电动力学高教第三

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1、第六章狭义相对论主要内容：相对论的基本原理洛伦兹变换相对论的四维形式相对论的时空理论相对论力学相对论的历史背景实验基础电动力学的相对论协变性相对论：关于时空的理论狭义相对论：局限于惯性参考系的时空理论本章难点：1、相对论的时空理论；2、相对论四维形式的理解；3、电动力学相对论协变性的导出过程。*本章重点：1、经典时空理论和迈克尔逊实验；2、狭义相对论基本原理、洛仑兹变换；3、同时的相对性和尺缩、钟慢效应，洛仑兹速度变换；4、相对论四维形式和四维协变量；5、电动力学的相对论协变性。6、相对论力学的基本理论并解决实际问题。§6.

2、1历史背景及重要实验基础引言牛顿力学麦克斯韦电磁场理论热力学与经典统计理论•19世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。两朵乌云：•迈克尔逊——莫雷“以太漂移”实验•黑体辐射实验•近代物理不是对经典理论的简单否定•近代物理不是经典理论的补充，而是全新的理论狭义相对论量子力学近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的物理理论。——在两个惯性系中分析描述同一物理事件(event)一、伽利略变换在t时刻，P点在两个惯性系的坐标分别为(X')OXYO'Z'Y'vP(x,y,z)Z在t＝0时刻，系重合，以速度V沿x方向运动

3、空间距离：两点(x1,y1,z1,t1)，(x2,y2,z2,t2)之间的时间间隔：•时间是绝对的•空间是绝对的时空相互分离由伽利略坐标变换式可得伽利略速度变换式：——绝对时空观二力学相对性原理(GalileanPrincipleofRelativity)⑵一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。⑴在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；不能在一个参照系内部做实验来确定该参照系相对另一系的速度。三电磁现象与经典力学的矛盾1.按经典力学理论光速可变且与光源运动相关XOYY'vX'O’在系光速各向同性系光速各向异

4、性光沿系Y轴传播的速度光沿系X轴传播的速度麦克斯韦方程不正确伽利略变换不适合高速运动电磁运动不服从相对性原理2.由麦克斯韦方程得出电磁波在真空中的传播速度在各个方向均为3.导致电磁现象与经典力学的矛盾的三种可能4.“以太”概念及绝对参照系（1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；（2）具有高弹性。（3）它只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。光借助“以太”媒质传播，在相对静止的“以太”媒质中，光的传播速度各向同性，均为C。四迈克耳逊——莫雷实验假定相对性原理不成立，麦克斯韦方程的形式仅在以太中成立

5、。因此在地球上可以设计实验来验证地球相对“以太”的速度。反过来可以通过实验寻找“以太”静止的绝对参考系。假定在“以太”中光速各向同性且恒等于C，而在其它参考系光速各向异性。假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。对光线（1）：对光线（2）：设光程差光程差与条纹移动关系仪器转动引起干涉条纹的移动：1881年迈克耳逊第一次实验，预期1887年迈克耳逊和莫雷改进实验，预期实验结果迈克耳逊干涉仪观测到0.01个条纹的移动。迈克耳逊—莫雷实验的零结果，说明了“以太”本身不存在。该实验被认为是狭义相对论

6、的主要实验支柱之一。1907年迈克耳逊因创制精密光学仪器而获得诺贝尔物理学奖五结论①.以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。②.地球上各方向光速相同，与地球运动状态无关。其他实验：⑴横向多普勒效应实验，证实相对论的运动时钟延缓效应⑵高速运动粒子寿命的测定，证实运动时钟延缓效应⑶携带原子钟环球飞行实验，证实狭义与广义相对论的运动时钟延缓总效应⑷相对论质能关系的实验检验另外，用星光作光源的实验、双星实验、及用高速运动粒子作光源的实验等都证明光速不依赖于观察者所在的参考系，且与光源的运动无关。物理

7、定律在所有的惯性系中都具有相同形式；所有惯性系都等价，不存在特殊的、绝对的惯性系。§6.2狭义相对论的基本原理洛仑兹变换1相对性原理（relativityprinciple）真空中光速相对任何惯性系沿任何一个方向大小恒为C，且与光源运动速度无关。2光速不变原理(principleofconstancyoflightvelocity)一基本原理（两个公理）⑴它否定了伽利略变换，即否定了经典时空观。⑵光速大小与参照系无关，但方向在不同参照系中可以不同。⑶光速数值不变，则不同参照系中时间、空间要发生关联。光速不变将导致同时的相对性

8、按经典理论，在一个参考系中同时发生的两件事，在另一系中仍为同时发生。但按相对论理论，同时具有相对性，即在一个参考系中同时发生的两件事，在另一系中可能不同时发生。Σ’系观测A与B同时收到光信号Σ系观测A先收到光信号ABCCABCC二间隔不变性1、事件：在无限小空间，无限小时间间隔内发生的物质