相对论基础讲义PPT共19页

在经典时空观基础上建立的时、空变换法则：
3. 伽利略变换
研究P点运动
y
y/
P(x , y , z , t ) 时空坐标
S系
S/系
(x/, y/, z/ , t /)
o z
z/
o/ x u x/
S/系相对于S系以速度 u沿x正向作匀速直线运动
t = t / =0时， o 、o/ 重合
今后讨论狭义相对论使用的条件
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x 射线 19世纪末20世纪初，物理学三个重大发现： 电子
放射性 从此，人们对物质世界的认识进入了微观领域。
在微观领域中，实验事实和经典理论发生尖锐的矛盾， 经典理论在取得巨大成绩的面前遇到了不可逾越的障碍：黑 体辐射、迈克尔逊—莫雷实验等。
为解决这些困难，一批年轻物理学家：爱因斯坦、普朗 克、波尔、德布洛意等等，敢于冲破经典理论的束缚，提出 一套全新的理论，导致了近代物理的诞生。
1900年， 普朗克 提出——量子论 1905年，爱因斯坦提出——狭义相对论、广义相对论
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相对论和量子论是近代物理的二大理论支柱，在此理论 的基础上，人们逐步抛弃改变旧的观点。近代物理的迅速发 展不仅在理论上获得极大成功，而且导致科学技术方面的重 大革命：
原子弹、氢弹的爆炸，核能的利用； 半导体器件、大规模集成电路、计算机日新月异的发展； 激光、光纤通讯……
对于力学的运动规律，一切惯性系都是等价的。
如：测量一长度，或一段时间
甲
尺
乙 甲、乙测尺长度 和石子落下时间
同一空间的大小 同一物理过程的时间
与惯性系无关（绝对时空观）
在不同惯性系中，对同一物理过程，规律一样，但看到 的结果不一样，因此要用一个变换。
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在力学中研究物体的位置随时间变化，离不开长度和时间的 测量，因此变换的核心是时、空坐标变换；
近代物理 前言
19世纪下半期，经典物理学发展到了顶峰，完成了三大 理论体系：
机械运动——牛顿运动定律 热运动——热力学与经典统计理论
电磁运动——麦克斯韦电磁场理论
开尔文（英）在一篇瞻望二十世纪物理学前景的文章中 宣称：物理学的大厦已建成，后辈的物理学者只要作些粉刷 修补的工作就可以了。
但是，人类对世界的认识是无止境的。
研究物体的位置随 t 变化，离不开长度和时间的测量， 请问：
在不同惯性系中测量 同一物体的长度 Dl 同一物理过程经历 的时间 Dt
相同吗？
物理学对上述问题的回答，经历了从牛顿力 学到相对论的发展
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二. 经典力学的基本理论
1. 经典力学的时空观（绝对时空观）
时间、空间可以脱离物质运动而存在 时间、空间没有任何联系 时间、空间与参照系无关
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三. 在电磁运动规律中，伽利略变换遇到困难
Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换（方程形式发生变化）
由Maxwell 电磁场方程组推出真空中光速：
c 1 / 00 2 .9 9 1 8 m 8 0 s恒量
利用伽利略变换：
S 光源 c
S/ u 0.6c S// u 0.6c
2. 麦氏方程可能不是普遍成立的，具有局限性 但是，实验事实指出：在不同参照系中，麦氏方程皆正确
3. 如果麦氏方程组普遍成立，惯性系等价也成立，则变换错了！ 即：伽变换不成立伽变换要修正经典的时空观要修正
1905年，爱因斯坦（26岁）发表了“论运动物体
的
电动力学”，指出伽变换、绝对时空观的局限性，
当物体的 v ~ c 时，我们对运动规律的推断远远超出平常 经验的范围。我们对高速运动的物体无经验可谈，这是学习相 对论的困难的根源，希望大家有思想准备。
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第 15 章 狭义相对论力学基础
§15.1 相对论的起因
科学史上重大变革的基本标志——新的时空观的建立
中世纪：亚里士多德——地心说 18世纪： 哥白尼 ——日心说 伽利略、牛顿认为宇宙没有中心，空间任何 一点都是平等的，空间、时间是绝对的。
光速： vc
v0.4c
v1.6c
但实验指出： c 与参照系无关
光速的伽利略变换不正确、麦氏方程组作伽变换在不 同参照系中形式不同，摆在人们面前的新问题：
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1. 不同的惯性系可能是不等价的，从而可能存在一个独特的 惯性系。在这个惯性系中，麦氏方程组保持原有形式。 这个惯性系的代表物质是什么？ ——以太 但是，迈克尔逊—莫雷实验否定了绝对参照系（以太）的存在
用牛顿的话来说： “绝对的、真正的、数学的时间自身在流逝，而且由于其
本性，在均匀地与任何外界事物无关地流逝着…… ” “绝对的空间就其本质而言，与任何外界事物无关，而且
是永远相同和不动的…… ”
时间、空间是绝对的 即：在不同惯性系中
力学定律的形式完全相同
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2. 力学相对性原理 1632年，伽利略： 在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动所遵循 的力学规律是相同的，具有相同的数学表达式。
“惯性系”在哪里？ 地、日、星、都不是惯性系，整个银河系都在运动
牛顿深知自己理论的缺陷，他假设自然界中有一种 不动的物质：“以太” 可作为绝对静止的参照系。许多 人去测量物体相对“以太” 的速度（绝对速度），但实 验否定了“以太”的存在。
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2. 不同的惯性系是等价的吗 ？ 在不同的惯性系中，物理定律形式相同吗爱因斯坦两条原理
一. 两条原理（假设）
1. 相对性原理 在所有的惯性系中，物理定律都有相同的表达形式； 在描述物理规律时，一切惯性系都是等价的。
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P点二组坐标的关系：
伽利略变换
xxut
y y
t t
z'z
t't
v'xvxu v'y vy v'z vz
t t
ax ax ay ay
aa
速v 物 度S变 换v 公物 式S：v SS
az az

在所不以同：的在惯在S性S/中中系：：中F F ， mm m 不a a 变 ，即F ：与牛（参顿具考有定系伽律无利关的略形变式换不的不变变性）
经典力学建立在绝对的时空观的基础上：
绝对时间 绝对空间
绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关
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一. 牛顿定律的局限性
任何物理定律都有一定的适用范围 牛顿定律的适用范围 宏观、低速物体运动 在惯性系中成立
1. 什么是 “惯性系” ？
“牛顿定律成立的参照系称为惯性系” “凡是相对惯性系做匀速直线运动的参照系都是惯性系”