1、第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學通通 知知1. 今天交作業今天交作業No.7，請分班收齊并按學號排列！，請分班收齊并按學號排列！2. 5、6次作業補交截止時間：今天！次作業補交截止時間：今天！3. 期末考試提醒：期末考試提醒： 時間：時間：12月月28日下午日下午14:30 16:30 內容：內容：CH5氣體動理論和熱力學、氣體動理論和熱力學、CH9狹義相對狹義相對論論 答疑：答疑：12月月26日、日、27日日 X6218、X6220上午：上午：8：30 11:30 下午：下午：2：00 5:001第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學前言：前言：相對論產生的歷史背景和物理基

2、礎相對論產生的歷史背景和物理基礎經典物理：經典物理：伽利略時期伽利略時期 19世紀末世紀末 經過經過300年發展，到達全盛的年發展，到達全盛的“黃金時代黃金時代”形成三大理論體系形成三大理論體系1.機械運動：機械運動：以牛頓定律和萬有引力定律為基礎的以牛頓定律和萬有引力定律為基礎的 經典力學經典力學2.電磁運動：電磁運動： 以麥克斯韋方程組為基礎的經典電磁學以麥克斯韋方程組為基礎的經典電磁學3.熱運動：熱運動：以熱力學定律為基礎的宏觀理論以熱力學定律為基礎的宏觀理論(熱力學熱力學) 以分子運動為基礎的微觀理論以分子運動為基礎的微觀理論(統計物理學統計物理學)第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡

3、介物理學物理學家感到自豪而滿足，兩個事例：物理學家感到自豪而滿足，兩個事例： 在已經基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。也就是在測量數據的小數點后面添加幾位有效數字而已。 開爾芬（開爾芬（18991899年除夕）年除夕） 理論物理實際上已經完成了，所有的微分方程都已經解出，青年人不值得選擇一種將來不會有任何發展的事去做。 約利致普朗克的信約利致普朗克的信第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學兩朵烏云：兩朵烏云：1. 1. 邁克爾孫邁克爾孫 莫雷實驗的莫雷實驗的“零結果零結果”2. 2. 黑體輻射的黑體輻射的“紫外災難紫外災難”三大發現：三大發現：1. 1.

4、電子：電子：18941894年，英國，湯姆孫年，英國，湯姆孫 因氣體導電理論獲因氣體導電理論獲19061906年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎2.X射線：射線：18951895年，德國，倫琴年，德國，倫琴 19011901年獲第一個諾貝爾物理獎年獲第一個諾貝爾物理獎3.3.放射性：放射性：18961896年，法國，貝克勒爾發現鈾，居里年，法國，貝克勒爾發現鈾，居里夫婦發現釙和鐳，共同獲得夫婦發現釙和鐳，共同獲得19031903年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎物理學還存在許多未知領域，有廣闊的發展前景。物理學還存在許多未知領域，有廣闊的發展前景。實驗結果與實驗結果與理論不符理論不符第九章第九章 近代物理

5、簡介近代物理簡介物理學兩朵烏云兩朵烏云暴風驟雨暴風驟雨2020世紀初物理學危機世紀初物理學危機物理學正在臨產中，它孕育著的新理論將要誕生了。 列寧列寧 新理論：新理論：相對論、量子力學，相對論、量子力學， 深刻影響現代科技和人類生活深刻影響現代科技和人類生活 相對論的思想基礎：對稱性觀念相對論的思想基礎：對稱性觀念物理規律不因人（參考系）而異，參考系變換應該物理規律不因人（參考系）而異，參考系變換應該是物理定律的對稱操作。是物理定律的對稱操作。一切慣性系對物理定律等價一切慣性系對物理定律等價狹義相對論狹義相對論慣性系和非慣性系對物理定律等價慣性系和非慣性系對物理定律等價廣義相對論廣義相對論第九

6、章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學相對論并不神秘相對論并不神秘需要擺脫日常生活（低速領域）需要擺脫日常生活（低速領域）經驗的束縛，自覺地進行理性思維訓練。經驗的束縛，自覺地進行理性思維訓練。對稱性對稱性擴展擴展力學相對性原理力學相對性原理狹義相對性原理狹義相對性原理廣義相對性原理廣義相對性原理從伽利略到愛因斯坦從伽利略到愛因斯坦第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學9.1 狹義相對論的基本概念狹義相對論的基本概念一一 經典力學的絕對時空觀及其困難經典力學的絕對時空觀及其困難 相對于不同的參考系相對于不同的參考系, 經典力學定律的形式是經典力學定律的形式是完全一樣嗎完全一樣嗎?牛頓力

