时空观的革命-------相对论.ppt
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第八章第八章时空观的革命时空观的革命-相对论相对论理论物理学家。
创立了狭义相对论和广义相对论。
他用光量子理论说明了光电效应。
提出固体热容量的量子理论以及玻色爱因斯坦的量子统计法。
晚年致力于宇宙学和统一场的研究。
爱因斯坦(爱因斯坦(AlbertEinstein,18791955)相对论相对论量子力学量子力学近代物理两大理论支柱近代物理两大理论支柱相对论相对论狭义相对论狭义相对论1905:
讨论不同惯性系对事件的描述:
讨论不同惯性系对事件的描述广义相对论广义相对论1915:
涉及到非惯性系包括引力场涉及到非惯性系包括引力场在内的理论在内的理论惯性系:
惯性系:
简单地说,没有加速度的系统称惯性系简单地说,没有加速度的系统称惯性系地球自转,向心加速度约地球自转,向心加速度约3.410-2m/s2,计计算不太精确时,地面参考系可作近似惯性系。
地算不太精确时,地面参考系可作近似惯性系。
地球绕太阳公转的向心加速度球绕太阳公转的向心加速度6.110-3m/s2也可忽也可忽略。
略。
惯性系是参考系在宇宙中不断外推的极限,惯性系是参考系在宇宙中不断外推的极限,是关于参考系的理想模型。
是关于参考系的理想模型。
一切对惯性系作匀速直线运动的参考系都是一切对惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。
惯性系。
与力学相对性原理相关的一些概念牛顿观点:
牛顿观点:
绝对的真正的的数学的时间自身在流逝着,而且由于其本性在均匀地、与任何其它外界事物无关地流逝着;绝对的空间就其本质而言,是与任何外界事物无关,而且永远是相同和不动的。
绝对时空观绝对空间犹如一只无限扩大的箱子,与里面有无物件无关;绝对时间犹如一条不断流淌的长河,与其中有无船只无关。
两者彼此独立,互不相关。
绝对时空观符合人们的日常生活。
时时间间与与空空间间相相互互独独立立与与物质的存在和运动无关物质的存在和运动无关绝对时空观马赫对这种绝对空间观做出了评判,并提出一种“相对主义”的观点。
相对于不同的参考系,长度和时间的测量结果是一样的吗?
绝对时空概念:
时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.绝对时空观中的测量问题
(1)同时的绝对性在同一参照系中,两个事件同时发生据伽利略变换,在另一参照系中,在其他惯性系中,两个事件也一定同时发生。
同时是绝对的。
(2)时间间隔的测量是绝对的在同一参照系中,两个事件先后发生,其间隔为在其他惯性系中,两个事件的时间间隔不变。
时间间隔是绝对性。
据伽利略变换,在另一参照系中,(3)长度测量的绝对性当杆的方向沿轴方向时,长度是杆的两端的坐标差,但必须同时测量。
静止系中可不同时测运动系中同时测运动系中不同时测静止系中,杆的长度为运动系中,杆的长度为据伽利略变换长度测量是绝对的。
结论:
空间两点距离是一个不变量,与参照系的选择和观察者的运动无关。
时间的测量和运动无关,是一个不变量。
经典力学认为空间和时间是相互独立的、互不相关的,并且独立于运动之外。
长度、时间及质量都和运动无关,是不变量。
在一切惯性系中,力学现象都服从相同的力学规律。
在描述力学现象时,一切惯性系都等价。
力学相对性原理推论:
在一个惯性系内的观察者所做的任何力学实验,都不能判断该惯性系绝对运动的速度。
力学相对性原理也称伽利略相对性原理力学相对性原理也称伽利略相对性原理伽利略于伽利略于1632年年关于托勒玫和哥白尼两大关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话世界体系的对话描述了匀速前进的萨尔维阿帝描述了匀速前进的萨尔维阿帝大船上的力学现象,大船上的力学现象,都和地面上一样地发,都和地面上一样地发生。
生。
舟舟行行而而不不觉觉系系系系系系系系OO重合重合伽利略变换ututzzooxxyyoozzyyxxuuP(以数学形式体现了力学相对性原理)两事件两事件P1、P2系系系系系系系系不同惯性系测两事件的时间间隔相同不同惯性系测两事件的时间间隔相同时间间隔绝对时间间隔绝对(运动的钟快慢不变运动的钟快慢不变)系系系系系系系系不同惯性系测两事件的空间间隔相同不同惯性系测两事件的空间间隔相同空间间隔绝对空间间隔绝对(运动的尺长度不变运动的尺长度不变)速度变换:
速度变换:
矢量式:
矢量式:
加速度:
加速度:
在经典力学中:
在经典力学中:
牛顿第二定律:
牛顿第二定律:
力学相对性原理:
力学相对性原理:
对于任何惯性系,力学规律表现为相同形式。
对力学规律而言,任何惯性系都是等价的。
力学力学无法用力学实验区分惯性系无法用力学实验区分惯性系匀速直线运动在封闭车厢里竖直上抛匀速直线运动在封闭车厢里竖直上抛一小球,小球最终会落回抛出点。
一小球,小球最终会落回抛出点。
远洋客轮的室内球场上,网球运动员不远洋客轮的室内球场上,网球运动员不能由球的行为知道客轮对水面的运动情况。
能由球的行为知道客轮对水面的运动情况。
结论:
牛牛顿顿定定律律在在不不同同惯惯性性系系中中有有相相同同形形式式。
能能量量、动动量量、角角动动量量守守恒恒定定律律及及由由牛牛顿顿定定律律导导出出的的一一切切力力学学体体系系的的行行为为规规律律在在不不同同惯惯性性系中均有相同形式。
系中均有相同形式。
相对运动和运动合成的牛顿力学中是无法区分的牛顿力学的困难相对论的兴起是由于实际需要,是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻,而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。
爱因斯坦狭义相对论产生背景狭义相对论产生背景
(1)速度合成律中的问题球投出前结果:
观察者先看到投出后的球,后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间,球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后900多年前(公元1054年5月)一次著名的超新星爆发,这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。
北宋天文学家记载从公元1054年1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见.物质飞散速度l=5000光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.超新星爆炸的超新星爆炸的遗迹迹.距离距离约35000光光年。
一年。
一颗巨大的恒巨大的恒星在燃星在燃烧了数百万了数百万年后坍年后坍缩崩崩溃成了成了一个黑洞,黑洞在一个黑洞,黑洞在吸吸进周周围气体的同气体的同时,还将外将外层的一的一些物些物质,包括,包括铁、镍离子和气体抛射离子和气体抛射出去。
当出去。
当这些些喷气气撞撞击包包围恒星的稠恒星的稠密气体密气体时,发出光出光芒来。
芒来。
这些气体的些气体的温度高达温度高达1500万度。
万度。
实际持续时间约为22个月,这怎么解释?
