380841—狭义相对论时空观.ppt

狭义相对论时空观 380841班 主讲内容 一、 同时概念的相对性 二、 长度缩短效应 三、 时间膨胀效应（动钟变慢） 总述： 研究思路 本章的基本内容及研究思路 狭义相对论产生的历史背景→狭义相对论的基本原理→洛伦兹变换式→狭义相对论的主要结论（狭义相对论的时空观） →广义相对论及主要结论。 狭义相对论的主要结论：同时的相对性、长度的收缩、时间的延缓（时间膨胀）、动量与速度的关系、质量与速度的关系、质能关系式和动量与能量的关系。 学习相对论，需要有丰富的想象力（抽象思维能力和逻辑思维能力）! 同样两点的距离或同样的前后两个事件之间的时间间隔无论在哪个惯性系中测量都是一样的，而且时间和空间是彼此独立、没有任何联系的。 经典的时空观 绝对空间是指长度的量度与参照系无关，绝对时间是指时间的 量度与参照系无关。 时间是绝对的，空间是绝对的，时间和空间是彼此独立，没有任何联系。从而同时也是绝对的。 狭义相对论的历史背景 1865年麦克斯韦(James Clark Maxwell)用以太的弹性理论建立了一组电磁场方程并由此预言了电磁波的存在，1888年赫兹(H.Hertz)用实验验证了麦克斯韦的预言，在真空中电磁波的传播速度与光速相同。当时的物理学家还不能接受电磁波不需要介质就能传播的思想，所以设想真空中存在一种介质，这就是以太，认为光波（电磁波）是以太振动的传播。而以太具有许多特殊的性质：几乎不具有质量却具有很大的刚性；不仅在真空中存在，而且无处不在，充满整个宇宙，且可以渗透到一切物质的内部，用来传播电磁波；同时对宏观物体的运动又没有任何拖曳。 伽利略相对性原理不但适用于经典力学，也适用于热力学，但是把相对性原理推广到电磁学理论中却遇到了严重的问题。如果麦克斯韦方程组在所有惯性系中都成立，则光速在所有惯性系中都应是同一个常量，而这与伽利略速度变换式相矛盾。于是物理学面临这样的问题：经典时空观（伽利略变换）、相对性原理、麦克斯韦的电磁场理论三者不能相容，至少有一个是不正确的。 实验证明麦克斯韦的电磁场理论是正确的，所以大多物理学家认为相对性原理不能普遍适用，电磁场理论仅对绝对静止的以太参考系，即绝对惯性系成立。在19世纪末寻找以太或说这个绝对惯性系就成为物理学的重要工作。 物理学家做了许多的观测和实验，这些观测和实验的整体结果否定了以太的存在，亦即否定了绝对惯性系的存在。这一系列的观测和实验构成了狭义相对论的实验基础。当时主要实验有13个，其中有著名的迈克耳逊—莫雷实验（实验结果说明，如果以太存在，它应和地球一起运动）、光行差现象（现象说明，如果以太存在，则以太相对太阳静止，以太没有被地球拖曳着一起运动）、菲索实验等。所以解决经典时空观、相对性原理、电磁场理论三者不相容的矛盾的出路只有一条：放弃经典时空观而建立新的时空理论，爱因斯坦由此创立了狭义相对论。 考察空间中的两个不同事件： 事件1 事件2 两事件时间间隔 两事件空间间隔 两事件在两个坐标系中的时间间隔和空间间隔有如下关系： 1. 在 S’ 系中不同地点同时发生的两事件 在 S 系中这两个事件不是同时发生的。 一、同时概念的相对性 2. 在 S’ 系中相同地点同时发生的两事件 在 S 系中这两个事件是同时发生的。 ①. 在 S’ 系中不同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件不是同时发生的。 ②.在 S’ 系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件是同时发生的。 ③.当 vc 时， 低速空间“同时性”与参照系无关。 明确几点: ④.同时性没有绝对意义。同时性的相对性是光速不变原理的直接结果 。 当 时 时序: 两个事件发生的时间顺序。 在S中： 先开枪，后鸟死 是否能发生先鸟死，后开枪？ 在S’中： 由因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的 在S中： 在S’中 事件2 子弹 v 事件1 开枪 鸟死 ⑤.有因果关系的事件，因果关系不因坐标系变化而改变。无因果关系的事件无所谓谁先谁后。超光速信号违反因果率。 爱因斯坦列车 由于光速不变，在某一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一相对它运动的其它惯性系中并不一定是同时发生的，这个结论称为“同时的相对性”。 在列车中部一光源发出光信号，在列车中 AB 两个接收器同时收到光信号， 在地面来看，由于光速不变，A 先收到，B 后收到 。 信息的传递需要时间。同时的相对性正是存在着信息传递的极限速度的必然结果。 二、长度缩短效应 强调:要在某一参照系中测棒的长度棒，就要测量它的两端点在同一时刻的位置之间的距离，尤其在