18-1 伽俐略变换式伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观18-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验18-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理大学物理学电子教案大学物理学电子教案武警学院教学课件武警学院教学课件狭义相对论的基本概念狭义相对论的基本概念引言引言经典物理学的辉煌成就经典物理学的辉煌成就经典力学经典力学 热力学与统计力学热力学与统计力学 光学光学 电动力学电动力学物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实从经典物理学到近代物理过渡时期的重要实验事实迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验：莫雷实验：否定了绝对参考系的存在；否定了绝对参考系的存在； 经典物理学解释经典物理学解释热辐射现象热辐射现象时：出现时：出现“紫外灾难紫外灾难”； 放射性放射性现象的发现：原子是可分的。现象的发现：原子是可分的。 光电效应光电效应 原子的线状光谱原子的线状光谱 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的一些结论狭义相对论的一些结论广义相对论简介广义相对论简介第十八章第十八章相对论相对论 狭义相对论狭义相对论 (Special Relativity) 研究研究 : 惯性系中物理规律及其变换惯性系中物理规律及其变换 揭示揭示 : 时间、空间和运动的关系时间、空间和运动的关系 广义相对论广义相对论(General Relativity) 研究研究:非惯性系中物理规律及其变非惯性系中物理规律及其变 换换 揭示揭示 : 时间、空间和物质分布的关系时间、空间和物质分布的关系爱因斯坦爱因斯坦 ( ( Albert Einstein, 18791955 ) ) 20世纪最伟大的物理学世纪最伟大的物理学改革家，相对论的创始改革家，相对论的创始人，主要科学业绩：人，主要科学业绩：早期对布朗运动的研究早期对布朗运动的研究狭义相对论的创建狭义相对论的创建推动量子力学的发展推动量子力学的发展建立了广义相对论建立了广义相对论1905年创建的年创建的狭义相对论狭义相对论1916年创建的年创建的广义相对论广义相对论1921年获诺贝尔物理学奖金年获诺贝尔物理学奖金1906年用量子理论说明了年用量子理论说明了固体热容固体热容与温度的关系与温度的关系1912年用年用光量子光量子概念建立了光化学概念建立了光化学定律定律1916年提出自年提出自激发射和受激发射激发射和受激发射的的概念，为激光的出现奠定了理论基概念，为激光的出现奠定了理论基础础1924年提出了年提出了量子统计方法量子统计方法-玻色玻色-爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个相对论研究整个宇宙的时空结构宇宙的时空结构爱因斯坦爱因斯坦: Einstein: Einstein现代时空现代时空的创始人，二十世纪的哥白尼的创始人，二十世纪的哥白尼1895年年(16岁岁)：追光假想实验追光假想实验(如果我以速如果我以速度度c追随一条光线运动，那么我就应当看到，追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好象在空间里振荡着而停这样一条光线就好象在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者来判断，一切很清楚，从这样一个观察者来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。所看到的那样按照同样一些定律进行。)1999年：英国年：英国杂志推出的千年刊评选有史以来杂志推出的千年刊评选有史以来最杰出的十位物理学家：最杰出的十位物理学家：1.爱因斯坦爱因斯坦( (美籍德国人，美籍德国人，19211921* *) )，2.2.牛顿牛顿( (英国英国) )，3.3.麦克斯麦克斯韦韦( (英国英国), 4. ), 4. 玻尔玻尔( (丹麦，丹麦，1922)1922)， 5.5.海森伯海森伯( (德国，德国，1932)1932)，6.6.伽利略伽利略( (意大利意大利) )，7.7.费因曼费因曼( (美国，美国，1965), 8.1965), 8.狄拉克狄拉克( (英国，英国，1933)1933)，9.9.薛定谔薛定谔( (奥地利，奥地利，1933), 10.1933), 10.卢瑟福卢瑟福( (新西新西兰兰) )一、伽利略变换一、伽利略变换yOxPSvOySx坐标变换坐标变换速度变换速度变换加速度变换加速度变换伽利略时空变换式伽利略时空变换式181 伽俐略变换式伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观二、经典力学的相对性原理二、经典力学的相对性原理结论：结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。推广：推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式有相同的形式力学相对性原理力学相对性原理。所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不所有的惯性系都是相同的，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。存在特殊的绝对的惯性系。三、经典力学的绝对时空观三、经典力学的绝对时空观1、时间：、时间：同时性的绝对性：同时性的绝对性：在一惯性系中同时发生的两件事，在一惯性系中同时发生的两件事，在其它惯性系中也是同时发生的。在其它惯性系中也是同时发生的。