上海海事大学物理Chp_05

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1、第第5章章 狭义相对论狭义相对论第第5章章 狭义相对论狭义相对论这两只同步的钟有快慢之分吗？这两只同步的钟有快慢之分吗？规律如何？规律如何？真能看到吗？真能看到吗？与它们的参考系有关与它们的参考系有关与它们的相对运动有关与它们的相对运动有关这种现象实际存在吗？这种现象实际存在吗？.a.第第5章章 狭义相对论狭义相对论爱因斯坦爱因斯坦(Albert Einstein,18791955)现代时空的创始人现代时空的创始人, ,二十世纪的哥白尼二十世纪的哥白尼相对论相对论量子力学量子力学近代物理两大理论支柱近代物理两大理论支柱 经典物理：经典物理：伽利略时期伽利略时期 19世纪末世纪末经过经过300年

2、发展，达到全盛的年发展，达到全盛的“黄金时代黄金时代” 以牛顿定律和万有引力定律为基础的以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典力学经典力学以麦克斯韦方程为基础的电动力学以麦克斯韦方程为基础的电动力学以热力学三定律以热力学三定律为基础的宏观理论和以分子运动、统计物理描述的微观理论为基础的宏观理论和以分子运动、统计物理描述的微观理论 形成三大理论体系形成三大理论体系第第5章章 狭义相对论狭义相对论 主要任务：主要任务：简介狭义相对论简介狭义相对论(special relativity)产生的历产生的历史背景、实验基础、基本原理及相应的时空观。史背景、实验基础、基本原理及相应的时空观。经典力学经典力学

3、(即牛顿力学即牛顿力学)适用范围：适用范围： 宏观、低速宏观、低速(远小于光速远小于光速)狭义相对论适用于：狭义相对论适用于：宏观、高速宏观、高速(可与光速比拟可与光速比拟)经典力学是相对论力学在低速时的近似经典力学是相对论力学在低速时的近似相对论相对论狭义相对论狭义相对论1905：讨论不同惯性系对事件的描述：讨论不同惯性系对事件的描述广义相对论广义相对论1915：涉及到非惯性系包括引力场在涉及到非惯性系包括引力场在内的理论内的理论第第5章章 狭义相对论狭义相对论 惯性参考系：惯性参考系：牛顿力学适用的特殊参照系，一个没牛顿力学适用的特殊参照系，一个没有加速度的参考系有加速度的参考系 理想化的

4、概念。理想化的概念。 牛顿绝对时空观：对所有的参照系，有相同的时对所有的参照系，有相同的时间和空间间和空间(二点间的距离二点间的距离)。即时间和空间绝对不变，且。即时间和空间绝对不变，且相互独立。相互独立。 认为时间与空间相互独立，与物质的存在和运动无关。第第5章章 狭义相对论狭义相对论第第5章章 狭义相对论狭义相对论 1. 伽利略变换伽利略变换和和坐标轴相互平行坐标轴相互平行, 相对于相对于沿沿 +x 方向以速率方向以速率u运运动，当动，当 O 和和O重合时，令重合时，令t=t=0turr坐标变换：坐标变换：uvv速度变换：速度变换：ttzzyyutxx坐标变换分量式坐标变换分量式: :tt

5、zzyyutxx正正变变换换逆逆变变换换O z y x P时间间隔：时间间隔： t= t 第第5章章 狭义相对论狭义相对论速度变换分量式：速度变换分量式：正变换正变换逆变换逆变换zyxuvvvvvvzyx zyxvvvvvv zyxu加速度变换式：加速度变换式：zzyyxxaaaaaaaa空间间隔：空间间隔： 222zyxr222zyxr222zyx第第5章章 狭义相对论狭义相对论2. 绝对时空观绝对时空观 时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。 时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关。时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关。先验框架先验框

