大学普通物理课件 第6章 - 狭义相对论基础

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1、第六章狭义相对论基础TheBasisofSpecialRelativity本章主要内容§6-1牛顿相对性原理和Galileo变换§6-2Einstein相对性原理和光速不变§6-3同时的相对性和时间延缓§6-4长度收缩§6-5Lorentz坐标变换§6-6相对论速度变换§6-7相对论质量§6-9相对论动能§6-10相对论能量§6-11动量-能量关系式第六章狭义相对论基础1905年6月，A.Einstein发表了长论文《论动体的电动力学》，完整地提出了狭义相对性理论，即狭义相对论。它是区别于牛顿时空观的一种新的时空理论。狭义（特殊）——

2、只适用于惯性参照系。相对论和量子论是近代物理学的两大基础理论。第六章狭义相对论基础狭义相对论的产生背景19世纪末到20世纪初，人们发现了许多与经典物理学理论相抵触的实验事实：Einstein深入思考这些问题，认为：（1）电磁场是独立的实体，不存在“以太”——不存在绝对的空间；（2）电磁场的规律适用于任何不同的惯性系；（3）同时性具有相对意义——不存在绝对的时间。（1）运动物体的电磁感应现象（2）真空中电磁场方程在Galileo变换下不是协变的。（3）地球相对于“光媒质”（以太）运动的速度得到否定结果，直接冲击经典时空观。由此得出两

3、个公设：相对性原理和光速不变原理第六章狭义相对论基础§6-1牛顿相对性原理和Galileo变换GalileanPrincipleofRelativityandGalileanTransformationGalileo相对性原理在任何惯性参照系中，力学基本定律（牛顿定律）具有相同的形式。或：力学规律在所有惯性系中都是等价的。Newton的绝对空间和绝对时间绝对空间，就其本质而言，与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的。绝对的、真正的、数学的时间，自己流逝着，并由于它的本性而均匀地、与任何外界对象无关地流逝着。§6-1Gali

4、leo相对性原理和Galileo变换Galileo时空变换Oxyz设和为两惯性系，对应的坐标和、和、和分别平行；相对于以的速率沿的正向运动；当时，两原点和重合。逆变换：若在系中观察一事件，时空坐标为，在系中观察为，则：§6-1Galileo相对性原理和Galileo变换Galileo变换是建立在经典时空观基础上的变换式：绝对空间、绝对时间、时空独立无关。Galileo变换可导出Galileo相对性原理：因，故和同时成立。§6-1Galileo相对性原理和Galileo变换§6-2Einstein相对性原理和光速不变Einstein

5、’sPrincipleofRelativityandConstancyofLightVelocity电磁场规律可导出电磁波（光波）满足的波动方程为电磁场方程不满足G变换！电磁场理论本身要求c是物理常数，即与参照系无关。波的传播速度经典时空观下利用G变换，波速与参照系的选取有关：矛盾相对地球相对绝对空间（恒星）相对地球Einstein认为：电磁场的规律应满足相对性原理（作为物理常数的c也不随参照系变）；绝对时空不存在；G变换是错误的。§6-2Lorentz相对性原理和光速不变（1）相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中的形式保持不变。（2

6、）光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度c传播。——光速有各向同性，光速与频率无关，与光源运动无关，与观察者所处惯性系无关。——Galileo力学相对性原理的推广。狭义相对论的基本假设：§6-2Lorentz相对性原理和光速不变§6-3同时性的相对性和时间延缓在惯性系（车厢）中有两个事件：（1）光到达接收器（2）光到达接收器由Lorentz变换中两事件同时发生：中两事件：和中两事件不同时发生：[事件（1）先于（2）]结论：沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，其中一个惯性系表现为同时发生，但在另一个惯性系表现为不同时，且在前一惯

7、性系运动的后方的那个事件先发生。用光速不变原理定性说明光速不变原理所致！§6-4同时性的相对性中两事件同时发生：中两事件不同时发生：返回§6-4同时性的相对性2.时间延缓由Lorentz变换式设在系中某固定点，先后两次发出闪光，在系中测得其时间间隔为。在系中测得两次闪光的时间间隔为事件（1）：第一次闪光事件（2）：第二次闪光§6-5长度收缩和时间延缓固有时间——同一地点先后发生的两事件的时间间隔。固有时间结论：测量运动物体上的一个固定点先后发生的两事件的时间间隔，要比静止于该物体时所测得的时间间隔长——时间延缓效应。固有时间总是最短

8、的。§6-5长度收缩和时间延缓如果有两只完全相同的钟：时间延缓效应也是相对的。车上的钟比我的慢！站台的钟比我的慢！动钟变慢说明：时间延缓是对抽象意义的时间而言。它表明：观察一个运动参照系中固定点发生的任