《狹義相對(duì)論基礎(chǔ)》PPT課件.ppt
《《狹義相對(duì)論基礎(chǔ)》PPT課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《狹義相對(duì)論基礎(chǔ)》PPT課件.ppt（100頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
相對(duì)論初步,,機(jī)械運(yùn)動(dòng),牛頓定律,分子物理,麥克斯韋方程,能量守恒定律,,,,,,,溫度，壓強(qiáng)，氣體內(nèi)能,一切電磁現(xiàn)象,相對(duì)論,1900年英國(guó)物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說(shuō)到：,也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！,但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：,,“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文--,相對(duì)論,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(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)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。,相對(duì)論,普朗克量子力學(xué)的誕生,相對(duì)論問(wèn)世,經(jīng)典力學(xué),量子力學(xué),相對(duì)論,微觀領(lǐng)域,高速領(lǐng)域,,,,,今天來(lái)介紹相對(duì)論,相對(duì)論,相對(duì)論有狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論之分：,相對(duì)論從根本上改變了舊的經(jīng)典的時(shí)空觀，那么，什么是舊的、經(jīng)典的時(shí)空觀呢？,1伽利略變換、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對(duì)性原理,物理學(xué)中將牛頓運(yùn)動(dòng)定律所適用的參考系稱為慣性系。相對(duì)于某一慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的一切參考系，牛頓運(yùn)動(dòng)定律同樣適用，因而也都是慣性系。這就是說(shuō)，研究一個(gè)力學(xué)現(xiàn)象時(shí)，不論取哪一個(gè)慣性系，對(duì)這一現(xiàn)象基本規(guī)律的描述都一樣。這就是經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理，它還可以表述為：一切慣性系都是等價(jià)的。,經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理要求：描述力學(xué)基本規(guī)律的公式從一個(gè)慣性系換算到另一個(gè)慣性系時(shí)，形式必須保持不變。伽利略變換滿足了這種換算關(guān)系。,一、伽利略變換在一個(gè)坐標(biāo)系中的某一事件要用四個(gè)坐標(biāo)x、y、z、t來(lái)描述，稱為時(shí)空坐標(biāo)。設(shè)S系是慣性參照系，S系相對(duì)于S系沿X軸以速度u運(yùn)動(dòng)，開始時(shí)O和O重合。現(xiàn)在，在兩個(gè)坐標(biāo)系中描述P點(diǎn)某事件的時(shí)空坐標(biāo)分別為（x，y，z，t）和（x，y，z，t），它們之間滿足如下關(guān)系：,,,,u,上面兩組方程分別稱為伽利略變換及其逆變換。伽利略變換的矢量形式為：,二、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀棒長(zhǎng)為l，靜止放在S系中。分別在S系和S系中測(cè)量其長(zhǎng)度。S系中測(cè)得：,,S系中測(cè)得：,A,B,由上面結(jié)果可見(jiàn)，在伽利略變換下，一切慣性系中測(cè)得的長(zhǎng)度都是相同的，即空間是絕對(duì)的,與參照系無(wú)關(guān)。設(shè)有兩事件P1和P2，S系中的觀察者測(cè)得兩事件發(fā)生的時(shí)間為t1和t2，S’系中的觀察者測(cè)得兩事件發(fā)生的時(shí)間為t’1和t’2，由伽利略變換有：,可見(jiàn)在兩個(gè)參照系中時(shí)間和時(shí)間間隔也是相同的，即時(shí)間是絕對(duì)的，時(shí)間間隔也是絕對(duì)的，與參照系無(wú)關(guān)。因此我們得出結(jié)論：經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，它們毫不相關(guān)、相互獨(dú)立。這樣的時(shí)空觀叫絕對(duì)時(shí)空觀。