相对论第一节

相对论第一节第1页，共18页，2023年，2月20日，星期六

相对论的创建时二十世纪物理学最伟大的成就之一。1905年爱因斯坦建立了基于惯性参考系的时间、空间、运动及其相互关系的物理新理论——狭义相对论。1915年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广，建立了广义相对论，进一步揭示了时间、空间、物质、运动和引力之间的统一性质。本章将对狭义相对论作较全面的介绍，主要内容有经典力学的伽利略变换式，狭义相对论的基本原理，洛伦兹变换式，狭义相对论的时空观和相对论力学的一些结论。第2页，共18页，2023年，2月20日，星期六14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观第3页，共18页，2023年，2月20日，星期六历史背景

·19世纪末电磁学有了很大发展，1865年麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，并指出其速率各向均为c(真空中)；1888年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。

·这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变换，光速在一个参考系中若是c，在另一参考系中必不是c。第4页，共18页，2023年，2月20日，星期六·

提出问题：

电磁场方程组在哪个参考系成立呢?·为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质，电磁波靠“以太”传播。把以太选作绝对静止的参考系；电磁场方程组只在“以太”参考系成立；电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。第5页，共18页，2023年，2月20日，星期六·

按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太”的速度有关。若此，如在地球上测光速，可能>c或<c·19世纪末，很多精确的实验和观察(最著名的是迈克耳孙--莫雷的实验)都得出完全否定的结果，在任何参考系中测得的光在真空中的速率均为ｃ。第6页，共18页，2023年，2月20日，星期六·是伽利略变换正确而

电磁规律不符合相对性原理?·还是电磁规律符合相对性原理

而

伽利略变换该修正?·爱因斯坦深入分析了此问题，于1905年发表了《论动体的电动力学》作出了对整个物理学都有变革意义的回答。爱因斯坦认为：·麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立，·在任何惯性系中光速都是各向为c。

第7页，共18页，2023年，2月20日，星期六·相对论：高速

·狭义相对论

研究：惯性系中的物理规律；惯性系间物理规律的变换。揭示：时间、空间和运动的关系。

·广义相对论研究：非惯性系中的物理规律及其变换。揭示：时间、空间和物质分布的关系。第8页，共18页，2023年，2月20日，星期六一、伽利略变换式经典力学的相对性原理*第9页，共18页，2023年，2月20日，星期六*由经典力学可知：（伽利略位置坐标变换公式）第10页，共18页，2023年，2月20日，星期六*若在惯性系S'中沿Ox'轴放置一根细棒，则此细棒两端点在S'系和S系中的坐标分别为x'1、x'2和x1、x2,则它们之间的关系：x1=x’1+vtx2=x’2+vt于是有，x2-x1=x’2-x'1与两惯性系的相对速度v无关空间的度量是绝对的，与参考系无关。此外，时间的度量也是绝对的，与参考系无关。第11页，共18页，2023年，2月20日，星期六速度变换公式*矢量形式：u'=u-v（伽利略速度变换式）第12页，共18页，2023年，2月20日，星期六加速度变换*其矢量形式：第13页，共18页，2023年，2月20日，星期六在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律具有相同的形式.当由惯性系S变换到惯性系S'时，牛顿运动方程的形式不变，即牛顿运动方程对伽利略变换式来讲是不变式。第14页，共18页，2023年，2月20日，星期六二、经典力学的绝对时空观绝对空间:

空间与运动无关,空间的度量与惯性系无关,绝对不变．绝对时间:

时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.

经典力学认为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，并且是永恒不变的、绝对静止的。第15页，共18页，2023年，2月20日，星期六力学基本规律1、牛顿定律2、有关定理：动量定理；角动量定理；动能定理、功能原理。3、守恒定律：动量守恒；角动量守恒；机械能守恒。它们只在惯性系中成立；

在任何惯性系中形式相同。第16页，共18页，2023年，2月20日，星期六·力学相对性原理1、一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式。2、一切惯性系在力学上是等价(平权)的3、在一惯性系中作任何力学实验都无法确定该惯性系是静止还是匀速直线运动·力学相对性原理源于牛顿的时空观：时间和空间的测量不依赖于惯性参考系。第17页，共18页，2023年，2月