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1、,以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到20世纪初，已经取得了空前的成就。人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运动规律逐渐扩展到高速传播的电磁波（包括光波）的场物质运动规律。,1900年元旦，英国物理学家开尔文男爵的新年祝词中宣称：,第二朵乌云：黑体热辐射实验,第一朵乌云：迈克耳逊-莫雷实验,“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了” (The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes
2、 of motion, is at present obscured by two clouds.),“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”,-导致了量子论革命的爆发,-导致了相对论革命的爆发,以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到20世纪初，已经取得了空前的成就。人类对物质世界的认识，已从宏观低速物体的运动规律逐渐扩展到高速传播的电磁波（包括光波）的场物质运动规律。,相对论与量子力学的创立是20世纪最伟大的成就， 这两门学科构成了近代物理学的基础,包括两大部分： 狭义相对论（Special Relativity 1905 年）：它研究高速运动
3、物体在惯性系中运动的规律以及物理量和物理规律在不同惯性系间的变换关系。狭义相对论揭示了时间、空间与运动的关系（局限在惯性参照系的理论） 广义相对论（general relativity）（1915 1916年）：它研究在任意参考系中物体运动的规律以及它们在不同参考系之间变换的关系。广义相对论揭示了时间、空间与引力的关系（推广到一般参照系包括引力场在内的理论）。,相对论（Theory of Relativity）,本课主要讨论狭义相对论，重点放在狭义相对论的时空观上。,狭义相对论基础,第六章 狭义相对论基础,主要内容：狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 洛仑兹变换式 运动时钟变慢和长度缩短 洛
4、仑兹速度变换 相对论质量和动量 相对论能量 相对论力和加速度间关系,在两个惯性系中考察同一物理事件,一.伽利略变换 (Galilean transformation),t 时刻，物体到达P点,设: 惯性系 S,相对S 运动的惯性系,4.1 经典力学时空观,牛顿运动定律适用的参考系,(匀速直线),正变换,逆变换,正变换,逆变换,都是惯性系,是恒量,坐标变换,速度变换与加速度变换,牛顿时空：时间量度与参考系无关，与空间无关 -绝对时间,该物体在两个惯性系中时空坐标间的变换关系为,（伽利略坐标变换）,二.伽利略相对性原理 (Galilean principle of relativity),在牛顿力
5、学中：,宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,或 牛顿力学规律是伽利略不变式,如:动量、能量守恒定律, 等,或 牛顿力学规律对一切惯性系是等价的,质量与运动无关,力与参考系无关,三、经典力学的绝对时空观,绝对空间：长度量度与参照系无关,S系,S系,时间和空间彼此独立,-与参照系无关,时空观:有关时间和空间的物理性质的认识.,-经典力学的绝对时空观,绝对时间：时间量度与参照系无关,绝对质量：物体质量与参照系无关,时间、长度、质量是绝对的,同时性是绝对的；,4.2 狭义相对论的基本假设,一.伽利略变换的困难,1) 电磁场方程组（电磁学规律）不服从伽利
6、略变换,？,2) 光速C 迈克耳逊-莫雷的 0 结果,“以太(ether)”,“以太” 论的观点：假设整个宇宙都充满着一种绝对静止的特殊媒质-“以太”。光波靠 “以太” 传播，光相对于静止的“以太”，传播速度各向同性，恒为绝对速度为C, “以太”是优于其它参考系的绝对参考系。,光的波动说,“以太”为何物？,地球相对“以太”的速度是多少？,麦克尔逊-莫雷精密的光干涉实验,-“零”结果,光相对地球的速度又是多少？,迈-莫实验,若在地球上固定一光源S按伽利略的速度合成法则，地球对以太的绝对运动必满足：,续6,绕中心O 转动干涉仪两臂光程差必改变，干涉条纹必有移动。,转过90，两臂取向互换，光程差改变
7、达极大，条纹移动量达极大,若 “以太” 观点成立，预期有 0.4 根条纹移动量,相对速率,爱因斯坦的认为：,相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。,二.爱因斯坦的狭义相对论基本假设,1. 一切物理规律在任何惯性系中形式相同 2. 光在真空中的速度与发射体的运动状态无关, Einstein 的相对性理论 是 Newton 理论的发展,一切物理规律,力学规律,1905年，爱因斯坦在论动体的电动力学中提出：, 光速不变原理,- 狭义相对论的相对性原理,与观测者的运动状态也无关,观念上的变革,牛顿力学,与参考系无关,狭义相对论力学,长度 时间 质量 与参考系有关,(相对性),说明,相对性原理从力
8、学规律推广到一切物理规律. 光速不变原理否定了经典力学的速度变换定理. 两条基本假设是整个狭义相对论的基础.,相对论问题包括两个方面：,同一事件的两种不同形式所反映的物理规律相同，那么两种形式之间必定通过变换式相互转换。,在基本观点明确的前提下，重要的是变换式！,变换式与相应的相对性原理相对应。,牛顿力学的相对性原理伽利略变换,狭义相对论的相对性原理,物理规律与参考系无关相对性原理,在两个参考系中对同一事件的描述形式不同， 之间存在一个变换关系变换式,同时发出闪光,经一段时间 光传到 P 点,一.洛仑兹变换的导出,重合,两个参考系中相应的坐标值之间的关系,4.3 洛仑兹变换(Lorentz t