7、學的回答：牛頓力學的回答： 對于任何慣性參考系，牛頓力學的規律都具有對于任何慣性參考系，牛頓力學的規律都具有相同的形式。這就是相同的形式。這就是經典力學的相對性原理經典力學的相對性原理。7第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yy1. 伽利略變換伽利略變換 時空坐標變換公式時空坐標變換公式xxvtyyzztt 經典力學認為：經典力學認為：1）空間的）空間的量度是絕對的，與參考系無關；量度是絕對的，與參考系無關；2）時間的亮度也是絕對的，）時間的亮度也是絕對的，與參考系無關與參考系無關.8第九章第九章

8、近代物理簡介近代物理簡介物理學x xy yvo oz z ss*) , , (),(zyxzyxPx xt vz z yyvxxuuyyuu zzuu 速度變換公式速度變換公式zzaa yyaa xxaa 加速度變換公式加速度變換公式aaamFFma 在兩相互作勻速直線運動的慣性在兩相互作勻速直線運動的慣性系中系中,牛頓運動定律具有相同的形式牛頓運動定律具有相同的形式.9第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學注注 意意 牛頓力學的相對性原理牛頓力學的相對性原理, 在宏觀、在宏觀、低速的范圍內低速的范圍內,是與實驗結果相一致的是與實驗結果相一致的.但在高速運動情況下則不適用但在高速運動情況

9、下則不適用. 2. 經典力學的絕對經典力學的絕對時空觀及其困難時空觀及其困難 絕對絕對時空概念時空概念:時間和空間時間和空間的的量度量度和和參考系無關參考系無關，長度和時間的測量是絕對的。，長度和時間的測量是絕對的。 相對于不同的參考系，長度和時間的測量結果相對于不同的參考系，長度和時間的測量結果是一樣的嗎？是一樣的嗎？實踐已證明，絕對時空觀是不正確的實踐已證明，絕對時空觀是不正確的.牛頓的絕對時空觀牛頓的絕對時空觀牛頓力學的相對性原理牛頓力學的相對性原理10第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 對于不同的慣性系，電磁現象基本規律的形式對于不同的慣性系，電磁現象基本規律的形式是一樣的嗎

10、？是一樣的嗎？真空中的真空中的光速光速 cm/s10998. 21800c 對于兩個不同的對于兩個不同的慣性參考系慣性參考系 , 光速滿光速滿足伽利略變換嗎足伽利略變換嗎 ？?v ccx xy yvo oz z ssc11第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學球球投投出出前前cdcdt 1結果結果: 觀察觀察者先看到投出后的球者先看到投出后的球, 后后看到投出前的球看到投出前的球. 試計算球被投出前后的瞬間，球所發出的光波試計算球被投出前后的瞬間，球所發出的光波達到觀察者所需要的時間達到觀察者所需要的時間. 根根據據伽伽利利略略變變換換21ttvcdt2球球投投出出后后vcv12第九章第

11、九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆發爆發， 這次爆發的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀這次爆發的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文學家記載從公元星云。北宋天文學家記載從公元 1054年 1056年均能均能用肉眼觀察用肉眼觀察, 特別是開始的特別是開始的 23 天天, 白天也能看見白天也能看見 .km/s1500v物質飛散速度物質飛散速度l = 5000 光年光年cvcAB 當一顆恒星在發生超新星爆發時當一顆恒星在發生超新星爆發時, 它的外圍物質向它的外圍物質向四面八方飛散四面八方飛散, 即有些拋

12、射物向著地球運動即有些拋射物向著地球運動, 現研究超現研究超新星爆發過程中光線傳播引起的疑問新星爆發過程中光線傳播引起的疑問 .13第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學實際持續時間約為實際持續時間約為 22 個月個月, 這怎么解釋這怎么解釋 ?年25ABttt理論計算觀察到理論計算觀察到超新星爆發超新星爆發的強光的時間持續約的強光的時間持續約l = 5000 光年光年cvckm/s1500v物質飛散速度物質飛散速度ABvcltA A 點光線到達點光線到達地球所需時間地球所需時間cltBB 點光線到達點光線到達地球所需時間地球所需時間14第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 為了

