160018001700伽利略1564-1642………物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1900力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)牛頓1642-1722麥克斯韋1831-1879

以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，已從宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場(chǎng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1900年元旦，英國物理學(xué)家開爾文男爵的新年祝詞中宣稱：第二朵烏云：黑體熱輻射實(shí)驗(yàn)第一朵烏云：邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”(Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.)

“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了”----導(dǎo)致了量子論革命的爆發(fā)----導(dǎo)致了相對(duì)論革命的爆發(fā)160018001700伽利略1564-1642………物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1900力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)牛頓1642-1722麥克斯韋1831-1879

以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，已從宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場(chǎng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2000相對(duì)論量子力學(xué)愛因斯坦1879-1955……相對(duì)論與量子力學(xué)的創(chuàng)立是20世紀(jì)最偉大的成就，這兩門學(xué)科構(gòu)成了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)包括兩大部分：

狹義相對(duì)論（SpecialRelativity1905年）：它研究高速運(yùn)動(dòng)物體在慣性系中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及物理量和物理規(guī)律在不同慣性系間的變換關(guān)系。狹義相對(duì)論揭示了時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系（局限在慣性參照系的理論）

廣義相對(duì)論（generalrelativity）（1915——1916年）：它研究在任意參考系中物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及它們?cè)诓煌瑓⒖枷抵g變換的關(guān)系。廣義相對(duì)論揭示了時(shí)間、空間與引力的關(guān)系（推廣到一般參照系包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論）。相對(duì)論（TheoryofRelativity）AlbertEinstain(1879-1955)本課主要討論狹義相對(duì)論，重點(diǎn)放在狹義相對(duì)論的時(shí)空觀上。第六章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)主要內(nèi)容：狹義相對(duì)論的基本假設(shè)同時(shí)性的相對(duì)性洛侖茲變換式運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢和長度縮短洛侖茲速度變換相對(duì)論質(zhì)量和動(dòng)量相對(duì)論能量相對(duì)論力和加速度間關(guān)系在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件一.伽利略變換

(Galileantransformation)

t時(shí)刻，物體到達(dá)P點(diǎn)設(shè):慣性系

Sy￠x￠o￠S￠r￠r相對(duì)S運(yùn)動(dòng)的慣性系§4.1經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀慣性系牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用的參考系(勻速直線)

正變換逆變換正變換逆變換都是慣性系是恒量坐標(biāo)變換速度變換與加速度變換牛頓時(shí)空：時(shí)間量度與參考系無關(guān)，與空間無關(guān)-----絕對(duì)時(shí)間該物體在兩個(gè)慣性系中時(shí)空坐標(biāo)間的變換關(guān)系為（伽利略坐標(biāo)變換）在兩個(gè)慣性系中二.伽利略相對(duì)性原理(Galilean

principleofrelativity)

在牛頓力學(xué)中：宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同或牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變或牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式如:動(dòng)量、能量守恒定律,等

或牛頓力學(xué)規(guī)律對(duì)一切慣性系是等價(jià)的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)力與參考系無關(guān)三、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)空間：長度量度與參照系無關(guān)S系S’系時(shí)間和空間彼此獨(dú)立----與參照系無關(guān)時(shí)空觀:有關(guān)時(shí)間和空間的物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí).-----經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)間：時(shí)間量度與參照系無關(guān)絕對(duì)質(zhì)量：物體質(zhì)量與參照系無關(guān)時(shí)間、長度、質(zhì)量是絕對(duì)的,同時(shí)性是絕對(duì)的；§4.2狹義相對(duì)論的基本假設(shè)一.伽利略變換的困難1)

