物理課件至6月16日電磁感應(yīng)-狹義相對論

狹義相對論2Albert

Einstein(1879.3.14.

–

1955.4.18.

)20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。①

創(chuàng)立狹義相對論。②

創(chuàng)立廣義相對論。③

建立質(zhì)能關(guān)系。④

提出光量子假設(shè)(1921年

物理學(xué)獎)。⑤

量子理論創(chuàng)始人之一。他和玻爾有關(guān)量子力學(xué)的論爭是科學(xué)史上影響深遠(yuǎn)的事件。⑥

首次提出引力場方程，開創(chuàng)現(xiàn)代宇宙學(xué)。⑦

在布朗運動、受激輻射理論、玻色—愛因斯坦統(tǒng)計及其凝聚現(xiàn)象都有關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。⑧

場論的嘗試。3相對論時空觀與人們固有的時空觀念差別很大，普通人理解有

。英國詩人波譜歌頌牛頓：自然界和自然界的規(guī)律隱藏于

中，上帝說：讓牛頓去吧。于

都成為光明。后人續(xù)寫：很多年后，說：讓愛因斯坦去吧。于

又回到

中。4以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到19世紀(jì)末20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就(力，熱，聲，光，電磁學(xué))。人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，已從宏觀低速物體的運動規(guī)律逐漸擴展到高速的電磁波（包括光波）的場物質(zhì)運動規(guī)律。伽 利

略（1564-1642）麥克斯韋（1831-1879）…牛

頓（1642-1722）……物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1600

1800

19001700力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)伽 利

略（1564-1642）麥克斯韋（1831-1879）…牛

頓（1642-1722）…物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1700力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)1900年,著名物理學(xué)家開爾文在元旦獻(xiàn)詞中的名言：“在物理學(xué)的天空，一切都已

潔凈了，只剩下兩朵烏云，一朵與麥克耳孫-莫雷實驗（尋找“以太”）有關(guān)，另一朵與黑體輻射有關(guān)。”但他卻沒有料到，這兩朵小小的烏云正孕育著一場暴風(fēng)雨，并促成了近代物理學(xué)的兩大理論支柱——相對論和量子力學(xué)的誕生。1600

1800

19002000相對論

量子力學(xué)…愛因斯坦

…（1879-1955）19

世紀(jì)末，物理學(xué)晴朗天空中飄著的“兩朵烏云”。量子力學(xué)的誕生7相對論的建立黑體輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗一、回顧:

牛頓力學(xué)的時空觀1.

牛頓的絕對時空觀：時間、空間與物質(zhì)無關(guān)。時間和空間彼此無關(guān)。時間間隔和空間間隔的度量絕對不變。兩個物理事件的時間間隔，從任何一個慣性參考系來測量都是完全一樣的；任意給定的空間兩點的距離，在任何一個慣性參考系中測量所得結(jié)果是相等的?！?牛頓力學(xué)的)力學(xué)相對性原理：對不同的慣性系，牛頓定律及其它力學(xué)基本定律的形式都是一樣的(即：任何慣性系都是平權(quán)的)。82.

伽利略變換設(shè)t0=t0′

=0

時，S

與S

′重合。t

時刻：x

x

vty

yz

zt

txyy'vS

′xx′

vt

o

o'ySx

xu

u

vuy

uyuz

uz再求導(dǎo)a

aF

ma

F

maF

F,

m

m

坐標(biāo)變換速度變換故經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：一切慣性系中的力學(xué)規(guī)律都是相同的。那么自然要問：這個結(jié)論能否推廣到其它物理規(guī)律（如電磁學(xué)規(guī)律）呢？(經(jīng)典的速度疊加公式)(v

恒定)物理事件

vCBvAB

vAC919世紀(jì)中葉，麥克斯韋電磁理論已經(jīng)牢固地建立起來了。一，麥?zhǔn)想姶爬碚摻o出真空中的光速為c

=2.99×108

m/s。按牛頓時空觀，c應(yīng)該只是相對于某個特定的參考系的速度。相對于其它的參考系由伽利略速度變換有c

c

-v二，若某處有兩個電荷。相對電荷 的慣性系中，電荷間的相互作用為靜電力。相對電荷運動的慣性系中，電荷間還有磁力。三，麥克斯韋方程組在伽利略變換下無法保持不變。慣性系之間并不等價！光速（電磁規(guī)律）

從伽利略變換10三種選擇:第一，伽利略相對性原理是普遍原理，應(yīng)修改電磁理論使之符合伽利略相對性原理及變換；修改麥克斯韋方程會推導(dǎo)出一系列新的電磁現(xiàn)象。但是這些

的新電磁現(xiàn)象卻從沒有被觀測到過。所以這種觀點很快就被拋棄了！11三種選擇:第二，伽利略相對性原理只對力學(xué)規(guī)律適用，不適用于電磁領(lǐng)域，因而電磁規(guī)律可以不符合伽利略相對性原理；“以太”論：，假設(shè)整個宇宙都充滿著一種特殊媒質(zhì)——“以太”。電磁波就是以“以太”為媒質(zhì)的波動。1(ether)2，相對于“以太”

的參考系是優(yōu)于其它慣性參考系的絕對參考系。物理定律在絕對參考系中具有最簡單的形式，而對別的參考系，有可能要改變形式。電磁學(xué)定律在不同慣性系有不同的形式是正?，F(xiàn)象12三種選擇:第二，伽利略相對性原理只對力學(xué)規(guī)律適用，不適用于電磁領(lǐng)域，因而電磁規(guī)律可以不符合伽利略相對性原理；在物理學(xué)史上企圖發(fā)現(xiàn)“以太”曾作過許多努力：光行差測量、雙星周期測量：光速與光源速度無關(guān)。麥克耳孫-莫雷精密的光