在在S系中，系中， t1=t2，则由则由 t1=t1，t2=t2得在得在S系中系中 t1= t2时间间隔测量的绝对性：时间间隔测量的绝对性：在在S系中，系中，D Dt=t2-t1，则由则由 t1=t1，t2=t2得在得在S系中系中D Dt=t2-t1=t2-t1=D Dt2、长度：、长度：关于长度的定义及长度测量的说明：关于长度的定义及长度测量的说明：杆的长度由其两端的坐标差确定杆的长度由其两端的坐标差确定 l=x2-x1静止：端点坐标值不随时间变化，坐静止：端点坐标值不随时间变化，坐标测量可在不同时刻进行标测量可在不同时刻进行运动：端点坐标值随时间变化，坐标运动：端点坐标值随时间变化，坐标测量必须在同时刻进行测量必须在同时刻进行若不是同时测量，则坐标差就不是杆的长若不是同时测量，则坐标差就不是杆的长度度空间的绝对性空间的绝对性S中，杆静止，测得中，杆静止，测得x2、x1，则，则l= x2- x1S系运动，在系运动，在S系中同时测量，当时刻为系中同时测量，当时刻为t 时，时， x1=x1-vt，x2=x2-vt S系中测得系中测得l=x2-x1=(x2+vt)-(x1+vt)=x2-x1=l 在彼此相对在彼此相对运动的惯性运动的惯性系中，测得系中，测得同一杆的长同一杆的长度是相同的度是相同的182 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验一、历史背景一、历史背景1、以太风实验的零结果、以太风实验的零结果麦麦克克斯斯韦韦电电磁磁理理论论与与经经典典力力学学有有若若干干不不一一致致的地方。的地方。19世纪末电磁学有了很大发展世纪末电磁学有了很大发展 1865年麦克斯韦年麦克斯韦( Maxwell)总结出电磁场方程组总结出电磁场方程组; 预预言言了了电电磁磁波波的的存存在在, 并并指指出出其其速速率率各各向向均均为为c (真真空空中中)(与参考系无关与参考系无关); 1888年赫兹年赫兹(Hertz)在实验上证实了电磁波的存在。在实验上证实了电磁波的存在。这这显显然然和和伽伽利利略略变变换换矛矛盾盾, 按按伽伽利利略略变变换换,光光速速在在一一个参考系中若是个参考系中若是c, 在另一参考系中必不是在另一参考系中必不是c。没有质量；没有质量； 完全透明；完全透明；对运动物体没有阻力；对运动物体没有阻力；非常刚性。非常刚性。爱因斯坦认为：这些困难是由于绝对爱因斯坦认为：这些困难是由于绝对空间和绝对时间的概念引起的。空间和绝对时间的概念引起的。 为不和伽利略变换矛盾为不和伽利略变换矛盾, , 人们假设人们假设: :宇宙中充满了叫宇宙中充满了叫“以以太太 (ether)(ether)”的物质的物质, , 电磁波靠电磁波靠“以太以太”传播。把以太选作传播。把以太选作绝对静止的参考系绝对静止的参考系; ; 电磁场方程组电磁场方程组只在只在“ “ 以太以太”参考系成立参考系成立; ; 电磁波电磁波在在“ “ 以太以太”参考系中参考系中速率各向为速率各向为c c。按按伽伽利利略略变变换换, 电电磁磁波波相相对对于于其其他他参参考考系系(如如地地球球)速速率率就就不不会各向均匀会各向均匀, 而和此参考系相对于而和此参考系相对于“ 以太以太”的速度有关。的速度有关。若若此此, 如如在在地地球球上上测测光光速速,可可能能 c或或 c，同同时时可可以以测测出出地地球相对于以太的速度球相对于以太的速度 v寻找寻找“ 以太风以太风” 的热潮的热潮2. 蟹状星云蟹状星云 蟹蟹状状星星云云到到地地球球的的距距离离大大约约5千千光光年年,而而爆爆发发中中抛抛射射物物的的速速度度V大大约约是是1500Km/s, 按按伽伽利利略略变变换换, 地地球球上上可可持持续续25年年能能看看到到超超星星星星爆爆发发时时所所发发出出的的强强光光.实实际际上上: 还还不到两年不到两年.3. 高速运动的粒子的质量随速高速运动的粒子的质量随速度增加而增加度增加而增加 1901年考夫曼在确定镭发出年考夫曼在确定镭发出的的 射线射线(高速运动的电子束高速运动的电子束)荷质比荷质比e/m的实验中首先发现：的实验中首先发现：电子的电子的荷质比与速度有关。荷质比与速度有关。 为更多的人用越来越精密为更多的人用越来越精密的测量不断地重复的测量不断地重复 爱爱因因斯斯坦坦(Einstein)经经过过10年年的的沉沉思思, 于于1905年年发发表表了了 论论动动体体的的电电动动力力学学作作出出了了对对整整个个物物理理学学都有变革意义的回答。都有变革意义的回答。二、迈克尔逊莫雷实验二、迈克尔逊莫雷实验 美国物理学家。美国物理学家。1852 年年12月月19日，日，1837年毕业于美国海军学院，曾任芝加年毕业于美国海军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席、哥大学教授，美国科学促进协会主席、美国科学院院长；还被选为法国科学院美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，院士和伦敦皇家学会会员，1931年年5月月9日在帕萨迪纳逝世。日在帕萨迪纳逝世。 迈克耳逊主要从事迈克耳逊主要从事光学和光谱学光学和光谱学方方面的研究，以毕生精力从事光速的精密面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。测量。 1887年他与莫雷合作，进行了著名年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙的迈克耳孙-莫雷实验，这是一个最重大莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。基础。 迈迈克克尔尔逊逊在在光光谱谱研研究究和和气气象象学学方方面面所所取取得得的的出出色色成成果果，使使他他获获得得了了1907年年的诺贝尔物理学奖金。的诺贝尔物理学奖金。1、实验目的：、实验目的：测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。测量运动参考系（主要是地球）相对以太的速度。2、实验装置：、实验装置：迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪3、实验原理：、实验原理：地球定沿地球定沿GM1方向运动。