電磁場(chǎng)方程組（電磁學(xué)規(guī)律）不服從伽利略變換靜止電荷靜止電荷庫侖力S？2)光速C邁克耳遜-莫雷的0結(jié)果“以太(ether)”------光的傳播媒質(zhì)是“以太”論的觀點(diǎn)：假設(shè)整個(gè)宇宙都充滿著一種絕對(duì)靜止的特殊媒質(zhì)---“以太”。光波靠“以太”傳播，光相對(duì)于靜止的“以太”，傳播速度各向同性，恒為絕對(duì)速度為C,“以太”是優(yōu)于其它參考系的絕對(duì)參考系。光的波動(dòng)說“以太”為何物？地球相對(duì)“以太”的速度是多少？麥克爾遜-莫雷精密的光干涉實(shí)驗(yàn)----------“零”結(jié)果光相對(duì)地球的速度又是多少？邁-莫實(shí)驗(yàn)若能用實(shí)驗(yàn)證明光波對(duì)地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)符合上述規(guī)律，則地球?qū)Α耙蕴钡慕^對(duì)運(yùn)動(dòng)將被證實(shí)，“以太”觀點(diǎn)成立。u若在地球上固定一光源S按伽利略的速度合成法則，地球?qū)σ蕴慕^對(duì)運(yùn)動(dòng)必滿足：cu+v或ucv以太系以太風(fēng)邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)（尋“以太”失敗的著名實(shí)驗(yàn)）續(xù)6假如存在“以太”，的大小必定與傳播方向有關(guān)。u繞中心O轉(zhuǎn)動(dòng)干涉儀兩臂光程差必改變，干涉條紋必有移動(dòng)。轉(zhuǎn)過90°，兩臂取向互換，光程差改變達(dá)極大，條紋移動(dòng)量達(dá)極大若“以太”觀點(diǎn)成立，預(yù)期有0.4根條紋移動(dòng)量實(shí)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過不同季節(jié)、不同時(shí)間的反復(fù)仔細(xì)觀測(cè)記錄，沒有發(fā)現(xiàn)預(yù)期的條紋移動(dòng)。在歷史上曾被稱為有關(guān)尋找“以太”著名的“零結(jié)果”。邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)（尋“以太”失敗的著名實(shí)驗(yàn)）v地球c光對(duì)以太v地球?qū)σ蕴鈱?duì)地球us底盤1鏡2鏡玻片O11m臂長l=

590nm邁克耳孫干涉儀cv+cv2cv22cv2觀察記錄干涉條紋相對(duì)速率v地球c光對(duì)以太v地球?qū)σ蕴鈱?duì)地球us底盤1鏡2鏡玻片O邁克耳孫干涉儀觀察記錄干涉條紋相對(duì)速率2cv22cv2以太光對(duì)地球u光對(duì)以太c地球?qū)σ蕴玽c+v2cv2cv2cv2cs伽利略變換ssvprrrrtvttu2ddtruvaddtr2a如：牛頓定律力學(xué)規(guī)律fma在慣性系觀察s在慣性系觀察sfmama在一切慣性系中，力學(xué)規(guī)律相同。稱為伽利略相對(duì)性原理電磁學(xué)規(guī)律若處有兩個(gè)電荷p對(duì)慣性系，電荷間的相互作用

為靜電力。s對(duì)慣性系，是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷，還有磁力作用。

s規(guī)律不相同若處有一光源，迎著

發(fā)射光波pv對(duì)s,光速uc對(duì)s,cucv光速+無實(shí)驗(yàn)根據(jù)自洽？？？誰是誰非難以判斷不自洽愛因斯坦的認(rèn)為：相信自然界有其內(nèi)在的和諧規(guī)律。（必定存在和諧的力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律。）相信自然界存在普遍性的相對(duì)性原理。（必定存在更普遍的相對(duì)性原理，對(duì)和諧的力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律都適用。）相信復(fù)雜多變的自然界，存在某種重要的不變性。二.愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)

1.一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同

2.光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)

Einstein

的相對(duì)性理論是

Newton

理論的發(fā)展一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律1905年，愛因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中提出：—光速不變?cè)?--狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也無關(guān)

