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1、1234是否對所有的參考系是否對所有的參考系形式都一樣？形式都一樣？基本量：長度和時(shí)間的測量基本量：長度和時(shí)間的測量牛頓力學(xué)的回答：在任何慣性系中觀察，同一力學(xué)現(xiàn)象牛頓力學(xué)的回答：在任何慣性系中觀察，同一力學(xué)現(xiàn)象將按同樣的形式發(fā)生和演變。將按同樣的形式發(fā)生和演變。牛頓相對性原理、力學(xué)相對性原理、伽利略不變性牛頓相對性原理、力學(xué)相對性原理、伽利略不變性5重要結(jié)論：重要結(jié)論：只能確定兩個(gè)慣性系的相對運(yùn)動(dòng)速度，談?wù)撃持荒艽_定兩個(gè)慣性系的相對運(yùn)動(dòng)速度，談?wù)撃骋粦T性系的絕對運(yùn)動(dòng)（絕對靜止）是沒有意義的一慣性系的絕對運(yùn)動(dòng)（絕對靜止）是沒有意義的。絕對空間絕對空間：長度的量度與參考系無關(guān)。長度的量度與參考系

2、無關(guān)。絕對時(shí)間絕對時(shí)間：時(shí)間的量度與參考系無關(guān)。時(shí)間的量度與參考系無關(guān)。牛頓牛頓絕對時(shí)空觀絕對時(shí)空觀宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同力學(xué)相對性原理力學(xué)相對性原理6在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件。設(shè)慣性系在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件。設(shè)慣性系S和相對和相對S運(yùn)動(dòng)的慣性系運(yùn)動(dòng)的慣性系S，兩參考系中的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)兩參考系中的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)完全相同、校好而且是同步完全相同、校好而且是同步的，物體到達(dá)的，物體到達(dá)P點(diǎn)點(diǎn)指示的時(shí)指示的時(shí)間分別為間分別為t、t(兩系原點(diǎn)重合兩系原點(diǎn)重合時(shí)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)）時(shí)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)）,yoPoS uxxuSyz z) z , y,

3、 x()z ,y,x(7由由絕對時(shí)空觀，絕對時(shí)空觀，正變換正變換utxxyy zz tt 逆變換逆變換ttzzyyt uxxyoPoS uxxuSyz z) z , y, x()z , y,x(伽利略坐標(biāo)變換伽利略坐標(biāo)變換分別對三個(gè)方向的分量對時(shí)間求導(dǎo)，可得分別對三個(gè)方向的分量對時(shí)間求導(dǎo)，可得zzyyxxv v,v v,uv vuv v（伽利略速度變換）伽利略速度變換）a a8在牛頓力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的速度無關(guān)，力只跟在牛頓力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的速度無關(guān)，力只跟質(zhì)點(diǎn)的相對位置或相對運(yùn)動(dòng)有關(guān)，且都與參考系無關(guān)。在質(zhì)點(diǎn)的相對位置或相對運(yùn)動(dòng)有關(guān)，且都與參考系無關(guān)。在S系中，如果系中，如果a

4、mF那么，在那么，在S系中，則系中，則mm,FFdt pddt) vm(d amF即即牛頓定律同樣成立。牛頓定律同樣成立。牛頓絕對時(shí)空觀牛頓絕對時(shí)空觀牛頓相對性原理牛頓相對性原理9 電磁場方程組不服從伽利略變換電磁場方程組不服從伽利略變換(對不同的慣性系有不對不同的慣性系有不同的形式）。同的形式）。光速光速C。根據(jù)伽利略變換，在兩個(gè)不同的參考系根據(jù)伽利略變換，在兩個(gè)不同的參考系S、S中測光速，有中測光速，有uc c而由而由麥克斯韋電磁場理論麥克斯韋電磁場理論s/m.c800109921 1000 ,與與參考系選取無關(guān)，故參考系選取無關(guān)，故c應(yīng)在任何參考系中都相等。應(yīng)在任何參考系中都相等。188

5、7年，為年，為邁克爾遜邁克爾遜-莫萊實(shí)驗(yàn)?zāi)R實(shí)驗(yàn)證實(shí)。證實(shí)。高速運(yùn)動(dòng)的粒子。高速運(yùn)動(dòng)的粒子。伽利略變換（絕對時(shí)空觀）不正確？伽利略變換（絕對時(shí)空觀）不正確？電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律不符合相對性原理？電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律不符合相對性原理？1118871887年，邁克爾遜年，邁克爾遜- -莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)如圖，由光源如圖，由光源S S發(fā)出波長為發(fā)出波長為的光，入的光，入射到半透鏡片射到半透鏡片G G后，一部分光線反射到平面后，一部分光線反射到平面鏡鏡M2M2，形成光線形成光線，光線，光線再由鏡再由鏡M2M2反射反射回來，透過回來，透過G G到達(dá)望遠(yuǎn)鏡到達(dá)望遠(yuǎn)鏡T T；另一部分光線另一部分光線則透過則透過G

