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1、第3章 相對論基礎(chǔ),(The theory of Special Relativity),3.2 狹義相對論基本原理 洛侖茲坐標(biāo)變換式,3.3 相對論速度變換公式,3.4 狹義相對論時空觀,3.1 伽利略相對性原理 經(jīng)典力學(xué)的時空觀,3.5 狹義相對論動力學(xué)基礎(chǔ),狹義相對論簡介,第3章 相對論基礎(chǔ),(The theory of Special Relativity),狹義相對論偉大意義,1.使牛頓的理論二百多年來第一次得到修正，牛頓力學(xué)成為相對論的一個分支。,2.使人們對質(zhì)量、能量、時間、空間、速度等物理量有了一個全新的認(rèn)識。,3.質(zhì)能關(guān)系式E=mc2為核能的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。,4.象征著人
2、類在探索自然過程中登上的一座高峰。, 1 、愛因斯坦(A.Einstein),( 1879/3/14 1955/4/18), 狹義相對論簡介,(The introduce to Special Relativity theory ),由于改變了物理 而改變了世界 由于改變了世界 所以改變了我們（2005 世界物理年）, 2 、相對論的創(chuàng)立,1、 問題的提出： 愛因斯坦(16歲)：如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？ 他將看不到前進的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場嗎？,2、問題的解決： 愛因斯坦(26歲) ：經(jīng)過10年的思考努力！ 終于在1905在德國物理學(xué)年
3、鑒雜志上發(fā)表論文論動體的電動力學(xué) 提出：狹義相對論的基本思想和基本內(nèi)容。,成功的理論來源于偉大的設(shè)想，聰明的腦袋和鍥而不舍的品格,敢想成功的一半, 3 、相對論的時空觀念對已有觀念的沖擊,1、 運動中的物體長度會縮短？ 2、高速旅行會使時間變慢 ？ 3、有物質(zhì)存在的時空就變得彎曲了 ？ 4、時間旅行可能有捷徑？ 5、,一、伽利略變換,事件：,在坐標(biāo)系中，每個事件對應(yīng)于一組時空坐標(biāo)。,自然界時刻發(fā)生著各種情況或變化，每一種情況或變化稱為一個事件。,5.1 伽利略相對性原理 經(jīng)典力學(xué)的時空觀,2. 約定系統(tǒng),S 系靜止，S 系沿 ox 軸以 v 勻速運動,X,X,vt,3.絕對時空觀的數(shù)學(xué)描述伽利
4、略坐標(biāo)變換,伽利略速度和加速度變換式,坐標(biāo)變換,在所有慣性系中力學(xué)定律具有相同的形式. 力學(xué)相對性原理,m=m、,與參考系無關(guān),牛頓力學(xué)中：,在所有慣性系中牛頓定律具有相同的形式.,慣性系（牛二成立的坐標(biāo)系）,伽利略相對性原理 (力學(xué)相對性原理),1.絕對空間,二、經(jīng)典力學(xué)的時空觀,在 S 系中同時測量運動的尺子的兩端,S 系中測量相對靜止的尺子長度為,長度測量的絕對性,長度形同,2. 絕對時間,時間間隔的絕對性,絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地、與任一外界對象無關(guān)地流逝著。 牛頓,絕對空間，就其本性而言與外界任何事物無關(guān)，而永遠(yuǎn)是相同的和不變的。 牛頓,牛頓的時空
5、觀,3.“同時”的絕對性,在 S 系同時發(fā)生的兩個事件，在 S 系 中也是同時發(fā)生的。,馬赫的真正偉大，就在于他的堅不可摧的懷疑態(tài)度和獨立性。 愛因斯坦,1883年發(fā)表力學(xué)史評對絕對時空觀提出了尖銳的批評：“我們必須依賴自然去理解空間和時間，而不是依賴抽象的推測”。,馬赫（Ernst Mach，1838-1916） 奧地利物理學(xué)家（發(fā)現(xiàn)激波）,5.2 狹義相對論基本原理 洛倫滋坐標(biāo)變換, 5.2_1 狹義相對論基本原理,1、 以太(希臘：用以代表組成天上物體的基本元素 )： 17世紀(jì) 笛卡爾引入(傳播光媒質(zhì)) 惠更斯大力發(fā)展（充滿在真空和通常物質(zhì)中） 電動力學(xué)出現(xiàn)后 以太是光波和電磁場的載體(
