大学物理11相对论课件.ppt

1、2023-2-41 提高实验精度提高实验精度 扩大理论应用范围，解释自然现象扩大理论应用范围，解释自然现象相当完善的程度相当完善的程度物理学的大物理学的大厦已经建成厦已经建成以后以后任务任务 晴朗天空！晴朗天空！近代物理近代物理经典物理学发展到经典物理学发展到19世纪世纪80年代年代4 4 牛顿、惠更斯和菲涅耳牛顿、惠更斯和菲涅耳波动光学波动光学1 1牛顿牛顿经典力学经典力学2 2 克劳修斯、玻耳兹曼克劳修斯、玻耳兹曼热力学和统计物理热力学和统计物理3 3 安培、法拉第和麦克斯韦安培、法拉第和麦克斯韦电磁场理论电磁场理论2023-2-42 人们对物理世界的解释已经达到了终点，宇宙人们对物理世界

2、的解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。律永远运动下去。著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了点后面加几个数字罢了。”在刚刚跨入在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在学家开尔文在元旦献词元旦献词中曾经说过：中曾经说过：“在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能做一些做一些零碎的修补工作

3、零碎的修补工作。”与众不同的是他又敏锐与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云令人不安的乌云.2023-2-43晴朗天空！晴朗天空！以太之谜以太之谜紫外光灾难紫外光灾难使物理学界大为震惊！使物理学界大为震惊！X射线（伦琴射线（伦琴1895）放射性（居里放射性（居里1896）电子（汤姆逊电子（汤姆逊1897）打破原子不打破原子不可分的神话可分的神话物理学许多领域物理学许多领域一系列理论与实验尖锐矛盾正当欢欣正当欢欣鼓舞之时鼓舞之时但是好但是好景不长！景不长！迈克耳逊迈克耳逊一一莫雷实验莫雷实验黑体辐射实验黑体辐射实

4、验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2023-2-44物理领域拓展物理领域拓展宏观宏观低速低速经典物理经典物理微观微观低速低速经典经典量子论量子论微观微观高速高速相对论相对论量子理论量子理论宏观宏观高速高速相对论相对论微观：微观：l 10 6 m/s观测角度不同，看观测角度不同，看到的现象不同，或到的现象不同，或者对事物的描述不者对事物的描述不同同相对性相对性横看成岭侧成峰，横看成岭侧成峰，远近高低各不同远近高低各不同。苏轼苏轼题西林壁题西林壁2023-2-45广袤的星空，神秘的宇宙，广袤的星空，神秘的宇宙，多少遐想在科学面前成为现实。多少遐想在科学面前成为现

5、实。2023-2-46 Albert EinsteinAlbert Einstein 18791879195519551921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖 （光电效应）（光电效应）1915广义相对论（非惯性系）广义相对论（非惯性系）从加速参照系与引力场等效的原理出发，提从加速参照系与引力场等效的原理出发，提出新的引力理论和引力场中的时空结构。出新的引力理论和引力场中的时空结构。1905狭义相对论（惯性系）狭义相对论（惯性系）运动物体的电动力学出发运动物体的电动力学出发,提出了新的时提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质量和能量的

6、内在联系。揭露了质量和能量的内在联系。2023-2-47船走吗船走吗?一、狭义相对论产生的历史背景一、狭义相对论产生的历史背景1.1.经典力学的相对性原经典力学的相对性原理理力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律，或者说在研究力学规律时一切规律，或者说在研究力学规律时一切惯性系惯性系都是等价的。都是等价的。3.1 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理(简称简称:力学相对性原理力学相对性原理)2023-2-482.伽利略变换伽利略变换变换变换 不同参照系对同一运不同参照系对同一运动的描述之间的数学对应关系。动的描述之间的数学对应关系。在两个惯性系中在