6、架 绝对空间犹如一只无限扩大的箱子，与里面有无物绝对空间犹如一只无限扩大的箱子，与里面有无物件无关；绝对时间犹如一条不断流淌的长河，与其中件无关；绝对时间犹如一条不断流淌的长河，与其中有无船只无关。两者彼此独立，互不相关。有无船只无关。两者彼此独立，互不相关。 狭义相对论否定了上述的绝对时空观。狭义相对论否定了上述的绝对时空观。第第5章章 狭义相对论狭义相对论amFamF,FF3. 伽利略相对性原理伽利略相对性原理(Galileos relativity principle)：对于对于任何一个惯性参考系，所有力学规律都是等价的。任何一个惯性参考系，所有力学规律都是等价的。 在经典力学中，质量也

7、是绝对的，与参照系的选择在经典力学中，质量也是绝对的，与参照系的选择无关，即无关，即m=m aa牛顿定律对不同的参照系有相同的形式。牛顿定律对不同的参照系有相同的形式。 在一切中，力学现象都服从相同的。在描述力学现象时，一切惯性系都等价。 在一个惯性系内的观察者所做的任何力学实验，都不能判断该惯性系的运动速度。第第5章章 狭义相对论狭义相对论 1632年伽利略描述了匀速前进的萨尔维阿帝大船年伽利略描述了匀速前进的萨尔维阿帝大船上的力学现象上的力学现象都和地面上一样地发生。都和地面上一样地发生。舟行而不觉舟行而不觉第第5章章 狭义相对论狭义相对论1 1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同、一切物

8、理规律在任何惯性系中形式相同 相对性原理相对性原理2 2、 光在真空中的速度与发射体的运动状态无关光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理光速不变原理1) 1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展讨论讨论一切物一切物理规律理规律力学力学规律规律第第5章章 狭义相对论狭义相对论2) 光速不变与伽利略变换光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对与伽利略的速度相加原理针锋相对3) 3) 观念上的变革观念上的变革牛顿力学牛顿力学速度与参考系有关速度与参考系有关( (相对性相对性) )时间标度时间标度长度标度长度标度质量的测量质量的测量与参考系无关与参考系

9、无关狭义相对狭义相对论力学论力学长度、时间测量长度、时间测量 的相对性的相对性光速不变光速不变第第5章章 狭义相对论狭义相对论第第5章章 狭义相对论狭义相对论 变换应满足的条件：变换应满足的条件： 物理定律形式不变；物理定律形式不变；光速光速不变；不变； 低速回到伽利略变换。低速回到伽利略变换。1. .坐标变换坐标变换OzxyOz x y P (x, y, z,t)SSu),(tzyxPOO、0 tt重合重合时刻时刻),(:S),(:StzyxPtzyxPctzyxr222t czyxr222022222tczyx022222tczyx第第5章章 狭义相对论狭义相对论设设 x 坐标变换满足线性

10、关系：坐标变换满足线性关系：t uxkxutxkx2211cukk2222211cuxcuttzzyycuutxx正变换正变换2222211cuxcuttzzyycutuxx逆变换逆变换洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换: :推导见教推导见教材材P.128第第5章章 狭义相对论狭义相对论正变换正变换逆变换逆变换xcuttzzyyutxx2xcuttzzyytuxx2211cu令令 2. 速度变换速度变换 设设S系速度系速度),(zyxvvvvS 系速度系速度), ,(zyxvvvv根据速度定义根据速度定义：txxddv d dtxx v第第5章章 狭义相对论狭义相对论2dddd d dcxuttux

11、txx vzyvv，同同理理可可得得：)(utxx)d(d dtuxx)( 2xcutt)d(d d2xcutt正正变变换换)1 ( )1 ( 1 222cucucuuxzzxyyxxxvvvvvvvvv逆逆变变换换) 1 ( ) 1 ( 1 222cucucuuxzzxyyxxxvvvvvvvvv第第5章章 狭义相对论狭义相对论3. 洛仑兹变换的意义洛仑兹变换的意义(1) 洛仑兹变换是不同惯性系中时空变换的普遍公式洛仑兹变换是不同惯性系中时空变换的普遍公式洛仑兹变换洛仑兹变换 伽利略变换，满足对应原理伽利略变换，满足对应原理(2) 与光速不变原理、真空中光速为极限速率的实验与光速不变原理、真