大學(xué)物理 吳百詩主編4-1

1、上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 1919世紀(jì)世紀(jì), ,一些人認(rèn)為電磁波和機(jī)械波一樣一些人認(rèn)為電磁波和機(jī)械波一樣, ,是在某是在某一種介質(zhì)中傳播的一種介質(zhì)中傳播的, ,該介質(zhì)被稱為該介質(zhì)被稱為“以太以太”。認(rèn)為以太。認(rèn)為以太是絕對(duì)靜止的是絕對(duì)靜止的, ,并彌漫于整個(gè)宇宙間并彌漫于整個(gè)宇宙間, ,無色無味無色無味, ,具有極具有極大的彈性模量大的彈性模量, ,但又不產(chǎn)生任何阻力等一些特性。但又不產(chǎn)生任何阻力等一些特性。 在茫茫以太的海洋中漂泊的觀察者乘坐的航船是地在茫茫以太的海洋中漂泊的觀察者乘坐的航船是地球球, ,地球以怎樣的速度在以太的海洋中航行地

2、球以怎樣的速度在以太的海洋中航行, ,在其中飛行在其中飛行的地球上應(yīng)該感到迎面吹來的以太風(fēng)。如果在地面上讓的地球上應(yīng)該感到迎面吹來的以太風(fēng)。如果在地面上讓光線在平行和垂直于以太風(fēng)的方向上傳播光線在平行和垂直于以太風(fēng)的方向上傳播, ,它們應(yīng)有不它們應(yīng)有不同的速度。同的速度。 18871887年年, ,美國物理學(xué)家邁克耳孫和莫雷為證明以太的美國物理學(xué)家邁克耳孫和莫雷為證明以太的存在一起設(shè)計(jì)了測(cè)量地球在以太中運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)。存在一起設(shè)計(jì)了測(cè)量地球在以太中運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)。牛頓力學(xué)的困難牛頓力學(xué)的困難上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出邁克耳孫和莫邁克耳孫和莫雷實(shí)

3、驗(yàn)裝置雷實(shí)驗(yàn)裝置v若地球相對(duì)以太以若地球相對(duì)以太以 v 運(yùn)動(dòng)，則以太風(fēng)從右邊吹來。運(yùn)動(dòng)，則以太風(fēng)從右邊吹來。以太風(fēng)上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出2G1G2M1Mv若地球相對(duì)以太以若地球相對(duì)以太以 v 運(yùn)動(dòng)，則以太風(fēng)從右邊吹來。運(yùn)動(dòng)，則以太風(fēng)從右邊吹來。以太風(fēng)上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出1. .在實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室S系觀察系觀察2M2G1G1Mv以太風(fēng)光從光從G1M1光速光速 c c v 頂風(fēng)頂風(fēng)，光從光從M1G1光速光速 c c + +v 順風(fēng)，順風(fēng)，來回時(shí)間來回時(shí)間vclvclt11122112cvcl

4、上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出2. .在實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室S系觀察系觀察光從光從G1M2光速光速光從光從M2G1光速光速22cv22cvvc c22cvvc c22cv2G1G1Mv以太風(fēng)上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出來回時(shí)間來回時(shí)間22222vclt2122212cvcl兩束光到望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差：兩束光到望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差：12ttt2212/12221212cvclcvcl3. .將儀器旋轉(zhuǎn)將儀器旋轉(zhuǎn)90兩路光到望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差為兩路光到望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差為12ttt2/12212221212cvclcvcl上頁上

5、頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 如果實(shí)驗(yàn)前提正確，應(yīng)該觀察到如果實(shí)驗(yàn)前提正確，應(yīng)該觀察到0.4條的條紋移動(dòng)。條的條紋移動(dòng)。可是他們沒有得到應(yīng)有結(jié)果。后來又在德國、美國、可是他們沒有得到應(yīng)有結(jié)果。后來又在德國、美國、瑞士多次重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，得到的仍然是瑞士多次重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，得到的仍然是 “0結(jié)果結(jié)果”。邁邁克耳孫在克耳孫在 70 高齡時(shí)仍在做這方面的工作。高齡時(shí)仍在做這方面的工作。 愛因斯坦邁出了決定性的一步，斷然否定了絕對(duì)愛因斯坦邁出了決定性的一步，斷然否定了絕對(duì)時(shí)空觀并在此基礎(chǔ)上提出