7、两个惯性系中考察同一物理事考察同一物理事件：件：t t时刻，物时刻，物体到达体到达P P点。点。xyKzOxyKzOPrriutRu约定约定常常量量iuu OO 重合时重合时0 tt任意时刻任意时刻tt kzj yi xrK :kzjyixrK :rRr K系静止系静止),(tzyx),(tzyx2023-2-49xyKzOPrriutRuxyKzOkzjyix utxx yy zz tt kzjyiutx (1)(1)伽利略坐标变换伽利略坐标变换 rRr kzj yixr kzjyixr 或或 t uxxyy zz tt 2023-2-410uvvxx yyvv zzvv (2)(2)伽利略

8、速度变换伽利略速度变换(3)(3)伽利略加速度变换伽利略加速度变换 aa xxaa yyaa zzaa uvv utxxyy zz tt 伽利略坐标变换伽利略坐标变换 质点的加速度质点的加速度对伽利略变换对伽利略变换是是不变不变的。的。2023-2-4113.力学基本规律对伽利略变换具有不变性力学基本规律对伽利略变换具有不变性例：例：牛顿第二定律对伽利略变换具有不变性牛顿第二定律对伽利略变换具有不变性在在K系中系中amF aa mm FF amF 在在K系系中中又：又：动量、机械能守恒定律对伽利略变换具有不变性动量、机械能守恒定律对伽利略变换具有不变性推广推广:经典力学中所有的基本规律对经典力

9、学中所有的基本规律对伽利略变换都具有不变性。伽利略变换都具有不变性。2023-2-412（1）时间间隔：）时间间隔：有两个事件有两个事件（两次闪光两次闪光）k系：系：k系：系：闪光闪光1闪光闪光21t2t2t1t12ttt 12ttt 由伽利略变换：由伽利略变换：tt tt 22tt 11tt 结论：结论：（绝对时间）（绝对时间）不同的不同的惯性系中，时间及间隔相同，与参照系选取无关。惯性系中，时间及间隔相同，与参照系选取无关。4、经典的时空观、经典的时空观2023-2-413（2）空间间隔：）空间间隔：yxzoS zx y o Su1P2P222zyxl 222zyxl ll 结论：结论：不

10、同的不同的惯性系中，空间间隔不变，与参照系选取无关。惯性系中，空间间隔不变，与参照系选取无关。（绝对空间）（绝对空间）(3)时间与空间相互独立时间与空间相互独立,彼此无关彼此无关2023-2-4145.伽利略变换与电磁理论的矛盾伽利略变换与电磁理论的矛盾光速的数值起了光速的数值起了特别重要的作用特别重要的作用(1)伽利略变换下的光速伽利略变换下的光速KKucccuc uc cucc 2023-2-415(2)麦克斯韦电磁理论中的光速麦克斯韦电磁理论中的光速001 csm/100.38 (3)实验结果实验结果(迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验)光或电磁波的运动不服从伽利略变换光或电磁波的运动不

11、服从伽利略变换当时科学家解释：当时科学家解释：1.存在一种只适用于力学规律的相对性原理，但不适用电存在一种只适用于力学规律的相对性原理，但不适用电磁学。电磁规律在磁学。电磁规律在“以太以太”中成立。中成立。2.存在适用于二者的相对性原理，但电磁说得加以修正。存在适用于二者的相对性原理，但电磁说得加以修正。3.存在适用于二者的相对性原理，但牛顿理论得加以修正。存在适用于二者的相对性原理，但牛顿理论得加以修正。2023-2-416 迈克耳逊迈克耳逊莫雷（莫雷（MichelsonMorleg）实验）实验 以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的差异。由

12、于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向差异。由于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到条纹的移动。条纹的移动。迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验没有观测到预期的条莫雷实验没有观测到预期的条纹移动，称为纹移动，称为零结果零结果，说明光速不变。，说明光速不变。实验结果：没有测出以太速度，光速和麦氏理论一致实验结果：没有测出以太速度，光速和麦氏理论一致实验目的：寻找以太惯性系，测出地球相对以太速度实验目的：寻找以太惯性系，测出地球相对以太速度2023-2-417二、狭义相对论的两个基本假设二、狭义相对论的两个基本

