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1、第十七章第六章狭义相对论第1篇力学sciencep23比较广义相对论时空观实验检验伽利略变换洛仑兹变换绝对时空观狭义相对论时空观相对论动力学基础力学相对性原理狭义相对性原理推广广义相对性原理推广结构框图4经典物理：伽利略时期——19世纪末经过300年发展，到达全盛的“黄金时代”形成三大理论体系1.机械运动:以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典力学2.电磁运动:以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学(光学)3.热运动：以热力学三定律为基础的热力学宏观理论分子热运动为基础的统计物理学微观理论§6-1相对论产生的历史背景和物理基础两朵乌云：1.迈克尔孙—莫雷实验的“零结果
2、”2.黑体辐射的“紫外灾难”51.力学相对性原理(伽利略相对性原理)惯性系——惯性定律严格成立的参考系。力学规律在所有惯性系中都有相同的形式;在研究力学规律时所有惯性系都是等价的。在一个惯性系中所做的任何力学实验，都不能判断该惯性系相对于其它惯性系的运动。——力学相对性原理伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述62.经典力学的时空观(1)同时性是绝对的。(2)时间间隔是绝对的。或写为S：两事件同时发生，t2-t1=0S：t2-t1=t2-t1=0即在S系两事件也是同时发生的。7(3)空间间隔(距离)是绝对的。这就是说，同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的
3、，与参考系的选择无关。而且，时间和空间是彼此独立的、互不相关的，并且独立于物质和运动之外。这就是经典力学的时空观,也称绝对时空观。8设惯性系S和S系坐标轴相互平行，且S相对S以速度u沿x轴正方向作匀速直线运动，当t=t=0时两坐标系的原点o与o重合。S系：P(x,y,z,t)，S系：P(x,y,z,t)•PxySuutxoz3.伽利略变换一个参考系的描述另一参考系的描述变换或操作或9速度变换与加速度变换:•PxySuutxoz10经典力学认为，物体的质量及相互作用力与运动无关。这就是说,牛顿运动定律及由其导出的一切经典力学规律对一切惯性系来说,
4、都具有相同的数学形式。即力学规律在伽利略变换下保持不变,符合力学相对性原理。伽利略变换是如何体现力学相对性原理?在惯性系S中，牛顿定律成立，即在惯性系S中，按照伽利略变换：114.伽利略变换的困难(1)经典电磁理论不具有伽利略变换不变性。(2)与高速运动(光的传播)的实验结果不符。真空中的光速：迈克耳孙-莫雷实验结果：光速与参考系无关！彼此矛盾！由伽利略变换：速度与参考系选择有关。12§6-2狭义相对论的基本假设1.相对性原理物理定律在所有的惯性系中都具有相同的数学形式。即物理学定律与惯性系的选择无关，所有的惯性系都是等价的.2.光速不变原理在所有惯性系中,真
5、空中的光速都具有相同的量值c。也就是说，不管光源与观察者之间的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测的真空中光速都是相等的。131)Einstein的理论是Newton理论的发展。一切物理规律力学规律2)光速不变与伽利略变换不相容。3)时空观的变革。牛顿力学:同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的，与惯性系的选择无关。狭义相对论力学:光速不变原理将导致同时性以及长度、时间测量均具相对性。讨论14以爱因斯坦火车为例说明。在火车上，A、B分别放置信号接收器，中点O放置光信号发生器，t=t=0时O发一光信号。A接收到闪光——事件1，B接收到闪光——事件2。S系：
6、站台系：S系，火车系：S系S系：光速c不变，A迎着光,应比B早接收到光.事件1、事件2不同时发生,事件1先发生。事件1、事件2同时发生。S系S系ccu同时性是相对的！15§6-3洛仑兹变换设惯性系S´相对惯性系S以速度u沿x轴正方向作匀速直线运动，两坐标原点o与o在t=t=0时重合。•PxySuutxoz假设此时在共同原点发出一个光脉冲，经过一段时间该脉冲到达P点。显然：y=y,z=z所以只需确立(x,t)与(x,t)之间的变换关系。16(1)相对性原理对变换关系的要求与应该是相同的，即变换应是线性的。考察O点的坐标：任一时刻•PxySuutxo
7、zS系:x=0S系:x=-ut即：x=x+ut=0根据时空均匀性，对任一点P有如下线性关系：同理，考察O点的坐标，则有:x=x-ut=0对P点:17(2)光速不变原理对变换关系的要求•PxySuutxoz将y=y,z=z……(1)……(2)代入(2)并与(1)比较,得18最后得到或这就是洛仑兹坐标正变换。由正变换可得到洛仑兹坐标逆变换：SSSS19(1)洛仑兹变换是时空变换的普遍关系.(4)洛仑兹变换揭示了光速c是一切物体运动速度的极限。S′S讨论洛仑兹变换的意义(2)洛仑兹变换是物理定律的试金石。(3)洛仑兹变换揭示了时间、空间与物质运动
8、不可分割的联系。当u<<