觀念上的變革牛頓力學(xué)時(shí)間標(biāo)度長度標(biāo)度質(zhì)量的測(cè)量與參考系無關(guān)速度與參考系有關(guān)(相對(duì)性)狹義相對(duì)論力學(xué)長度時(shí)間質(zhì)量與參考系有關(guān)(相對(duì)性)光速不變說明相對(duì)性原理從力學(xué)規(guī)律推廣到一切物理規(guī)律.光速不變?cè)矸穸私?jīng)典力學(xué)的速度變換定理.兩條基本假設(shè)是整個(gè)狹義相對(duì)論的基礎(chǔ).與參考系無關(guān)與參考系有關(guān)相對(duì)論問題包括兩個(gè)方面：

同一事件的兩種不同形式所反映的物理規(guī)律相同，那么兩種形式之間必定通過變換式相互轉(zhuǎn)換。在基本觀點(diǎn)明確的前提下，重要的是變換式?。∽儞Q式與相應(yīng)的相對(duì)性原理相對(duì)應(yīng)。牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理———伽利略變換狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理———？？變換物理規(guī)律與參考系無關(guān)－－相對(duì)性原理在兩個(gè)參考系中對(duì)同一事件的描述形式不同，之間存在一個(gè)變換關(guān)系——變換式同時(shí)發(fā)出閃光經(jīng)一段時(shí)間光傳到P點(diǎn)一.洛侖茲變換的導(dǎo)出尋找重合兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)值之間的關(guān)系§4.3洛侖茲變換(Lorentztransformation)由光速不變?cè)恚河蓱T性系相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向：有

由于客觀事實(shí)是確定的，有相對(duì)性原理：

與的關(guān)系是下面的任務(wù)是:根據(jù)上述四式,利用比較系數(shù)法,確定系數(shù)二.結(jié)果坐標(biāo)變換式22/1cuutxx--=￠222/1/cucuxtt--=￠正變換令則正變換逆變換正變換伽利略變換

<<

數(shù)學(xué)關(guān)系反映了新的時(shí)空觀,反映了同一事件在兩不同慣性系中兩組時(shí)空坐標(biāo)的變換關(guān)系

狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理,本意也是物理規(guī)律表達(dá)式在洛倫茲變換下保持不變.

將時(shí)間、空間、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，不可分割，這正式狹義相對(duì)論的新時(shí)空觀.

因時(shí)空坐標(biāo)是對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述，按狹義相對(duì)論的要求，不應(yīng)該為虛數(shù)，則物體速度必須小于C，指明狹義相對(duì)論的適用范圍。

由洛侖茲變換看同時(shí)性的相對(duì)性事件1事件2兩事件同時(shí)發(fā)生2221cuxcut-D-D=若已知同時(shí)性的相對(duì)性

時(shí)序因果關(guān)系時(shí)空測(cè)量的相對(duì)性是否違背因果律？對(duì)于有因果關(guān)系的兩個(gè)事件，時(shí)空測(cè)量（在不同慣性系觀察）不會(huì)違背因果律；對(duì)于沒有因果關(guān)系的兩個(gè)事件，時(shí)序可以改變，但不違背因果律§3同時(shí)性的相對(duì)性(relativityofsimultaneity)一.時(shí)空坐標(biāo)1.事件時(shí)空坐標(biāo)2.同步鐘synchronizedclocks二.同時(shí)性的相對(duì)性

--光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果

以愛因斯坦火車(Einsteintrain)為例

Einsteintrain地面參考系在火車上分別放置信號(hào)接收器發(fā)一光信號(hào)中點(diǎn)放置光信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置事件1接收到閃光事件2接收到閃光研究的問題:兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔？？發(fā)出的閃光光速為同時(shí)接收到光信號(hào)事件1、事件2同時(shí)發(fā)生光速也為隨運(yùn)動(dòng)迎著光比早接收到光事件1先發(fā)生系中的觀察者又如何看兩個(gè)事件呢？發(fā)出的閃光事件1、事件2不同時(shí)發(fā)生

同時(shí)性的相對(duì)性是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果相對(duì)效應(yīng)

