大學(xué)物理學(xué)施建青版上冊(cè)上課3-1相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換ppt課件

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

2、y zz tt 位置坐標(biāo)變換公式位置坐標(biāo)變換公式 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1空間的空間的量度是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)；量度是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)；2時(shí)間的量度也是絕對(duì)的，與時(shí)間的量度也是絕對(duì)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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(yùn)動(dòng)的慣性在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中，牛頓運(yùn)動(dòng)

3、定律具有相同的形式系中，牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換 相對(duì)于不同的參考系相對(duì)于不同的參考系 , 長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量結(jié)果長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量結(jié)果是一樣的嗎是一樣的嗎? 絕對(duì)時(shí)空概念：時(shí)間和空間的量度和參考系無絕對(duì)時(shí)空概念：時(shí)間和空間的量度和參考系無關(guān)關(guān) , 長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量是絕對(duì)的長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量是絕對(duì)的.牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理二二 經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀注注 意意 牛

4、頓力學(xué)的相對(duì)性原理，在宏觀、牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理，在宏觀、低速的范圍內(nèi)，是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致低速的范圍內(nèi)，是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的的 . 3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換（1 1同時(shí)的絕對(duì)性同時(shí)的絕對(duì)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(gè)事件也一定同時(shí)發(fā)生。在其他慣性系中，兩個(gè)事件也一定同時(shí)發(fā)生。同時(shí)的絕對(duì)性同時(shí)的絕對(duì)性S S系系, ,21tt 兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生V x y o1eventxyo2event3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換（2 2時(shí)間間隔的測(cè)量是絕對(duì)的

5、時(shí)間間隔的測(cè)量是絕對(duì)的S S系：兩個(gè)事件先后發(fā)生，系：兩個(gè)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(gè)事件的時(shí)間間隔不變。在其他慣性系中，兩個(gè)事件的時(shí)間間隔不變。時(shí)間間隔的絕對(duì)性。時(shí)間間隔的絕對(duì)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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換（3 3長(zhǎng)度測(cè)量的絕對(duì)性長(zhǎng)度測(cè)量的絕對(duì)性當(dāng)桿的方向沿軸方向時(shí)，長(zhǎng)度是桿的兩端的當(dāng)桿的方向沿軸方向時(shí)，長(zhǎng)度是桿的兩端的坐標(biāo)差，但必須同時(shí)測(cè)量。坐標(biāo)差，但必須同時(shí)測(cè)量。1x2xYX靜止系中可不同時(shí)測(cè)靜止

6、系中可不同時(shí)測(cè)靜止系中，桿的長(zhǎng)度為靜止系中，桿的長(zhǎng)度為12xxl運(yùn)動(dòng)系中，桿的長(zhǎng)度為運(yùn)動(dòng)系中，桿的長(zhǎng)度為12xxl3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(zhǎng)度測(cè)量是絕對(duì)的。長(zhǎng)度測(cè)量是絕對(duì)的。3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(duì)于兩個(gè)不同的對(duì)于兩個(gè)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(xué)的困難牛頓力學(xué)

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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換由麥?zhǔn)戏匠探M可解出光在任意慣性參照系中真空由麥?zhǔn)戏匠探M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?？罩械膫鞑ニ俣纫粯?，這與伽利略速度變換矛盾。00csmcv/15:伽利略變換3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(xué)家記載從公元學(xué)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(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)當(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí), 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(yùn)動(dòng)即有些拋射物向著地球運(yùn)動(dòng), 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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換實(shí)際持續(xù)時(shí)間約為實(shí)際持續(xù)時(shí)間約為 22 個(gè)月個(gè)月, 這怎么解釋這怎么解釋 ?年25ABttt理論計(jì)算觀察到超新性爆發(fā)的強(qiáng)光的時(shí)間持續(xù)約理論計(jì)算觀察到超新性爆發(fā)的強(qiáng)光的時(shí)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(diǎn)光線到達(dá)點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時(shí)間地球所需時(shí)間cltBB 點(diǎn)光線到達(dá)點(diǎn)光線到達(dá)地球所需時(shí)間地球所需時(shí)間3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換（2 2以太的假設(shè)以太的假設(shè) “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(duì)靜止的物質(zhì)。的一種絕對(duì)靜止的物質(zhì)。 為了測(cè)量地球相對(duì)于為了測(cè)量地球相對(duì)于“以太的運(yùn)動(dòng)以太的運(yùn)動(dòng) , 1881年邁克爾孫用他自制的干涉儀進(jìn)行測(cè)量年邁克爾孫用他自制的干涉儀進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)新做了此類實(shí)驗(yàn),仍得到零結(jié)果仍得到零結(jié)果, 即未觀測(cè)即未觀測(cè)到地球相對(duì)到地球相對(duì)“以太的運(yùn)動(dòng)以太的運(yùn)動(dòng) .3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(yùn)動(dòng)的電子束荷質(zhì)比的實(shí)驗(yàn)中

11、首先看速運(yùn)動(dòng)的電子束荷質(zhì)比的實(shí)驗(yàn)中首先看到，電子的荷質(zhì)比與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，假到，電子的荷質(zhì)比與其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，假設(shè)電子的電荷設(shè)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(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換 愛因斯坦的哲學(xué)觀念：自然愛因斯坦的哲學(xué)觀念：自然界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡(jiǎn)單的界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡(jiǎn)單的. 理論特色：出于簡(jiǎn)單而歸于理論特色：出于簡(jiǎn)單而歸于深?yuàn)W深?yuàn)W.Albert Einstein ( 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

12、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具有很多的重要的貢獻(xiàn) .3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換四狹義相對(duì)論的基本原理四狹義相對(duì)論的基本原理1相對(duì)性原理：物理定律在所有的慣性系相對(duì)性原理：物理定律在所有的慣性系中都具有相同的表達(dá)形式中都具有相同的表達(dá)形式 . 2光速不變?cè)恚汗馑俨蛔冊(cè)恚?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(yùn)動(dòng)無關(guān)，即不依賴于它與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇慣性系的選擇. 相對(duì)性原理是自然界的普遍規(guī)律相對(duì)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(jià)的所有的慣性參考系都是等價(jià)的 . 伽利略變換與狹義相對(duì)論的基本原理伽利略變換與狹義相對(duì)論的基本原理不符不符 .3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換說明同時(shí)具有相對(duì)性，時(shí)間的量度是相對(duì)的說明同時(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)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，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)生的并不一定是同時(shí)發(fā)生的 .3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換

14、相對(duì)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(shè)設(shè) ： 時(shí)，時(shí)， 重合重合 ; 事件事件 P 的時(shí)空的時(shí)空坐標(biāo)如圖所示坐標(biāo)如圖所示 .0tt,oo 長(zhǎng)度的測(cè)量是和同時(shí)性概念密切相關(guān)長(zhǎng)度的測(cè)量是和同時(shí)性概念密切相關(guān).3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)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(shí)間測(cè)量與利用它將時(shí)間測(cè)量與距離測(cè)量聯(lián)系起來距離測(cè)量聯(lián)系起來 .z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP3 - 1 3 - 1 相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換1）