理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约A点光线到达地球所需时间B点光线到达地球所需时间Feqq静止参考系静止参考系qq运动参考系运动参考系FeFm对两次观察而言Fe=Fe+Fm有FeFe因q=q所以,两次观察看到的电场必不相等EE
(2)电磁现象不服从伽利略变换经典物理学的基本困难牛顿力学中:
一切惯性系等价的无需绝对静止或运动的概念在一个惯性系不可能通过任何力学实验得到该参考系相对绝对静止参考系的速度电磁学中:
光的一种电磁波光的传播满足Maxwell方程组,且速度为c.Maxwell方程组不是伽利略不变式,那么Maxwell方程组是在那个参考系中成立的呢?
(正确)来自电磁学的挑战若认为Maxwell方程是在绝对静止的以太参考系中成立的,则可以通过测量光的速度得到地球相对绝对静止参考系的速度。
以太参照系可断言:
(1)有绝对静止系与绝对运动系
(2)可利用光学实验测出惯性系的绝对运动速度(3)一切惯性系等价的相对性原理对光学不成立若上述光学实验成功经典物理学的基本困难c+uc-u电磁学规律与伽利略变换的矛盾:
电磁学规律与伽利略变换的矛盾:
经典力学满足的相对性原理不是普遍原理?
电磁学理论不正确,必须加以修正?
方案:
保留电磁学规律,推广相对性原理,修正经典力学。
凭啥?
凭啥?
19世纪末,在光的电磁理论发展过程中,有人认为宇宙间充满着一种叫做“以太”的介质,光是靠“以太”来传播的。
并且把这种“以太”选作绝对静止的参考系。
凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动。
根据这观点,历史上一些物理学家设计出了各种实验,希望通过运动参考系中所发生的物理现象,找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。
1881年,迈克耳孙-莫雷设计了一个实验,企图利用光干涉的方法,测量地球相对于“以太”的绝对速度,从而确定“以太”的存在。
(3)以太实验的零结果迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验实验原理图实验原理图GTS迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验否莫雷实验否定了绝对参考系的存在定了绝对参考系的存在2c往往返返2c2往1往2返1返l2c+uc-u1221l1GM1M2GM2GGM1G由l1=l2=l两束光线的时间差当仪器转动p/2后,引起干涉条纹移动实验结果:
迈克耳孙莫雷实验的零结果,说明“以太”本身不存在。
仪器可测量精度GM1M2T狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理爱因斯坦认为相对性原理是普遍的1905年,爱因斯坦提出狭义相对性原理,推广了伽利略相对性原理,指出一切惯性系中,所有的物理规律都是相同的。
同时提出了光速不变原理,找到了惯性系间正确的坐标变换式(洛仑兹变换),由此建立了相对论力学,创立了新的时空观,并对电磁学也有了更深入的理解。
1、狭义相对性原理:
、狭义相对性原理:
在所有惯性系中,物理在所有惯性系中,物理定律的表达形式都相同。
定律的表达形式都相同。
2、光速不变原理:
、光速不变原理:
在所有惯性系中,真空中在所有惯性系中,真空中的光速恒为的光速恒为cc。
物理物理符合这两条原理的变换是洛仑兹变换符合这两条原理的变换是洛仑兹变换狭义相对性的基本原理:
狭义相对性的基本原理:
1.Einsein的理论是Newton的理论的发展意义意义:
一切物理规律力学规律2.相对性原理有了新的含义取低速极限下,相对论力学的结果应与牛顿力学一致相对论动能在低速条件下与牛顿力学一致。
相对论动能在低速条件下与牛顿力学一致。
3.相对论是二十世纪初物理学的伟大成就之一,它建立了新的时空观,并在此基础上给出了高速运动物体的力学规律。
在宇宙星体,基本粒子,原子能等研究领域中,都要用到相对论力学。
宏观宏观经典力学(即牛顿力学)适用于经典力学(即牛顿力学)适用于狭义相对论适用于狭义相对论适用于低速低速(远小于光速)(远小于光速)宏观宏观高速高速(与光速可比)(与光速可比)经典力学是相对论力学在低速时的近似经典力学是相对论力学在低速时的近似
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