當(dāng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c時(shí)，兩個(gè)慣性系結(jié)果相同討論§5時(shí)間膨脹長度縮短考察一只鐘在研究一個(gè)物理過程的時(shí)間間隔中在某一慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔(同一只鐘測(cè)量)，與另一慣性系中，在兩個(gè)地點(diǎn)的這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔(兩只鐘分別測(cè)量)的關(guān)系。研究的問題是：如幽靈的壽命？一.時(shí)間膨脹(timedilation)運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢1.原時(shí)(Propertime)

兩地時(shí)2.原時(shí)最短時(shí)間膨脹在某一參考系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔叫原時(shí)（或固有時(shí)間）?？疾熘械囊恢荤妰墒录l(fā)生在同一地點(diǎn)兩地時(shí)原時(shí)由洛侖茲逆變換原時(shí)最短t>Dt在s系中，兩個(gè)鐘來計(jì)時(shí)

運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢效應(yīng)是時(shí)間本身的客觀特征

原時(shí)固有時(shí)

雙生子效應(yīng)討論二.長度收縮(Lengthcontraction)對(duì)運(yùn)動(dòng)長度的測(cè)量問題怎么測(cè)？同時(shí)測(cè)1.原長棒靜止時(shí)測(cè)得的它的長度,也稱靜長棒靜止在系中,靜長棒以極高的速度相對(duì)S系運(yùn)動(dòng),S系測(cè)得棒的長度值是什么呢？?事件1：測(cè)棒的左端事件2：測(cè)棒的右端同時(shí)測(cè)的條件是必要的相應(yīng)的時(shí)空坐標(biāo)事件1：測(cè)棒的左端事件2：測(cè)棒的右端2.原長最長由洛侖茲變換

相對(duì)效應(yīng)

縱向效應(yīng)

在低速下

伽利略變換

同時(shí)性的相對(duì)性的直接結(jié)果討論三.時(shí)空不變量空間間隔洛侖茲不變量§6相對(duì)論速度變換由洛侖茲坐標(biāo)變換上面兩式之比定義由洛侖茲變換知由上兩式得同樣得洛侖茲速度變換式逆變換正變換例：設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c

。問：從地面上看，物體速度多大？解：選飛船參考系為系地面參考系為系

狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)概念如何？基本出發(fā)點(diǎn)：基本規(guī)律在洛侖茲變換下形式不變；低速時(shí)回到牛力§7相對(duì)論的質(zhì)量和動(dòng)量一.質(zhì)量和動(dòng)量1.力與動(dòng)量狀態(tài)量合理合理持續(xù)作用持續(xù)但的上限是c隨速率增大而增大要求牛頓力學(xué)絕對(duì)質(zhì)量速度應(yīng)無限增大???矛盾出現(xiàn)!問題出在哪里?如何解決?已得:討論合理性最終由實(shí)驗(yàn)證明

由于空間的各向同性與速度方向無關(guān)

<<

相對(duì)論動(dòng)量

數(shù)據(jù)二.狹義相對(duì)論運(yùn)動(dòng)方程由得兩式聯(lián)立得牛頓第二定律不再和等價(jià)討論不僅取決于還取決于若與牛力形式相同慣性的量度但例分析垂直進(jìn)入均勻磁場(chǎng)中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)情況已知:磁感強(qiáng)度為>0

分析：圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與關(guān)系的理論基礎(chǔ)1908年德國布歇勒做出了質(zhì)量與速度的關(guān)系有力地支持了相對(duì)論§8相對(duì)論能量一.相對(duì)論動(dòng)能

由當(dāng)外力對(duì)物體做功時(shí),物體動(dòng)能的增量等于合外力對(duì)它所做的功。動(dòng)能定理在相對(duì)論力學(xué)中，仍然是成立的！！

設(shè)質(zhì)點(diǎn)從靜止開始，通過外力作用距離L，使動(dòng)能增加，速度達(dá)到。討論合理否？<<與經(jīng)典動(dòng)能形式完全不同若電子速度為二