13、測量地球相對于為了測量地球相對于“以太以太”的運動的運動 , 1881年邁克爾孫用他自制的干涉儀進行測量年邁克爾孫用他自制的干涉儀進行測量, 沒有結沒有結果果 . 1887年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實驗驗,仍得到零結果仍得到零結果, 即即未觀測到地球相對未觀測到地球相對“以太以太”的運動的運動 .3 邁邁克耳孫克耳孫-莫雷實驗莫雷實驗15第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學vsGM1M2TG M1 Gvvclclt1G M2 G22212ccltv22cltcv2222clNvG M2c22vcv-M2 Gcv-22vcvsM2M1l12GM

14、GMGT設設”以太以太”參考系為參考系為S系系,實驗室為實驗室為S 系系（從（從S 系看）系看）16第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學2222clNvm/s103,nm500,m104vl4 . 0N 人們為維護人們為維護“以太以太”觀念作了種種努力，觀念作了種種努力， 提提出了各種理論出了各種理論 ，但這些理論或與天文觀察，或與，但這些理論或與天文觀察，或與其它的實驗相矛盾，最后均以其它的實驗相矛盾，最后均以失敗失敗告終告終 .儀器可測量精度儀器可測量精度01. 0N 實驗結果實驗結果 未未觀察到地球相對于觀察到地球相對于“以太以太”的運動的運動. 0N17第九章第九章 近代物理簡

15、介近代物理簡介物理學結論結論：作為絕對參考系的：作為絕對參考系的以太不存在以太不存在. 以后又有許多人在不同季節、時刻、方向上反復以后又有許多人在不同季節、時刻、方向上反復重做邁克耳孫重做邁克耳孫-莫雷實驗近年來莫雷實驗近年來, 利用利用激光使這個激光使這個實驗的精度大為提高實驗的精度大為提高, 但但結果卻沒有任何變化結果卻沒有任何變化 邁克耳孫邁克耳孫-莫雷實驗測到以莫雷實驗測到以太漂移速度為零太漂移速度為零,對以太理論對以太理論是一個沉重的打擊是一個沉重的打擊,被偉大的被偉大的開爾文爵士稱為是籠罩在開爾文爵士稱為是籠罩在19世世紀物理學上空的一朵烏云紀物理學上空的一朵烏云.18第九章第九章

16、 近代物理簡介近代物理簡介物理學愛因斯坦愛因斯坦 20世紀最偉大的物理學世紀最偉大的物理學家之一家之一, 1905年、年、1915年先年先后創立狹義和廣義相對論后創立狹義和廣義相對論, 1905年提出了光量子假設年提出了光量子假設, 1921年獲得諾貝爾物理學獎年獲得諾貝爾物理學獎, 還在量子理論方面有重要貢還在量子理論方面有重要貢獻獻 .（1879-1955）愛因斯坦的愛因斯坦的哲學觀念哲學觀念:自然界應當是和諧而簡單的自然界應當是和諧而簡單的理論特色：理論特色：出于簡單而歸于深奧出于簡單而歸于深奧.19第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 1）愛因斯坦相對性原理：愛因斯坦相對性原理

17、： 物理定律在物理定律在所有所有慣慣性系中都具有相同的表達形式性系中都具有相同的表達形式. 2）光速不變原理光速不變原理: 真空真空中的光速是常量，沿各中的光速是常量，沿各個方向都等于個方向都等于c ，它它與與光源或觀測者的運動狀態光源或觀測者的運動狀態無無關關，即不依賴于慣性系的選擇，即不依賴于慣性系的選擇.二二狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理 關鍵概念：相對性和不變性關鍵概念：相對性和不變性 . 伽利略變換與伽利略變換與狹義相對論的基本原理不符狹義相對論的基本原理不符.20 相對性原理是自然界的普遍規律相對性原理是自然界的普遍規律. 所有的慣性參考系都是等價的所有的慣性參考系都是等

18、價的.第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學三三 洛倫茲變換式洛倫茲變換式符合相對論理論的時空變換關系符合相對論理論的時空變換關系0ttoo,設設 時，時， 重合重合 ; 事件事件 P 的時空坐的時空坐標如圖所示標如圖所示.z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx) ,(t zyxP)tx(txxvv 21yy zz )xct (xctt2221vv cv 211 21第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學)tx(xv yy zz )xct(t2v 正正變變換換)tx(x v yy zz )xct (t 2v 逆逆變變換換注注 意意 時時, 轉換為伽利略變換式轉

