《大学物理》课程PPT教学课件：第十五讲 狭义相对论基础

近代物理引言 :经典力学 用于在传统技术 经典物理 宏观:第一次和第 (在20世纪初已基本完善)经典热力学与统计物理低速二次工业革 运动命中取得了 经典电磁学与光学 领域:巨大成果 发端于电磁学与经典力学原理 为高新技术 的矛盾以及寻找“以太”的实 用于宏观高 奠定了坚实 验 的理论基础 近代物理 相对论力学计速运动领域 (建立于19与20世纪之交)量子力学用于微观低 对物理学、 速运动领域 天文学乃至 发端于黑体电磁辐射 哲学都产生 实验和光电效应实验 了巨大影响 ★科学的发展无止境,任何停滞的、因循守旧的观念都是科学发展的大敌; ★要接受新思想、新观念,理解新理论,就必须要“解放思想”; ★判断新理论是否科学、正确的两条标准:①包容已被实践所证明的旧理论; ②解释旧理论无法解释的新事实

近代物理引言 经典物理 (在20世纪初已基本完善) 经典力学 经典热力学与统计物理 经典电磁学与光学 用于 宏观 低速 运动 领域 在传统技术 第一次和第 二次工业革 命中取得了 巨大成果 相对论力学 量子力学 用于宏观高 速运动领域 用于微观低 速运动领域 发端于黑体电磁辐射 实验和光电效应实验 为高新技术 奠定了坚实 的理论基础 发端于电磁学与经典力学原理 的矛盾以及寻找“以太”的实 验 对物理学、 天文学乃至 哲学都产生 了巨大影响 近代物理 (建立于19与20世纪之交) ★科学的发展无止境，任何停滞的、因循守旧的观念都是科学发展的大敌； ★要接受新思想、新观念，理解新理论，就必须要“解放思想” ； ★判断新理论是否科学、正确的两条标准：①包容已被实践所证明的旧理论； ②解释旧理论无法解释的新事实

第六部分相对论 研究什么问题? 参考系 29 参pP( 一物理事件 考 系 s|·P(,时空坐标 S 相对论研究的问题 Ar<>Ar ∠t ∠Ati A<>∠ti 对相对作匀 对相对作 速直线运动 运动学 运动学 加速运动 的惯性系:s系中的动力学方程←S系中的动力学方程的参考系 狭义 电磁场 电磁场 广义 相对论 相对论

第六部分 相对论 研究什么问题? x y z o 参 考 系 S ( , ) 1 1 r t  P1  物理事件 时空坐标 ( , ) 2 2 r t  P2  x′ y′ z′ o′ 参 考 系 S′ ( , ) 1 1 r  t  P1  ( , ) 2 2 r  t  P2  r ⎯→ r      ? t⎯→t ? r ⎯→t  ? r ⎯→t  ? 方 程 电磁场 动力学 运动学 方 程 系中的 电磁场 动力学 运动学 S系中的 ⎯→ S ? 相对论研究的问题 对相对作匀 速直线运动 的惯性系: 狭义 相对论 对相对作 加速运动 的参考系: 广义 相对论

第一章狹义相对论( special relativity) 内容提要 用经典力学原理研究电磁规律时出现矛盾!! --- Maxwel方程组寻找“以太 Maxwel理论本身错误? 与旧原理的矛盾” 伽利略变换有缺陷? 实验的失败 Einstein的两条基本假设 狭义相对论时空观 数学表述 “同时”的相对 Lorentz坐标变换 對钟延缓效应 长度收缩效应 Lorentz速度变换

狭义相对论时空观 第一章 狭义相对论(special relativity) 用经典力学原理研究电磁规律时出现矛盾!! “同时”的相对 性时钟延缓效应 长度收缩效应 内容提要 Maxwell 方程组 与旧原理的矛盾 寻找“以太 ” 实验的失败 Maxwell理论本身错误？ 伽利略变换有缺陷？ Einstein的两条基本假设 Lorentz 速度变换 数学表述 Lorentz 坐标变换

§11狭义相对论产生的背景和实验基础 经典力学原理 两个卩 (一)伽利略变换( Galilean transformation)特殊s 相关 iix=x-vta i x=x+ vt L-1 惯性 x y =y, 系 S: P(x,y, z,t it'= t = S: P(',y,z,t (二)经典物理的绝对时空观 两事件的同时性是绝对的,与参考系无关 m =M, F= F 两事件时间间隔是绝对的,与参考系无关 F=m→F"=m 空间两点的距离是绝对,与参考系无关 空间与时间是相互独递的,与参考系无关 牛顿力学在伽利略变换下协变 (三)力学相对性原理 牛顿力学方程是伽利略不变式 所有惯性系对描述力学规律来说在惯性系中所做的任何力学实验都不能确定 都是等价的 该惯性系是静止的还是作匀速直线运动

(一)伽利略变换(Galilean transformation) §1.1 狭义相对论产生的背景和实验基础 (二)经典物理的绝对时空观 S′  P x′ y′ z′ o′ v  两个 特殊 相关 惯性 系 S : P(x, y,z,t) S : P(x  , y  ,z  ,t) 一.经典力学原理 x y z o S . ; ; ; t t z z y y x x vt  =  =  =  = − . ; ; ; t t z z y y x x vt =  =  =  =  +  u u v     = − 空间与时间是相互独立的 与参考系无关 空间两点的距离是绝对的 与参考系无关 两事件时间间隔是绝对的 与参考系无关 两事件的同时性是绝对的 与参考系无关 , , , , m  = m, F F,    = F = ma  F = m  a      a a    = 牛顿力学在伽利略变换下协变 (三)力学相对性原理 牛顿力学方程是伽利略不变式 所有惯性系对描述力学规律来说 都是等价的 在惯性系中所做的任何力学实验都不能确定 该惯性系是静止的还是作匀速直线运动

Maxwell程组→C=1/4伽利略变换:c=c+5P 伽利略变换对电磁学(光学)规律的失效 参考系?伽利略变换? V2E-HoEo at2 E=0 Sty S Michelson-Morley实验 M 2 V2B 02B at a2E VE 0 2 + 1 aB VB 0 地球相对 21 CT Mi at C=AE0-2c·v+v2 于“以太”E XX1旋转90,光程差变 6=2(4+2 Maxwell方程 √1-p2/c 组在伽氏变 换下不协变 电磁规律不遵守伽氏相对性原理无预期的条纹移动

参考系? 二.伽利略变换对电磁学(光学)规律的失效 Maxwell方程组 0 0 → c = 1/   伽利略变换: c c v    =  + 伽利略变换? 1 c − v 1 c + v 2 2 2 c − v 2 2 2 c − v 2 2 1 2 2 2 1 2 1 / 2( ) 1 / 2( ) v c l l v c l l − + − − +  = 旋转90o ,光程差改变 x y z o S S′ y′ z′ o′ v  x  0 0 2 2 0 0 2 2 2 0 0 2 =    − =    − t B B t E E         0 1 0 1 2 2 2 2 2 2 2 2 =        − =        − t B c B t E c E     2 0 0 2 c  = − 2c  v + v     Maxwell方程 组在伽氏变 换下不协变 Michelson－Morley实验 M2 M1 E 地球相对 于“以太” S v  电磁规律不遵守伽氏相对性原理 无预期的条纹移动