大学物理ch141第一次课课件

第14章狭义相对论力学基础本章内容：14.1经典力学的相对性原理伽利略变换14.2狭义相对论的两个基本假设14.3狭义相对论的时空观14.4洛伦兹变换14.5狭义相对论质点动力学简介第14章狭义相对论力学基础本章内容：14.1经典力学的相空间只是物质运动的“场所”是与其中的物质完全无关而独立存在的，并且是永恒不变、绝对静止的。因此，空间的度量就应当与惯性系无关，绝对空间观。14.1.1经典力学的绝对时空观时间也是与物质的运动无关而永恒地、均匀地流逝的，也是与惯性系无关的，绝对时间观。相对于不同的参考系,长度(空间)和时间的测量结果是一样的吗?经典力学认为：时间和空间的量度和参考系无关，实践已证明,绝对时空观是不正确的.14.1经典力学的相对性原理伽利略变换因此，时间和空间的测量是绝对的。并且与物质的存在和运动无关。空间只是物质运动的“场所”是与其中的物质完全无关而独立存在的相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是完全一样的吗？14.1.2经典力学的相对性原理牛顿力学的回答:在所有惯性系中，物体运动所遵循的牛顿力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学表达形式。即:对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。注意2.经典力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的。力学的相对性原理1.关键词：惯性系、力学规律相同。

3.经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关。14.1经典力学的相对性原理伽利略变换相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是14.1.214.1.3伽利略坐标和时间变换式在两个惯性系中分析描述同一物理事件。伽利略时空变换式在t＝0

时刻，物体在

O点,

S

、S‘系原点重合以u运动。t

时刻，物体到达

P

点。正变换P(x,y,z;t)(x',y',z';t')yOzSx

(x')O'z'y'S'逆变换14.1经典力学的相对性原理伽利略变换14.1.3伽利略坐标和时间变换式在两个惯性系中分析描述同由定义u

是恒量速度变换和加速度变换式为并注意到写成分量式

请大家思考，速度、加速度的逆变换式如何？14.1经典力学的相对性原理伽利略变换由定义u是恒量速度变换和加速度变换式为并注意到写成分量式u

是恒量速度变换和加速度逆变换式为

请大家写出速度、加速度逆变换的分量表示式14.1.4牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性在牛顿力学中质量与运动无关力与参考系无关14.1经典力学的相对性原理伽利略变换u是恒量速度变换和加速度逆变换式为请大家写出速度、加速度二、经典力学的相对性原理三、伽利略坐标变换式正逆小结关键词：惯性系、力学规律形式相同。一、经典力学的绝对时空观时间、空间测量与参照系无关。与物质的存在和运动无关。二、经典力学的相对性原理三、伽利略坐标变换式正逆小结关键词14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.1光速的伽利略变换未能被实验证实真空中光速是恒量对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.1光速的伽利球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波到达观察者所需要的时间.球投出后

迈克耳孙-莫雷实验14.2狭义相对论的两个基本假设球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试14.2.2狭义相对论的两个基本假设1905年，A.Einstein首次提出了狭义相对论的两个假设爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.

理论特色：出于简单而归于深奥.AlbertEinstein(1879–1955)20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献.14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.2狭义相对论的两个基本假设1905年，A.Ei在所有惯性系中,一切物理学定律都相同,即具有相同的数学表达式。或者说,对于描述一切物理现象的规律来说，所有惯性系都是等价的。假设2.

光速不变原理在所有惯性系中，真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量，与光源和观察者的运动状态无关。说明:(1)相对性原理是自然界的普遍规律.(2)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.关键词：惯性系、物理学定律形式相同。假设1.

爱因斯坦相对性原理14.2狭义相对论的两个基本假设在所有惯性系中,一切物理学定律都相同,即具有相同的数学表达式讨论(1)Einstein

相对性原理是

Newton力学相对性原理的发展。

在牛顿力学中，与参考系无关。

在狭义相对论力学中，与参考系有关。(2)

时间和长度等的测量。

(3)光速不变原理与伽利略的速度合成定理不符。小结四、狭义相对论的两个基本假设假设1.

爱因斯坦相对性原理（自己小结）假设2.

