相对论课件-大连理工大学.ppt
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爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人,二十世纪的哥白尼,二十世纪初,一个大骗子忽然冒出来,过了不多久,他就占据了科学界最显赫的位置,好像一场春雨后浮出水面的青蛙呱噪不休。论其迟钝足以败事,但论其糊涂又没有达到于事无害的地步,真可以说是一个扫帚星,这个人就是爱因斯坦。当时的整个科学界借助他将那些数量之多令人望而生畏、荒谬之极令人难以置信的见解和观点一股脑倾泄出来,终于把关于大自然理论科学大厦彻底冲垮了。崔海龙著物理学导论,内蒙古科学技术出版社,2004,ISBN7538008195/G.196,剑桥大学是世界上最老的大学之一,是英国最大的大学之一。她因为杰出的学术成就和正在科学、艺术的广大领域进行的高质量的研究工作而享有国际声誉。目前大学正在进行的前沿工作包括:对疾病的认识,发展新材料,先进的远距离通讯,以及对宇宙起源的研究。大学培养博士,兽医,建筑师,工程师和教师。在大学的各个教育层次上,大约有一半学生在人文科学和艺术领域学习,他们中的许多人已经成为艺术、印刷和传媒领域的杰出人物。大学的科学成就反映在多年以来,剑桥大学的教师已经有60或超过60人获得诺贝尔奖。,正确把握科学的本质创造,1901年,第一个诺贝尔物理奖授予德国的Roetgen(伦琴)。瑞典皇家科学院院长奥德纳的致词:“皇家科学院决定将诺贝尔物理学奖授予慕尼黑大学的W.C.Roetgen教授,以表彰他那常常与他的名字联系在一起的发现,即所谓伦琴射线他自己称之为X射线。1902年,诺贝尔物理奖授予H.A.Lorentz(洛伦兹)和P.Zeeman(塞曼),因研究磁力对辐射现象的影响取得优异成就。瑞典皇家科学院院长蒂尔教授致词:“皇家科学院决定将本年度的诺贝尔物理学奖授予莱顿大学的H.A.Lorentz和阿姆斯特丹大学的P.Zeeman教授,以表彰他们在研究光和电磁现象联系方面所作的开创性的工作。”,B.如何看待诺贝尔奖?,学校大事记到2001年,剑桥大学有58人获得诺贝尔奖,但只有18人次,13项工作列入大学的大事记。我们先不厌其烦地将这13项工作列出来:,1906年,汤姆逊因为发现电子获诺贝尔诺贝尔物理学奖,其意义前面已经说过。1912年,小布拉格(L.Bragg)在河边散步时突发灵感,发现X射线衍射定律,1915年与其父老布拉格(W.H.Bragg)一起获诺贝尔物理学奖。1929年,霍普金斯(G.Hopkins)发现维生素获诺贝尔生理和医学奖。1932年,考克罗夫特和威尔顿裂变了原子核,从此诞生核物理学,1951年因此获诺贝尔物理学奖。1933年,狄拉克因创立量子力学获诺贝尔物理学奖。1953年,克瑞可和威苍(CrickandWatson)发现了蛋白质的双螺旋结构,从此产生了现代遗传学。1962年获诺贝尔医学奖。1958年,山格尔因为测量蛋白质胰岛素中氨基酸的序列而第一次获诺贝尔化学奖。1962年,普柔茨和肯卓(M.PerutzandJ.Kendrew)因为解决蛋白质三维结构问题而获诺贝尔化学奖。1968年,侯议史和赖尔(A.HewishandM.Ryle)发现脉冲星,从此改变了现代宇宙学的研究过程,1974年获诺贝尔物理学奖。1980年,山格尔因为测量DNA编码中的信息而第二次获诺贝尔化学奖。1982年,克鲁格(A.Klug)解决了病毒RNA分子的复杂三维结构,获诺贝尔化学奖。1985年,米尔斯坦(C.Milstein)关于单克隆抗体的研究获诺贝尔医学奖,他发展的方法是医学研究和药物设计的革命。1996年,米尔理斯(J.Mirrlees)获诺贝尔经济学奖。,第六章(狭义)相对论基础,6、1,伽利略(Galileo)变换和经典力学时空观,一.伽利略变换,事件的概念:物质运动可以看作是一连串事件的发展过程。事件可以有各种不同的具体内容,但是它总是在一定地点和一定时间发生的。,我们用四个坐标(X,Y,Z,t)代表一个事件。,伽利略坐标变换是在不同惯性系上观察同一事件的时空坐标变换关系。,设惯性系相对惯性系S以速度u沿X轴方向运动,并且当0和0重合时作为计时起点,这时,正变换,逆变换,伽利略坐标变换,在此后任意时刻,在和系对同一质点P的运动进行观测。,从图上分析显然有:,速度变换与加速度变换,正,逆,两个都是惯性系,是恒量,二.经典力学时空观,物理意义:在任意两惯性系和中的时钟对好以后(0和0重合时为计时起点),两惯性系上,的时钟所显示的时间总是一致的,它们所测出的同一事件所经历的时间间隔是相同的。,因此,在一切惯性系中,时间的量度是一致的。,经典力学中:时间是绝对的不变量。,在和中测得的长度分别为(),这说明:在一个惯性系内测得一把静止的尺子的长度为,则在其它惯性系内测量,尽管这时尺子相对它在运动,它的长度仍为。,因此,在经典力学中:,物体的长度也是绝对的不变量。,另外,由加速度的变换关系:,写成矢量式:,这说明:,在两个惯性系中,质点的加速度是相同的。,根据当时的实验(低速实验),在不同的惯性系中,物体的质量也是相同的。