《相對(duì)論力學(xué)初步》PPT課件.ppt
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第4章相對(duì)論力學(xué)初步,,本章內(nèi)容：,4.1狹義相對(duì)論的基本原理,4.3洛倫茲變換,,4.2狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,4.4狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),“常識(shí)是人們?cè)谑藲q前敷飾在思想上的一種偏見”愛因斯坦(Einstein),愛因斯坦20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，1879年3月14日出生于德國(guó)烏爾姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。1905年，愛因斯坦在科學(xué)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(shí)間發(fā)表了6篇論文，在物理學(xué)3個(gè)領(lǐng)域作出了具有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)—?jiǎng)?chuàng)建了光量子理論、狹義相對(duì)論和分子運(yùn)動(dòng)論。愛因斯坦在1915年到1917年的3年中，還在3個(gè)不同領(lǐng)域做出了歷史性的杰出貢獻(xiàn)—建成了廣義相對(duì)論、輻射量子理論和現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論。,愛因斯坦獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,一、相對(duì)論：,二、歷史背景,,“19世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾完善這所大廈”,相關(guān)背景,關(guān)于空間、時(shí)間和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間相互聯(lián)系的現(xiàn)代物理理論。,開爾文在迎接20世紀(jì)的新年獻(xiàn)詞：,“在物理學(xué)晴朗的天空遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn),黑體輻射實(shí)驗(yàn),,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。,強(qiáng)調(diào),近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的簡(jiǎn)單否定。,近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論。,,三、狹義相對(duì)論的歷史背景,2.麥克斯韋電磁場(chǎng)理論與伽利略變換的矛盾,（1）用伽利略變換，電磁場(chǎng)方程不具有相同形式，然而在不同慣性系中做電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(guān)。,1、經(jīng)典物理的時(shí)空觀,空間量度、時(shí)間量度是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)。,3、幾種可能的選擇,（1）摒棄伽利略的絕對(duì)時(shí)空觀；,（2）摒棄電磁場(chǎng)方程；,（3）兩者兼顧：電磁學(xué)規(guī)律在一個(gè)特殊參考系—“以太”參考系中成立。,4、邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn),推理：干涉條紋移動(dòng),實(shí)際結(jié)果：無條紋移動(dòng)；“零結(jié)果”！,（測(cè)量地球上各方向光速的差別）,實(shí)驗(yàn)裝置（圖示）：,,（1）兩束光相對(duì)地球的速度不同，到處有時(shí)間差,（2）若將儀器轉(zhuǎn)，兩束光的時(shí)間差發(fā)生變化,以太風(fēng),,說明“以太”本身不存在!!,5、愛因斯坦認(rèn)為,（1）自然界一切基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律都應(yīng)當(dāng)滿足相對(duì)性原理,（2）麥克斯韋電磁場(chǎng)理論對(duì)經(jīng)典時(shí)空觀不滿足相對(duì)性原理，表明經(jīng)典的時(shí)空觀是錯(cuò)誤的,（3）既然肯定了電磁場(chǎng)理論，必然肯定光速是不變的,4.1狹義相對(duì)論的基本原理,4.1.1牛頓力學(xué)的困難,牛頓的時(shí)空觀,解釋天文現(xiàn)象的困難,麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組不服從伽利略變換,邁克耳遜-—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果,,1905年，愛因斯坦首次提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè),2.光速不變?cè)?光在真空中的速率對(duì)任何慣性系都相等．,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,所有慣性系都完全處于平等地位，沒有任何理由選某一個(gè)參考系，把它置于特殊的地位。,4.1.2愛因斯坦的假設(shè),1.相對(duì)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(gè)特殊的慣性系．,在牛頓力學(xué)中，與參考系無關(guān),在狹義相對(duì)論力學(xué)中，與參考系有關(guān),(1)愛因斯坦相對(duì)性原理是牛頓力學(xué)相對(duì)性原理的發(fā)展。,討論：,(2)光速不變?cè)砼c伽利略的速度合成定理針鋒相對(duì)。,(3)時(shí)間和長(zhǎng)度等的測(cè)量,注意：,近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的否定。,近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的補(bǔ)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(duì)性原理→狹義相對(duì)性原理；②修改絕對(duì)時(shí)空觀→相對(duì)論時(shí)空觀、光速不變?cè)恚恍薷馁だ宰儞Q→洛侖茲變換。,一列火車以速率v相對(duì)于地面作勻速直線運(yùn)動(dòng),4.2.1同時(shí)性的相對(duì)性,火車,地面,在S系中,鐵軌上的M點(diǎn)同時(shí)接到兩次雷擊的光信號(hào),4.2狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,,,光速不變?cè)?A、B兩處事件同時(shí)發(fā)生,,雷擊產(chǎn)生的光信號(hào)在空間傳播，假定過了一段時(shí)間后的某一時(shí)刻,光速不變?cè)?,B處事件先發(fā)生、A處事件后發(fā)生,列車上的點(diǎn)先接到B處的光信號(hào)，后接到A處的光信號(hào),在系中,,,,,,而根據(jù)相對(duì)性原理，各慣性系都是等價(jià)的，所以以上結(jié)論都是正確的。因此，兩個(gè)事件是否“同時(shí)”只有相對(duì)的意義，與慣性參考系的選擇有關(guān)。,沿兩個(gè)慣性系相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)慣性系中表現(xiàn)為同時(shí)的，在另一個(gè)慣性系中觀察，則總是在前一個(gè)慣性系運(yùn)動(dòng)的后方的那一事件先發(fā)生。,(2)同時(shí)性的相對(duì)性是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果。,(1)同時(shí)性是相對(duì)的。,討論：,(3)同時(shí)性的相對(duì)性否定了各個(gè)慣性系具有統(tǒng)一時(shí)間的可能性，否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。,研究的問題是,A處的閃光光源發(fā)出一光信號(hào),A處的接收器接收到該光信號(hào),在S、S系中，兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔之間的關(guān)系,在S系的A處放置一閃光光源和一信號(hào)接收器，在豎直方向距離A點(diǎn)d的位置處放置一平面反射鏡M,4.2.2時(shí)間膨脹,,,,,系中測(cè)量,系中測(cè)量,,,,l,l,,即,原時(shí):在某慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔,(原時(shí)),系中測(cè)量,系中測(cè)量,,比較,得,記：,實(shí)驗(yàn)證實(shí)：,1971年，將三相同的銫原子鐘放入三架飛機(jī)，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(shí)間膨脹效應(yīng),(1)當(dāng)u<下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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