狹義相對(duì)論基本原理

第四章狹義相對(duì)論1.近代物理學(xué)的兩朵烏云19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。英國著名物理學(xué)家W．湯姆孫WilliamThomson〔即開爾文勛爵〕發(fā)表了新年祝詞。他在回憶物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。2.一切力學(xué)現(xiàn)象原那么上都能夠從經(jīng)典力學(xué)得到解釋，對(duì)于電磁現(xiàn)象，已形成麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，這種理論還可用來闡述波動(dòng)光學(xué)的根本問題。熱現(xiàn)象，有了唯象熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論。以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)建成，而且根底牢固，宏偉壯觀3.他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻假設(shè)有所思地講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了……第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上……第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。4.兩朵烏云

第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論：邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)與“以太〞說；第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。——黑體輻射與“紫外災(zāi)難〞。5.光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)―“以太〞?！瞖ther或aether〕以太是希臘語，原意為上層的空氣，指在天上的神所呼吸的空氣。在宇宙學(xué)中，有時(shí)又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。6.邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)——

檢測(cè)以太實(shí)驗(yàn)原理圖MSM2M1T以太風(fēng)

設(shè)地球(光源和干涉儀)相對(duì)于“以太”速度：光相對(duì)于地球的速度：光相對(duì)于“以太”的速度:大小隨的方向而變化7.

實(shí)驗(yàn)原理圖MSM2M1T以太風(fēng)兩光線間存在光程差,出現(xiàn)干預(yù)條紋.將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)90度,干預(yù)條紋應(yīng)移動(dòng)(預(yù)計(jì)0.37條).反復(fù)實(shí)驗(yàn),“零結(jié)果〞.8.9.光速不變1887年，美國物理學(xué)家邁克爾孫與美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)----邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，即“以太漂移〞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不管地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太〞之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。10.洛倫茲洛倫茲，H．A．(HendrikAntoonLorentz,1853～1928〕，荷蘭物理學(xué)家。為了說明邁克孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他獨(dú)立地提出了長度收縮的假說，認(rèn)為相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的物體，其運(yùn)動(dòng)方向上的長度縮短了。11.這兩朵烏云是指什么呢？熱輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來的事實(shí)證明,正是這兩朵烏云開展成為一埸革命的風(fēng)暴,烏云落地化為一埸春雨,澆灌著兩朵鮮花.12.量子力學(xué)的誕生相對(duì)論問世深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活相對(duì)論量子力學(xué)近代物理兩大理論支柱13.1905年的愛因斯坦

一位在當(dāng)時(shí)還不知名的瑞士專利局的職員阿爾伯特-愛因斯坦，1905年發(fā)表的一篇著名的論文中指出，只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間的觀念的話，整個(gè)以太的觀念就是多余的。幾個(gè)星期之后，一位法國最重要的數(shù)學(xué)家亨利·龐加勒也提出類似的觀點(diǎn)。

“奇跡年〞----長久以來，它被用來描述1666年。英格蘭艦隊(duì)?wèi)?zhàn)勝荷蘭無敵艦隊(duì)；同一年，牛頓奠定了他的微積分、顏色理論和引力理論的根底。這一年，牛頓24歲。

14.?物理學(xué)紀(jì)事?(AnnalenderPhysik)愛因斯坦在1905年發(fā)表了5篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，分別為：?關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)?；?分子大小的新測(cè)定方法?；?熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)?；?論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)?；?物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？?內(nèi)容涵蓋光量子假說、光電效應(yīng)、分子大小測(cè)定、布朗運(yùn)動(dòng)、狹義相對(duì)論。愛因斯坦奇跡年100周年的2005年定為“國際物理年〞

15.

愛因斯坦的哲學(xué)觀念：自然界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡單的.

理論特色：出于簡單而歸于深?yuàn)W.AlbertEinstein(1879–1955)20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,于1905年和1915年先后創(chuàng)立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論,他于1905年提出了光量子假設(shè),為此他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),他還在量子理論方面作出很多的重要的奉獻(xiàn).16.