(即m=不变量),这就是说:尽管质点的速度,动量,能量在不同的惯性系内是不同的,可是,力,质量和加速度在不同的惯性系内是相同的。即动力学定律在一切惯性系内是相同的。,可见,牛顿定律,对伽利略变换保持其形式不变(或说具有协变性)。,因此,牛顿定律在不同的惯性系内形式是相同的,,或,力学相对性原理(或:伽利略相对性原理):,所有惯性系都是等价的,力学定律在所有惯性系中都可以表为相同形式。,三.经典力学所遇到的困难,经典力学中,认为,都是不变量,与惯性系的相对运动无关牛顿定律对伽利略变换具有协变性.,在宏观物体的低速运动中,还没有暴露出这种形而上学的观点的错误,但是,在研究高速物体的运动中,这种旧时空观与客观实际的矛盾就显露出来了.,应用到光的传播:,由麦克斯威方程组可得到真空中电磁波的波动方程:,奇异的“以太”媒质?,迈克尔-莫雷实验,地球运动方向,旋转仪器,有0.4条的条纹移动。,狭义相对论基本假设:,1)相对性原理:所有惯性系都是等价的,物理定律对所有惯性系都可以表为相同形式;,2)光速不变原理:在所有惯性系中测得光在真空中的速度都是C,光速与观察者及光源的运动无关。,本章只涉及无加速运动的惯性系,所以叫狭义相对论。,二、洛仑兹变换,g,由光速不变原理倒出:,代入(a)和(b),两式相乘,代入(a)和(b)得:,考虑两特殊事件:第一事件是两惯性系坐标原点重合时从坐标原点发出一脉冲,第一事件在两坐标系中都用(0,0,0,0)表示。坐标原点重合时两惯性系时钟开始计时。,第二事件是在另一地点P接收光脉冲,设P接收到光脉冲的时空坐标在两惯性系上分别为,由于两惯性系上测出的光速都是c,因此有:,再将第一式代入第二式,则,同乘,洛仑兹变换时空坐标式,正变换,逆变换,在洛仑兹变换中,时间坐标和空间坐标是相互关联的,这是与伽利略变换根本不同的。,洛仑兹速度变换式:,设:在S系中有束光沿X轴传播,其速度为c,相对于S这束光也沿X轴传播,则传播速度为:,洛仑兹变换能保证光速不变原理成立。,2)伽利略变换:时间、空间是相互分离的,时空是绝对的,是绝对时空观。,洛仑兹变换:时间、空间是相互联系的,时间间隔、空间间隔是相对的,是相对时空观。,3)如果,这时时间、空间或无穷大(),或是虚数(),此时没有物理意义;即真空中的光速是一切实际物体运动的极限。,说明:,1)令,当,洛仑兹变换就还原为伽利略变换。,事件1,事件2,如两事件在S系中同时发生,6.3狭义相对论时空观,“同时”的相对性,长度收缩,时间膨胀,一、“同时”的相对性,因为,且,和,“同时”是相对的,Einsteintrain,地面参考系,在火车上,分别放置信号接收器,发一光信号,中点,放置光信号发生器,研究的问题两事件发生的时间间隔,发一光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,发出的闪光,光速为,同时接收到光信号,事件1、事件2不同时发生,事件1先发生,处闪光,光速也为,系中的观察者又如何看呢?,同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,相对效应当速度远远小于c时,两个惯性系结果相同,迎着光,比早接收到光,二时间膨胀(运动时钟变慢),幽灵如的寿命?,事件1,事件2,在某系中,同一地点先后发生的两个事件的时间间隔为与另一系中,对这两个事件的时间间隔量度又是怎样呢?,由洛仑兹逆变换,原时最短,1,若在中同一地点先后发生的两事件,其固有时间间隔为,在中不同地点的同步钟测得的两事件的时间间隔为,则:,和,在相对两事件发生地点静止的惯性系上测得的固有时间间隔总是小于以u相对运动的参考系中两个同步时钟测得的同样的两个事件的时间间隔,即运动的时钟变慢,这一效应叫时间膨胀。,反之,若S系中同一地点发生的两事件的时间间隔,是用S系中时钟(静止于S系中)测得的两个事件的时间差;称为固有时间间隔(亦称原时)。,由洛仑兹变换,原时最短,损失的能量转换成静能,例:两个质子和两个中子组成一个氦核,求形成一个氦核时放出的能量。,巳知:质子的静止质量,中子的静止质量,两个质子两个中子组成氦核之前,总质量为,形成原子核后的质量为,质量亏损,放出的能量为,结合成氦核时所放出的能量,相当于燃烧100吨煤所发出的热量。,(实验室测得的静止质量),66洛仑兹变换下的能量和动量,相对于惯性系S,质点运动速度为v:,S是另一惯性系,相对S以u作匀速直线运动。那么质点相对S的速度为v:,问题:,由洛仑兹速度变换式:,(1),(2),确定的一种质点运动,在不同的惯性参考系中,其能量动量的表述(数值)是不同的,上式(1)(2)就是各种表述之间的关系。,做代换:,则(1)(2)变换就和洛仑兹变换完全一样。,由(1)(2)两式,相对于不同的惯性参考系,,的值与参考系的选择,无关,是个不变量。,由相对论能量:,和相对论动量,能量动量关系式,某个粒子,静止质量为零(),则:,一个静止质量为零的粒子其运动速度一定是真空中的光速。,光子,光,波动性,粒子性,波粒二象性,光做为一种粒子,其光子的动量为,当光和波动联系起来时,光子的能量为,则动量,爱因斯坦关系,光子的质量:,- 配套讲稿:
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