《相對論力學初步》PPT課件.ppt
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第4章相對論力學初步,,本章內(nèi)容：,4.1狹義相對論的基本原理,4.3洛倫茲變換,,4.2狹義相對論的時空觀,4.4狹義相對論動力學基礎,“常識是人們在十八歲前敷飾在思想上的一種偏見”愛因斯坦(Einstein),愛因斯坦20世紀最偉大的物理學家，1879年3月14日出生于德國烏爾姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學。1905年，愛因斯坦在科學史上創(chuàng)造了史無前例的奇跡。這一年的3月到9月半年中，利用業(yè)余時間發(fā)表了6篇論文，在物理學3個領域作出了具有劃時代意義的貢獻—創(chuàng)建了光量子理論、狹義相對論和分子運動論。愛因斯坦在1915年到1917年的3年中，還在3個不同領域做出了歷史性的杰出貢獻—建成了廣義相對論、輻射量子理論和現(xiàn)代科學的宇宙論。,愛因斯坦獲得1921年的諾貝爾物理學獎。,一、相對論：,二、歷史背景,,“19世紀已將物理學大廈全部建成，今后物理學家的任務就是修飾完善這所大廈”,相關背景,關于空間、時間和物質(zhì)運動之間相互聯(lián)系的現(xiàn)代物理理論。,開爾文在迎接20世紀的新年獻詞：,“在物理學晴朗的天空遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云”,經(jīng)典物理的理論遇到了困難和挑戰(zhàn)！,,“兩朵小烏云”,邁克耳遜——莫雷“以太漂移”實驗,黑體輻射實驗,,狹義相對論,量子力學,,,近代物理學的兩大支柱，逐步建立了新的物理理論。,強調(diào),近代物理不是對經(jīng)典理論的簡單否定。,近代物理不是對經(jīng)典理論的補充，而是全新的理論。,,三、狹義相對論的歷史背景,2.麥克斯韋電磁場理論與伽利略變換的矛盾,（1）用伽利略變換，電磁場方程不具有相同形式，然而在不同慣性系中做電磁場實驗結(jié)果相同。,（2）電磁波在真空中傳播速率沿各方向相同，與參考系無關。,1、經(jīng)典物理的時空觀,空間量度、時間量度是絕對的，與參考系無關。,3、幾種可能的選擇,（1）摒棄伽利略的絕對時空觀；,（2）摒棄電磁場方程；,（3）兩者兼顧：電磁學規(guī)律在一個特殊參考系—“以太”參考系中成立。,4、邁克爾遜—莫雷實驗,推理：干涉條紋移動,實際結(jié)果：無條紋移動；“零結(jié)果”！,（測量地球上各方向光速的差別）,實驗裝置（圖示）：,,（1）兩束光相對地球的速度不同，到處有時間差,（2）若將儀器轉(zhuǎn)，兩束光的時間差發(fā)生變化,以太風,,說明“以太”本身不存在!!,5、愛因斯坦認為,（1）自然界一切基本運動規(guī)律都應當滿足相對性原理,（2）麥克斯韋電磁場理論對經(jīng)典時空觀不滿足相對性原理，表明經(jīng)典的時空觀是錯誤的,（3）既然肯定了電磁場理論，必然肯定光速是不變的,4.1狹義相對論的基本原理,4.1.1牛頓力學的困難,牛頓的時空觀,解釋天文現(xiàn)象的困難,麥克斯韋電磁場方程組不服從伽利略變換,邁克耳遜-—莫雷實驗結(jié)果,,1905年，愛因斯坦首次提出了狹義相對論的兩個假設,2.光速不變原理,光在真空中的速率對任何慣性系都相等．,包括兩個意思：,光速不隨觀察者的運動而變化,光速不隨光源的運動而變化,所有慣性系都完全處于平等地位，沒有任何理由選某一個參考系，把它置于特殊的地位。,4.1.2愛因斯坦的假設,1.相對性原理,所有物理定律在一切慣性系中都具有相同的形式．或者說所有的慣性系都是平權(quán)的，不存在任何一個特殊的慣性系．,在牛頓力學中，與參考系無關,在狹義相對論力學中，與參考系有關,(1)愛因斯坦相對性原理是牛頓力學相對性原理的發(fā)展。,討論：,(2)光速不變原理與伽利略的速度合成定理針鋒相對。,(3)時間和長度等的測量,注意：,近代物理不是對經(jīng)典理論的否定。,近代物理不是對經(jīng)典理論的補充，而是全新的理論。,愛因斯坦思路：①繼承并發(fā)展伽利略相對性原理→狹義相對性原理；②修改絕對時空觀→相對論時空觀、光速不變原理；修改伽利略變換→洛侖茲變換。,一列火車以速率v相對于地面作勻速直線運動,4.2.1同時性的相對性,火車,地面,在S系中,鐵軌上的M點同時接到兩次雷擊的光信號,4.2狹義相對論的時空觀,,,光速不變原理,A、B兩處事件同時發(fā)生,,雷擊產(chǎn)生的光信號在空間傳播，假定過了一段時間后的某一時刻,光速不變原理,,B處事件先發(fā)生、A處事件后發(fā)生,列車上的點先接到B處的光信號，后接到A處的光信號,在系中,,,,,,而根據(jù)相對性原理，各慣性系都是等價的，所以以上結(jié)論都是正確的。因此，兩個事件是否“同時”只有相對的意義，與慣性參考系的選擇有關。,沿兩個慣性系相對運動方向上發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現(xiàn)為同時的，在另一個慣性系中觀察，則總是在前一個慣性系運動的后方的那一事件先發(fā)生。,(2)同時性的相對性是光速不變原理的直接結(jié)果。,(1)同時性是相對的。,討論：,(3)同時性的相對性否定了各個慣性系具有統(tǒng)一時間的可能性，否定了牛頓的絕對時空觀。,研究的問題是,A處的閃光光源發(fā)出一光信號,A處的接收器接收到該光信號,在S、S系中，兩事件發(fā)生的時間間隔之間的關系,在S系的A處放置一閃光光源和一信號接收器，在豎直方向距離A點d的位置處放置一平面反射鏡M,4.2.2時間膨脹,,,,,系中測量,系中測量,,,,l,l,,即,原時:在某慣性系中，同一地點先后發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔,(原時),系中測量,系中測量,,比較,得,記：,實驗證實：,1971年，將三相同的銫原子鐘放入三架飛機，一在地面靜止、一向西飛、一向東飛，作環(huán)球飛行,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向東飛的慢59ns，向西飛的快237ns。,討論：,(2)時間膨脹效應,(1)當u<
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