13、假设(两个基本原理两个基本原理)1.狭义相对性原理狭义相对性原理在所有惯性系中在所有惯性系中,一切物理学定一切物理学定律都具有相同的数学表达式。律都具有相同的数学表达式。2.光速不变原理光速不变原理在所有惯性系中，光在真空在所有惯性系中，光在真空中的速率都相等中的速率都相等(等于等于C)。确认两个假设确认两个假设,就必彻底抛弃就必彻底抛弃绝对时空观绝对时空观,修改伽利略变换修改伽利略变换2023-2-418三、洛仑兹坐标变换三、洛仑兹坐标变换1.表达式表达式xyKzOP),(tzyxuxyKzO),(tzyx)(utxx yy zz )(2xcutt )(t uxx yy zz )(2xcut

14、t 或或其中其中2221111cu 2023-2-4192.三点说明三点说明(1)当当 时时,cu 1utxx 经典极限条件经典极限条件cu1.0(2)时间、空间相互关联并与参照时间、空间相互关联并与参照系的运动有关。系的运动有关。(3)真空中的光速是一切实际物真空中的光速是一切实际物体运动速度的上限。体运动速度的上限。)(utxx yy zz )(2xcutt 2211cu 2023-2-4203.四点注意四点注意(1)适用条件适用条件:0 tt当当 时时,与与 重合重合 o oKK 轴轴x)(u并且并且(2)洛仑兹变换是指同一事件洛仑兹变换是指同一事件在不同惯性系中两组时空坐在不同惯性系中

15、两组时空坐标的变换。标的变换。(3)各惯性系中的时间、空间各惯性系中的时间、空间的量度基准必须一致。的量度基准必须一致。)(utxx yy zz )(2xcutt 2211cu 2023-2-421(4)时间间隔和空间间隔时间间隔和空间间隔12ttt )()(12212xxcutt )(2xcutt )()(1212ttrxx )(tuxx 12xxx )(utxx yy zz )(2xcutt 2211cu 2023-2-422四、洛仑兹速度变换四、洛仑兹速度变换t dxdvdtdxvxx ,的的关关系系与与),(),(zv,vvvvvyxzyx 221cuuvdtxdx 22211cuvc

16、udttdx xxxvcuuvv21 2)(1cuutxx 22)(1cuxcutt 2023-2-42322211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz t ddyt dyd 由洛仑兹时空坐标变换式知由洛仑兹时空坐标变换式知dttddtdy 22211cuvcudttdx 同理同理2023-2-424洛仑兹速度变换式洛仑兹速度变换式xxxvcuuvv21 22211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz xxxvcuuvv 2122211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz 逆变换逆变换正变换正变换2023-2-425一维洛仑兹速度变换式一维洛仑兹

17、速度变换式00 zyxvvvv,21cvuuvvx 0 yv0 zv21cuvuvvx 0 yv0 zv0,0,zyxvvvv2023-2-426例例1：在惯性系在惯性系 K 中，有两个事件中，有两个事件 A、B 同时发生在同时发生在X轴上相距轴上相距1000m的两点，而在另一惯性系的两点，而在另一惯性系K中测得这两事件发生的中测得这两事件发生的地点相距地点相距2000m,求在求在K系中测得这两个事件的时间间隔系中测得这两个事件的时间间隔。x xu yKKyo oA B1x2x1 x2 xK系：系：?mxxx100012 012 tttK系系：mxxx200012 12ttt 解解:2221c

18、uxcu st61077.5)(2xcutt 221cutuxx cu23 又又则则2023-2-427例例2：观察者甲和乙分别静止于两个惯性系观察者甲和乙分别静止于两个惯性系 K和和K 中，甲测得在中，甲测得在同一地点发生的两个事件的时间间隔为同一地点发生的两个事件的时间间隔为4s,而乙测得这两个事而乙测得这两个事件的时间间隔为件的时间间隔为5s,求乙测得这两个事件发生的地点的距离。求乙测得这两个事件发生的地点的距离。甲甲:?012 xxxsttt412 乙：乙：12xxx sttt512 解解:221cut mx8100.9)(2xcutt 221cutuxx cu53 又又则则221cu

