狭义相对论1

v v v c ' = c ± v?
x' x
z
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伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
试计算球被投出前后的瞬间， 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. 根据 根据伽利略变换 到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
v v a = a'v v v v F = ma ' F = ma
在两相互作匀速直线运动的惯性 系中，牛顿运动定律具有相同的形式. 系中，牛顿运动定律具有相同的形式
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z z
o' z' z'
x
x' x
a 'z = a z
伽利略变换 洛仑兹变换 10.1.2 经典力学的相对性原理
被形容为“ 被形容为“物理学晴朗天空上出现的一朵
伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家 于 世纪最伟大的物理学家, 世纪最伟大的物理学家 1905年和 年和1915年先后创立了狭义相 年和 年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 对论和广义相对论 他于 年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 出了光量子假设 为此他于 年 获得诺贝尔物理学奖, 获得诺贝尔物理学奖 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 . 爱因斯坦的哲学观念： 爱因斯坦的哲学观念：自然 哲学观念 界应当是和谐而简单的. 界应当是和谐而简单的 理论特色： 理论特色：出于简单而归于 深奥. 深奥
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伽利略变换 洛仑兹变换
M2 O
第十章 狭义相对论
由几何关系： 由几何关系：
L P P´ ´ ut2
∴ t2 = 2L
O = PP′ + OP′ P
2 2
2
ct2 2 ut2 2 2 即 ( ) = L +( ) ： 2 2
= 2L u (1 − 2 ) c c
2 − 1 2
v v c+v
v c
l = 5000 光年
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伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
10.1.4 迈克尔孙 — 莫雷实验 19世纪已经建立了完善的电磁理论 麦克斯韦理论， 世纪已经建立了完善的电磁理论—麦克斯韦理论 世纪已经建立了完善的电磁理论 麦克斯韦理论， 如果用伽利略变换， 如果用伽利略变换，光速在不同的惯性系中有不同 1 c= 的值， 的参照系。 的值，寻找光速为 的参照系。
s
y
y
vt
s'
y'
y'
v v
x'
P ( x, y , z )
*
( x' , y ' , z ' )
o
z z
o' z' z'
x
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x' x
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伽利略变换 洛仑兹变换 10.1 10.1.1 当 伽利略变换式
第十章 狭义相对论
伽利略变换式 经典力学的相对性原理
一、 伽利略坐标变换式
s
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λc 2
伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
牛顿力学的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 光速C 2) 光速C —— 迈克耳逊 — 乌 云” 3) 高速运动的粒子 c= 1 ε 0 µ 0 与参照系运动无关
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在哪个参考系中测的? 在哪个参考系中测的? 莫雷实验的 0 结果，当时 结果，
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伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
说明： 与时间t 说明：空间（x, y, z)与时间 彼此独立，互不联 与时间 彼此独立， 系。任何事件所经历的时间间隔有绝对 不变的量值；任何两点间的距离（ 不变的量值；任何两点间的距离（即空间 间隔）也有绝对不变的量值， 间隔）也有绝对不变的量值，它们与参照 系的选择或观测者的运动状态无关。 系的选择或观测者的运动状态无关。
ε 0 µ0
为了测量地球相对于“以太” 为了测量地球相对于“以太”的运动 , 1881年 年 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量 没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验, 年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验 仍得到零结果, 仍得到零结果 动. 即未观测到地球相对“以太”的运 未观测到地球相对“以太”
第十章 狭义相对论
相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是 完全一样的吗 ？ 牛顿力学的回答: 牛顿力学的回答 对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有 相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .
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伽利略变换 洛仑兹变换
第十章 狭义相对论
相对性原理：力学现象对一切惯性系来说， 相对性原理：力学现象对一切惯性系来说，都遵 从同样的规律；或说， 从同样的规律；或说，研究力学规 律时，一切惯性系都是等价的。 律时，一切惯性系都是等价的。 牛顿力学中： 牛顿力学中：
目的：测出地球相对“以态”的运动效应。 目的：测出地球相对“以态”的运动效应。
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伽利略变换 洛仑兹变换 M2 L S P u
第十章 狭义相对论
设：PM1=PM2=L，仪器 ， 相对地球静止， 相对地球静止， 地球相 以态”速度为u 对“以态”速度为 利用伽利略变换可得： M1 利用伽利略变换可得：
相互作用是客观的， 相互作用是客观的，分析力与参考 系无关。质量的测量与运动无关。 系无关。质量的测量与运动无关。
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。 宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。 或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。 牛顿力学规律是伽利略不变式。 或 牛顿力学规律是伽利略不变式。 动量守恒定律、 如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变
c3 Lu2
光 程 差：
δ ′ = c ⋅ ∆t ′ ≈ −
c2
2Lu 2Lu2 c2 2Lu2
转动前后总的光程差： 转动前后总的光程差： 转动前后条纹移动数： 转动前后条纹移动数：
δ 0 = δ −δ ′ ≈
∆N = δ 0 / λ ≈
若L=11m , λ=5.9×10-7m (Na光）, u=30km/s ,则有 × 则有 ∆N=0.37 !!! 结果：条纹不动！！ 结果：条纹不动！！
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第十章 狭义相对论
900 多年前（公元 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星 年 月 一次著名的超新星 爆发， 爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状 星云。 星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能 均能 用肉眼观察, 用肉眼观察 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 . 当一颗恒星在发生超新星爆发时, 当一颗恒星在发生超新星爆发时 它的外围物质向 四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 四面八方飞散 即有些抛射物向着地球运动 现研究超 新星爆发过程中光线传播引起的疑问 . 物质飞散速度 v = 1500 km/s A B
y
y
vt
s'
y'
t = t '= 0
y'
时
v v
x'
P ( x, y , z ) * ( x' , y ' , z ' )
o 与 o' 重合
位置坐标变换公式
o
x ' = x − vt
z z
o' z' z'
x
x' x
z' = z t'= t
y' = y
经典力学认为： ） 经典力学认为：1）空间的 量度是绝对的，与参考系无关； 量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与 ）时间的量度也是绝对的， 参考系无关 .
伽利略变换 洛仑兹变换 第10章 狭义相对论基础 章
第十章 狭义相对论
相对论：给出了高速运动物体的力学规律； 相对论：给出了高速运动物体的力学规律；并从根 本上改变了许多世纪以来形成的时空观和运动观， 本上改变了许多世纪以来形成的时空观和运动观， 建立了新的时空概念；揭示了质能关系， 建立了新的时空概念；揭示了质能关系，并开始了 万有引力本质的研究。 万有引力本质的研究。 相对论分为：狭义相对论、 相对论分为：狭义相对论、广义相对论 狭义相对论的基本理论 狭义相对论 洛伦兹变换式 相对论力学
T
光由P—M1—P所用时间 光由 所用时间
2
L L u −1 2Lc 2L t1 = (1− 2 ) + = 2 = 2 c−u c+u c −u c c
光由P—M2—P所用时间，由于装置随地球运动，该光 所用时间， 光由 所用时间 由于装置随地球运动， 线所走的实际光路如下图所示。 线所走的实际光路如下图所示。
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伽利略变换 洛仑兹变换 研究的问题: 研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件
第十章 狭义相对论
实验室参考系 运动参考系
牛顿力学的绝对时空： 牛顿力学的绝对时空：长度和时间的测量与参照系无关
问题： 问题：
在不同的惯性系中， 在不同的惯性系中， 考察同一物理事件。 考察同一物理事件。
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