2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：狹義相對(duì)論基礎(chǔ)

1、狹義相對(duì)論基礎(chǔ)絕對(duì)靜止 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)空間有限，無(wú)限？與物質(zhì)無(wú)關(guān)而獨(dú)立存在嗎？空間是物質(zhì)的一種容器？空間各點(diǎn)是均勻一致的，還是存在方向性？空間是中性的，還是它支配著位于其中的物體？ 古羅馬詩(shī)人哲學(xué)家盧克萊修寫(xiě)道：“實(shí)際上是兩樣?xùn)|西組成了大自然，首先是物體，再則是那虛無(wú)縹緲的太空，物體在哪兒停留并以不同的方式運(yùn)動(dòng)。 亞里士多德認(rèn)為宇宙空間有限，起因于物體的廣延。球面天幕內(nèi)充滿氣、土、火、水以及天體物質(zhì)，中心處是地球。 布魯諾：“地球是如此美好，但我始終要問(wèn)：在它外面究竟還有什么？”如果空間有限，請(qǐng)問(wèn)，它邊界外面是什么？根本問(wèn)題：康德認(rèn)為這是“二律背反”的問(wèn)題：康德的結(jié)論是：整個(gè)宇宙不能成為我們經(jīng)驗(yàn)的對(duì)

2、象。 不能有限，因?yàn)橹庇^經(jīng)驗(yàn)告訴我們，到達(dá)的空間任何一點(diǎn)，總能夠跨越過(guò)去。 不能無(wú)限，無(wú)限意味不能設(shè)想，即我們不能到達(dá)空間的終點(diǎn)，在人所能設(shè)想的東西之外，總還有存在?，F(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)讓人更傾向于空間是獨(dú)立的無(wú)限的。伽里略和牛頓的空間是歐幾里德無(wú)限空間，靜止的、均勻的、各向同性的，部分滿、部分空；是容器，在那里存在著物質(zhì)。牛頓:“絕對(duì)空間，就其本質(zhì)而言，與任何外界事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變?！苯^對(duì)空間的觀點(diǎn)自然導(dǎo)致牛頓第一定律。牛頓第一定律隱藏著絕對(duì)空間概念這一前提，但也預(yù)先孕育著這一概念滅亡的條件！所謂物體的勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止是相對(duì)與什么而言的？存在著絕對(duì)空間的假設(shè)意味著有可能找到一個(gè)觀察一切

3、現(xiàn)象的觀察點(diǎn)宇宙的不動(dòng)中心，或者絕對(duì)靜止參照系。牛頓：“但不能不看到，依靠我們的感覺(jué)器官怎么也不能把空間的這一部分與那一部分區(qū)分開(kāi)，我們不得不求助于測(cè)量來(lái)代替感覺(jué)器官。一般根據(jù)物體對(duì)于被認(rèn)為是不動(dòng)的某個(gè)物體的距離和位置來(lái)確定地點(diǎn)，然后把一切物體放置在其中，根據(jù)它們同這些地點(diǎn)的關(guān)系來(lái)討論一切運(yùn)動(dòng)。這樣，就用相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)代替了絕對(duì)位置和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。這在日常生活中并沒(méi)有引起什么不便。”相對(duì)于絕對(duì)靜止參照系的位置和運(yùn)動(dòng)就是絕對(duì)位置和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是，絕對(duì)位置和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)存在著某種不確定性。 一個(gè)物體不受力，則相對(duì)于宇宙的不動(dòng)中心，或者絕對(duì)靜止參照系靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，在任何其它相對(duì)于絕對(duì)靜止參

4、照系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系（慣性系）觀察，該物體也作勻速直線運(yùn)動(dòng)。 牛頓：“世界體系的中心處于靜止?fàn)顟B(tài)，所有的人都承認(rèn)這一點(diǎn)，一些人可以把地球看作不動(dòng)的中心，另一些人可以把太陽(yáng)看作不動(dòng)的中心?！?牛頓力學(xué)的定律在所有慣性系中都一樣，在牛頓力學(xué)范圍內(nèi)，根本不可能根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)將相對(duì)于宇宙的不動(dòng)中心作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系慣性系，與宇宙的不動(dòng)中心本身絕對(duì)靜止參照系，區(qū)分開(kāi)來(lái)。絕對(duì)靜止參照系或者說(shuō)絕對(duì)靜止、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)只能是假設(shè)的。在牛頓力學(xué)范圍內(nèi)不可能確定它。第一章 狹義相對(duì)論基礎(chǔ)一切慣性系對(duì)描寫(xiě)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律來(lái)說(shuō)，都是等價(jià)的；或者說(shuō)，力學(xué)規(guī)律在一切慣性系都是相同的。 力學(xué)相對(duì)性原理告訴我們：無(wú)法借助力學(xué)