6、 G，形成光線形成光線，光線，光線再由鏡再由鏡M1M1反反射到達(dá)射到達(dá)G G，經(jīng)經(jīng)G G反射到達(dá)反射到達(dá)T T。假定假定GM1GM1和和GM2GM2的長度均為的長度均為L L，且且M1M1和和M2M2之間不嚴(yán)格垂直，那么，在望遠(yuǎn)鏡的目鏡中之間不嚴(yán)格垂直，那么，在望遠(yuǎn)鏡的目鏡中將看到干涉條紋。將看到干涉條紋。實(shí)驗(yàn)過程是，將該裝置旋轉(zhuǎn)一圈實(shí)驗(yàn)過程是，將該裝置旋轉(zhuǎn)一圈360360度度 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，望遠(yuǎn)鏡中沒有看到干涉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，望遠(yuǎn)鏡中沒有看到干涉條紋的移動(dòng)。條紋的移動(dòng)。12意義：意義：相對于牛頓相對性原理，適用范圍從僅適用于力學(xué)現(xiàn)象相對于牛頓相對性原理，適用范圍從僅適用于力學(xué)現(xiàn)象擴(kuò)展到適用于所

7、有物理現(xiàn)象（包括電磁現(xiàn)象）；擴(kuò)展到適用于所有物理現(xiàn)象（包括電磁現(xiàn)象）；排除了絕對運(yùn)動(dòng)（靜止）的概念（在任何一個(gè)慣性系內(nèi)，排除了絕對運(yùn)動(dòng)（靜止）的概念（在任何一個(gè)慣性系內(nèi)，任何物理實(shí)驗(yàn)都不能用來確定本參考系的運(yùn)動(dòng)速度）。任何物理實(shí)驗(yàn)都不能用來確定本參考系的運(yùn)動(dòng)速度）。19051905年，年，論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)，愛因斯坦：，愛因斯坦：物理規(guī)律對所有的慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特物理規(guī)律對所有的慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特殊的（如殊的（如“絕對靜止絕對靜止”的）慣性系。的）慣性系。1愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相對性原理13光速不變原理光速不變原理愛因斯坦相對性原理愛因斯坦相

8、對性原理+狹義相對論狹義相對論伽利略伽利略變換變換洛侖茲洛侖茲變換變換在任何慣性系中，光在真空中的速率都相等。在任何慣性系中，光在真空中的速率都相等。2光速不變原理光速不變原理14 狹義相對論在狹義相對論在觀念上的變革：觀念上的變革：牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)時(shí)間標(biāo)度時(shí)間標(biāo)度長度標(biāo)度長度標(biāo)度質(zhì)量的測量質(zhì)量的測量與參考系無關(guān)與參考系無關(guān)速度與參考系有關(guān)速度與參考系有關(guān)( (相對性相對性) )狹義相對狹義相對論力學(xué)論力學(xué)光速不變光速不變長度長度 時(shí)間時(shí)間 質(zhì)量質(zhì)量與參考系有關(guān)與參考系有關(guān)( (相對性相對性) )15愛因斯坦從愛因斯坦從1616歲開始的歲開始的1010年中思考年中思考的問題：的問題：何為時(shí)間？

9、何為時(shí)間？結(jié)論：結(jié)論：時(shí)間的量度是相對的時(shí)間的量度是相對的，在不，在不同參考系中先后兩事件之間的時(shí)間間隔同參考系中先后兩事件之間的時(shí)間間隔不同。不同。16假設(shè)一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛。車假設(shè)一列很長的火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛。車廂中央有一個(gè)光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁廂中央有一個(gè)光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁，這是兩個(gè)事件。車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)和后壁，這是兩個(gè)事件。車上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事件是同時(shí)的。在他看來這很好解釋，因?yàn)檐噹?。在他看來這很好解釋，因?yàn)檐噹莻€(gè)慣性系，光向前、后傳播的速度是個(gè)慣性系，光向前、后傳播的速度相同，光源又在