實驗：光速與地球速度無關(guān)，否定地球在“以太”中穿行。斐索流水實驗：光速與媒介速度無關(guān)，否定“以太”拖拽假說最終得到關(guān)于“以太”存在的

都是零結(jié)果。13三種選擇:第三，不必修改電磁理論，另找一個新的能使電磁規(guī)律符合的變換，并且保證在低速領(lǐng)域又回到伽利略變換。愛因斯坦認(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性原理。(必定存在更普遍的相對性原理，對和諧的力學(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。狹義相對論新的時空觀141905年,

年僅26歲的愛因斯坦

兩篇

：《論運動物體的電動力學(xué)》①《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》②建立了狹義相對論。①

Annalen

der Physik,

1905,

17:

891②

Annalen

der Physik,

1905,

17:

639~64115二、愛因斯坦時空觀狹義相對論的兩個基本假設(shè)：愛因斯坦相對性原理：一切物理規(guī)律對所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個特殊的慣性系。光速不變原理：在任何慣性系中，光在真空中的速率相等。光速與光源的運動速度無關(guān)。10016c

光速只跟兩個標(biāo)量相關(guān)。而標(biāo)量的大小跟參考系的選擇無關(guān)。O雙星系統(tǒng)AB地球pvvv

vq宇宙中存在大量這種物理雙星。精密的天文觀測表明，雙星的像是很清晰的兩個光點，沒有發(fā)現(xiàn)亮弧現(xiàn)象。p點vp<vq距離地球近q點vq=c+v但距離地球遠(yuǎn)兩恒星A和B都繞質(zhì)心近似做圓周運動。A星到達(dá)地球的光線。按照“以太”觀點：u

v

cos(

)

c有可能在p、q兩處同時看到A星。所以A星的像將是一段亮弧，而非一個亮點。17有兩種方法測量A星的運動周期。第一，測量A星兩次到達(dá)q點的時間差。第二，測量A星從q點到p點的時間差(半周期)，乘以二。地球vvpv

vqq

pp

q距離地球近距離地球遠(yuǎn)兩種方法得到周期不同精密的天文觀測表明，兩種方法得到的周期相同這只能解釋為光速與光源運動速度無關(guān)。按照“以太”觀點：u

v

cos(

)

cO雙星系統(tǒng)AB181964-1966年，歐洲核子中心的實驗直接驗證了光速不變的原理：以0.99975c的高速飛行的

0

介子，在飛行中輻射光子，得到光子的 速度數(shù)值仍然是c

.光速與光源運動速度無關(guān)。19設(shè)有如下實驗：y

y'x'xA'B'M

v

光到達(dá)A'和光到達(dá)B'這兩事O件不同時發(fā)生！4.

由光速不變原理得出的有關(guān)結(jié)論1）同時性的相對性在S'系中觀察：光到達(dá)A'和光到達(dá)B'這兩事件同時發(fā)生。在S系中觀察：可見，兩物理事件是否同時發(fā)生，不是

，而是依賴于參考系的選擇，即必須相對于某參考系而言。這就是同時性的相對性。對不同參考系,

同樣兩事件之間的時間間隔不同。

即：時間的度量是相對的,并且與相對運動速度有關(guān)。相對論效應(yīng)之一：同時性的相對性202）時間膨脹（運動參考系中時間變慢）設(shè)S'系中，A'點有一閃光光源，在Y'軸放一反射鏡YY'dC'在S'系看：兩事件時間間隔：YCLLX'XX'C

Xc在S系看：

t

2

dd

2L

vt

/

22t

2

Lc 2

d

/

c

顯然：t

t1

v

/

c

2

t

A'Y'dA'21在S

系同一地點發(fā)生的兩個事件的時間間隔為t在S系測同樣兩事件的時間間隔總是要長一些：定義：在某一參考系同一地點先后發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔叫作原時。2d

/

c1

(v

/

c)2t

tt

顯然：t為原時。原時最短相對論效應(yīng)之二：時間膨脹效應(yīng)（鐘慢效應(yīng)）1

(v

/

c)

2tc

t

2

dYcLLY'dX'A'

c

X相對于事件發(fā)生地運動的坐標(biāo)系中時間變慢，在一切(慣性)坐標(biāo)系中對同一事件的時間測量中，原時最短。22記為：例:

一宇宙飛船以

v

=

9

103

m/s

的速率相對地面勻速飛行，飛船上的鐘走了5s，地面上的鐘測量經(jīng)過了多少時間？解：2c1

v所以，當(dāng)v

<<c時:t

與參考系無關(guān)，又回到牛頓時空觀。5.000000002s

t

223310819103原時

5s則：

t

5

1(

v

c

)2則:lvt0.9931081.8107

52.6m例:

帶正電的介子是一種不穩(wěn)定的粒子，當(dāng)它時，平均t

=2.510-8s，然后衰變?yōu)橐粋€

介子和一個中微子。在產(chǎn)生一束v

=0.99c的

介子，并測得它在衰變之前通過的平均距離為52m。這些測量結(jié)果說明什么？解：若不考慮相對論效應(yīng)

t

t

=

2.5

10-8s它在

走過的距離為：l

vt

0.993108

2.5108

7.4m考慮時間膨脹效應(yīng)：10.99t

t

2.5108=1.8

10-7s24例：

在飛船上