若伽利略方向运动。若伽利略变换成立，光沿变换成立，光沿GM1速度为速度为c-v，光光沿沿M1G，速度速度c+v，光从光从G-M1-G所所需时间为需时间为GM1M2vGM1M2v光沿光沿GM2的速度和光沿的速度和光沿M2G的的速度速度光从光从G-M2-G所需时间为所需时间为光沿光沿GM2光沿光沿M2GG点发出的两束光到达望远镜的时间差点发出的两束光到达望远镜的时间差光程差光程差仪器旋转仪器旋转900，前后两次光程变化，前后两次光程变化2d d ，干涉条纹移动干涉条纹移动测出条纹的离动测出条纹的离动D DN，可由上式计算出地球相对以太的绝对速度。可由上式计算出地球相对以太的绝对速度。4、实验结果：、实验结果：零结果零结果在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条在不同季节，不同地理条件下做实验，没有观察到条纹的移动。纹的移动。实验表明：实验表明：相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考系，相对以太的绝对运动是不存在的，以太不能作为绝对参考系，以太假设不能采用；以太假设不能采用；地球上沿各个方向的光速都是相等的。地球上沿各个方向的光速都是相等的。迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支柱。柱。183 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换式洛仑兹变换式一、狭义相对论的基本原理一、狭义相对论的基本原理1、相对性原理：、相对性原理：物物理理定定律律在在所所有有的的惯惯性性系系中中都都是是相相同同的的，即即所所有有惯惯性性系系对运动的描述都是等效的。对运动的描述都是等效的。2、光速不变原理：、光速不变原理：真真空空中中的的光光速速是是常常量量，它它与与光光源源或或观观察察者者的的的的运运动动状状态态无关，即不依赖于惯性系的选择。无关，即不依赖于惯性系的选择。1) 1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展力学规律力学规律说明：说明：一切物理规律一切物理规律2) 2) 光速不变光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对与伽利略的速度相加原理针锋相对崭新的现代时空观，崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命，引起了物理学的一次大革命，把物把物理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。二、洛仑兹变换式二、洛仑兹变换式1、洛仑兹变换及其逆变换、洛仑兹变换及其逆变换yOxPSvOySxzZ2、说明、说明将正变换中的速度反号，并将带将正变换中的速度反号，并将带撇的与不带撇的量相互交换，即撇的与不带撇的量相互交换，即得到逆变换；得到逆变换；当当vc 时，时， 0，洛仑兹变换洛仑兹变换伽利略变换式；伽利略变换式； =v/c 1，所以所以vc。3、推导、推导S系的坐标原点系的坐标原点O，在，在S系中：系中：x=0在在S 系中：系中： x= -vt或或x+vt=0x=k(x+vt) S系的坐标原点系的坐标原点x=k(x-vt) 相对性原理，这两个惯性系是等价的，相对性原理，这两个惯性系是等价的，k=kx=k(x-vt) y=yz=z对于对于y,z 的关系，的关系，讨论讨论t与与t的变换关系的变换关系考虑光速原理。假设考虑光速原理。假设O与与O垂合瞬时垂合瞬时(t=t=0)，由重合点由重合点发出的沿发出的沿Ox轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐标系中分别为：标系中分别为： x=ct， x=ct4、洛仑兹坐标变换的特点、洛仑兹坐标变换的特点相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没有影响；相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没有影响；运动方向上距离和时间测量结果在变换中运动方向上距离和时间测量结果在变换中“混合起来；混合起来；当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略变换式。变换式。洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。附：洛仑兹坐标变换的矩阵表示附：洛仑兹坐标变换的矩阵表示三、洛仑兹速度变换三、洛仑兹速度变换S系系S系系根据洛仑兹变换根据洛仑兹变换1、速度变换式、速度变换式2、速度逆变换式、速度逆变换式vxc时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度变换式；时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度变换式；vx=c时，时，vx=c洛仑兹速度变换本身就包含光速极限的概念。洛仑兹速度变换本身就包含光速极限的概念。3、说明、说明例：设想一飞船以例：设想一飞船以0.90c0.90c的速度在地球上空飞行，的速度在地球上空飞行， 如果这时如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为0.90c 0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？问：从地面上看，物体速度多大？解：解：选飞船参考系为选飞船参考系为S S系。系。地面参考系为地面参考系为S S系。系。u uxx 小小 结结伽俐略变换式伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理作业作业思考题：思考题： P213 1，2，4，5习习 题：题： P214 1，2，8，9预预 习：习： 18-4，18-5