6、絕對靜止的坐標(biāo)系),2、以太的實驗測定(邁克耳遜-莫雷實驗),邁克爾遜(A-Michelson 1852-1931),實驗原理圖(經(jīng)典時空觀),否定了以太坐標(biāo)系 愛因斯坦揚棄以太假說 提出狹義相對論基本原理,如果不滿足光速不變原理，因果關(guān)系將顛倒過，可是從來沒有看到過這種現(xiàn)象。,光速與參考系無關(guān)？光速不變？速度不滿足疊加原理？ 違背伽利略變換，與常規(guī)思維模式相違背，很難理解啊, 5.2_2相對論的新坐標(biāo)變換公式 洛倫滋坐標(biāo)變換(LT) 高速運動物體,1）各坐標(biāo)軸相互平行；,2）K系相對K系沿X軸 以作勻速直線運動；,3）坐標(biāo)軸原點O與O 點重合時作為公共計時起點。,（以后不加聲明均指這種參照系
7、）,若空間某點P發(fā)生一件事，其時空坐標(biāo)為：,所謂坐標(biāo)變換就是要找出它們之間的關(guān)系。但在推導(dǎo)之前必須指出兩點：,1）時間、空間是均勻的，要求變換是線性的。,所謂時空是均勻的，是指同一參照系中某事件發(fā)生的時間間隔與空間間隔與它們在什么時間發(fā)生、什么地點發(fā)生無關(guān)。 ( 時空 任何時候 任何地點 都是均勻的 ),結(jié)論：時空不均勻性 帶來物理量的特殊性 導(dǎo)致 物理規(guī)律沒有了普適性 規(guī)律無意義,2）新的變換(LT)應(yīng)在低速成狀態(tài)下變成為伽利略變換(GT)（物理規(guī)律的漸進性）,因為任何理論的成功，都是對舊理論的揚棄， 它總是把舊理論中合理的部分保留或包含在其自身之中，對不合理的部分進行修正。 牛頓定理與伽利
8、略變換畢竟是低速狀態(tài)下客觀事物的反映， 因此新變換必須在低速下，回到伽利略變換,下面看一看新的變換應(yīng)是一個什么樣的形式：,又由于任何參照系都是平權(quán)的，K系向K系變換，或K向K系變換應(yīng)沒 兩樣。 所以： K=K,K = ?, K=K,洛倫滋變換關(guān)系為：,時間 空間 運動,光速在任何慣性系中均為同一常量 ，利用它將時間測量與距離測量聯(lián)系起來 。,但是由于受到根深蒂固的絕對時空觀的影響，面對已發(fā)現(xiàn)的相對時空表示式，沒有從中找到正確的物理含義。他說 t 是真正時間，t 是輔助量，僅為數(shù)學(xué)方便而引入的。洛侖茲到 1909 年還不能使自己完全相信相對論，在他逝世前一年（1927 年）他更肯定地說，對于他只
9、有一個真正時間 t 。,這個公式洛侖茲1904年在愛因斯坦發(fā)表相對論之前就推導(dǎo)出來，他已經(jīng)走到了相對論的邊緣，,洛倫滋變換的幾點注意事項：,3、 “LT”是指同一事件在兩個慣性系中時空之間的關(guān)系。若不是同一事件，則無此關(guān)系,4、 狹隘義相對論中“LT”占有中心的位置，它以確切的數(shù)學(xué)語言反映著與“GT”的根本區(qū)別。 新的、相對論時空觀也集中體現(xiàn)在“LT”中，它是我們走進陌生的高速世界的一把鑰匙。,四 洛侖茲速度變換,對其求微分，得,設(shè)S系中有質(zhì)點A以 的速度勻速運動，且在t時刻，其坐標(biāo)為（t，x，y，z），S系測得A質(zhì)點的時空坐標(biāo)為（t，x，y，z），則由L變換有：,三、洛侖茲速度變換,三、洛侖茲速度變換,三、洛侖茲速度變換,正變換,逆變換,由洛侖茲坐標(biāo)變換可推出洛侖茲速度變換：,在 平行于x軸的特殊情況下， ，,在 平行x軸的特殊情況下，,例3-1有一輛火車以速度u相對地面作勻速直線運動.在火車上向前和向后射出兩道光，求光相對地面的速度.,解 以地面為S系，火車為S系，,光向前的速度,光向后的速度,例3.2 設(shè)有兩個火箭A，B相向運動，在地面測得A，B的速度沿x軸正方向各為vA0.9c，vB0.9c.試求它們相對運動的速度.,解 設(shè)地球為參考系S，火箭A為參考系S.,同樣可得A相對B的速度,
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