6-1 狭义相对论的产生-两个基本原理(2014)

1、NO. 6-1Relativity2014年年3月月8日，马航客机日，马航客机MH370失联；失联；很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌握飞机实际位置。握飞机实际位置。NAVSTAR permits locations and speeds any where on Earth to be determined to within about 16 m and 2 cm/s.However, if relativity effects were not taken into account, speeds could no

2、t be determined any closer than about 20 cm/s, which is unacceptable for modern navigation systems. 狭义相对论（狭义相对论（1905） 广义相对论（广义相对论（1915）l只适用于惯性系；只适用于惯性系；l是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的基础上创立的“时空理论时空理论”，是对牛顿时空观，是对牛顿时空观的拓展和修正。的拓展和修正。l 包括惯性系、非惯性系；包括惯性系、非惯性系；l 以几何语言建立而成的引力理论，将引力以几何语言建立而成的引力理

3、论，将引力 改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空。改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空。 事件何时发生？在哪里发生？事件何时发生？在哪里发生？ 事件之间相隔多远？相隔多久？事件之间相隔多远？相隔多久？ 时间和空间的关系？时间和空间的关系？ 物体的质量与运动是否有关？物体的质量与运动是否有关？ 时间和长度的测量与参考系是否有关？时间和长度的测量与参考系是否有关？ 长度收缩长度收缩（Length Contraction） 时间延缓时间延缓（Time Dilation ） 相对质量相对质量12340.20.41.000.60.80mmcu 相对论多普勒效应（相对论多普勒效应（Relativi

4、stic Doppler Effect） 建立了适用于高速运动的建立了适用于高速运动的 促进了原子能的利用；促进了原子能的利用； 导致了广义相对论的建立，导致了广义相对论的建立，更加精确的时空观；更加精确的时空观；在天体观测中有重要应用。在天体观测中有重要应用。 基本原理（假设基本原理（假设) ) 时空观时空观 动力学动力学1. 了解狭义相对论的产生了解狭义相对论的产生过程过程4. 理解理解相对论时空观相对论时空观3. 掌握掌握洛伦兹变换关系洛伦兹变换关系5. 理解理解同时的相对性同时的相对性2. 理解两个理解两个基本原理基本原理1. 1. 绝对时空观绝对时空观 与与 力学相对性原理力学相对性

5、原理（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系（3）在所有参考系中，）在所有参考系中，惯性系惯性系占有特殊地位。占有特殊地位。 力学相对性原理力学相对性原理一一. . 狭义相对论的产生狭义相对论的产生相互作用力是与参考系无关的相互作用力是与参考系无关的绝对量绝对量；参考系，物体的位置、速度关系遵从参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换伽利略变换；有关的有关的相对量相对量。对于两个相对作匀速直线运动的。对于两个相对作匀速直线运动的保持数学形式不变。保持数学形式不变

6、。牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定律只在惯性系中成立。这些力学规律在律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下变换下2. 2. 电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾（1）电磁学规律：）电磁学规律：Maxwell 方程组方程组在真空中在真空中m/s10998. 21800c（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾）电磁学规律与绝对时空观的矛盾真空中光速不变与真空中光速不变与Galileo速度变换式；速度变换式；Maxwell 方程组不满足相对性原理。方程组不满足相对性原理。（3）矛盾的解决）矛盾的解决电

7、磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；电磁学规律正确，需建立新的时空变换关系；对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考对性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考系）系） 中保持不变。中保持不变。Galileo速度变换式正确，电磁学规律不符合相速度变换式正确，电磁学规律不符合相（追光实验）（追光实验）一一. . 狭义相对论的产生狭义相对论的产生. 爱因斯坦建立狭义相对论爱因斯坦建立狭义相对论（1 1）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判；）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判；（2 2）了解到迈克尔孙莫雷实验的零结果；）了解到迈克尔孙莫雷实验的零结果；（3 3）了解到洛伦兹在提出收缩公式和）了解到

8、洛伦兹在提出收缩公式和LorentzLorentz变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果；变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果； 抛弃以太，光速是常量，与惯性系的选取抛弃以太，光速是常量，与惯性系的选取无关；无关； 坚持自然界规律坚持自然界规律一一. . 狭义相对论的产生狭义相对论的产生 坚持坚持.两个基本原理两个基本原理（Two Principles of Special Theory of Relativity）（1）相对性原理）相对性原理（The Relativity Principle）物理规律在所有的惯性系中具有相同的物理规律在所有的惯性系中具有相同的（2）光速不变原理）光速不