光速不变原理（自己小结）关键词：惯性系、物理学定律形式相同。关键词：惯性系、真空中光速为恒量。14.2狭义相对论的两个基本假设讨论(1)Einstein相对性原理是Newton力14.4洛伦兹变换Einstein依据相对性原理和光速不变原理得到了狭义相对论的坐标变换式，即洛伦兹坐标变换式。它是关于同一物理事件在两个惯性系中的两组时空坐标之间的变换关系。假设某一事件在惯性系

S

中的时空坐标为(x,y,z,t)，在惯性系S'中的时空坐标为(x',y',z',t')

，则其坐标之间的变换关系，即洛伦兹坐标变换式表示为P(x,y,z;t)(x',y',z';t')yOzSx

(x')O'z'y'S'14.4.1洛伦兹坐标和时间变换式14.4洛伦兹变换Einstein依据相对性原理和光速不变正变换式逆变换式讨论(1)变换式中

(x,y,z)

和

(x',y',z')的关系是线性的，这是因为一事件在两惯性系的坐标总是一一对应的，这是真实物理事件必须满足的。14.4洛伦兹变换正变换式逆变换式讨论(1)变换式中(x,y(2)空间测量与时间测量相互影响，相互制约。请大家自己写出逆变换式事件1事件2时间间隔空间间隔SS'14.4洛伦兹变换(2)空间测量与时间测量相互影响，相互制约。请大家自己写(3)当u<<c洛伦兹变换简化为伽利略变换式(4)光速是各种物体运动的极限速度为虚数（洛伦兹变换失去意义）14.4洛伦兹变换(3)当u<<c洛伦兹变换简化为伽利略变换式(4)五、洛伦兹时空变换式正逆

小结14.4洛伦兹变换五、洛伦兹时空变换式正逆小结六、时间间隔与空间间隔关系正逆14.4洛伦兹变换六、时间间隔与空间间隔关系正逆例地面参考系

S中，在

x

=1.0106

m

处，于t=0.02s

的时刻爆炸了一颗炸弹。如果有一沿x轴正方向、以

u

=0.75c

速率飞行的飞船。求在飞船参考系中的观测者测得这颗炸弹爆炸的地点(空间坐标)和时间。若按伽利略变换，结果又如何？解由洛伦兹变换式得，在

S'

系中测得炸弹爆炸的空间和时间坐标分别为14.4洛伦兹变换例地面参考系S中，在x=1.0106m处，于按伽利略变换14.4洛伦兹变换按伽利略变换例北京和西安相距

1165km，北京站的甲火车先于西安站的乙火车

2.0×10-3s

发车。现有一艘飞船沿从北京到西安的方向从高空掠过，速率恒为

u=0.6

c

。求飞船参考系中测得的甲乙两列火车发车的时间间隔，哪一列先开?解取地面为S系，和飞船一起运动的参考系为S'系，北京站为坐标原点，北京至西安方向为x轴正方向，依题意有OxS'

O'

Szy西安北京14.4洛伦兹变换例北京和西安相距1165km，北京站的甲火车先于西安站的第14章狭义相对论力学基础本章内容：14.1经典力学的相对性原理伽利略变换14.2狭义相对论的两个基本假设14.3狭义相对论的时空观14.4洛伦兹变换14.5狭义相对论质点动力学简介第14章狭义相对论力学基础本章内容：14.1经典力学的相空间只是物质运动的“场所”是与其中的物质完全无关而独立存在的，并且是永恒不变、绝对静止的。因此，空间的度量就应当与惯性系无关，绝对空间观。14.1.1经典力学的绝对时空观时间也是与物质的运动无关而永恒地、均匀地流逝的，也是与惯性系无关的，绝对时间观。相对于不同的参考系,长度(空间)和时间的测量结果是一样的吗?经典力学认为：时间和空间的量度和参考系无关，实践已证明,绝对时空观是不正确的.14.1经典力学的相对性原理伽利略变换因此，时间和空间的测量是绝对的。并且与物质的存在和运动无关。空间只是物质运动的“场所”是与其中的物质完全无关而独立存在的相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是完全一样的吗？14.1.2经典力学的相对性原理牛顿力学的回答:在所有惯性系中，物体运动所遵循的牛顿力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学表达形式。即:对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。注意2.经典力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的。力学的相对性原理1.关键词：惯性系、力学规律相同。

3.经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关。14.1经典力学的相对性原理伽利略变换相对于不同的参考系,经典力学定律的形式是14.1.214.1.3伽利略坐标和时间变换式在两个惯性系中分析描述同一物理事件。伽利略时空变换式在t＝0

