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1、狭义相对论,第四章,当物体的运动速度远小于光速时，准确地遵从牛顿力学的规律。而当物体的运动速度接近于光速时，牛顿力学不再适用。,相对论是二十世纪初物理学的伟大成就之一，它建立了新的时空观，并在此基础上给出了高速运动物体的力学规律。在宇宙星体、基本粒子、原子能等研究领域中，都要用到相对论力学。,本章主要内容有：狭义相对论的基本原理，洛伦兹变换，相对论时空观及相对论动力学基础。,爱因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)理论物理学家。他是自然科学的改革家，创立了狭义相对论和广义相对论。他用光量子理论说明了光电效应。提出固体热容量的量子理论以及玻色-爱因斯坦的量子统计法。晚年致力
2、于宇宙学和统一场的研究。,相对论,狭义相对论,广义相对论,1905年建立,讨论相互匀速直线运动的不同惯性参考系对物理现象所作的测量结果，其结论可用少量的数学导出，用于物理学和工程技术;,1916年建立,讨论任意运动的非惯性参考系对物理现象所作的测量结果，其结论需要大量的数学，应用于宇宙学、天体物理、高能物理等。,K为固定惯性系,坐标变换式：,P(x,y,z),4-0 伽利略相对性原理经典力学时空观,一、伽利略相对性原理,为运动惯性系，相对于K系速度为v。,速度变换式：,加速度变换式：,伽利略相对性原理：,对于任何一个惯性参考系，任何力学规律都是等价的。,描述二：力学现象对于一切惯性参考系，规律
3、相同；,描述三：在惯性参考系内通过一切力学实验都不能判定该惯性参考系是静止还是匀速直线运动。,总结：,(1)坐标、速度、轨道具有相对性，与参照系选择有关 ；,(2)质量、时间、长度、加速度、力等是绝对的。,绝对时空观：,时间和空间是绝对的，与参考系选择无关。,4-1 狭义相对论基本原理 和 洛仑兹变换,绝对时空观和伽利略变换长期被奉为绝对真理，对它们的冲击最早来自麦克斯韦的电磁场理论。,表现在两方面：,1.电磁场理论不满足力学相对性原理，在伽利略变换下，电磁场方程形式发生变化；,物理学家假设存在绝对静止的参考系“以太”。,2.按照电磁场理论，光是电磁波，并通过媒质以有限的速度传递，而实验发现光
4、可以在真空中传播。,一、产生狭义相对论的背景,十九世纪末，在光的电磁理论发展过程中，有人认为宇宙间充满着一种叫做“以太”的媒质，光是靠“以太”来传播的。并且把这种“以太”选作绝对静止的参考系。凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动。根据这一观点，历史上一些物理学家设计出了各种实验，希望通过运动参考系中所发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。1881年，迈克耳孙-莫雷设计了一个实验，企图利用光干涉的方法，测量地球相对于“以太”的绝对速度，从而确定“以太”的存在。,迈克耳逊-莫雷实验否定了绝对参考系的存在。,理论与实验结果产生矛盾！,狭义相对论基本原理：,1.狭义相对论的
5、相对性原理：在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。,2.光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速具有相同的量值c。,说明：(1)光在真空中传播速度c具有各向同性；(2)光的传播速度与光源和观察者相对运动无关。,接受到光速为c,接受到光速为c,接受到光速为c,(1)通过这种变换，物理定律都应该保持自己的数学表 达形式不变；(2)通过这种变换，真空中光的速率在一切惯性系中保 持不变；(3)这种变换在适当的条件下(即在低速情况下)转化为伽 利略变换。,寻找新的变换形式!,能够满足狭义相对论基本原理的变换是洛伦兹变换：,洛伦兹(18531928)荷兰物理学家。变换式原来是洛伦兹在1904年研究电
6、磁场理论时提出来的，当时并未给予正确解释。第二年爱因斯坦从新的观点独立地导出了这个变换式。通常以洛伦兹命名。,二、洛仑兹坐标变换式,.P(x,y,z,t),系相对于K系以 匀速运动，在 时,O与 重合。,逆变换：,K系相对于 系以 匀速运动，在 时,O与 重合。,讨论：,1、在速度远小于真空中光速c时，相对论结论与牛顿力学结论相同。,真空中光速c为一切实际物体的速度极限，不存在超光速的客体。,3、比较 伽利略变换 洛仑兹变换,反映力学相对性原理,反映相对性原理,适用于低速物体，认为速度无极限，时间空间互相独立。,适用于一切物体，速度极限为c，时间空间不可分隔。,区别,联系,4-2 相对论速度变
7、换,速度定义:,K系,系,对坐标、时间变换微分:,两边除以,相对论速度变换,相对论速度逆变换,讨论:,1.,2.,体现物体速度极限为c。,例1:一短跑运动员在地球上以10s时间跑完100m,在飞行速度为0.98c的飞船上看来,这名选手跑了多长距离?用了多长时间?,解:,地球为K系, 选手起点(x1,0,0,t1)，终点(x2,0,0,t2)。,x2 - x1 =100 m， t2 - t1 =10s。,飞船为 系,例二:地球上一观察者看见一飞船 A 以速度 从他身边飞过，另一飞船 B 以速度 跟随 A 飞行。求：（1）A 上的乘客看到 B 的相对速度； （2）B 上的乘客看到 A 的相对速度。,飞船B,飞船A,飞船B,解：（1）A 看 B：如图：由题意知,（2）B 看 A：如图：由题意知,例三:一空间站发射两个飞船，它们的运动路程相互垂直。设一观察者 O 位于空间站内，他测得第一个飞船和第二个飞船相对空间站的速率分别为 0.6c 和 0.8c 。问第一个飞船的观察者测得第二个飞船的速度为多少？,解：如图所示，由题意知两个惯性系的相对速度为,飞船 B 在 S 系沿 y 轴方向运动，所以,所以得,