,三、力學(xué)相對(duì)性原理,由伽利略變換導(dǎo)出速度變換法則,質(zhì)點(diǎn)的加速度,即質(zhì)點(diǎn)的加速度在伽利略變換下是不變量。,S系是慣性系，牛頓第二定律成立，即F=ma在經(jīng)典力學(xué)中，m被認(rèn)為是不變量，與參照系無(wú)關(guān)，即m=m力F在伽利略變換下也是不變量，即F＝F而a=a，故有F=ma牛頓第二定律在S系和S系中具有相同的形式，或者說(shuō)牛頓第二定律在伽利略變換下形式不變。同理，牛頓第一定律和第三定律在所有慣性系中都具有相同的形式，由牛頓定律推導(dǎo)出來(lái)的其它力學(xué)定律也必然在所有慣性系中都具有相同的形式。即在所有慣性系中力學(xué)定律都具有相同的形式，或者說(shuō)在伽利略變換下形式不變，這一結(jié)論稱為力學(xué)相對(duì)性原理,相對(duì)論,一、經(jīng)典時(shí)空觀的局限由麥克斯韋的光的電磁波理論知道，光在真空中沿各個(gè)方向傳播的速度都等于C=3?108m/s。如果光的傳播定律在一個(gè)參照系中成立，那么從經(jīng)典的速度變換公式可以看出，在對(duì)這個(gè)參照系作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系里，光的傳播定律就不再成立，沿各個(gè)方向的光速就不再相等，而是了。照這樣說(shuō)來(lái)，在所有慣性系里，只有一個(gè)參照系光的傳播定律成立，這個(gè)參照系可認(rèn)為是一個(gè)“絕對(duì)靜止”的參照系。何為“絕對(duì)靜止”的參照系？當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為光波是靠“以太”這種媒質(zhì)傳播的，“以太”必須絕對(duì)靜止，這“以太”大概就是“絕對(duì)靜止”的參照系。,2邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),相對(duì)論,邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家都力圖證實(shí)這個(gè)絕對(duì)靜止的參照系，而結(jié)果呢？大家費(fèi)了九牛二虎之力，這種參照系卻沒(méi)有找到，卻為相對(duì)論的產(chǎn)生提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)都是一些電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，其中最出名的是邁克爾遜--莫雷（Amichelson--Morley）實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)大致思路是：光對(duì)以太的速度為C，地球在以太系中運(yùn)動(dòng)，依伽俐略速度變換：地球上測(cè)出的光速不是C而是另一值。,測(cè)得為：,測(cè)得為：,相對(duì)論,邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),相對(duì)論,邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),邁克爾遜干涉儀是通過(guò)干涉的辦法通過(guò)干涉條紋的移動(dòng)來(lái)測(cè)量光速的。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有看到預(yù)期的條紋移動(dòng)。干涉儀是精度很高的儀器，這一結(jié)果只能得出光沿任何方向傳播時(shí)光速都是一樣的結(jié)論。這結(jié)果正于人們順風(fēng)騎自行車與頂風(fēng)騎自行車時(shí)感覺(jué)到的風(fēng)速是相同的一樣。不合人們的邏輯，稱之為實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。使人大吃一驚！,因?yàn)檫@意味著經(jīng)典物理學(xué)出了問(wèn)題，意味著絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、伽利略變換等等都是有問(wèn)題。就像一朵烏云一樣遮住了物理學(xué)晴朗的天空。,一部分人感到沮喪，我們頂禮模拜的牛頓定律盡然不靈了，這…豈不是科學(xué)的毀滅嗎!,,,,,“以太”觀點(diǎn)帶來(lái)的問(wèn)題：,承認(rèn)“以太”，即承認(rèn)慣性系中，有一個(gè)慣性系地位特殊，因而最重要，但從牛頓力學(xué)是不可能找到這個(gè)慣性系的；,試圖利用光學(xué)和電磁學(xué)的方法，測(cè)量真空中的光速來(lái)確定絕對(duì)參考系，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否定的；,“以太”觀點(diǎn)有一系列自相矛盾的假設(shè)，不易回避。,慣性系優(yōu)越于非慣性系，絕對(duì)參考系優(yōu)越于慣性系。