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1、高中物理竞赛力学教程相对论初步知识相对论是木世纪物理学的最伟人的成就之一，它标志着物理学的重人发展，使一些物理学的基木概念发生了深刻的变革。狭义相对论提岀了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质聚和能量的内在联系，构成了近代物理学的两人支柱之一。§2.1狭义相对论基本原理2、1、1、伽利略相对性原理1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，作出了如下概述：相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式，换言Z,在描述力学的规律上,一切惯性系都是等价的。这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力
2、学的相对性系原理。其中“惯性系”是指凡是牛顿运动定律成立的参照系。2、1、2、狭义相对论的基本原理19世纪屮叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象,而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空屮的传播速度为一常数，c=3.0xl（T米/秒，并很快为实验所证实。从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度少光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质（以太）传播的，那么光速相对于绝对静止的以太
3、就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其屮以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却打经典的运动学理论相矛盾。爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空观的束缚，科学地提出了两条假设，作为狭义相对论的两条基本原理：1、狭义相对论的相对性原理在所有的惯性系中，物理定律都具有和同的表达形式。这条原理是力学相对性原理的推广，它不仅适用于力学定律，〃至适合电磁学，光学等所有物理定律。狭义相对论
4、的相对性原理表明物理学定律与惯性参照系的选择无关，或者说一切惯性系都是等价的，人们不论在哪个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系是静止的，还是在作匀速直线运动。2、光速不变原理在所有的惯性系中，测得真空屮的光速都等于c,与光源的运动无关。迈克耳孙一莫雷实验是光速不变原理的有力的实验证明。事件任何一个现彖称为一个事件。物质运动可以看做一连串事件的发展过程，事件可以有各种具体内容，如开始讲演、火车到站、粒子衰变等，但它总是在一定的地点于一定吋刻发生，因此我们用四个坐标（小八乙,r）代表一个事件。间隔设两事件（西丛）
5、与（兀2，）‘2，0，/2）,我们定义这两事件的间隔为&=列2一耳）2-（兀2-兀1）2-伉-订一（5-间隔不变性设两事件在某—参考系中的时空坐标为（码』1心』［）与（兀2，歹2必2』2）,其间隔为屛=c2（t2-rj2-（兀2-兀1）2一（歹2-儿）2-（Z2-石尸在另一参考系中观察这两事件的吋空坐标为（兀1，）1，可，-）Lj（x2,y2,z2^t2）,其间隔为s-=c2（t2-订-（兀2-订-（y2-y,）2-fc-©）2由光速不变性町得S2=52这种关系称为间隔不变性。它表示两事件的间隔不因参考系变换
6、而改变。它是相对论时空观的一个基本关系。2、1、3、相对论的实验基础斐索实验上世纪人们用“以太”理论来解释电磁现象，认为电磁场是一种充满整个空间的特殊介质一一“以太”的运动状态。麦克斯韦方程在和对以太静止的参考系屮才精确成立，于是人们提出地球或其他运动物体是否带着以太运动？斐索实验（1851年）就是测定运动媒质的光速实验。其实验装置如图2—1所示；光由光源厶射出后，经半透镜P分为两束，一束透过P到镜然后反射到“2,再经镜M3到p,其中一部分透过P到目镜几另一束由P反射后，经镜必3、“2和再回到p吋，一部分被反
7、射，亦到目镜几光线传播途中置有水管，整个装置是固定于地球上的，当管中水不流动时，两光束经历的吋间相等，因而到达目镜中无位相差。当水管中的水流动时，两束光中一束顺水流传播，一束逆水流传播。设水管的长度皆为/,水的流速为八折射率为〃，光在水中的速度为n。设水完全带动以太，则光顺水的传播速度为cc—+vVn,逆水为n；若水完全不带动以太，光对装置的速度顺逆水均为川；若部分被带动，令带动系数（曳-+kv--kv引系数）为匕则顺水为〃，逆水为〃，k多少由实验测定，这时两束光到达目镜T的时差为A21214lkvc"7^—
8、—kv—+kv£nnnk=1斐索测量干涉现彖的变化，测得斤，所以光在介质参考系屮的传播速度为C(
9、U=—+1——VCOS&nJ式中“是光线传播方向与介质运动方向间的夹角。现在我们知道，匀速运动介质中的光速可由相对论的速度合成公式求得，设介质(水)相对实验室沿X轴方向以速度v运动，选&系固定在介质上，在“上观察，介质中的光速各方向都是〃,所以光相对实验室的速度«为CC——+V-+VItn-nUC