9、变原理（The Speed of Light Principle）真空中的光速是常量，与光源或观测者的真空中的光速是常量，与光源或观测者的表达形式表达形式运动无关运动无关. .一一. . 狭义相对论的产生狭义相对论的产生1. 洛伦兹变换洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)详见：卢德馨详见：卢德馨 University Physics (second Edition) P160 线性变换线性变换 1. 1.运动方程线性（惯性系）；运动方程线性（惯性系）； 2. 2.时间、空间均匀且各向同性时间、空间均匀且各向同性 相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理(

10、) xa vxvt()xavxvt22222tczyx22222tczyx二二. . 洛伦兹变换关系洛伦兹变换关系z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP逆变换逆变换洛伦兹变换洛伦兹变换txxvyy zz tt )(2xcvtt)(vtxxyy zz 211cvcv1. 洛伦兹变换洛伦兹变换 (The Lorentz Transformation)伽利略变换伽利略变换2()vttxc()xxvtyyzz二二. . 洛伦兹变换关系洛伦兹变换关系z z yx xyvo o ss*) , , , (tzyx),(tzyxP2. 速度相对性速度相对性 (The Re

11、lativity of Velocities )(vtxxyy zz )(2xcvttxuxucv21vuxyuxucv2121yuzu21zuxucv21二二. . 洛伦兹变换关系洛伦兹变换关系三三. . 狭义相对论时空观狭义相对论时空观3. 3. 关于光的产生和转化的一关于光的产生和转化的一个试探性观点个试探性观点；2. 2. 热的分子动理论所要求的静热的分子动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动止液体中悬浮粒子的运动；4. 4. 物质的质量同它所含的能量相关吗？物质的质量同它所含的能量相关吗？；光量子光量子 光电效应光电效应布朗运动布朗运动 原子真实存在原子真实存在E=mcE=mc2 2

12、 核能的利用核能的利用1879-1955 1. 1. 论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学；狭义相对论狭义相对论 时空观的革命时空观的革命例例1 1 设有两个参考系和，它们的原点在设有两个参考系和，它们的原点在和时重合在一起。有一事件，在和时重合在一起。有一事件，在系中发生在处，系中发生在处，若系相对于系以速率沿若系相对于系以速率沿 轴运动，轴运动，问该事件在系中的时空坐标为多少？问该事件在系中的时空坐标为多少？S S0t0t S0, 0 m, 60 s, 100 . 88zyxt SScv60. 0 xxS0 , 0 m, 93 s,105 . 27zyxt例例 在地面上测得两个飞船分别

13、以在地面上测得两个飞船分别以 和和 的速度向相反方向飞行。求其中一飞船的速度向相反方向飞行。求其中一飞船相对于另一飞船的速度为多大？相对于另一飞船的速度为多大？c9 . 0c9 . 0 xyoc9 . 0c9 . 0甲甲乙乙 x y o0.994xuc 例例 在地面上测得两个飞船分别以在地面上测得两个飞船分别以 和和 的速度向相反方向飞行。求其中一飞船的速度向相反方向飞行。求其中一飞船相对于另一飞船的速度为多大？相对于另一飞船的速度为多大？c9 . 0c9 . 0 xyoc9 . 0c9 . 0甲甲乙乙 x y oxuc 若在其中一飞船中若在其中一飞船中水平向右水平向右发射一束光，则发射一束光

14、，则这束光在另一飞船中测量速度为多大？这束光在另一飞船中测量速度为多大？xyo例例 在地面上测得两个飞船分别以在地面上测得两个飞船分别以 和和 的速度向相反方向飞行。求其中一飞船的速度向相反方向飞行。求其中一飞船相对于另一飞船的速度为多大？相对于另一飞船的速度为多大？c9 . 0c9 . 0 xyoc9 . 0c9 . 0甲甲乙乙 x y o0.994xuc 若在其中一飞船中若在其中一飞船中垂直向上垂直向上发射一束光，则发射一束光，则这束光在另一飞船中测量速度为多大？这束光在另一飞船中测量速度为多大？xyo0.109yuc 1. 同时的相对性同时的相对性 (The Relativity of

15、Simultaneity)（1）同时）同时（Simultaneity）： 在某一惯性系中在某一惯性系中同时同时发生的两个事件，在另一发生的两个事件，在另一说“那列火车7点钟到达这里”，其意思是说“我1905年论文中写道：比如我们（2）同时的相对性）同时的相对性v x y o121236912369 x y o12xyov123691236912369个个相对它运动相对它运动的惯性系中，并的惯性系中，并不一定同时不一定同时发生发生的表的短针指在7和火车到达是同时事件”三三. . 狭义相对论时空观狭义相对论时空观x xy yvo oz z ss*),(zyxPt v) , , (zyxtxxvyy zz tt 时空变换式时空变换式速度变换式速度变换式vxxuuyyuu zzuu zzaayyaa xxaa加速度变换式加速度变换式0dSSBSlStDjlHd)(dcSlStBlEddi0ddqVSDVSFor free space (vacuum)022002tEE0