10、車廂的中央，閃光當(dāng)相同，光源又在車廂的中央，閃光當(dāng)然會同時(shí)到達(dá)前后兩壁。然會同時(shí)到達(dá)前后兩壁。 車下的觀察者則不然。他觀測到，車下的觀察者則不然。他觀測到，閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁。閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁。 反過來，把火車、光源放在地面參考系中，則在運(yùn)動(dòng)的慣反過來，把火車、光源放在地面參考系中，則在運(yùn)動(dòng)的慣性系中也可觀察到在地面同時(shí)發(fā)生的這兩件事也不同時(shí)了。性系中也可觀察到在地面同時(shí)發(fā)生的這兩件事也不同時(shí)了。17沿兩個(gè)慣性系相對運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)沿兩個(gè)慣性系相對運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)慣性系中表現(xiàn)為同時(shí)的，在另一慣性系中觀察，則總是慣性系中表現(xiàn)為同時(shí)的，在另一慣

11、性系中觀察，則總是在前一在前一慣性系運(yùn)動(dòng)的后方那一事件先發(fā)生慣性系運(yùn)動(dòng)的后方那一事件先發(fā)生。也就是說，對不同的參考系，沿相對速度方向配置的同樣也就是說，對不同的參考系，沿相對速度方向配置的同樣的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔是不同的。的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔是不同的。時(shí)間的量度是相對的時(shí)間的量度是相對的18經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們發(fā)生的時(shí)間差，也就是它們的時(shí)間間隔，總是相同的。它們發(fā)生的時(shí)間差，也就是它們的時(shí)間間隔，總是相同的。但是，從狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，我們可以看到，但是，從狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，我們可

12、以看到，時(shí)間間隔是相對的。時(shí)間間隔是相對的。 仍以高速火車為例，仍以高速火車為例，假設(shè)車廂地板上有一個(gè)光假設(shè)車廂地板上有一個(gè)光源，發(fā)出一個(gè)閃光。對于源，發(fā)出一個(gè)閃光。對于車上的人來說，閃光到達(dá)車上的人來說，閃光到達(dá)光源正上方光源正上方h h高處的小鏡高處的小鏡后被反射，回到光源的位后被反射，回到光源的位置（如圖甲），往返所用置（如圖甲），往返所用的時(shí)間為的時(shí)間為tt。 19ch t2 對于地面的觀察者來說，情況有對于地面的觀察者來說，情況有所不同。從地面上看，在光的傳播過所不同。從地面上看，在光的傳播過程中，火車向前運(yùn)動(dòng)了一段距離，因此被小鏡反射后又被光源接程中，火車向前運(yùn)動(dòng)了一段距離，因此被

13、小鏡反射后又被光源接收的閃光是沿路徑收的閃光是沿路徑AMBAMB傳播的光（圖乙）。如果火車的速度為傳播的光（圖乙）。如果火車的速度為v，地地面觀察者測得的閃光從出發(fā)到返回光源所用時(shí)間記為面觀察者測得的閃光從出發(fā)到返回光源所用時(shí)間記為t t，那么應(yīng)那么應(yīng)用勾股定理可得用勾股定理可得22222tchtv 這里用到了相對論的第二個(gè)假設(shè)，即對地面參考系來說，光這里用到了相對論的第二個(gè)假設(shè)，即對地面參考系來說，光速也是速也是c c。以上兩式消去以上兩式消去h可得可得 20221c/u tt 固有時(shí)：固有時(shí)：在某一在某一參考系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件參考系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔。之

14、間的時(shí)間間隔。固有時(shí)最短固有時(shí)最短時(shí)間延緩時(shí)間延緩 tt 21更嚴(yán)格的推導(dǎo)表明，更嚴(yán)格的推導(dǎo)表明，式具有普遍意義，它意味著，從地面上觀式具有普遍意義，它意味著，從地面上觀察，火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，由于火車在運(yùn)動(dòng)，車上的一切物理、化學(xué)察，火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，由于火車在運(yùn)動(dòng)，車上的一切物理、化學(xué)過程和生命過程都變慢了：時(shí)鐘走得慢了，化學(xué)反應(yīng)慢了，甚至人的新陳過程和生命過程都變慢了：時(shí)鐘走得慢了，化學(xué)反應(yīng)慢了，甚至人的新陳代謝也變慢了代謝也變慢了可是車上的人自己沒有這種感覺，他們反而認(rèn)為地面上可是車上的人自己沒有這種感覺，他們反而認(rèn)為地面上的時(shí)間進(jìn)程比火車上的慢，因?yàn)樗麄兛吹?，地面正以同樣的?/p>

