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1、相对论第一节相对论第一节第1页，本讲稿共18页 相对论相对论的创建时二十世纪物理学最伟大的成就的创建时二十世纪物理学最伟大的成就之一。之一。1905年爱因斯坦建立了基于惯性参考系的时年爱因斯坦建立了基于惯性参考系的时间、空间、运动及其相互关系的物理新理论间、空间、运动及其相互关系的物理新理论 狭义相对论狭义相对论。1915年爱因斯坦又将狭义相对论原理年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广，建立了向非惯性系进行推广，建立了广义相对论广义相对论，进一步，进一步揭示了时间、空间、物质、运动和引力之间的统一揭示了时间、空间、物质、运动和引力之间的统一性质。性质。本章将对狭义相对论作较全面的介绍
2、，主要本章将对狭义相对论作较全面的介绍，主要内容有经典力学的伽利略变换式，狭义相对论的基内容有经典力学的伽利略变换式，狭义相对论的基本原理，洛伦兹变换式，狭义相对论的时空观和相本原理，洛伦兹变换式，狭义相对论的时空观和相对论力学的一些结论。对论力学的一些结论。第2页，本讲稿共18页14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观第3页，本讲稿共18页历史背景背景 19 19世纪末电磁学有了很大发展，世纪末电磁学有了很大发展，18651865年麦克斯年麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，并韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，并指出其速率各向均为指出其速率各向均为c c(真空中真空中)；
3、18881888年赫兹在实年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。验上证实了电磁波的存在。这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变换，这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变换，光速在一个参考系中若是光速在一个参考系中若是c c，在另一参考系中必不，在另一参考系中必不是是c c。第4页，本讲稿共18页 提出问题：提出问题：电磁场方程组在哪个参考系成立呢电磁场方程组在哪个参考系成立呢?为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙为不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙中中充充满满了了叫叫“以以太太(ether)(ether)”的的物物质质，电电磁磁 波波靠靠“以太以太”传播。传播。把以太选作绝对静止的参考系；把以太选作绝对静
4、止的参考系；电电磁磁场场方方程程组组只只在在“以以太太”参参考考系系成成立立；电电磁磁波在波在“以太以太”参考系中速率各向为参考系中速率各向为c c。第5页，本讲稿共18页 按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系(如如地球地球)速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太以太”的速度有关。的速度有关。若此，如在地球上测光速，可能若此，如在地球上测光速，可能c或或c19世纪末，很多精确的实验和观察世纪末，很多精确的实验和观察(最著名最著名的是的是迈克耳孙迈克耳孙-莫雷莫雷的实验的实验)都得出完全否定的结都得出完全否定的结果，
5、在任何参考系中测得的光在真空中的速率均为果，在任何参考系中测得的光在真空中的速率均为。第6页，本讲稿共18页是是伽利略变换正确伽利略变换正确而而电磁规律不符合相对性原理电磁规律不符合相对性原理?还是还是电磁规律符合相对性原理电磁规律符合相对性原理而而伽利略变换该修正伽利略变换该修正?爱爱因因斯斯坦坦深深入入分分析析了了此此问问题题，于于1905年年发发表表了了论论动动体体的的电电动动力力学学作作出出了了对对整整个个物物理理学都有变革意义的回答。学都有变革意义的回答。爱因斯坦认为：爱因斯坦认为：麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立，在任何惯性系中光速都是各向为在任何
6、惯性系中光速都是各向为c。第7页，本讲稿共18页 相对论：高速相对论：高速狭义相对论狭义相对论研究：惯性系中的物理规律；研究：惯性系中的物理规律；惯性系间物理规律的变换。惯性系间物理规律的变换。揭示：揭示：时间、空间和运动的关系时间、空间和运动的关系。广义相对论广义相对论研究：非惯性系中的物理规律及其变换。研究：非惯性系中的物理规律及其变换。揭示：揭示：时间、空间和物质分布的关系时间、空间和物质分布的关系。第8页，本讲稿共18页一、伽利略变换式一、伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理*第9页，本讲稿共18页*由经典力学可知：由经典力学可知：（伽利略位置坐标变换公式）（伽利略位
7、置坐标变换公式）第10页，本讲稿共18页*若在惯性系若在惯性系S中沿中沿Ox轴轴放置一根细棒，则此细棒放置一根细棒，则此细棒两端点在两端点在S系和系和S系中的坐系中的坐标分别为标分别为x1、x2和和x1、x2,则它们之间的关系：则它们之间的关系：x1=x1+vt x2=x2+vt于是有，于是有，x2-x1=x2-x1与两惯性系的相对速度与两惯性系的相对速度v无关无关空间的度量是绝对的，与参考系无关空间的度量是绝对的，与参考系无关。此外，时间的度量也是绝对的，与参考系无关。此外，时间的度量也是绝对的，与参考系无关。第11页，本讲稿共18页速度变换公式速度变换公式*矢量形式：矢量形式：u=u-v（
8、伽伽利利略略速速度度变变换换式式）第12页，本讲稿共18页加速度变换加速度变换*其矢量形式：第13页，本讲稿共18页在两相互作匀速直线运动的惯性系中在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛牛顿运动定律具有相同的形式顿运动定律具有相同的形式.当由惯性系当由惯性系S变换到惯性变换到惯性系系S时，牛顿运动方程的形时，牛顿运动方程的形式不变，即牛顿运动方程对式不变，即牛顿运动方程对伽利略变换式来讲是不变式。伽利略变换式来讲是不变式。第14页，本讲稿共18页二、经典力学的绝对时空观二、经典力学的绝对时空观绝对空间绝对空间:空间与运动无关空间与运动无关,空间的度量与惯空间的度量与惯性系无关性系无关,绝对不变绝
9、对不变绝对时间绝对时间:时间均匀流逝时间均匀流逝,与物质运动无关与物质运动无关,所所有惯性系有统一的时间有惯性系有统一的时间.经典力学认为空间只是物质运动的经典力学认为空间只是物质运动的“场所场所”，是与其中，是与其中的物质完全无关而独立存在的，并且是永恒不变的、绝的物质完全无关而独立存在的，并且是永恒不变的、绝对静止的。对静止的。第15页，本讲稿共18页力学基本规律力学基本规律1 1、牛顿定律、牛顿定律2 2、有关定理：动量定理；角动量定理；、有关定理：动量定理；角动量定理；动能定理、功能原理。动能定理、功能原理。3 3、守恒定律：动量守恒；角动量守恒；、守恒定律：动量守恒；角动量守恒；机械
10、能守恒。机械能守恒。它们只在惯性系中成立；它们只在惯性系中成立；在任何惯性系中形式相同。在任何惯性系中形式相同。第16页，本讲稿共18页力学相对性原理力学相对性原理1、一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式。、一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式。2、一切惯性系在力学上是等价、一切惯性系在力学上是等价(平权平权)的的3、在一惯性系中作任何力学实验都无法确定、在一惯性系中作任何力学实验都无法确定该惯性系是静止还是匀速直线运动该惯性系是静止还是匀速直线运动力学相对性原理源于牛顿的时空观力学相对性原理源于牛顿的时空观：时间和空间的测量不依赖于惯性参考系。时间和空间的测量不依赖于惯性参考系。第17页，本讲稿共18页牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原牛顿力学的相对性原理理,在宏观、低速的范围在宏观、低速的范围内内,是与实验结果相一致是与实验结果相一致的的.但在高速运动情况下但在高速运动情况下则不适用则不适用.注注意意第18页，本讲稿共18页