相对论简介_力学.ppt

上 页,下 页,结 束,返 回,Mechanics,第十二章 相对论简介,普通物理学教程,第十二章 相对论简介,第十二章,相对论简介,12.1,狭义相对论的历史背景,12.2,洛伦兹变换,12.3,相对论的速度变换,12.4,相对论的动量和能量,12.5,广义相对性原理,12.6,引力场与弯曲时空,第十二章 相对论简介,目 录,重点：,洛伦兹变换和质能关系定律,难点,：,狭义相对论的时空观。,第十二章 相对论简介,教学重点难点,（一）麦克斯韦方程建立引起的问题,（二）菲索与迈克耳孙,莫雷实验,（三）关于相对性原理的思考,第十二章 相对论简介,12.1,狭义相对论的历史背景,12.1,狭义相对论的历史背景,机械波的传播介质是,弹性连续介质,.,电磁波的传播介质？,以太,(,Aether,),1865,年麦克斯韦预言了电磁波的存在,.,麦克斯韦方程不具备伽利略变换的不变性,.,以太,是否存在？,第十二章 相对论简介,（一）麦克斯韦方程建立引起的问题,1.,菲索实验（流水对光速影响实验）,B,M,S,B,O,I,M,M,v,由,经典理论,由,B,处分成的两束光回至,B,处时间差为,第十二章 相对论简介,（二）菲索与迈克耳孙,莫雷实验,水速,v,c,k,为曳引系数,0,k,c,，,无意义,。,|,u,|,c,光速是,物体运动,的极限速度,.,(3),若,|,u,|,m,0,已被实验证实,.m/m,0,1,2,3,4,0.2,0.4,1.0,0,0.6,0.8,v/c,5,2.,质速关系,3.,动力学方程,第十二章 相对论简介,1.,运动粒子的总能量,质能关系式,2.,静止能量,是物质的最小能量，是物质内能的总和,.,3.,质能关系的另一种形式,说明,质量与能量是不可分割,物质和运动不可分割,.,第十二章 相对论简介,（二）相对论的质能公式,与经典一致,当,v,c,时,4.,动能,第十二章 相对论简介,5.,实验证明,最早对相对论质量,能量关系提供的实验证明之一，是,1932,年由考克罗夫特（,J.D.Cockcroft,）,和瓦尔顿（,G.T.S.Walton,）,提供的,.他们利用加速器加速质子并轰击锂（,Li,）,靶,.,锂原子核吸收质子形成不稳定的核随即蜕变为两个,粒子，它们以高速沿相反的方向运动,.,在,这一,核反应中，反应前后的总能量和总质量必然守恒，因而减少的质量和静止的能量必转化为动能,.,实验结果确实如此,.,原子弹和氢弹技术都是狭义相对论质能关系的应用，而它们的成功也是狭义相对论的验证,.,第十二章 相对论简介,对光子,m,0,=0,第十二章 相对论简介,（三）动量,-,能量公式,对光子,m,0,=0,当,vc,时,经典动能,-,动量关系,第十二章 相对论简介,动量守恒,解,复合粒子静止质量,例题,设有两静止质量为,m,0,的粒子，以大小,相同方向相反的速率,3,c,/5,相撞，碰后合成一个复合粒子,.,试计算这个复合粒子的静止质量和运动速度,.,故碰后,复合粒子速度,v,0,能量守恒,第十二章 相对论简介,与动能相应的质量转化为静止质量，从而使碰撞后复合粒子的静质量增大了，但相对论质量保持守恒！,实际上,m,复,0,2,m,是两个粒子的动质量，等于复合后粒子的静质量，质量是守恒的,.,第十二章 相对论简介,在狭义相对论中，若相对于某参考系质点系中各质点动量的矢量和为零，即,则该,参考系称作动量中心系,.,第十二章 相对论简介,（四）动量中心,（一）关于惯性系和引力的思考,（二）等效原理和广义相对性原理,第十二章 相对论简介,125,广义相对性原理,12.5,广义相对性原理,进一步的思考,:,非惯性系与惯性系会平权吗？惯性系更优越吗？,时空与物质有什么关系？