尤其是后一優(yōu)越極不自然，又沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。,“以太”觀點(diǎn)的困難是無(wú)法克服的。我們知道，物理學(xué)的基本思想是：宇宙應(yīng)有更簡(jiǎn)明的描述方法。,相對(duì)論,邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),還有不少解釋…..但總有矛盾的地方。這樣一來(lái)物理學(xué)面臨著一埸危機(jī)，對(duì)于經(jīng)典物理的大廈，人們想扶起東墻卻倒了西墻，想扶起西墻卻倒了東墻。為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？因?yàn)槿藗兪苤鴤鹘y(tǒng)思想的束縛，仍抱著牛頓的時(shí)空觀不放。抱著伽利略坐標(biāo)變換不放。在這種情況下就看誰(shuí)能沖破傳統(tǒng)思想的束縛，就能在大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前創(chuàng)建新的理論。,正是他對(duì)任何一個(gè)看來(lái)無(wú)可非議的問(wèn)題總要問(wèn)一個(gè)為什么，如他對(duì)一米就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷疑，他說(shuō)：“時(shí)間、空間，人們都說(shuō)弄清了，不再研究，我從小就沒(méi)有弄懂，長(zhǎng)大以后就繼續(xù)究。就研究出相對(duì)論”。正是這樣一個(gè)人，1905年，年僅僅26歲的愛(ài)因斯坦提出了兩條假設(shè)，創(chuàng)建了狹義相對(duì)論（1916年又發(fā)表了廣義相對(duì)論）。當(dāng)然現(xiàn)在已不是什么假設(shè)，而是兩條基本的原理。,是誰(shuí)沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛呢！,相對(duì)論,邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn),愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein1879---1955）,一、愛(ài)因斯坦假設(shè)（1）相對(duì)性原理在所有慣性系里，一切物理定律都具有相同的形式。這是力學(xué)相對(duì)性原理的推廣。即在所有慣性系里，不但力學(xué)定律成立，而且電磁定律、光的定律、原子物理定律和其它物理定律都同樣成立。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，相對(duì)性原理是自然界中一條普遍的原理，在任何慣性系里的任何物理現(xiàn)象都不能確定該慣性系是靜止還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)。因此所謂“絕對(duì)參照系”是不存在的，當(dāng)然也不存在什么“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”。,3愛(ài)因斯坦假設(shè)、洛侖茲變換,比如說(shuō)有兩個(gè)彼此相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參照系K和K’系,力學(xué)規(guī)律,K系,K’系,,電學(xué)規(guī)律,,……………..,……………..,這就是說(shuō)：一切慣性系都是彼此彼此、半斤八兩、誰(shuí)也不比誰(shuí)特殊，一切慣性系都是平權(quán)的。這意味著不能通過(guò)本參照系的實(shí)驗(yàn)確定本參照系與其它參照系有什么不同。沒(méi)有一個(gè)特殊地位的參照系，否定了絕對(duì)參照系的存在。當(dāng)然要找到對(duì)電磁波的速度有特殊值的參照系是找不到的。,（2）光速不變?cè)碓谝磺袘T性系里所測(cè)得的光在真空中沿各方向傳播的速度都相等，都等于c=3?108m/s，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。,也就是說(shuō)任何慣性系去測(cè)量光速都是C，與光源及參照系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。,如果不滿足光速不變?cè)?，因果關(guān)系將顛倒，可是從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)這種現(xiàn)象。,X,這兩條原理，愛(ài)因斯坦當(dāng)初是作為科學(xué)假設(shè)提出來(lái)的，后被很多的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，而成為舉世公認(rèn)的科學(xué)原理。這兩條原理只涉及慣性系，相對(duì)論的這部分內(nèi)容稱為狹義相對(duì)論，它們是狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)。