时刻，物体在

O点,

S

、S‘系原点重合以u运动。t

时刻，物体到达

P

点。正变换P(x,y,z;t)(x',y',z';t')yOzSx

(x')O'z'y'S'逆变换14.1经典力学的相对性原理伽利略变换14.1.3伽利略坐标和时间变换式在两个惯性系中分析描述同由定义u

是恒量速度变换和加速度变换式为并注意到写成分量式

请大家思考，速度、加速度的逆变换式如何？14.1经典力学的相对性原理伽利略变换由定义u是恒量速度变换和加速度变换式为并注意到写成分量式u

是恒量速度变换和加速度逆变换式为

请大家写出速度、加速度逆变换的分量表示式14.1.4牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性在牛顿力学中质量与运动无关力与参考系无关14.1经典力学的相对性原理伽利略变换u是恒量速度变换和加速度逆变换式为请大家写出速度、加速度二、经典力学的相对性原理三、伽利略坐标变换式正逆小结关键词：惯性系、力学规律形式相同。一、经典力学的绝对时空观时间、空间测量与参照系无关。与物质的存在和运动无关。二、经典力学的相对性原理三、伽利略坐标变换式正逆小结关键词14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.1光速的伽利略变换未能被实验证实真空中光速是恒量对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略变换吗？14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.1光速的伽利球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波到达观察者所需要的时间.球投出后

迈克耳孙-莫雷实验14.2狭义相对论的两个基本假设球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试14.2.2狭义相对论的两个基本假设1905年，A.Einstein首次提出了狭义相对论的两个假设爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.

理论特色：出于简单而归于深奥.AlbertEinstein(1879–1955)20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献.14.2狭义相对论的两个基本假设14.2.2狭义相对论的两个基本假设1905年，A.Ei在所有惯性系中,一切物理学定律都相同,即具有相同的数学表达式。或者说,对于描述一切物理现象的规律来说，所有惯性系都是等价的。假设2.

光速不变原理在所有惯性系中，真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量，与光源和观察者的运动状态无关。说明:(1)相对性原理是自然界的普遍规律.(2)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.关键词：惯性系、物理学定律形式相同。假设1.

爱因斯坦相对性原理14.2狭义相对论的两个基本假设在所有惯性系中,一切物理学定律都相同,即具有相同的数学表达式讨论(1)Einstein

相对性原理是

Newton力学相对性原理的发展。

在牛顿力学中，与参考系无关。

在狭义相对论力学中，与参考系有关。(2)

时间和长度等的测量。

(3)光速不变原理与伽利略的速度合成定理不符。小结四、狭义相对论的两个基本假设假设1.

爱因斯坦相对性原理（自己小结）假设2.

光速不变原理（自己小结）关键词：惯性系、物理学定律形式相同。关键词：惯性系、真空中光速为恒量。14.2狭义相对论的两个基本假设讨论(1)Einstein相对性原理是Newton力14.4洛伦兹变换Einstein依据相对性原理和光速不变原理得到了狭义相对论的坐标变换式，即洛伦兹坐标变换式。它是关于同一物理事件在两个惯性系中的两组时空坐标之间的变换关系。假设某一事件在惯性系

S

中的时空坐标为(x,y,z,t)，在惯性系S'中的时空坐标为(x',y',z',t')

，则其坐标之间的变换关系，即洛伦兹坐标变换式表示为P(x,y,z;t)(x',y',z';t')yOzSx

(x')O'z'y'S'14.4.1洛伦兹坐标和时间变换式14.4洛伦兹变换Einstein依据相对性原理和光速不变正变换式逆变换式讨论(1)变换式中

(x,y,z)

和

(x',y',z')的关系是线性的，这是因为一事件在两惯性系的坐标总是一一对应的，这是真实物理事件必须满足的。14.4洛伦兹变换正变换式逆变换式讨论(1)变换式中(x,y(2)空间测量与时间测量相互影响，相互制约。请大家自己写出逆变换式事件1事件2时间间隔空间间隔SS'14.4洛伦兹变换(2)空间测量与时间测量相互影响，相互制约。请大家自己写(3)当u<<c洛伦兹变换简化为伽利略变换式(4)光速是各种物体运动的极限速度为虚数（洛伦兹变换失去意义）14.4洛伦兹