第八章-狭义相对论基础PPT精品课件

第五篇 近 代 物 理 学 基 础
十九世纪末，经典物理学（力学、电磁学、光学、 热学）已发展到相当完善的阶段，但一些新的实验 事实却对经典物理学产生了新的冲击。
一个是迈克尔孙—莫雷实验否定了绝对参照系（以 太）的存在；另一个是热辐射现象不能用经典物理 学的理论加以解释。前者导致了狭义相对论的诞生； 而后者则最终产生了量子理论。
即：空间间隔的测量不依赖于惯性参照系的选择。
或： S系中的尺在S’系中长度不变。
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(4) 伽利略相对性原理：
由伽利略坐标变换式：
x x' ut '
正变换：
y z
y' z'
t t'
x' x ut
逆变换：
y' z'
y z
t' t
可得速度变换式：
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fz maz maz' fz'
或：
F m a m a ' F '
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F m a F ' m a '
伽利略相对性原理：
在所有惯性系中，牛顿定律的形式是完全相同的。 或：力学定律的形式对伽利略变换是不变的。
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3、绝对时空观的困难：
(1) 因果关系中时序颠倒的问题; (2) 超新星爆炸持续时间的问题; (3) 经典电磁理论中光速不变问题; (4) 微观粒子的静止寿命和运动寿命不同的问题。
狭义相对性原理是对伽利略相对性原理的推广。它指 出了不可能借助于任何物理测量来识别一个惯性系究竟是 固有的运动还是固有的静止。从而否定了以太的存在以及 绝对运动和绝对静止的观念。
(2) 光速不变原理： 在任何惯性系中，光在真空中的速率都相等。
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§8-3 同时的相对性、时间
延缓、长度收缩
力学的研究是建立在时间和空间测量的基础上的。 经典力学认为时间间隔和空间间隔的测量是不依赖 于参照系的选择的，是绝对的。在此基础上建立的 经典力学精确地描述了宏观物体低速运动的情况。 如：机器的运转、天体的运动等。
但当物体以与光速可比拟的速度运动时，经典的绝 对时空观点与实际情况出现了很大的偏差。此时， 要以相对论时空观点来描述高速物体的运动情况。
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1、同时的相对性：
设一列车固定于S’系，车厢中部有一 闪光灯M’。A’、B’为固定于车厢两端 完全同步的时钟。且M’A’ = M’B’。某 时刻由M’发出一闪光信号。
Y Y'
S系 S’系
u
A'
M'
B'
o o' u c Z Z'
c u X X'
对S’系：因为A’、B’ 、M’相对S’系静止，所以闪光将同时到 达 A’和B’ 。
逆变换：
y'
y
z' z
称为伽利略坐标变换，由此变换可得牛顿的绝对时空观。
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2、经典的绝对时空观：
(1) 同时的绝对性： 设某事件在S系中发生在 t 时刻，在S’系中发生在 t’ 时刻。
则： txx'u'tt' uu
即在S系和S’系中，同一事件发生在同一时刻。
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(2) 时间间隔的绝对性：
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(3) 空间间隔的绝对性： 设一把尺在 S 系中长为Δx = x2 – x1 ，在 S’ 系中长为 Δx’ = x’2 – x’1 。
则由伽利略变换：
x 2 x 1 ( x 2 ' u 2 ' ) ( x 1 ' t u 1 ' ) ——t1'— —t——2't x ' 2 x ' 1
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经典力学只适用于大块物体低速运动的情况。 当物体的运动速度与光速可比拟时，则要用相对论 力学来描述，而微观粒子的运动情况符合量子力学 的规律。
宏观物体
微观粒子
低速运动
经典力学
量子力学 （非相对论形式）
高速运动 相对论力学
量子力学 （相对论形式）
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第八章 狭 义 相 对 论 基 础
设某事件在S系中的持续时间为 Δt = t2 – t1 ，在 S’ 系中的持 续时间为 Δt’ = t2’ - t1’ 。 则由同时的绝对性得：
t 2 t 1 t 2 ' t 1 '或 t t '
即：在不同的惯性系中，同一事件持续的时间相同。 或： S系和S’系中的时钟走得一样快。
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运动的描述是相对的，即在不同的参照系中观察 同一物体的运动时，空间位置和运动速度是不同 的。其差别由两个参照系的相对运动所决定。但 经典力学（牛顿力学）认为：在不同的惯性参照 系中，时间间隔和空间间隔的测量不依赖于参照 系的选择，而具有绝对的意义。
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1、伽利略坐标变换：
设 S、S’ 为两个惯性参照系，对应 轴相互平行，X 、X’ 轴重合，S’ 相 对S 以匀速 u 沿X轴正向运动。
…… ……
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§8-2 狭义相对论的两个基本原理
1905年爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文 中提出了狭义相对论的两个基本假设，从而建立了 相对论理论。而牛顿力学则作为相对论在低速情况 下的一个特例。
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(1) 狭义相对性原理：
物理定律的形式（力的、光的、电磁的等）在 所有惯性系中都是相同的。即所有惯性参照系 都是等价的。
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➢经典时空观
(1) 伽利略变换和经典时空观
➢相对论时空观
(2) 狭义相对论的两个基本原理 (3) 同时的相对性、时间延缓、长度收缩 (4) 洛仑兹变换和相对论时空观 (5) 相对论速度变换
➢狭义相对论动力学
(6) 狭义相对论动力学基础
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§8-1 伽利略变换、经典时空观
v
x
v x' u
v y v y'
v
z
v z'
v
x
'
v
x
u
v y' v y
v
z'
vz
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由速度变换式：
v
x
v x' u
v y v y'
v
z
v z'
得加速度变换式：
a
x
a x'
a y a y'
a
z
a z'
v
x
'
v
x
u
v y' v y
v
z'
vz
fx max max' fx' 所以：fy may may' fy'
质点P在S、S’系中的时空坐标为： S:( x , y, z, t ), S’: ( x’, y’, z’, t’ )
Y S系
y
ut o
x
z
Z
z'
Z'
Y' S’系 u
y' P
x' o'
X'
X
设 t = t’ = 0 时， o、o’ 重合，则：
x x' ut'
正变换：
y
y'
z z'
x' x ut