狹義相對(duì)論第六章Specialrelativity電動(dòng)力學(xué)2005世界物理年

紀(jì)念愛因斯坦狹義相對(duì)論誕生100周年與愛因斯坦逝世50周年。讓物理走近大眾，讓世界擁抱物理主要內(nèi)容：

A.愛因斯坦——20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。1879年3月14日生于德國(guó)烏耳姆，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(wú)前例的奇跡——

建立了狹義相對(duì)論，推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)理論的革命。1955年4月19日在美國(guó)逝世。

相對(duì)論的基本原理洛倫茲變換

相對(duì)論的四維形式

相對(duì)論的時(shí)空理論

相對(duì)論力學(xué)

相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句:

自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說(shuō)：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道:上帝說(shuō)完多少年之后，魔鬼說(shuō)：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

1905年，除去博士論文外，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了4篇重要論文，其中任何一篇，都?jí)虻蒙夏弥Z貝爾獎(jiǎng)。3月，發(fā)表了解釋光電效應(yīng)的論文，提出光子說(shuō)；5月，發(fā)表關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，間接證明了分子的存在；6月，發(fā)表“論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”的論文，提出了狹義相對(duì)論；9月發(fā)表了有關(guān)質(zhì)能關(guān)系式的論文，指出能量等于質(zhì)量乘光速的平方E=mc2

。狹義相對(duì)論的重點(diǎn)與難點(diǎn)本章難點(diǎn)：1、同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)鐘延緩效應(yīng)的相對(duì)性；2、相對(duì)論四維形式的理解；3、電動(dòng)力學(xué)相對(duì)論不變性的導(dǎo)出過(guò)程。*

本章重點(diǎn)：

1、深刻理解經(jīng)典時(shí)空理論和邁克爾遜實(shí)驗(yàn)；

2、熟記狹義相對(duì)論基本原理、洛侖茲變換；

3、理解同時(shí)的相對(duì)性和尺縮、鐘慢效應(yīng)，能夠熟練利用洛侖茲速度變換解決具體問題；

4、了解相對(duì)論四維形式和四維協(xié)變量；

5、掌握相對(duì)論力學(xué)的基本理論并解決實(shí)際問題。機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束§1歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)《引言》牛頓力學(xué)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論?19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟。兩朵烏云：?邁克耳遜——莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)?

黑體輻射實(shí)驗(yàn)?近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的簡(jiǎn)單否定?近代物理不是經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論狹義相對(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。機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束正變換——

在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略變換OZXYO'Z'(X')Y'vP(x,y,z)?在t＝t時(shí)刻，物體運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)

在t＝0時(shí)刻，物體在O點(diǎn),系重合機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束Z關(guān)于長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量?在每個(gè)慣性系放一個(gè)時(shí)鐘和一把尺子，鐘和尺與參照系無(wú)關(guān)，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的測(cè)量：在同一時(shí)間去測(cè)量物體的兩端。t1=t2l=x2-x1XOY(x1t1)(x2t2)Y'vX'機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束逆變換

伽利略坐標(biāo)變換式

伽利略速度變換式

伽利略加速度變換式

牛頓定律不變性結(jié)論：在一切慣性系中，經(jīng)典力學(xué)中的時(shí)空是絕對(duì)的——絕對(duì)時(shí)空觀?時(shí)間是絕對(duì)的?空間是絕對(duì)的?時(shí)空相互分離機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束二力學(xué)相對(duì)性原理(GalileanPrincipleofRelativity)⑵一切慣性系都是等價(jià)的，不存在特殊的慣性系。(1)在一切相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng)慣性系中牛頓力學(xué)定律具有相同形式；不能在一個(gè)參照系內(nèi)部做實(shí)驗(yàn)來(lái)確定該參照系相對(duì)另一系的速度。三經(jīng)典時(shí)空理論的局限性1、光速可變并與光源運(yùn)動(dòng)相關(guān)XOYY'vX'O’在系光速各向同性系光速各向異性

光沿系Y軸傳播的速度

光沿系X軸傳播的速度擊前瞬間擊后瞬間先出球，后擊球

----先后顛倒舉一例：光速與光源運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)出現(xiàn)的矛盾光傳到乙的時(shí)間：光傳到乙的時(shí)間：2、麥?zhǔn)戏匠滩粷M足伽氏變換