6、了相對(duì)論。時(shí)空觀并在此基礎(chǔ)上提出了相對(duì)論。愛因斯坦提出：愛因斯坦提出：（1 1）一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同）一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同. . 相對(duì)性原理相對(duì)性原理（2 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)）光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān) 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)? .狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出(2) (2) 光速不變與伽利略的速度相加原理針鋒相對(duì)光速不變與伽利略的速度相加原理針鋒相對(duì)(3) (3) 觀念上的變革觀念上的變革牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)均與參考系無關(guān)均與參考系無關(guān)狹義相對(duì)狹

7、義相對(duì)論力學(xué)論力學(xué)長度、時(shí)間測(cè)量的相對(duì)性長度、時(shí)間測(cè)量的相對(duì)性（與參考系有關(guān)）（與參考系有關(guān)）光速不變光速不變速度與參考系有關(guān)速度與參考系有關(guān)( (相對(duì)性相對(duì)性) )時(shí)間標(biāo)度時(shí)間標(biāo)度長度標(biāo)度長度標(biāo)度質(zhì)量的測(cè)量質(zhì)量的測(cè)量(1) (1) 愛因斯坦愛因斯坦的理論是的理論是牛頓牛頓理論的發(fā)展理論的發(fā)展愛因斯坦相對(duì)論適用于一切物理規(guī)律。愛因斯坦相對(duì)論適用于一切物理規(guī)律。牛頓理論適用于牛頓理論適用于力學(xué)規(guī)律。力學(xué)規(guī)律。注意：注意：上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出,Pxy z t在 K中,Pxyz t在K 中問題：問題：尋找尋找xvPxyOr),(tzyxyOr)

8、,(tzyx對(duì)同一客觀事件對(duì)同一客觀事件兩個(gè)參考系中相應(yīng)的兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)值之間的關(guān)系坐標(biāo)值之間的關(guān)系0ttOO、重合，且在此發(fā)出閃光重合，且在此發(fā)出閃光。經(jīng)一段時(shí)間光傳到經(jīng)一段時(shí)間光傳到 P 點(diǎn)（事件）點(diǎn)（事件）在約定的系統(tǒng)中，在約定的系統(tǒng)中，時(shí)，時(shí)，上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出坐標(biāo)變換式坐標(biāo)變換式或或2222211xvtxvcyyzzvtxctvc 2222211xvtxvcyyzzvtxctvc 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出令令211則則正變換正變換逆變換逆變換xxvtyyzzttxc

9、vcxxvtyyzzttxc上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出正變換正變換xxvtyyzzttxc xxvtyyzztt 伽利略變換伽利略變換2) v c , 1變換無意義變換無意義速度有極限速度有極限3) vc 時(shí)間時(shí)間 與與 均有關(guān)，為時(shí)均有關(guān)，為時(shí)空坐標(biāo)；空坐標(biāo)；, ,x v tt討論：討論：上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出例題例題4-1 甲乙兩人所乘飛行器沿甲乙兩人所乘飛行器沿Ox 軸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。軸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。甲測(cè)得兩個(gè)事件的時(shí)空坐標(biāo)為甲測(cè)得兩個(gè)事件的時(shí)空坐標(biāo)為x1=6 104m，y1=z1=0，t1

10、=2 10- -4 s ；x2=12 104m， y2=z2=0， t2=1 10- -4s，若，若乙測(cè)得這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生于乙測(cè)得這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生于t時(shí)刻，問：時(shí)刻，問： （1）乙對(duì)于甲的運(yùn)動(dòng)速度是多少？）乙對(duì)于甲的運(yùn)動(dòng)速度是多少？ （2）乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是多少？）乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是多少？2211vttxc解：解：（1 1）設(shè)乙對(duì)甲的運(yùn)動(dòng)速度為）設(shè)乙對(duì)甲的運(yùn)動(dòng)速度為 ，由洛倫茲變換，由洛倫茲變換v上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出可知可知, , 乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔是乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔是212122121vttxxctt按題意按題意，, 代入已知數(shù)據(jù)，有代入已知數(shù)據(jù)，有012 tt4444222(1 102 10 )(12 106 10 )01vcvc 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出由此解得乙對(duì)甲的速度為由此解得乙對(duì)甲的速度為2cv（2）根據(jù)洛倫茲變換）根據(jù)洛倫茲變換211xx vt可知可知, , 乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是2121212415.20 10 mxxv ttxx上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