第6章狭义相对论完全版1.pptxVIP

第 6 章狭义相对论 (special relativity)Einstein爱因斯坦(6)(1879—1955) 相对论和量子理论是20世纪物理学的两个最伟大的科学发现。我们首先介绍相对论，再讨论量子论。 爱因斯坦的相对论分为狭义相对论和广义相对论。前者分析时空的相对性,建立高速运动力学方程;后者论述弯曲时空和引力理论。 本章仅限于介绍狭义相对论的内容。 狭义相对论主要研究两个事件在不同的惯性系下时间的关系； 研究两个事件在不同的惯性系下空间距离关系。 狭义相对论主要研究两个事件在不同的惯性系下时间的关系； 研究两个事件在不同的惯性系下空间间隔关系。事件：发生一个事情称为一个事件。任何一个事件发生总有一个时空坐标（x,y,z,t）。 如：同学们开始上课是一个事件。有一个时间，有一个地点。下课也是一个事件。当然也有时间和地点。我们看：如果一个同学在宇宙飞船上上课，上课时间为45分钟。这节课在地球上看是75分钟！！ 上课、下课这两个事件在宇宙飞船上看时间间隔45分钟，同样还是这两个事件在地球上看却是75分钟。又如: 如果在宇宙飞船上同时测量桌子的两端，（假设飞船沿着桌子长度方向飞行， ），那么飞船上测得的长度为桌子两端的距离间隔为1米。0.6米！！ 大家对牛顿经典力学比较熟悉，牛顿经典力学适用于宏观、低速运动。就是包括航天科技的科学试验也服从牛顿力学。尽管火箭速度很大，但用经典力学去研究不会出现偏差。因为火箭的速度和光速比较，还是太小太小。 我们来看看牛顿的经典时空观： 1 时间间隔与参考系无关 所有的惯性参考系中对两事件的时间间隔测量结果相同。时间的长短与参考系无关。时间间隔是绝对的。 2 空间的长短与参考系无关 所有的惯性参考系中对两事件的空间间隔测量结果相同。空间间隔的长短与参考系无关。空间间隔是绝对的。3 同时性与参考系无关 如果在一个惯性参照系下看，某两个事件同时发生；在另一个惯性系下，该二事件仍然同时发生。同时性是绝对的。牛顿的绝对时空观在《自然哲学的数学原理》： 同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的，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。§6.1 伽利略变换和经典力学时空观1.伽利略变换—经典力学时空观的数学表达 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， 且两惯性系的各对应坐标轴相互平行,而当t=t? =0时两坐标系的原点o与o? 重合。 现在从S、 S? 系对同一质点P进行观测，它在两惯性系中的时空关系为：Syu?Pxxoutz伽利略变换速度变换与加速度变换:￠=aaxx￠=aaa = a′yy￠=aazza = a′ 经典力学认为,物体的质量与运动无关，于是有 这就是说, 力学规律(牛顿运动定律)对一切惯性系来说,都具有相同的形式;或者说, 在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的。力学规律(牛顿运动定律)在伽利略变换下的这种不变性，叫做力学相对性原理，或伽利略相对性原理。2.经典力学的时空观S(1)同时性是绝对的。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。(2)时间间隔是绝对的。或写为(3)空间间隔(距离)是绝对的。S 这就是说，同时性、时间间隔和空间距离都是绝对的，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。 这种绝对时空观念，只适用于低速运动(并与通常人们头脑中的时空观念一致)；而在高速运动中，它的缺陷就明显表现出来了。 3.伽利略变换的困难 麦克斯韦在1865年对电磁规律进行了总结，建立了电磁场理论，预言了电磁波的存在，预言了光波也是电磁波。光在真空中的传播速度：光在真空中的传播速度：这个公式没有涉及到参考系，c是参考系无关的量。 在任何惯性系下观察，光在真空中的速度都为c.这已经被实验所证实。Syu但：cS系测得光脉冲速度为cxo系测得光脉冲速度为z于是矛盾出来了。开尔文把这矛盾形容为物理学晴朗天空边际上的一朵乌云。 1905年，富于创新精神的年仅26岁的青年物理学家爱因斯坦脱颖而出，对此进行了深入的研究,力排众议，发表了《论动体的电动力学》这篇论文,建立了崭新的时空观念，对此问题作出了对整个物理学带有根本性变革意义的回答。 实际上，关键之处在于他提出了两条假设（后来叫公理），从而建立了狭义相对论。§6-2 爱因斯坦狭义相对论的基本假设1.相对性原理 所有物理定律在一切惯性系中都具有相同的数学形式。 也就是说,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。 没有一个特殊的惯性系存在。这条原理是伽利