相對論第一節(jié)

相對論第一節(jié)第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三

相對論的創(chuàng)建時二十世紀(jì)物理學(xué)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(guān)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(zhì)、運動和引力之間的統(tǒng)一性質(zhì)。本章將對狹義相對論作較全面的介紹，主要內(nèi)容有經(jīng)典力學(xué)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(xué)的一些結(jié)論。第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三14-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三歷史背景

·19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展，1865年麥克斯韋總結(jié)出電磁場方程組；預(yù)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。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三·

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(shè)：宇宙中充滿了叫“以太(ether)”的物質(zhì)，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。第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三·

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(guān)。若此，如在地球上測光速，可能>c或<c·19世紀(jì)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(jié)果，在任何參考系中測得的光在真空中的速率均為ｃ。第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三·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(xué)》作出了對整個物理學(xué)都有變革意義的回答。愛因斯坦認(rèn)為：·麥克斯韋方程組應(yīng)對所有慣性系成立，·在任何慣性系中光速都是各向為c。

第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三·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(guān)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(zhì)分布的關(guān)系。第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三一、伽利略變換式經(jīng)典力學(xué)的相對性原理*第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三*由經(jīng)典力學(xué)可知：（伽利略位置坐標(biāo)變換公式）第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三*若在慣性系S'中沿Ox'軸放置一根細(xì)棒，則此細(xì)棒兩端點在S'系和S系中的坐標(biāo)分別為x'1、x'2和x1、x2,則它們之間的關(guān)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(guān)空間的度量是絕對的，與參考系無關(guān)。此外，時間的度量也是絕對的，與參考系無關(guān)。第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三速度變換公式*矢量形式：u'=u-v（伽利略速度變換式）第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三加速度變換*其矢量形式：第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三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(dāng)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。第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三二、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀絕對空間:

空間與運動無關(guān),空間的度量與慣性系無關(guān),絕對不變．絕對時間:

時間均勻流逝,與物質(zhì)運動無關(guān),所有慣性系有統(tǒng)一的時間.

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為空間只是物質(zhì)運動的“場所”，是與其中的物質(zhì)完全無關(guān)而獨立存在的，并且是永恒不變的、絕對靜止的。第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三力學(xué)基本規(guī)律1、牛頓定律2、有關(guān)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。第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期三·力學(xué)相對性原理1、一切力學(xué)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(xué)上是等價(平權(quán))的3、在一慣性系中作任何力學(xué)實驗都無法確定該慣性系是靜止還是勻速直線運動·力學(xué)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。第十七頁，共十八頁，編輯于20