相對論第一節(jié)

相對論第一節(jié)第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

相對論的創(chuàng)建時二十世紀物理學最偉大的成就之一。1905年愛因斯坦建立了基于慣性參考系的時間、空間、運動及其相互關系的物理新理論——狹義相對論。1915年愛因斯坦又將狹義相對論原理向非慣性系進行推廣，建立了廣義相對論，進一步揭示了時間、空間、物質、運動和引力之間的統一性質。本章將對狹義相對論作較全面的介紹，主要內容有經典力學的伽利略變換式，狹義相對論的基本原理，洛倫茲變換式，狹義相對論的時空觀和相對論力學的一些結論。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六14-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六歷史背景

·19世紀末電磁學有了很大發(fā)展，1865年麥克斯韋總結出電磁場方程組；預言了電磁波的存在，并指出其速率各向均為c(真空中)；1888年赫茲在實驗上證實了電磁波的存在。

·這顯然和伽利略變換矛盾，按伽利略變換，光速在一個參考系中若是c，在另一參考系中必不是c。第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·

提出問題：

電磁場方程組在哪個參考系成立呢?·為不和伽利略變換矛盾，人們假設：宇宙中充滿了叫“以太(ether)”的物質，電磁波靠“以太”傳播。把以太選作絕對靜止的參考系；電磁場方程組只在“以太”參考系成立；電磁波在“以太”參考系中速率各向為c。第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·

按伽利略變換，電磁波相對于其他參考系(如地球)速率就不會各向均勻，而和此參考系相對于“以太”的速度有關。若此，如在地球上測光速，可能>c或<c·19世紀末，很多精確的實驗和觀察(最著名的是邁克耳孫--莫雷的實驗)都得出完全否定的結果，在任何參考系中測得的光在真空中的速率均為ｃ。第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·是伽利略變換正確而

電磁規(guī)律不符合相對性原理?·還是電磁規(guī)律符合相對性原理

而

伽利略變換該修正?·愛因斯坦深入分析了此問題，于1905年發(fā)表了《論動體的電動力學》作出了對整個物理學都有變革意義的回答。愛因斯坦認為：·麥克斯韋方程組應對所有慣性系成立，·在任何慣性系中光速都是各向為c。

第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·相對論：高速

·狹義相對論

研究：慣性系中的物理規(guī)律；慣性系間物理規(guī)律的變換。揭示：時間、空間和運動的關系。

·廣義相對論研究：非慣性系中的物理規(guī)律及其變換。揭示：時間、空間和物質分布的關系。第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六一、伽利略變換式經典力學的相對性原理*第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六*由經典力學可知：（伽利略位置坐標變換公式）第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六*若在慣性系S'中沿Ox'軸放置一根細棒，則此細棒兩端點在S'系和S系中的坐標分別為x'1、x'2和x1、x2,則它們之間的關系：x1=x’1+vtx2=x’2+vt于是有，x2-x1=x’2-x'1與兩慣性系的相對速度v無關空間的度量是絕對的，與參考系無關。此外，時間的度量也是絕對的，與參考系無關。第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六速度變換公式*矢量形式：u'=u-v（伽利略速度變換式）第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六加速度變換*其矢量形式：第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六在兩相互作勻速直線運動的慣性系中,牛頓運動定律具有相同的形式.當由慣性系S變換到慣性系S'時，牛頓運動方程的形式不變，即牛頓運動方程對伽利略變換式來講是不變式。第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六二、經典力學的絕對時空觀絕對空間:

空間與運動無關,空間的度量與慣性系無關,絕對不變．絕對時間:

時間均勻流逝,與物質運動無關,所有慣性系有統一的時間.

經典力學認為空間只是物質運動的“場所”，是與其中的物質完全無關而獨立存在的，并且是永恒不變的、絕對靜止的。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六力學基本規(guī)律1、牛頓定律2、有關定理：動量定理；角動量定理；動能定理、功能原理。3、守恒定律：動量守恒；角動量守恒；機械能守恒。它們只在慣性系中成立；

在任何慣性系中形式相同。第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·力學相對性原理1、一切力學規(guī)律在不同的慣性系中有相同的形式。2、一切慣性系在力學上是等價(平權)的3、在一慣性系中作任何力學實驗都無法確定該慣性系是靜止還是勻速直線運動·力學相對性原理源于牛頓的時空觀：時間和空間的測量不依賴于慣性參考系。第17頁，共18頁，2023年，2月