,第十二章 相对论简介,（一）关于惯性系和引力的思考,狭义相对论虽然改变了人们对时空结构、物质运动和时空关系的认识，但它只能解释惯性参考系的实际问题，却无法解释一切参考系的问题，为此爱因斯坦以引力理论为突破口，在等效原理、广义协变性原理、马赫原理的基础上提出了既有实际意义又有理论价值的广义相对论,.,广义相对论,是研究物质在空间和时间中如何进行引力相互作用的理论,.,第十二章 相对论简介,1.,引力质量与惯性质量的等同性,自由落体实验解释,在,相对地球静止（或作均速直线运动）的惯性系中,物体受引力,远离恒星的直线加速参考系，,第十二章 相对论简介,（二）等效原理和广义相对性原理,把惯性质量和引力质量当成同一个量来对待，就是引力质量与惯性质量的等同或等效,.,2.,惯性力与引力,问题,万有引力普遍存在,物质参考系总有加速度,真正的惯性参考系不存在,大量物理定律,包括狭义相对论,都只适用于惯性参考系,惯性系在自然界却不存在,能否找到一个消除引力的真正的惯性参考系？,第十二章 相对论简介,3.,等效原理,任何力学实验都无法区分这是引力的效果还是惯性力的效果,.,这种引力和惯性力的等效性，通常称为,弱等效原理,.,假定任何物理实验（包括力学的、电磁学的和任何其它的物理实验），都不可能判断爱因斯坦密封舱是引力场中的惯性系，或是不受引力的加速系,.,即不能区分引力和惯性力所产生的效果，这就是,强等效原理,.,第十二章 相对论简介,3.,广义相对性原理,广义相对性原理：,对于表述各种物理规律来说所有的参考系都是等价的,.,惯性系：,狭义相对论所确立的物理规律在其中全部有效的参考系,.,注意：,(1),局域、局部；,(2),真正的、严格的惯性参考系是不存在的,.,即使存在也只不过是局部惯性系,.,第十二章 相对论简介,由于惯性力和引力等效，广义相对论实质是关于引力场的理论,.,在广义相对论中，引力的唯一效果即引起背景时空的弯曲,.,任何质量都使它周围的空间区域产生弯曲，以使所有自由运动的物体都循着弯曲路径行进,.,在广义相对论中，爱因斯坦从等效原理出发，论证了有引力场存在的四维物理时空是弯曲的,黎曼空间,.,第十二章 相对论简介,12.6,引力场与弯曲时空,1.,引力场的空间弯曲,K,系：即实验室系,K,系：与盘边缘,P,点相连的局惯系,研究的问题：,两参考系中测量圆周长,分别在两个参考系中测量圆盘半径,以转盘为例说明,径向无相对运动,分别在两个参考系中测量圆盘,周长（尺子沿长度方向有速度,收缩,）,.,第十二章 相对论简介,结论,.,引力场使空间弯曲，,场愈强弯曲愈烈,.,K,是非惯性系，存在惯性力场和引力场等效,等效的引力,场强大小是,由洛仑兹变换可得,第十二章 相对论简介,2.,引力场的时空弯曲,引力场中光线的弯曲,在,加速参考系中看到的光线是弯曲的！,匀加速参考系等效于均匀引力场,引力使光线弯曲,第十二章 相对论简介,3.,爱因斯坦引力场方程,T,ac,是依赖于物质分布及运动的张量，,G,ac,是描述时空弯曲性质的曲率所决定的张量,.,第十二章 相对论简介,第十二章 相对论简介,12.7,广义相对论的实验验证,1.,水星近日点的进动,1859,年发现，水星的运动轨迹并非严格椭圆,.,每转一圈长轴也略有转动，称为旋进（进动）,.,旋进值,42.9,/,百年,经典理论无法解释,水星,近日点,太阳,广义相对论的解释：,测地线并非是闭合的，也并不是严格的椭圆或双曲线，轨线的轴会随时间而缓慢进动，这样就有了水星近日点进动,.,太阳质量使它周围的时空发生弯曲,行星是在沿着弯曲时空的测地线运动，这个,第十二章 相对论简介,2.,星光在太阳引力场的弯曲,光线在太阳附近的弯曲时空中将被弯折，用爱因斯坦施瓦西解得出光弯折,观测结果在,3%,以内越来越接近广义相对论预言值,.,H,A,A,看到在,A,位置的,星体实际位置在,A,第十二章 相对论简介,3.,引力红移,由广义相对论，光在引力场中传播，波长或频率会发生变化,.,离引力中心愈远，静观者测得的频率愈小，光的谱线愈会向红端移动,.,测量结果和理论预言符合得非常好,又一次说明广义相对论的正确性,.,第十二章 相对论简介,