大学物理简程 张三慧主编狭义相对论

会计学1大学物理简程张三慧主编狭义相对论2第6章狭义相对论

§1力学相对性原理和伽利略变换

§2狭义相对论的基本原理

§3洛仑兹变换

§4时间膨胀长度缩短

§5相对论速度变换

§6相对论的能量

§7相对论动量能量变换第1页/共39页3

主要内容：牛顿的时空观爱因斯坦的时空观爱因斯坦的狭义相对论

牛顿的相对性原理伽利略变换相对性原理、光速不变原理革命性的洛仑兹变换运动学效应时间膨胀长度收缩本章：将对运动与时空有一崭新的认识第2页/共39页4

对相对性已有的认识：运动描述与参考系有关,

运动规律与参考系无关。对牛顿力学的认识,

牛顿定律：适用于惯性系以上两点说明：牛顿定律有局限性局限来源于对时空的认识第3页/共39页5

相对性问题的核心是：物理规律是客观存在的，与参考系无关。即参考系平权，没有特殊的参考系。归根结底是：

认识论方法论的问题。教育人们要脱离自我，

客观地看问题。第4页/共39页6A君以我为标准：A君说：头朝上。B君也说：头朝上。B君问题是：A君看B君，大头朝下！如：什么是上？下？科学的语言必须准确！

必须用规律来表述。

万有引力定律：

下：指向地心。教育人们超越自我第5页/共39页7从哥白尼到爱因斯坦

---参考系的选择从哥白尼的日心说到爱因斯坦的广义相对论的过程，是人们逐步摆脱以我为核心的过程。没有特殊参考系的观点，就是以客观规律为准的观点。没有特殊参考系就是各参考系平权。平权就是各向同性，就是对称性。纪念哥白尼诞辰500周年学术会的标题第6页/共39页8学习本章的正确态度1)超越自我认识的局限2)自觉摆脱经验的束缚

--以事实为依据

牛顿的相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理

适用范围惯性系宏观低速惯性系所有参考系逐渐深化的过程第7页/共39页9明确本章研究的问题:

在两个惯性系中考察同一物理事件通常：实验室参考系定为S系运动参考系定为S'系注意不要和运动的叠加原理的内容相混淆，该问题中只涉及同一个参考系。第8页/共39页10相对论问题包括两个方面：1.物理规律与参考系无关－－相对性原理2.在两个参考系中对同一事件的描述形式不同，之间存在一个变换关系－－－变换式变换式与相应的相对性原理相对应。牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换；狭义相对性原理对应洛仑兹变换。在基本观点明确的前提下，重要的是变换式。第9页/共39页11§1力学（牛顿）相对性原理和伽利略变换一、伽利略变换二、牛顿的相对性原理第10页/共39页12在两个惯性系中考察同一物理事件一、伽利略变换设惯性系S和相对S运动的惯性系S

t时刻物体到达P点第11页/共39页13正变换逆变换第12页/共39页14速度变换与加速度变换正逆正变换用S系的时间求导牛顿时空：时间量度与参考系无关，即第13页/共39页15速度变换正逆

加速度变换惯性系第14页/共39页16在两个惯性系中二、牛顿的相对性原理在牛顿力学中力与参考系无关质量与运动无关第15页/共39页17宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同或牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变或牛顿力学规律是伽利略不变式如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）利用伽利略变换牛顿的相对性原理动量守恒定律在伽利略变换下形式不变第16页/共39页18§2狭义相对论的基本原理一、伽利略变换的困难二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设三、同时性的相对性第17页/共39页19一、伽利略变换的困难1)电磁场方程组不服从伽利略变换2)高速运动的粒子3)光速C迈克耳逊-莫雷的0结果第18页/共39页20二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设1.一切物理规律在任何惯性系中形式相同

---

相对性原理2.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1）

Einstein

的相对性理论是Newton理论的发展讨论一切物理规律力学规律大小第19页/共39页212）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3）观念上的变革牛顿力学

时间长度质量速度与参考系有关(相对性)狭义相对论力学光速与参考系无关(相对性)长度时间质量速度与参考系有关第20页/共39页222.同步钟synchronizedclocks物理过程的时间间隔？在确定的参考系中存在一系列的同步钟三、同时性的相对性

1.事件时空坐标事件：研究的物理现象时空坐标：确定事件位置的坐标空间时间t是坐标x,y,z

处的时钟测出的当地钟测当地时时空坐标第21页/共39页233.同时性的相对性

---光速不变原理的直接结果以爱因斯坦火车为例

Einsteintrain

说明同步钟第22页/共39页24Einsteintrain地面参考系在火车上分别放置信号接收器中点放置光信号发生器实验装置第23页/共39页25研究的问题两事件发生的时间间隔某时M'发一光信号事件1接收到闪光事件2接收到闪光M'发出的闪光光速为A'B'同时接收到光信号？？事件1、事件2同时发生第24页/共39页26事件1、事件2不同时发生事件1先发生处闪光光速也为S系中的观察者又如何看呢？1）同时性的相对性是光速不变原理的直接结果2）相对效应A'B'随S'运动A'迎着光，比B'

早接收到光讨论第25页/共39页27事件1、事件2不同时发生事件2先发生3）当速度远远小于c时，两个惯性系得到相同结果相对效应如果装置固定在S系中事件1A接收到信号事件2B接收到信号S系中：两事件同时发生但，S'系认为：第26页/共39页28§3洛仑兹变换一、洛仑兹变换的导出二、洛仑兹变换第27页/共39页29此时，从O点发一闪光经一段时间光传到P点一、洛仑兹变换的导出寻找重合两个参考系中相应的坐标值之间的关系第28页/共39页30由光速不变原理：由于运动发生在x方向，由发展的观点：狭义牛顿力学有<<情况下推导思路：第29页/共39页31由客观事实是确定的且空间均匀各向同性：与下面的任务是根据上述四式利用比较系数法确定系数的变换应满足线性关系第30页/共39页32二、洛仑兹变换坐标变换式正变换第31页/共39页33令则正变换逆变换第32页/共39页341）与时空坐标伽利略变换发展2）<<讨论第33页/共39页35变换无意义速度有极限实际信号传递速度都不可能超过光速3）>第34页/共39页364）由洛仑兹变换看同时性的相对性解题的一般思路事件1事件2两事件同时发生？第35页/共39页37若说明了同时性的相对性，从上述式子，可产生一个疑问：时序与因果关系已知？>0<0第36页/共3