(yàn)相矛盾。若光速與光源運(yùn)動(dòng)有關(guān)，則在1處光速相對(duì)地球?yàn)镃+v，2處光速相對(duì)地球?yàn)镃v。在同一時(shí)刻觀看B星不應(yīng)是一亮點(diǎn)。B星不同時(shí)刻發(fā)出的光在同一時(shí)刻到達(dá)地球，拍攝照片應(yīng)是一條很短的亮線。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為亮點(diǎn)，說(shuō)明光速與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。1924年用日光做邁氏實(shí)驗(yàn)，仍然無(wú)移動(dòng)，證明雙星實(shí)驗(yàn)正確。地球12第十七頁(yè)，共十九頁(yè)。假定認(rèn)為沿相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向上物體長(zhǎng)度收縮為則在地球上觀測(cè)，光沿MM1M時(shí)間：沿MM2M無(wú)收縮：洛侖茲在此基礎(chǔ)上建立了一套慣性系間的變換關(guān)系，可證明麥克斯韋方程在此變換下不變。但他沒(méi)有突破經(jīng)典時(shí)空觀，沒(méi)有建立相對(duì)論，并對(duì)自己結(jié)果持懷疑態(tài)度。長(zhǎng)度為什么會(huì)收縮，長(zhǎng)度定義是什么，變換中時(shí)間的意義是什么？因此同理：4、收縮假定（1892年洛侖茲斐茲杰惹）機(jī)動(dòng) 目錄 上頁(yè) 下頁(yè) 返回 結(jié)束 第十八頁(yè)，共十九頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)2005。紀(jì)念?lèi)?ài)因斯坦狹義相對(duì)論誕生100周年與愛(ài)因斯