9、ransformation),由光速不变原理：,由惯性系相对运动的方向：,有,由于客观事实是确定的，有相对性原理：,下面的任务是: 根据上述四式,利用比较系数法,确定系数,二.结果,坐标变换式,令,则,正变换,逆变换,正变换,伽利略变 换,数学关系反映了新的时空观,反映了同一事件在两不同惯性系中两组时空坐标的变换关系,狭义相对论的相对性原理,本意也是物理规律表达式在洛伦兹变换下保持不变.,将时间、空间、物质运动联系起来，不可分割，这正式狭义相对论的新时空观.,因时空坐标是对运动的描述，按狭义相对论的要求， 不应该为虚数，则物体速度必须小于C，指明狭义相对论的适用范围。, 由洛仑兹变换看同时性的
10、相对性,事件1,事件2,两事件同时发生,若,已知,同时性的相对性, 时序 因果关系,时空测量的相对性是否违背因果律？,对于有因果关系的两个事件，时空测量（在不同惯性系观察）不会违背因果律；,对于没有因果关系的两个事件，时序可以改变，但不违背因果律,3同时性的相对性(relativity of simultaneity),一.时空坐标 1.事件 时空坐标 2.同步钟 synchronized clocks 二.同时性的相对性 - 光速不变原理的直接结果 以爱因斯坦火车(Einstein train)为例,Einstein train,地面参考系,发一光信号,研究的问题:两事件发生的时间间隔,发出
11、的闪光,光速为,同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生,光速也为,迎着光,比 早接收到光,事件1先发生,发出的闪光,事件1、事件2 不同时发生, 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,相对效应 当速度远远小于 c 时，两个惯性系结果相同,5 时间膨胀 长度缩短,考察一只钟,在研究一个物理过程的时间间隔中,在某一惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔(同一只钟测量) ，与另一惯性系中，在两个地点的这两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。,研究的问题是：,如幽灵的寿命？,一.时间膨胀 (time dilation) 运动时钟变慢,1. 原时 (Proper time) 两地时,
12、2. 原时最短 时间膨胀,在某一参考系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔叫原时（或固有时间）。,两事件发生在同一地点,两地时,原时,由洛仑兹逆变换,原时最短,在s系中，两个钟来计时, 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征, 原时,固有时, 双生子效应,二.长度收缩 (Length contraction),对运动长度的测量问题 怎么测？ 同时测,1.原长,棒静止时测得的它的长度,也称静长,静长,棒以极高的速度相对S系运动, S系测得棒的长度值是什么呢？?,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,相应的时空坐标,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,2.原长最长,由洛仑兹变换, 相对效应
13、 纵向效应 在低速下 伽利略变换 同时性的相对性的直接结果,三.时空不变量,空间间隔 洛仑兹不变量,6 相对论速度变换,由洛仑兹变换知,洛仑兹速度变换式,逆变换,正变换,例：设想一飞船以0.80c 的速度在地球上空飞行， 如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体 相对飞船速度为0.90c 。 问：从地面上看，物体速度多大？,解：,狭义相对论动力学基础 高速运动时动力学概念如何？ 基本出发点： 基本规律在洛仑兹变换下形式不变； 低速时回到牛力,7相对论的质量和动量 一.质量和动量,1.力与动量,状态量,合理,合理,持续作用,但 的上限是 c,随速率增大而增大,要求,牛顿力学绝对质量,速度应无限
14、增大,?矛盾出现!,问题出在哪里?,如何解决?,已得:, 合理性 最终由实验证明 由于空间的各向同性 与速度方向无关, , 相对论动量,数据,二. 狭义相对论运动方程,由,得,牛顿第二定律不再和 等价, 不仅取决于,还取决于,若,与牛力形式相同,但,例 分析垂直进入均匀磁场中的带电粒子运动情况 已知:磁感强度为,0,分析：,圆周运动,实验验证 与 关系的理论基础,1908年德国布歇勒做出了质量与速度的关系 有力地支持了相对论,8 相对论能量 一.相对论动能,由,当外力对物体做功时,物体动能的增量等于合外力对它所做的功。,动能定理,在相对论力学中，仍然是成立的！,设质点从静止开始，通过外力作用距
15、离L，使动能增加，速度达到 。,合理否？,与经典动能形式完全不同 若电子速度为,二. 相对论能量,运动时的能量,静止时的能量,除动能以外的能量,任何宏观静止的物体具有能量,相对论质量是能量的量度,例 两全同粒子以相同的速率相向运动，碰后复合 求：复合粒子的速度和质量,解：设复合粒子质量为M 速度为 碰撞过程，动量守恒,由能量守恒,损失的能量转换成静能,三.相对论的动量和能量的关系 由,两边平方得,光子,又,静质量与标志能量的相对论质量的区别!,*9 相对论动量能量变换,用类比方法推导, 由E P关系,即, 由时空变换,是洛仑兹不变量, 对比相应的量,即,等,类比 洛仑兹坐标 变换 得出 动量 能量 变换,等,类比,本章小结,基本概念,1、同时性的相对性,2、时间膨胀,3、运动尺缩短,4、时空间隔,5、相对论质量,6、相对论动量,7、相对论动能,8、相对论质能关系,9、相对论动量能量关系式,基本规律,1、伽利略坐标变换式 , 伽利略速度变换式,2、狭义相对论基本原理 爱因斯坦相对性原理 物理规律对所有惯性系都相同。 光速不变原理 任何惯性系中，真空中光的速率都为 c 。,3、洛仑兹变换 坐标变换式 速度变换式,确定事件、明确时空坐标； 分析已知和未知条件； 正确使用洛仑兹坐标变换和速度变换。,本章作业:,(339页) 1, 2, 4, 5, 6, 11, 16,