第4章 狭义相对论(1)汇总

P x x
t t
正 变
x x ut
换 y y
z z
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3. 牛顿力学的绝对时空观 1) 同时性是绝对的
S
S' u
t1 t2,
狭义相对论
t1' t2 '
O
O'
x1
x1'
x x'
x2
x2 '
两件事在同一参考系是同时发生的，则在另一 个参考系也是同时的(两个事件的同时性与观察者的 运动状态无关).
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狭义相对论
超新星爆发(金牛座-蟹状星云)
t L cu
23个月
u=1500 km/s c + u
u
t't 25年
c
地球
L=5000光年
t' L c
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解决这一困境的几种尝试: (1)修改麦克斯韦方程组，引入一些新的项，使相 对性原理在伽利略变换下能够得到满足，但与实 验结果相背。 (2)坚持绝对时空观正确，则伽利略变换正确，那 麦克斯韦方程只适合于某一特定惯性系，在此惯 性系中，真空中的光速为c，这个惯性系叫“以太”
主要任务：简介狭义相对论产生的历史背景、实验基 础、基本原理及相应的时空观.
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狭义相对论
4.1 爱因斯坦的两个基本假设
4.1.1 牛顿力学的时空观 1. 伽利略相对性原理(力学相对性原理):
任何局限于一个系统中的力学实验, 都无法判断 这个系统是静止着或者做匀速直线运动．(在各个彼 此做匀速直线运动的系统中, 力学规律都相同)
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狭义相对论
第4章 狭义相对论
狭义相对论
“牛顿啊，请原谅我，你所发现的道路，在你所在的那 个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现 的唯一道路。你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们 的物理思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地了解 各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概 念来代替这些概念。”
爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在 3 个不同领 域做出了历史性的杰出贡献 — 建成了广义相对论、辐射量 子理论和现代科学的宇宙论。
爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖
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相对论
狭义相对论1905：讨论不同惯性系对事件的描述 广义相对论1915：涉及到非惯性系包括引力场在内的理论
狭义相对论
狭义相对论
在我国史书中记载着它从出现到隐没不到两年 时间，而如果按照伽利略相对性原理应当在25年内 能持续看到超新星开始爆发时所发出的强光，说明 伽利略相对性原理对光的传播(即电磁运动)不适用. 《宋史》中记载:“至和元年五月客星晨出东方，守 天关（即金牛座星）昼见如太白芒角四出色赤白凡 见二十三月。” 《宋会要》一书中也有记载：“至和元年,伏睹客星 出现,其星上微有光彩,黄色。”
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2. 伽利略坐标变换 事件：有明确的地点与时间的一件事：P(x, y, z, t) 参考系：不同参考系对同一事件发生的地点和时间的 测量结果一般不同. 例：
S : P( x , y , z , t )
S': P( x , y , z , t )
y y
s s u ut
o o z z
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2) 时间间隔和空间间隔是绝对的
S
S' u
狭义相对论
t t'
O
O'
x1
x x' x x'
x2
x1'
x2 '
在同一地点发生的同一过程所经历的时间在不同
参考系测量是一样的.
牛顿绝对时空观：
对所有的参考系, 有相同的时间和空间(二点间的距离). 即时间和空间绝对不变，且相互独立.
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经典力学适用范围： 宏观、低速(远小于光速) 狭义相对论适用于： 微观、高速(可与光速比拟)
经典力学是相对论力学在低速时的近似 惯性参考系：牛顿力学适用的特殊参考系，一个没
有加速度的参考系——理想化的概念.
地球参考系：对地轴的向心加速度为3.4× 10-2m／s2 对太阳的向心加速度为6.1× 10-3m／s2
光传到乙的时间： t l c
击后瞬间:
cv
传到乙的时间：
乙
t' l (c v)
t' t
先出球，后击球 ——先后颠倒
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光速不变事实
在南方夜空的金牛座 上有一团云雾状东西，外 形象个螃蟹，人们称它为 “蟹状星云”, 它是900多 年前一次超新星爆发中抛 出来的气体壳层。
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太阳参考系：对银心的向心加速度为3× 10-10m／s2 银河中心参考系：还没有测到加速度
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内容提要
4.1 爱因斯坦的两个基本假设 4.2 爱因斯坦的时空观 4.3 洛伦兹坐标变换和速度变换 4.4 几个经典佯谬 4.5 相对论动力学基础
Albert Einstein (1879-1955)
寻找“以太”的代表性实验迈克耳逊----莫雷实验
实验结果以失败告终！
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4.1.2 爱因斯坦的两个基本假设 1. 相对性原理：
狭义相对论
物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任
何一个特殊的惯性系．
狭义相对论
3) 力学规律在一切惯性系中都是等价的
v' v u
两边再对时间求导得:
a' a
F
ma
F
ma
结论：牛顿运动方程在任意两个不同惯性参考系中其
形式保持不变.
在一切惯性系中,力学现象都服从相同的力学规律.
力学相对性原理：
力学规律对于一切惯性参考系都是等价的.
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绝对时空观：
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时间：是一种自然的流逝。“绝对的真实的数学时 间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与外界 事物无关.”
空间：是一种物质运动的场所。“绝对的空间就其 本质而言与外界事物无关，它从不运动，并且永远 不变.”
显然，绝对时空观符合人们日常的经验和习惯.
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击前瞬间:
c
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甲
——爱因斯坦在纪念牛顿诞生300周年 纪念会上的讲话
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爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家，1879年3月14日 出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。 1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一 年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在物 理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 — 创建了光量 子理论、狭义相对论和分子运动论。