大学物理第6章狭义相对论基础PPT课件

2E 2E 2E 1 2E
0
x2 y2 z2 c2 t2
EE(r)costcr
c1 00 2.998108m/s
波的传播速度
矛盾
电磁场理论本身要求c是物理常数，即与参照系无关。
经典时空观下利用G变换，波速与参照系的选取有关：
u cu
c
相对绝对空间（恒星）
相相对对地地球球
u cu
电磁场方程不满足G变换！
同的表达形式. 2 光速不变原理
真空中的光速是常量，沿各个方向 都等于c ，与光源或观测者的运动状态 无关.
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这两条基本原理是狭义相对论的基础.
关键概念：相对性和不变性 .
伽利略变换与狭义相对论的基本原 理不符.
狭义相对论的基本原理与实验事实 相符合.
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电磁场规律可导出电磁波（光波）满足的波动方程为
u * (x',y',z',t')
的时空坐标如
图所示.
x'
zo
o'
z'
x
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洛伦兹坐标变换式
x
xut
12
(xut)
y y
uc
z z
1 12
t
t
u c2
x
(t
u
x)
12
c2
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x(xut)
正 变 换
y y zz
t (t ux)
逆 变 换
c2
x(xu t)
y y
zz
t (tux)
c2
注意
uc 时, uc 1
由此得出两个公设：相对性原理和光速不变原理
第6章 狭义相对论基础
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§6.1 牛顿相对性原理 和Galileo变换
5
Galileo相对性原理
在任何惯性参照系中，力学基本定律（牛顿定律） 具有相同的形式。或：力学规律在所有惯性系中都是 等价的。
Newton的绝对空间和绝对时间
绝对空间，就其本质而言，与外界任何事物无关， 而永远是相同的和不动的。
Einstein认为：电磁场的规律应满足相对性原理（作为物
理常数的c也不随参照系变）；绝对时空不存在； G变换是错
误的。
§6.2 Lorentz 相对性原理和光速
12
不变
§6.3 Lorentz 变换
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洛伦兹变换式
符合相对论理论的时空变换关系．
设 tt0时，
重合o;, o事 件 P
y
s s'
y ' P(x,y,z,t)
事件 2
1
o o ' 12
12
9 39 3
6
6
2
12 x ' x 9 3
6
(x1,y1,z1,t1)
(x2,y2,z2,t2)
Δt t2 t1
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S'系 (车厢参考系 )
(x'1,y'1,z'1,t'1) (x'2,y'2,z'2,t'2)
y ' u
1
o ' 12 93 6
2
12 x '
93 6
和 z 分别平行； S相对于 S 以一速率 u沿 x的正向运动；当
tt0时，两原点O 和O 重合。 y y
若在S 系中观察一事件， 时空坐标为 (x, y, z,t) ，在 S
S S u
系中观察为 (x,y,z,t)，则： z z O O
x x ut
y y
z z
t t
逆变换：
狭 义 相 对 论
A.爱因斯坦(1879-1955)
二十世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。
(1921年获诺贝尔物理学奖)
1
本章主要内容
§6.1 牛顿相对性原理和Galileo变换 §6.2 Einstein相对性原理和光速不变 §6.3 Lorentz变换 §6.4 同时性的相对性和时间延缓 §6.5 长度收缩 §6.6 相对论速度变换 §6.7 相对论质量 §6.9 相对论动能 §6.10 相对论能量 §6.11 动量和能量的关系
v x v x u v y v y
ax ax
ay a y
即
a
a
v
z
vz
a
z
az
因 FF,m m ，故
Fma和
F ma同时成立。
§6.1 牛顿相对性原理和 Galileo
8
变换
§6.2 Einstein相对性 原理和光速不变
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狭义相对论的基本原理
1 相对性原理 物理定律在所有惯性系中都具有相
19世纪末到20世纪初，人们发现了许多与经典物理学理论 相抵触的实验事实：
（1）运动物体的电磁感应现象 （2）真空中电磁场方程在Galileo变换下不是协变的。 （3）地球相对于“光媒质”（以太）运动的速度得到否定 结果，直接冲击经典时空观。
Einstein深入思考这些问题，认为：（1）电磁场是独立的 实体，不存在“以太”——不存在绝对的空间；（2）电磁场 的规律适用于任何不同的惯性系；（3）同时性具有相对意 义——不存在绝对的时间。
x x ut
(x,y,z,t)
y y z z
(x, y, z,t)
t t
x x
§6.1 牛顿相对性原理和 Galileo
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变换
Galileo变换是建立在经典时空观基础上的变换式：绝对空 间、绝对时间、时空独立无关。
Galileo变换可导出Galileo相对性原理：
tt dtdtvxd d x td d x td d x tud d ttvxu
2
第6章 狭义相对论基础
1905年6月， A. Einstein发表 了长论文《论动体的电动力学》， 完整地提出了狭义相对性理论，即 狭义相对论。它是区别于牛顿时空 观的一种新的时空理论。
狭义（特殊）——只适用于惯 性参照系。
相对论和量子论是近代物理学的两大基础理论。
第6章 狭义相对论基础
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狭义相对论的产生背景
绝对的、真正的、数学的时间，自己流逝着，并由 于它的本性而均匀地、与任何外界对象无关地流逝着。
牛顿认为：长度的量度和时间的量度和参考系无关。即同样两
点间的距离或同样的前后两个事件之间的时间，无论在哪个惯 性系中测量都是一样的。
§6.1 牛顿相对性原理和 Galileo
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变换
Galileo时空变换
设 S和 S为 两惯性系，对应的坐标 x和 x、 y和 y 、 z
在一个惯性系同 时发生的两个事件，
Δt u Δx
在另一个惯性系是 Δt
c2
否同时?
1 2
20
Δt u Δx
讨论
Δt'
c2
1 2
S系
S′系
1 同Δ x 时不0同Δ t地0------不同时
2 Δ x0Δ t0 同地不同时 ------不同时
转换为伽利略变换式.
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§6.4 同时性的相对性
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同时的相对性
事件 1 :车厢后壁接收器接收到光信号. 事件 2 :车厢前壁接收器接收到光信号.
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设 S系中x1、x2两处发生两事件,时间
间隔为Δtt2t1.问 S′系中这两事件
发生的时间间隔是多少？
S 系 ( 地面参考系 ) 事件 1
y y ' u