機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束3、伽氏變換下麥?zhǔn)戏匠痰瓤勺冃缘娜N看法

麥克斯韋方程不正確

伽利略變換不適合高速運(yùn)動(dòng)

電磁運(yùn)動(dòng)不服從相對(duì)性原理4、“以太”概念及絕對(duì)參照系

“以太”究竟為何物？（1）充滿宇宙，透明而密度很?。姶艔浬⒖臻g，無(wú)孔不入）；（2）具有高彈性。電磁波一般為橫波，以太應(yīng)是一種固體（G是切變模量，ρ是介質(zhì)密度）；（3）它只在牛頓絕對(duì)時(shí)空中靜止不動(dòng)，即在特殊參照系中靜止。光借助“以太”媒質(zhì)傳播，相對(duì)靜止的“以太”，光的傳播速度各向同性，均為C。機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

伽利略變換

相對(duì)性原理

麥克斯韋方程三邁克耳遜——

莫雷實(shí)驗(yàn)假定相對(duì)性原理不成立，麥克斯韋方程的形式僅在以太中成立。因此在地球上可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證地球相對(duì)“以太”的速度。反過(guò)來(lái)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找“以太”靜止的絕對(duì)參考系。假定在“以太”中光速各項(xiàng)同性且恒等于C，而在其它參考系光速各項(xiàng)異性。假定太陽(yáng)與以太固連，地球相對(duì)于以太的速度就應(yīng)當(dāng)是地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)光線（1）：地球系以太風(fēng)機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束對(duì)光線（2）設(shè)光程差光程差與條紋移動(dòng)關(guān)系儀器轉(zhuǎn)動(dòng)引起干涉條紋的移動(dòng)：機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束1、地球相對(duì)以太靜止論

地球?yàn)榻^對(duì)參照系，光速在地球上恒為C且各向同性。這樣顯然光程差為零，在地球上實(shí)驗(yàn)條紋不移動(dòng)。但此解釋必然得出地球是宇宙中心的結(jié)論，同時(shí)太陽(yáng)光在地球周圍各向同性，但太陽(yáng)相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，仍不符合經(jīng)典速度合成。邁克耳遜——莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，說(shuō)明了“以太”本身不存在。該實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱之一。1881年邁克耳遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果邁克耳遜干涉儀精度可觀測(cè)到0.01個(gè)條紋的移動(dòng)。1907年邁克耳遜因創(chuàng)制精密光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)四對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾種解釋

機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

恒星光行差現(xiàn)象（1727年發(fā)現(xiàn)）：觀察恒星光線的視方向與“真實(shí)”方向之間有一夾角，這說(shuō)明若以太存在，將不能被地球拖動(dòng)。若被拖動(dòng)則地球上將看不到光行差現(xiàn)象。地球上觀察天體的方向，應(yīng)是地球相對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)速度與光速合成的方向。理論計(jì)算：對(duì)太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：2、拖曳理論

地球不是絕對(duì)參照系。但由于以太很輕，地球在以太中運(yùn)動(dòng)可以拖動(dòng)以太一起運(yùn)動(dòng)。但這種說(shuō)法與光行差現(xiàn)象矛盾。機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

靜止光源光速為C，運(yùn)動(dòng)光源光速改變，且各向同性。這樣在地球上用靜止光源做實(shí)驗(yàn)，條紋當(dāng)然不移動(dòng)。麥?zhǔn)戏匠淘诘厍蛏暇_成立，但在以太中形式不同。仍認(rèn)為以太存在，這樣陽(yáng)光在地球上不為C。3、發(fā)射理論機(jī)動(dòng)目錄上頁(yè)下頁(yè)返回結(jié)束

這一說(shuō)法與雙星實(shí)驗(yàn)相矛盾。若光速與光源運(yùn)動(dòng)有關(guān)，則在1處光速相對(duì)地球?yàn)镃+v，2處光速相對(duì)地球?yàn)镃－v。在同一時(shí)刻觀看B星不應(yīng)是一亮點(diǎn)。B星不同時(shí)刻發(fā)出的光在同一時(shí)刻到達(dá)地球，拍攝照片應(yīng)是一條很短的亮線。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為亮點(diǎn)，說(shuō)明光速與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。1924年用日光做邁氏實(shí)驗(yàn)，仍然無(wú)移動(dòng)，證明雙星實(shí)驗(yàn)正確。地球12假定認(rèn)為沿相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)方向上物體長(zhǎng)度收縮為則在地球上觀測(cè)，光沿M