1.狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理(relativityprincipleofspecialrelativity)：物理規(guī)律對(duì)所有慣性系都是一樣的,不存在任何一個(gè)特殊的慣性系．

2.光速不變?cè)?invarianceprincipleofvelocityoflight):在任何慣性系中,光在真空中的速率都相等.4.1.2愛因斯坦根本假設(shè)?包括兩個(gè)意思：

光速不隨觀察者的運(yùn)動(dòng)而變化

光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化愛因斯坦的二個(gè)根本假設(shè),放棄了以太參照系,又不必修改麥克斯韋方程組,光速不變與麥克斯韋方程組在慣性系中等價(jià)是一致的.17.4.2.1同時(shí)性的相對(duì)性§4.2愛因斯坦時(shí)空觀K問題：

在某一慣性系中的同時(shí)事件,在另一相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的慣性系中是否是同時(shí)的?事件1事件2K系同時(shí)發(fā)生的兩事件,

t=0理想實(shí)驗(yàn)：愛因斯坦火車站臺(tái)火車

時(shí)，C發(fā)一光信號(hào)事件1:A接收到光信號(hào)事件2:B接收到光信號(hào)同時(shí)不同時(shí)結(jié)論：“同時(shí)性〞具有相對(duì)性——光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果18.說明同時(shí)具有相對(duì)性,時(shí)間的量度是相對(duì)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(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件,在相對(duì)于此慣性系運(yùn)動(dòng)的另一慣性系中觀察,并不一定是同時(shí)發(fā)生的.19.理想實(shí)驗(yàn)：愛因斯坦火車站臺(tái)系：火車系：4.2.2時(shí)間延緩20.火車系：

用一個(gè)相對(duì)事件發(fā)生地靜止的鐘測(cè)量的兩個(gè)同地事件的時(shí)間間隔——原時(shí)(propertime)(固有時(shí)間)

0

該兩事件為異地事件,需用兩只鐘測(cè)出其時(shí)間間隔：非原時(shí)(運(yùn)動(dòng)時(shí)間τ)光信號(hào)：站臺(tái)系：21.

該兩事件為異地事件,需用兩只鐘測(cè)出其時(shí)間間隔：非原時(shí)(運(yùn)動(dòng)時(shí)間τ)光信號(hào)：站臺(tái)系：結(jié)論：原時(shí)最短.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢效應(yīng)——時(shí)間膨脹,時(shí)間延緩(timeexpansion)令∵22.運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢時(shí)間的延緩23.狹義相對(duì)論的時(shí)空觀1〕兩個(gè)事件在不同的慣性系看來，它們的空間關(guān)系是相對(duì)的，時(shí)間關(guān)系也是相對(duì)的，只有將空間和時(shí)間聯(lián)系在一起才有意義.2〕時(shí)—空不互相獨(dú)立，而是不可分割的整體.3〕光速C是建立不同慣性系間時(shí)空變換的紐帶.

3）時(shí)，

.1〕時(shí)間延緩是一種相對(duì)效應(yīng).2〕時(shí)間的流逝不是絕對(duì)的，運(yùn)動(dòng)將改變時(shí)間的進(jìn)程.〔例如新陳代謝、放射性的衰變、壽命等.〕注意24.

人類乘接近光速的光子火箭作星際旅行

無論目標(biāo)有多遠(yuǎn)，乘客在旅途上花費(fèi)的固有時(shí)間原則上可以任意短。地球南門二（4光年）牛郎星（16光年）織女星（26.3光年）小麥哲倫星云（15萬光年）

在日常生活中時(shí)間延緩和長度收縮是完全可以忽略的,但運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí),這兩種效應(yīng)就變得非常重要,在高能物理的領(lǐng)域里得到大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí).25.

例1設(shè)想有一光子火箭以速率相對(duì)地球作直線運(yùn)動(dòng)，若火箭上宇航員的計(jì)時(shí)器記錄他觀測(cè)星云用去10min,則地球上的觀察者測(cè)得此事用去多少時(shí)間？運(yùn)動(dòng)的鐘似乎走慢了.解:設(shè)火箭為系、地球?yàn)镾系26.時(shí)空隧道27.雙生子佯謬有一對(duì)雙生兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作長程太空旅行，而另一個(gè)那么留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年青。28.4.2.3長度收縮長度=在與長度方向平行的坐標(biāo)軸上,物體兩端坐標(biāo)值之差.(當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),兩端坐標(biāo)必須同時(shí)記錄)測(cè)量尺兩端坐標(biāo)xx29.光往返時(shí)間：入射路程：解得光脈沖從反射鏡返回到光源的時(shí)間：全程所用時(shí)間：棒靜止于K

系30.全程所用時(shí)間：解得：原長l0：在相對(duì)于觀察者靜止的參考系中測(cè)得的物體長度.長