19、換為伽利略變換式. cv1 cv 22第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 洛倫茲速度變換式洛倫茲速度變換式正變換正變換xxxucuu21vv xzzucuu21v xyyucuu21v 逆變換逆變換 xyyucuu21v xzzucuu21v xxxucuu 21vv23第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學討論討論ccccux 21vv光速不變光速不變如在如在S系中沿系中沿x方向發射一光信號方向發射一光信號, 在在S系中系中觀察觀察: 光速在任何慣性系光速在任何慣性系中均為同一常量，利用中均為同一常量，利用它可將時間測量與距離它可將時間測量與距離測量聯系起來測量聯系起來.24

20、第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學1 同時的相對性同時的相對性 事件事件 1 : 車廂車廂后后壁接收器接收到光信號壁接收器接收到光信號.事件事件 2 : 車廂車廂前前壁接收器接收到光信號壁接收器接收到光信號.25四四 狹義相對論的時空觀狹義相對論的時空觀第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學v x y o121236912369 x y o12xyov123691236912369設設S系中系中x1、x2兩處發生兩事件兩處發生兩事件,時間間隔為時間間隔為t=t2-t1,問問 S系中這兩事件發生的時間間隔是多少？系中這兩事件發生的時間間隔是多少？事件事件 2 ),(1111tzy

21、x),(2222tzyx 系系 (車廂參考系車廂參考系 )S 系系 ( 地面參考系地面參考系 ),(1111tzyx事件事件 1),(2222tzyxS21ttt21ttt26第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學221xcttv 在一個慣性系同時發生的在一個慣性系同時發生的兩個事件，在另一個慣性兩個事件，在另一個慣性系是否同時系是否同時? S系系S 系系同時不同地同時不同地0,0 xt不同時不同時0t 0,0 xt同地不同時同地不同時0t 不同時不同時同地同時同地同時0 ,0 xt0t 同時同時不同時不同時不同地不同地0,0 xt20,0 xttxc v/不同時不同時0t 0t 同時同

22、時27第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學結論結論 同時性具有相對意義同時性具有相對意義 沿沿兩個慣性系運動方向，兩個慣性系運動方向，不同地點不同地點發生的兩個發生的兩個事件，在其中一個慣性系中是事件，在其中一個慣性系中是同時同時的，在另一慣性的，在另一慣性系中觀察則系中觀察則不同時不同時，所以同時具有，所以同時具有相對相對意義；只有意義；只有在在同一地點同一地點，同一同一時刻發生的兩個事件，在其他慣時刻發生的兩個事件，在其他慣性系中觀察也是性系中觀察也是同時同時的的.221xcttv28第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學長度長度的測量和的測量和同時性同時性概念密切相關概念密

23、切相關xyozs1 x2 x0l y xv o z s1x2x棒沿棒沿Ox 軸對軸對S系靜止放置系靜止放置,在在S系中同時測得兩系中同時測得兩端坐標端坐標x1,x2則棒的則棒的固有長度固有長度為為l0= x2 x12 長度長度的收縮的收縮固有長度固有長度:物體相對物體相對靜止時所測得的長靜止時所測得的長度度 (最長最長)問問在在S系中測得棒有多長系中測得棒有多長?29第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學設設 在在S系中某時刻系中某時刻 t 同時測得同時測得棒兩端坐標為棒兩端坐標為x1、x2，則則S系中測得棒長系中測得棒長 l= x2 - x1， l與與l0的關系為：的關系為：xyozs

24、1 x2 x0l y xv o z s1x2x11121xtx v22221xtx v210212211xxlxxl201ll30第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學201ll1 長度收縮了長度收縮了l l0v3 如將物體固定于如將物體固定于S系系,由由S系測量系測量,同樣出現同樣出現 長度收縮現象長度收縮現象長度收縮具有長度收縮具有相對相對意義意義討論討論 洛洛倫茲收縮倫茲收縮: 運動運動物體在運動方向上長度物體在運動方向上長度收縮收縮 .0, 12ll201ll31第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學 例例1: 設想有一光子火箭，設想有一光子火箭， 相對于地球以速相對于地球

25、以速率率v=0.95c 飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為 15 m ，問以地球為參考系，此火箭有多長，問以地球為參考系，此火箭有多長 ？ss火箭參照系火箭參照系地面參照系地面參照系解解 ：固有長度固有長度m150ll21 llm68. 4m95. 01152lm150lvx xy yo o32第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學三三 時間的延緩時間的延緩(動鐘變慢動鐘變慢)33第九章第九章 近代物理簡介近代物理簡介物理學S系系同一同一地點地點 B 發生兩事件發生兩事件在在 S 系中觀測兩事件系中觀測兩事件),(),(2211txtx), (2tx), (1tx發射一光信號發射一光信號接受一光信號接受一