由這兩條原理，可以推出在相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)坐標(biāo)系里時(shí)空的新的變換關(guān)系，這個(gè)變換稱為洛侖茲變換。由洛侖茲變換在一定條件下還可以得到伽利略變換。,注意：,A）慣性系；B）真空中（介質(zhì)中的光速v=C/n）,2）不要認(rèn)為狹義相對(duì)論是邁克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果，它是近半個(gè)世紀(jì)大量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)；當(dāng)然邁克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)確認(rèn)狹義相對(duì)論有重要影響。,1）光速不變?cè)磉m用的條件,那么，對(duì)應(yīng)狹義相對(duì)論的坐標(biāo)變換又是什么呢？,二、洛侖茲變換（LorentzTransfomation）,設(shè)有慣性參照系K、K’,若空間某點(diǎn)P發(fā)生一件事，其時(shí)空坐標(biāo)為,所謂坐標(biāo)變換就是要找出它們之間的關(guān)系。,（以后不加聲明均指這種參照系）,,愛(ài)因斯坦說(shuō)：“建立一種新理論不是像毀掉一個(gè)舊的倉(cāng)庫(kù)，在那里建立起一個(gè)摩天大樓。它倒是像在爬山一樣，愈是往上爬愈能得到新的更寬廣的視野，并且愈能顯示出我們的出發(fā)點(diǎn)與其周圍廣大地域之間的出乎意外的聯(lián)系。但是，我們出發(fā)的地點(diǎn)還是在那里，還是可以看得見(jiàn)，不過(guò)顯現(xiàn)得更小了，只成為我們克服種種阻礙后爬上山巔所得到的廣大視野中的一個(gè)極小的部分而已?！?牛頓定理與伽利略變換畢竟是低速狀態(tài)下客觀事物的反映，因此新變換必須在低速下，即,,時(shí)，回到伽利略變換,下面看一看新的變換應(yīng)是一個(gè)什么樣的變換：先看X坐標(biāo)的變換。,低速狀態(tài)下的變換是“GT”,同樣反變換也應(yīng)是線性的,又由于任何參照系都是平權(quán)的，K系向K’系變換，或K’向K系變換應(yīng)沒(méi)有兩樣。故,又由于任何參照系都是平權(quán)的，K系向K’系變換，或K’向K系變換應(yīng)沒(méi)有兩樣。故,則由光速不變?cè)恚?,(3)式自乘、（4）式自乘：,因（5）式=（6）式,,（4）式代入（7）式,,,即：,令：,,（11）式代入（3）得：,….(12),,因在Y和Z方向沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),故有;,,下面再求時(shí)間的變換:,,….(12),下面再求時(shí)間的變換,由(12)式:,,,….(12),或:,綜合以上幾式得:,以上稱為洛侖茲坐標(biāo)變換.,由洛侖茲變換可見(jiàn)，在兩坐標(biāo)系中，時(shí)間和空間不再是相互獨(dú)立的了，而是有著密切的聯(lián)系而不可分割；時(shí)間也不再是相同的、絕對(duì)的了。,就是說(shuō)伽利略變換是洛侖茲變換在低速時(shí)的近似公式。可見(jiàn)洛侖茲變換有更為普遍的意義。當(dāng)u>c時(shí)為虛數(shù)，洛侖茲變換失去意義。所以任何物體的速度都不能大于光速c，光速是速度的極限。,,,洛侖茲變換變成了伽利略變換：,當(dāng)時(shí)此時(shí)，,本節(jié)從洛侖茲變換式出發(fā)，導(dǎo)出同時(shí)性的相對(duì)性、時(shí)間間隔的相對(duì)性（即“時(shí)間延遲”、“時(shí)鐘變慢”）、空間的相對(duì)性（即“長(zhǎng)度收縮”），說(shuō)明狹義相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀的主要區(qū)別。,4狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,4.1同時(shí)的相對(duì)性,由于光速不變，在某一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的其它慣性系中并不一定是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)結(jié)論稱為“同時(shí)的相對(duì)性”。,愛(ài)因斯坦列車,在列車中部一光源發(fā)出光信號(hào)，在列車中AB兩個(gè)接收器同時(shí)收到光信號(hào),但在地面來(lái)看，由于光速不變，A先收到，B后收到。,4.3.2時(shí)間的膨脹,從第二式中消去d，有,解得：,原時(shí)：在S’系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔。,測(cè)時(shí)：在S系中記錄下該兩事件的時(shí)間間隔。