15、度朝相反的的時(shí)間進(jìn)程比火車上的慢，因?yàn)樗麄兛吹?，地面正以同樣的速度朝相反的方向運(yùn)動(dòng)！方向運(yùn)動(dòng)！ 討論：討論：221c/u tt 當(dāng)當(dāng)uc時(shí)，時(shí)， tt ，時(shí)間間隔與參考系無關(guān)，牛頓時(shí)間間隔與參考系無關(guān)，牛頓絕對時(shí)間概念。絕對時(shí)間概念。即：牛頓絕對時(shí)間概念是相對論時(shí)間概念在參考系的相即：牛頓絕對時(shí)間概念是相對論時(shí)間概念在參考系的相對速度很小時(shí)的近似。對速度很小時(shí)的近似。22在這里我們將要說明，高速火車上的在這里我們將要說明，高速火車上的一個(gè)桿，當(dāng)它的方向和運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí)，一個(gè)桿，當(dāng)它的方向和運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí)，地面上的人測得的桿長要小于火車上的地面上的人測得的桿長要小于火車上的人測得的桿長！人測得的

16、桿長！假設(shè)一個(gè)桿沿著車廂運(yùn)動(dòng)的方向固定在假設(shè)一個(gè)桿沿著車廂運(yùn)動(dòng)的方向固定在火車上，和車一起運(yùn)動(dòng)火車上，和車一起運(yùn)動(dòng). .在火車上的人看來，在火車上的人看來，桿是靜止的。他利用固定在火車上的坐標(biāo)軸，測出桿兩端的位置坐標(biāo)，桿是靜止的。他利用固定在火車上的坐標(biāo)軸，測出桿兩端的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就是他測出的桿長坐標(biāo)之差就是他測出的桿長L L。地面上的人要利用固定在地面上的坐地面上的人要利用固定在地面上的坐標(biāo)軸，測出桿兩端的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就是他測出的桿長標(biāo)軸，測出桿兩端的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就是他測出的桿長L L. .可是，可是，對于地面上的人，桿是運(yùn)動(dòng)的，要使這種測量有意義，他必須同時(shí)測對于地面上的

17、人，桿是運(yùn)動(dòng)的，要使這種測量有意義，他必須同時(shí)測出桿兩端的位置坐標(biāo)；如果在某一時(shí)刻測出桿一端的位置坐標(biāo)，在另出桿兩端的位置坐標(biāo)；如果在某一時(shí)刻測出桿一端的位置坐標(biāo)，在另一時(shí)刻測出另一端的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就不能代表?xiàng)U長了。一時(shí)刻測出另一端的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就不能代表?xiàng)U長了。23火車上的人和地面上的人火車上的人和地面上的人各自用上述方法測量隨車運(yùn)各自用上述方法測量隨車運(yùn)動(dòng)的桿長，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)的桿長，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LL. .他們兩人的測量都是符他們兩人的測量都是符合測量要求的，但測量結(jié)果合測量要求的，但測量結(jié)果不同，這跟同時(shí)的相對性有關(guān)不同，這跟同時(shí)的相對性有關(guān). .地面上的人認(rèn)為同時(shí)的兩個(gè)地面上的

18、人認(rèn)為同時(shí)的兩個(gè)事件（同時(shí)對事件（同時(shí)對A、B兩端讀數(shù)），火車上的人認(rèn)為不是同時(shí)兩端讀數(shù)），火車上的人認(rèn)為不是同時(shí)的的. .火車上的人認(rèn)為，地面上的人對火車上的人認(rèn)為，地面上的人對B B端的讀數(shù)早些，對端的讀數(shù)早些，對A A端端的讀數(shù)遲些，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)桿向前運(yùn)動(dòng)了一段距離，因而的讀數(shù)遲些，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)桿向前運(yùn)動(dòng)了一段距離，因而地面上的人測得的桿長比較短地面上的人測得的桿長比較短. .通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到，到，L和和L L之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系：221c/u ll24因此因此, LL 長度收縮長度收縮固有長（靜長）：棒靜止時(shí)測得的它的長度。固有長（靜長）：棒靜止時(shí)測得的它的長度。固有長最長固有長最長當(dāng)時(shí)，牛頓絕對空間概念。牛頓絕對當(dāng)時(shí)，牛頓絕對空間概念。牛頓絕對空間概念是相對論空間概念在相對速度很小時(shí)的近似?？臻g概念是相對論空間概念在相對速度很小時(shí)的近似。cu ll 25221c/uutx x,y y z z 2221c/uxcut t26按照牛頓力學(xué)，物體的質(zhì)量是不變的，因此一定的力作按照牛頓力學(xué)，物體的質(zhì)量是不變的，因此一定的力作用在物體上