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1、第6章狭义相对论基础(specialrelativity)§6.1牛顿相对性原理和伽利略变换§6.2爱因斯坦狭义相对性原理和光速不变原理§6.3相对论运动学---同时性的相对性和时间延缓§6.4相对论运动学---长度收缩§6.5洛仑兹坐标变换§6.6相对论速度变换公式§6.7相对论质量§6.10动量和能量的关系§6.9相对论能量§6.8相对论动能…1§6.1牛顿相对性原理和伽利略变换一、时间和空间⑴时间:⑵空间：表示物质运动的持续性。时间好比均匀流逝的长河,事件按时间的排列好比港口沿长河布置,港口不能脱离长河,而长河可以脱离港口。表示物质运动的
2、广延性。空间好比容器或舞台，物质和动物在其中运动或演出。演员可以退场，而舞台依然存在，可以想象无物质的空间,但反过来不行。第6章狭义相对论基础(specialrelativity)2⑶牛顿经典时空观的绝对性。⑷牛顿力学的绝对时空观集中反映在两个相互独立的做匀速直线运动的惯性系之间的时空变换上。二、伽利略变换(1)惯性系对某一特定物体惯性定律成立的参考系或相对于惯性系作匀速直线运动的参考系都是惯性系。按牛顿的经典时空观,时间和空间独立于意识,独立于物质,而且彼此独立。3(2)坐标变换考察两个作匀速直线运动的惯性系S和S’如图P(x,t)(x’,t
3、’)oXYSo’X’Y’S’u设当t=0时,oo’重合,则同一事件在两个坐标系下的关系如下:45由伽利略变换我们可见:如果在不同地点发生两个事件，在S系看来是同时发生的，则在S’系看来也是同时发生的△t=△t’=0。⑵时间间隔的绝对性⑴同时的绝对性:设A、B两个事件,在S和S’两个系的钟记录分别为t’A、t’BtA、tB则两个事件的时间间隔相同△t=tB-tA=t’B-t’A=△t’6⑶空间间隔的绝对性则两个事件的空间间隔相同△x=xB-xA=x’B-x’A=△x’设A、B两个事件,在S和S’两个系的坐标记录分别为x’A、x’BxA、xB7速度
4、变换加速度变换即同一质点在两个惯性系的加速度相同。8三、牛顿力学相对性原理:在彼此做匀速直线运动的所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律是完全相同的,应具有完全相同的数学表达式。即:对于描述力学现象的规律而言,所有惯性系是等价的,这称为力学的相对性原理。如S系F=maS’系F’=ma’9uu注意:力学规律等价并不意味着在不同惯性系所见的现象一致。如图车箱里乘客与地面上的人所见到的运动现象。10§6.2爱因斯坦狭义相对性原理和光速不变原理一、狭义相对论产生的历史背景1.伽利略速度变换的困惑c+v例1：11例1：设想两个人玩排球，甲击球给乙。乙看到
5、球是因为球发出的光到达了乙的眼睛。甲乙两人之间的距离为l,球发出的光相对于它的传播速度为c。在甲即将击球之前，球暂时处于静止状态，球发出的光相对于地面的传播速度是c，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚△t=l/c。在极短冲击力作用下，球出手时速度达到v，按上述经典的合成规律，此刻由球发出的光相对于地面的速度为c+v，乙看到球出手的时刻比它实际时刻晚△t’=l/(c+v)。显然△t’<△t,这就是说,乙先看到球出手,后看到甲即将击球,这种先后颠倒的现象谁也没有看到过。1219世纪,一些人认为电磁波和机械波一样,是在某一种媒质中传播的,该媒质被称为“以
6、太”。认为以太是绝对静止的,并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极大的弹性模量,但又不产生任何阻力等一些特性。地球在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地球,地球以怎样的速度在以太的海洋中航行,在其中飞行的地球上应该感到迎面吹来的以太风。如果在地面上让光线在平行和垂直于以太风的方向上传播,它们应有不同的速度。2.电磁理论与经典力学的矛盾13“以太”假说使麦克斯韦电磁理论和牛顿力学发生矛盾。设有一个电磁信号,以速度u相对于以太传播,取以太为惯性系S,则在S系中测得光速为c,按伽利略变换,在以恒定速度u相对以太作匀速直线运动的另一惯性系S’中观测
7、者,测得光速为c±u(正负号分别相对于u和c的方向相反和相同),即麦克斯韦方程组中的光速在不同的惯性系中不具有等价性。这样就出现了电磁定律和经典力学的基础---伽利略变换之间的矛盾。如何解决这一矛盾,当时有如下三种不同意见:143.电磁理论与经典力学矛盾处理的三种意见⑴认为只存在一种适用于力学规律的相对性原理,但不适用于电磁学。在电磁现象中存在一个特别优越的惯性系以太,只有在以太这个绝对静止的参照系中麦克斯韦方程中的光速取值为即在以太参考系中光速各向同性,在其它性中光速不满足各向同性。15⑵认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相对性原理,但
8、电磁理论应当加以修正。⑶认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相对性原理,但牛顿力学应当加以修正。19世纪的大多数物理学家为解决这个矛盾都选择了前两
