第五章狭义相对论基础

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1、第五章第五章 狭义相对论基础狭义相对论基础Albert Einstein（1879 1955） 在上世纪初，发生了三次概在上世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（相对论（1905）、广义相对论）、广义相对论（1915）和量子力学（）和量子力学（1925）。）。爱因斯坦爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家，世纪最伟大的物理学家，1879年年3月月14日日出生于德国乌尔姆，出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在科学史上

2、创造了史无前例的奇迹。这一年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的年的3 3月到月到9 9月月半年中，利用业余时间发表了半年中，利用业余时间发表了 6 6 篇论文，在物篇论文，在物理学理学 3 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了创建了光量光量子理论、狭义相对论子理论、狭义相对论和和分子运动论分子运动论。爱因斯坦在爱因斯坦在19151915年到年到19171917年的年的3 3年中，还在年中，还在 3 3 个不同领个不同领域做出了历史性的杰出贡献域做出了历史性的杰出贡献 建成了建成了广义相对论、辐射量广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论

3、。子理论和现代科学的宇宙论。爱因斯坦获得爱因斯坦获得 1921 1921 年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖牛牛 顿顿 力力 学学麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论1919世纪后期，经典物理世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。典物理学已趋于成熟。 19001900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上, ,著名物理学家开著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言尔文勋爵作了展望新世纪的发言: : “科学的大厦已经基本完成，科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作

4、后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。就行了。” -开尔文开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，乌云，-”两朵小乌云两朵小乌云l 迈克耳逊迈克耳逊莫雷莫雷

5、“以太漂移以太漂移”实验实验l 黑体辐射实验黑体辐射实验强调强调l 近代物理不是对经典理论的简单否定。近代物理不是对经典理论的简单否定。l 近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。狭 义 相 对 论狭 义 相 对 论量 子 力 学量 子 力 学近代物理学的两大支近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的柱，逐步建立了新的物理理论。物理理论。 绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关绝对时间绝对时间绝对空间绝对空间在在所有惯性系所有惯性系中，物体运动所遵循的中，物体运动所遵循的力学规律力学规律是是相同的相同的，具有

6、具有相同的数学表达相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，规律而言，所有惯性系所有惯性系是是等价的等价的。 5-15-1经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 伽利略变换伽利略变换一、绝对时空观一、绝对时空观二、经典力学的相对性原理二、经典力学的相对性原理l 经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关 三、伽利略变换三、伽利略变换SSx,y,z,trt ,z ,y ,xrx,y,z,tut , z , y , x ux,y,z,tat ,z ,y ,x a正变换正变换vtxxyy 逆变换逆变换伽利伽利略变略变换

7、式换式vtxxzz tt yyzz tt 在两个惯性系中分析描述同一物理事件在两个惯性系中分析描述同一物理事件, S, S 相对于相对于S S系以系以速度速度 沿沿x x轴运动，在轴运动，在 t 0 时刻，物体在时刻，物体在 O 点点, , S , , S 系系重合。重合。t 时刻，物体到达时刻，物体到达 P 点点P(x, y, z; t )(x, y, z; t)rrvyOzSx (x )OzySvv 是恒量是恒量速度变换和加速度变换式为速度变换和加速度变换式为 请大家自己写出速度、加速度的逆变换式请大家自己写出速度、加速度的逆变换式由定义由定义trddut rddutaddut add u

8、tt 并注意到并注意到vu utvaadd写成分量式写成分量式vxxuuyyuuzzuuzzaa yyaa tvaaxxddzzaa yyaa xxaa aa在牛顿力学中在牛顿力学中四、牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性四、牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性 质量与运动无关质量与运动无关 力与参考系无关力与参考系无关SFmaFSmaamFamF5-2 5-2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设一、伽利略变换的困难一、伽利略变换的困难sm10998. 2/1800cl Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换电磁场方程组不服从伽利略变换l 迈克耳逊迈克耳逊 - - 莫雷实验的莫

9、雷实验的零零结果结果当时认为光在当时认为光在“以太以太”（ether）中以速度中以速度c c传播传播。设设“以太以太”相对太阳静止。相对太阳静止。迈克耳逊迈克耳逊 - - 莫雷实验莫雷实验对对 ( (1) ) 光线：光线：O M1 Ovvclclt111)/11(2221cclv以太风以太风P1M2MS2l1lv(1)(2)O对对 ( (2) ) 光线：光线：O M2 O)/11(22222ccltv由由 l1 = l2 = l 和和 v c)21 (2222ccltv)1 (2221ccltv12ttt32/clv两束光线两束光线的时间差的时间差当仪器转动当仪器转动 p i/ 2 后，引起干

10、涉条纹移动后，引起干涉条纹移动222clNv 0 N实验结果实验结果: :迈克耳逊迈克耳逊 莫雷实验的莫雷实验的零零结果，说明结果，说明“以太以太”本身本身不存在。不存在。2M2tv1905年，年，A. Einstein 首次提出了狭义相对论的两个假设首次提出了狭义相对论的两个假设 m/s 458 792 299 c1. 1. 光速不变原理光速不变原理在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值包括两个意思：包括两个意思：l 光速不随观察者的运动而变化光速不随观察者的运动而变化 l 光速不随光源的运动而变化光速不随光源的运动而变化 所有惯

11、性系都完全处于平等地位，没有任何理由选某所有惯性系都完全处于平等地位，没有任何理由选某一个参考系，把它置于特殊的地位。一个参考系，把它置于特殊的地位。二、狭义相对论的两个基本假设二、狭义相对论的两个基本假设2. 2. 相对性原理相对性原理一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式 在在牛顿力学中，与参考系牛顿力学中，与参考系无无关关 在在狭义相对论力学中，与参考系狭义相对论力学中，与参考系有有关关(1)(1) Einstein Einstein 相对性原理相对性原理 是是 NewtonNewton力学相对性原理的发展力学相对性原理的发展讨论讨论(2) (2