5、實(shí)驗(yàn)的手段確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。4-1-1 伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀一、力學(xué)的相對(duì)性原理:勻速運(yùn)動(dòng)的船上初始條件相同力學(xué)現(xiàn)象相同XYS系u tuP.( x, y, z, t )xxZO二、伽利略變換( x, y, z, t )伽利略坐標(biāo)變換式S系S 系變換x = x u ty = yz = zt = t注意：在這里 t = t 是一個(gè)隱含的假定！S 系S系變換y = y z = zt = tx = x + u tYZXS 系O伽利略坐標(biāo)變換式S系S 系變換x = x u ty = yz = zt = tS 系S系變換y = y z = zt = tx = x + u tdxdt=dxd

6、tdtdt udtdtvx uvy = vyvz = vzt = tvx = vx + uvy = vyvz = vz t = tv對(duì)S = v對(duì)S + uS對(duì)S伽利略速度變換式vx=速度變換式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得加速度變換式Fma=()S系Fma=()S系經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為質(zhì)量是不變的： m = 常數(shù).F=F此式表明：牛頓定律對(duì)于伽利略變換是不變的。ax = axay = ay az = az avx = vx uvy = vyvz = vzt = t加速度變換式= av對(duì)S = v對(duì)S + uS對(duì)S 據(jù)力學(xué)相對(duì)性原理，任何慣性系都是等價(jià)的。借助于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段只能確定運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)該慣性系的相對(duì)速度。初

7、始條件相同力學(xué)現(xiàn)象相同，無(wú)法借助于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 無(wú)法測(cè)得慣性系的絕對(duì)速度。力學(xué)定律對(duì)于伽利略變換是不變的。是否能借助于其它實(shí)驗(yàn)手段來(lái)確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 測(cè)得慣性系的絕對(duì)速度 ？ 幾百年來(lái)，一直懸而未決。l三、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀l在 S 系 測(cè)得的兩點(diǎn)距離在 S 系 測(cè)得的兩點(diǎn)距離l =l = l結(jié)論： 空間兩點(diǎn)距離是一個(gè)不變量， 與參照的選擇和觀察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。(x2 x1)2 + (y2 y1)2 + (z2 z1 )2 (x2 x1 )2 + (y2 y1 )2 + (z2 z1 )2 (x2 ut ) (x1 ut )2 + =(x2 x1)2 + (

8、y2 y1)2 + (z2 z1 )2 用牛頓的話來(lái)說(shuō)：“絕對(duì)的真實(shí)的數(shù)學(xué)上的時(shí)間，就其本質(zhì)而言，是永遠(yuǎn)均勻地流逝著，與任何外界事物無(wú)關(guān)?！?“絕對(duì)空間，就其本質(zhì)而言，與任何外界事物無(wú)關(guān)，它從不運(yùn)動(dòng)，并且永遠(yuǎn)不變?！庇少だ宰鴺?biāo)變換 t = t所以：這表明, 在經(jīng)典力學(xué)中認(rèn)為時(shí)間的測(cè)量和 運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),是一個(gè)不變量。t = t 1. 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為空間和時(shí)間是相互獨(dú)立的、互不相關(guān)的，并且獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)之外。 2. 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為質(zhì)量是和運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的常量。所以：在經(jīng)典力學(xué)中，長(zhǎng)度、時(shí)間及質(zhì)量都和運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，都是不變量。是否可以借助于電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)發(fā)現(xiàn)物體相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)呢？ 十九世紀(jì)，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電燈、電話、電報(bào)相繼發(fā)明，人類(lèi)進(jìn)入了電器時(shí)代。1865年，麥克斯韋建立經(jīng)典電磁學(xué)理論并預(yù)言電磁波的存在，1886年得到赫茲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 據(jù)力學(xué)相對(duì)性