19、tu x xu yKKyo o甲甲乙乙2023-2-428例例3：设想一飞船以：设想一飞船以0.80c 的速度在地球上空飞行，的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体 相对飞船速度为相对飞船速度为0.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？问：从地面上看，物体速度多大？sS cu80.0 c90.02023-2-429解解：选飞船参考系为选飞船参考系为S系系xv uSSxx cu80.0 cvx90.0 xxxvcuuvv 2190.080.0180.090.0ccc99.0地面参考系为地面参考系为S系系21cuvuvv 202

20、3-2-430一、狭义相对论的两个基本假设一、狭义相对论的两个基本假设(两个基本原理两个基本原理)1.狭义相对性原理狭义相对性原理在所有惯性系中，一切物理学在所有惯性系中，一切物理学定律都具有相同的数学表达式定律都具有相同的数学表达式2.光速不变原理光速不变原理在所有惯性系中，光在真空在所有惯性系中，光在真空中的速率都相等中的速率都相等(等于等于C)小小 结结2023-2-431二、洛仑兹坐标变换二、洛仑兹坐标变换)(utxx yy zz )(2xcutt )(2xcutt )(tuxx yy zz )(2xcutt)(tuxx2221111cu 其其中中逆变换逆变换正变换正变换空间间隔与时间

21、间隔空间间隔与时间间隔2023-2-432三、洛仑兹速度变换三、洛仑兹速度变换xxxvcuuvv21 22211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz xxxvcuuvv 2122211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz 逆变换逆变换正变换正变换2023-2-433一维洛仑兹速度变换式一维洛仑兹速度变换式00 zyxvvvv,21cvuuvvx 0 yv0 zv21cuvuvvx 0 yv0 zv0,0,zyxvvvv2023-2-434X射线的发现（伦琴射线的发现（伦琴1895）19世纪末，阴极射线是物理学研究课题，世纪末，阴极射线是物理学研究课题，许多物理实

22、验室都开展了这方面的研究。许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年年11月月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，出荧光。用一本厚书，2-3厘米木板或几厘米厚的硬橡胶插在厘米木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是化碳或其他液体

23、进行实验，实验结果表明它们也是“透明的透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实射线，它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。这的确是一种新的射线。2023-2-4351895年年12 月月22 日，伦琴和他夫人拍下了第一张日，伦琴和他夫

24、人拍下了第一张X射线照片。射线照片。1895年年12月月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯了第一篇研究通讯一种新射线一种新射线初步研究初步研究。伦琴在他。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。一新射线的本质。X射线发现才射线发现才4天，美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。天，美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。企业家蜂拥而至，出高价购买企业家蜂拥而至，出高价购买X光射线技术。光射线技术。50万，万，100万，出价万，出价越来越高。越来越高。“

25、哪怕是哪怕是1000万，万，”，伦琴淡淡的一笑答道：，伦琴淡淡的一笑答道：“我的发现我的发现属于全人类。属于全人类。但愿这一发现能被全世界科学家所利用。这样，就但愿这一发现能被全世界科学家所利用。这样，就会更好地服务于人类会更好地服务于人类”因此，伦琴没有申请专利权。他知道，因此，伦琴没有申请专利权。他知道，如果这项技术被一家大公司独占，穷人就出不起钱去照如果这项技术被一家大公司独占，穷人就出不起钱去照X光照片。光照片。爱迪生得知这个消息后深受感动。他为接收爱迪生得知这个消息后深受感动。他为接收X光发明了一种极好光发明了一种极好的荧光屏，和的荧光屏，和X光射线管配合使用，也没有申请专利权。光射

