2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：狹義相對論基礎(chǔ)

1、狹義相對論基礎(chǔ)絕對靜止 絕對運(yùn)動空間有限，無限？與物質(zhì)無關(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？ 古羅馬詩人哲學(xué)家盧克萊修寫道：“實(shí)際上是兩樣?xùn)|西組成了大自然，首先是物體，再則是那虛無縹緲的太空，物體在哪兒停留并以不同的方式運(yùn)動。 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：在它外面究竟還有什么？”如果空間有限，請問，它邊界外面是什么？根本問題：康德認(rèn)為這是“二律背反”的問題：康德的結(jié)論是：整個宇宙不能成為我們經(jīng)驗(yàn)的對

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)，總能夠跨越過去。 不能無限，無限意味不能設(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)立的無限的。伽里略和牛頓的空間是歐幾里德無限空間，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:“絕對空間，就其本質(zhì)而言，與任何外界事物無關(guān)，它從不運(yùn)動，并且永遠(yuǎn)不變?！苯^對空間的觀點(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)動或靜止是相對與什么而言的？存在著絕對空間的假設(shè)意味著有可能找到一個觀察一切

3、現(xiàn)象的觀察點(diǎn)宇宙的不動中心，或者絕對靜止參照系。牛頓：“但不能不看到，依靠我們的感覺器官怎么也不能把空間的這一部分與那一部分區(qū)分開，我們不得不求助于測量來代替感覺器官。一般根據(jù)物體對于被認(rèn)為是不動的某個物體的距離和位置來確定地點(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)系來討論一切運(yùn)動。這樣，就用相對位置和相對運(yùn)動代替了絕對位置和絕對運(yùn)動。這在日常生活中并沒有引起什么不便?！毕鄬τ诮^對靜止參照系的位置和運(yùn)動就是絕對位置和絕對運(yùn)動。但是，絕對位置和絕對運(yùn)動存在著某種不確定性。 一個物體不受力，則相對于宇宙的不動中心，或者絕對靜止參照系靜止或作勻速直線運(yùn)動，同時，在任何其它相對于絕對靜止參

4、照系作勻速直線運(yùn)動的參照系（慣性系）觀察，該物體也作勻速直線運(yùn)動。 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的中心，另一些人可以把太陽看作不動的中心?！?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)將相對于宇宙的不動中心作勻速直線運(yùn)動的參照系慣性系，與宇宙的不動中心本身絕對靜止參照系，區(qū)分開來。絕對靜止參照系或者說絕對靜止、絕對運(yùn)動只能是假設(shè)的。在牛頓力學(xué)范圍內(nèi)不可能確定它。第一章 狹義相對論基礎(chǔ)一切慣性系對描寫運(yùn)動的力學(xué)規(guī)律來說，都是等價的；或者說，力學(xué)規(guī)律在一切慣性系都是相同的。 力學(xué)相對性原理告訴我們：無法借助力學(xué)

5、實(shí)驗(yàn)的手段確定慣性系自身的運(yùn)動狀態(tài)。4-1-1 伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)的時空觀一、力學(xué)的相對性原理:勻速運(yùn)動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S = v對S + uS對S伽利略速度變換式vx=速度變換式對時間求導(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S = v對S + uS對S 據(jù)力學(xué)相對性原理，任何慣性系都是等價的。借助于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段只能確定運(yùn)動物體相對該慣性系的相對速度。初

7、始條件相同力學(xué)現(xiàn)象相同，無法借助于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來確定慣性系自身的運(yùn)動狀態(tài), 無法測得慣性系的絕對速度。力學(xué)定律對于伽利略變換是不變的。是否能借助于其它實(shí)驗(yàn)手段來確定慣性系自身的運(yùn)動狀態(tài), 測得慣性系的絕對速度 ？ 幾百年來，一直懸而未決。l三、經(jīng)典力學(xué)的時空觀l在 S 系 測得的兩點(diǎn)距離在 S 系 測得的兩點(diǎn)距離l =l = l結(jié)論： 空間兩點(diǎn)距離是一個不變量， 與參照的選擇和觀察者的運(yùn)動無關(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 用牛頓的話來說：“絕對的真實(shí)的數(shù)學(xué)上的時間，就其本質(zhì)而言，是永遠(yuǎn)均勻地流逝著，與任何外界事物無關(guān)?！?“絕對空間，就其本質(zhì)而言，與任何外界事物無關(guān)，它從不運(yùn)動，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)為時間的測量和 運(yùn)動無關(guān),是一個不變量。t = t 1. 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為空間和時間是相互獨(dú)立的、互不相關(guān)的，并且獨(dú)立于運(yùn)動之外。 2. 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為質(zhì)量是和運(yùn)動無關(guān)的常量。所以：在經(jīng)典力學(xué)中，長度、時間及質(zhì)量都和運(yùn)動無關(guān)，都是不變量。是否可以借助于電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段來發(fā)現(xiàn)物體相對于以太的運(yùn)動呢？ 十九世紀(jì)，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電燈、電話、電報相繼發(fā)明，人類進(jìn)入了電器時代。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)相對性