[2018年必威体育精装版整理]06华中科技大学大学物理狭义相对论0901.pptVIP

* * 第6章 狭义相对论 一、牛顿力学（经典力学）的成就 经典物理学 经典统计力学 经典力学 在科学技术今后的发展中，仍将发挥不可替代的作用。 经典电磁学 蒸汽机和电机的发明 电力技术革命 产业革命 在这种形势下，相对论和量子力学应运而生。相对论和量子物理是近代物理的两大支柱。 历史进入到20世纪，物理学开始深入到微观、高速领域，人们发现牛顿力学不再适用！ 本章学习惯性系内高速运动规律——狭义相对论。 二、牛顿力学中值得“推敲”的问题： 问题： 1、对于不同的参考系，基本力学定律的形式是完全一样的吗？ 对这些问题的回答，物理学经历了从牛顿力学到相对论的发展。 原则上，可以在任意参考系中，运用力学规律对同一物体的同一运动进行研究。——运动的相对性 2、对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样吗？ 第1节 伽利略变换 一、伽利略相对性原理 牛顿力学回答： 对于任何惯性系，牛顿定律都成立； 对于不同的惯性系，力学的基本规律——牛顿定律，其形式都是一样的； 在任何惯性系中观察，同一力学现象将按相同的形式发生和演变。 谈论某一惯性系的绝对运动或绝对静止是没有意义的。静止是相对的。不存在任何一个特殊的惯性系。 ——伽利略（力学）相对性原理 关于时间和空间的问题，牛顿认为： 绝对空间——长度的量度与参考系无关； 绝对时间——时间的量度与参考系无关； 牛顿的绝对时空概念是人们对空间和时间认识的理论总结。 时间和空间是相互独立的。 绝对时空观 力学相对性原理 和 绝对时空是直接联系在一起的。 空间与运动无关， 空间的度量与惯性系无关，绝对不变。 伽利略变换 时间均匀流逝，与物质运动无关，所有惯性系有统一的时间。 在两个惯性系中考察同一物理事件： 令两坐标系的原点重合时为计时起点。 二、伽利略坐标变换式 t 时刻，某质点到达P点。 x y O y′ x′ O′ 设有两个参考系 ： 系相对于 系以恒定的速度 沿 轴正向运动。 正变换 逆变换 或 伽利略坐标变换式 三、伽利略速度变换与加速度变换 正 逆 惯性系 常数 四、力学定律对伽利略变换不变 由于同一质点的加速度在不同惯性系中的量值是一样的，牛顿定律在不同惯性系中具有完全相同的形式。因此，牛顿三定律皆对伽利略变换不变。 其它由牛顿运动定律导出的力学规律如动量守恒定律、能量守恒定律、角动量守恒定律等也对伽利略变换不变。即力学定律对伽利略变换不变。 ——力学的相对性原理 五、牛顿力学的时空观 由伽利略变换可得： 任何一个物理事件所经历的时间，从任何一个参考系来测量，都将是完全一样的。 时间的量度与参考系无关。 对空间中某两点之间的距离，在 系和 系中的测量值分别是： 测量距离两端要求同时进行： 空间任何两点间的距离，在任何一个惯性参考系中测量，都是绝对相等的。 空间的量度与参考系无关。 实践证明，绝对时空观是不正确的； 综上所述，时间的量度和空间的量度都与参考系无关，时间与空间无关，时间、空间与物质无关。 ——牛顿力学的绝对时空观。 相对论否定了绝对时空观，并建立了新的时空概念。 19世纪末电磁学有了很大发展，1865年麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在；指出光是一种电磁波，真空中其速率各向均为c ；1888年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。 但按伽利略变换，光速在一个参考系中若是c，在另一参考系中必不是c。 第2节 狭义相对论基本原理 一、伽利略变换的局限性（牛顿力学的困难） 问题1：关于光速 问题2：伽利略变换对电磁规律不适用。 人们假设：宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质，电磁波靠“以太”传播。 “以太”是一切运动的绝对静止的参考系；电磁场方程组只在“以太”参考系成立；光波在“以太”参考系中速率各向为c。 按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系（如地球） 速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太”的速度有关。 若此，如在地球上测光速，可能 c或 c。 问题3：关于真空中的电磁波 迈克耳孙 莫雷实验 光波靠 “以太” 传播，光对 “以太” 的绝对速度为 。 光对以太 若在地球上固定一光源 地球对以太 光对地球 按伽利略的速度变换，地球对以太的绝对运动必满足： 若能用实验证明光波对地球的相对运动 符合上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，“以太” 观点成立。 迈克耳孙设计了一种检验方法 地球 底盘 镜1 镜2 玻片 11 m 臂长 l = 590 nm 迈克耳孙干涉仪 观察记录 干涉条纹 相对速率 光对以太 地球对以太 光对地球 假如存在“以太”， 的大小必与传播方向有关。 绕中心O 转动干涉 仪，两臂时间差 必改变，干涉 条纹