26、线管配合使用，也没有申请专利权。在诺贝尔逝世五年以后，首次颁发他所奠基的诺贝尔奖。在诺贝尔逝世五年以后，首次颁发他所奠基的诺贝尔奖。伦琴是第一个获物理奖的人。他高兴地接收了诺贝尔奖金，但伦琴是第一个获物理奖的人。他高兴地接收了诺贝尔奖金，但是却把数额为是却把数额为5万瑞典克罗纳的奖金转赠给沃兹堡大学。万瑞典克罗纳的奖金转赠给沃兹堡大学。2023-2-436放射性（居里放射性（居里1896与夫人与夫人)伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然物伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然物体是否也能产生光那样的放射现象呢？由于体是否也能产生光那样的放射现象呢？由于有着家庭的背景，贝克勒尔捷足先登，从诸多有着家庭

27、的背景，贝克勒尔捷足先登，从诸多发光物体中，最后选择到铀盐。最初他认为是发光物体中，最后选择到铀盐。最初他认为是由太阳激发铀盐的荧光，但是，由于天连续阴由太阳激发铀盐的荧光，但是，由于天连续阴雨绵绵，贝克勒尔不得不把用黑纸包的感光底雨绵绵，贝克勒尔不得不把用黑纸包的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉，结果底片仍旧被铀片与铀盐一起锁进了抽屉，结果底片仍旧被铀盐感光了，铀元素自身也能产生辐射的现象，盐感光了，铀元素自身也能产生辐射的现象，再一次引起了人们的关注。再一次引起了人们的关注。贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象，引起了人们些元

28、素自身也具有自发辐射现象，引起了人们对原子核问题的关注。对原子核问题的关注。贝克勒尔获贝克勒尔获1903年诺贝尔奖年诺贝尔奖2023-2-437 居里夫人认为居里夫人认为:不应只有一种元素能自发辐射，其他元素不应只有一种元素能自发辐射，其他元素是否也有同样的性质是否也有同样的性质?她进行了艰苦的提炼工作，终于从铀矿她进行了艰苦的提炼工作，终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强400倍倍!1898年年7月，为月，为纪念自己的祖国波兰，居里夫人宣布这种元素为纪念自己的祖国波兰，居里夫人宣布这种元素为“钋钋”。1898年年12月，居里夫人又宣布发现了镭月，居里夫人

29、又宣布发现了镭(radium)!2023-2-438 在阴极射线的争论中，在阴极射线的争论中，J.J.汤姆生认为带电微粒说更符合汤姆生认为带电微粒说更符合实际。实际。X射线的发现宣布后，他立即用射线的发现宣布后，他立即用X射线轰击气体。从射线轰击气体。从X射线能使气体电离的现象中他更加深刻地认识到阴极射线的射线能使气体电离的现象中他更加深刻地认识到阴极射线的粒子性，下决心以更鲜明的实验来证实这一特性。为此，他粒子性，下决心以更鲜明的实验来证实这一特性。为此，他做了如下实验：做了如下实验：测阴极射线的电荷测阴极射线的电荷 使阴极射线在静电场中偏转使阴极射线在静电场中偏转 电子（汤姆逊电子（汤姆逊

30、1897）1906年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 2023-2-439紫外灾难紫外灾难 是指用于计算黑体辐射强度的瑞利金斯定律在辐射是指用于计算黑体辐射强度的瑞利金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时计算结果和实验数据无法吻合的频率趋向于无穷大时计算结果和实验数据无法吻合的物理史事件。物理史事件。普朗克于普朗克于1918年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖 2023-2-440o实验值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678普朗克量子假设普朗克量子假设2023-2-441 能量子假说：能量子假说：辐射黑体中分子、原子的振动可看辐射黑体中分子、原子的振动可看作谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最小能作谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最小能量量（称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即：,1,2,3,.n。n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。对于频率为对于频率为的谐振子能量子为的谐振子能量子为能量能量量子量子经典经典h 振子从一个状态跃迁到另一个状振子从一个状态跃迁到另一个状态时，辐射出或吸收的能量也是量子态时，辐射出或吸收的能量也是量子化的。化的。普朗克量子假设普朗克量子假设返回返回h=6.63 10-34 J.s 普朗克常数普朗克常数