电磁规律的相对论描述.pptx

* 电磁规律的相对论描述1、相对论的实验基础和基本原理2、相对论的时空理论3、相对论理论的四维形式 *4.1 相对论的实验基础和基本原理二、迈克尔逊一莫雷实验 （1887年） 是测量光速沿不同方向的差异的主要实验。地球绕太阳运动的速度约为30 km/s。设有效光程MM1=MM2=l。设地球相对于“以太”的绝对运动速度v沿MM1方向，则由于光线MM1M与 MM2M的传播时间不同，因而有光程差，在目镜中将观察到干涉效应．一、历史背景经典力学中，运动规律对所有的惯性参考系成立，但对于电磁现象的基本规律呢？ *图中v表示观察者相对于以太的运动速度，u表示观察者在参考系中所看到的沿?方向传播的光速，c是在以太参考系的光速。光线沿MM1M的传播时间为c *光线沿MM2M的传播时间为两束光的光程差为把仪器转动900，使两束光位置互换，应该观察到干涉条纹移动个数为 *干涉条纹应该移动0.4个左右，而实验观察到的上限仅为0.01个。迈克尔孙实验否定了特殊参考系的存在，它表明光速不依赖于观察者所在参考系。 三、狭义相对论两条基本原理 爱因斯坦在总结实验之后，提出了两条基本假设： (1)相对性原理：物理规律在所有惯性参考系中都相同有惯性系都是等价的。 (2)光速不变原理：真空中的光速相对于任何根性系沿任一方向恒为c，并与光源运动无关。 *经典时空观：时间和空间分离，时间均匀流逝，两者没有任何联系。这集中体现在关于惯性坐标系的伽利略变换中。在此变换下，力学定理保持其形式不变，但麦克斯韦方程不能保持其形式不变，因为光速在伽利赂变换下要改变。 *火车系站台系火车上的观察者看来，光讯号将同时到达车头和车尾。站台上观察者认为车头比车尾晚接到光讯号。这显然与伽利略变换式的结论不一致。当物体运动速度高度接近光速时，旧概念与事实产生了尖锐的矛盾。从火车的中央O′发一闪光 *4.2 相对论的时空理论新的时空观认为，时间与空间坐标一样，是与物体的运动联系在一起的。要描写惯性系中物体运动的状态，必须用建立在这个惯性系中的四个坐标x、y、z、t来表示。一、间隔不变性在惯性系?中，在（x1，y1，z1，t1）发生事件1，在（x2，y2，z2，t2）发生事件2，定义两个事件的间隔?s2为 *又设另一惯性系?’相对于? 作匀速直线运动，在?’ 中，事件1用（x’1，y’1，z’1，t’1）表示，事件2用（x’2，y’2，z’2，t’2）表示，其间隔?s’2为首先，考虑两个特殊事件：光讯号在某时刻由O点发出和该讯号在P点被接收到。在两个惯性系中分别建立直角坐标系?和?’，使?和?’的原点在闪光发生时重合，并且同时开始计时，即 *由于光速不变原理，在两个坐标系中光速都是c，所以事件2的时空坐标在两个参考系中分别满足这也就是光速不变性的数学表达式 *即这样就证明了任意两事件的间隔在任何惯性系中的值不变，此即间隔不变性。一般地，由于两个惯性系等价， *在?’上观察，闪光发出和接收之间的时间为发出和接收是在同一地点S上发生，因此两事件的间隔为 *因而两事件的间隔为 *二、洛仑兹变换 在不同惯性系中描述同一事件的时空坐标之间存在线性变换关系。 惯性系?’相对于?的运动速度为v，x轴和x’轴与v 方向一致。利用间隔不变性，可导出线性系数应满足的关系为 *因为x、y、z、t均是独立变量，所以上式成立的条件是各独立变量的系数分别相等，即 *时空坐标变换公式 *时空坐标逆变换公式 *三、运动时钟的延缓在不同参考系上观察同一个物理过程，其时间有什么关系？计时的工具－时钟：日晷、沙漏、人体脉搏的跳动、粒子的衰变寿命等目前所用的国际计时标准是铯－133原子的基态二超精细能级之间跃迁辐射的周期，这周期的9,192,631,770倍持续时间定义为1秒 *由间隔不变性有 *表示运动物体上发生的自然过程比起静止物体的同样过程延缓了．物体运动速度愈大，所观察到的它的内部物理过程进行得愈缓慢．这就是时间延缓效应这种效应是时空的基本属性引起的，与钟的具体结构无关。高速运动是长寿的秘诀。山中方一日，人间已千年。双生子佯谬 *四、运动尺度的缩短 *在?中，这两个事件的时空坐标由洛仑兹变换式给出为 *在?中，这两个事件的时空坐标由洛仑兹变换式给出为这不是?系中测量得的火车长，而只代表事件1与事件2发生地点之距离。在任何参考系中测量一个物体的长度，都必须同时记下该物体两个端点的位置。 *在?系（站台）中测量火车长，要以站台上的钟为标准，同时(tA＝tB)记录车头和车尾通过站台上两点的位置(xA，xB)。“tA时刻车头经过站台A点”及“tB时刻车头经过站台B点”这两个事件的距离在??系看来是l0，设在?系中两事件的距离为l，则 *即运动物体长度缩短了，和运动时钟延缓效应一样，运动尺度缩短也