,結(jié)論：測(cè)時(shí)大于原時(shí)，時(shí)間測(cè)量上的這種效應(yīng)通常叫做時(shí)間膨脹效應(yīng)。,4.3.3長(zhǎng)度的收縮,往返時(shí)間：,入射路程：,解得,,,,,反射路程：,解得,全程所用時(shí)間：,即,所以,,解得：,,原長(zhǎng)：在相對(duì)于觀察者靜止的參考系中測(cè)得的物體長(zhǎng)度。,運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度小于原長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為長(zhǎng)度縮短效應(yīng)。,當(dāng),運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度收縮是同時(shí)性的相對(duì)性的直接結(jié)果。,地球上宏觀物體最大速度103m/s，比光速小5個(gè)數(shù)量級(jí)，在這樣的速度下長(zhǎng)度收縮約10-10，故可忽略不計(jì)。,注意：長(zhǎng)度收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的方向上。,小結(jié)：狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,在牛頓力學(xué)中，時(shí)間是絕對(duì)的。兩事件在慣性系S中觀察是同時(shí)發(fā)生的，那么在另一慣性系S’中觀察也是同時(shí)發(fā)生的。狹義相對(duì)論則認(rèn)為：這兩個(gè)事件在慣性系S中觀察是同時(shí)的，而在慣性系S’觀察就不會(huì)再是同時(shí)的了。這就是狹義相對(duì)論的同時(shí)相對(duì)性。,一、同時(shí)的相對(duì)性,同時(shí)的相對(duì)性可由洛侖茲變換式求得：,,設(shè)在慣性系中，不同地點(diǎn)和同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件，即,則，,以上說(shuō)明同時(shí)性是相對(duì)的。,注意：,（1）發(fā)生在同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件，同時(shí)性是絕對(duì)的，只有對(duì)發(fā)生在不同地點(diǎn)的事件同時(shí)性才是相對(duì)的。,（2）只有對(duì)沒(méi)有因果關(guān)系的各個(gè)事件之間，先后次序才有可能顛倒。,（3）在低速運(yùn)動(dòng)的情況下，,時(shí)得,二、長(zhǎng)度縮短,在系觀察者同時(shí)測(cè)棒兩端的坐標(biāo)，棒長(zhǎng)為兩坐標(biāo)的差。即,在S系中的觀測(cè)者認(rèn)為棒相對(duì)S系運(yùn)動(dòng)，測(cè)得長(zhǎng)度應(yīng)該為,利用洛侖茲變換式有,結(jié)論：L下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔，確保文檔完整性，對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
- 2.下載的文檔，不會(huì)出現(xiàn)我們的網(wǎng)址水印。
- 3、該文檔所得收入（下載+內(nèi)容+預(yù)覽）歸上傳者、原創(chuàng)作者；如果您是本文檔原作者，請(qǐng)點(diǎn)此認(rèn)領(lǐng)！既往收益都?xì)w您。
文檔包含非法信息？點(diǎn)此舉報(bào)后獲取現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)！
下載文檔到電腦，查找使用更方便
14.9 積分
| 下載 |
還剩頁(yè)未讀，繼續(xù)閱讀
- 配套講稿：
如PPT文件的首頁(yè)顯示word圖標(biāo)，表示該P(yáng)PT已包含配套word講稿。雙擊word圖標(biāo)可打開word文檔。
- 特殊限制：
部分文檔作品中含有的國(guó)旗、國(guó)徽等圖片，僅作為作品整體效果示例展示，禁止商用。設(shè)計(jì)者僅對(duì)作品中獨(dú)創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞：
- 狹義相對(duì)論基礎(chǔ) 狹義相對(duì)論 基礎(chǔ) PPT 課件
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享，僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流，未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán)，請(qǐng)勿作他用。
相關(guān)資源
更多
正為您匹配相似的精品文檔
相關(guān)搜索
鏈接地址：http://ioszen.com/p-3203254.html