3.1 狭义相对论地建立.ppt

* 第3章 狭义相对论 3.1 狭义相对论的建立 3.2 洛伦兹变换 3.3 时间延缓和长度收缩 3.4 相对论速度变换 3.5 相对论动力学基础 *3.6 广义相对论简介（自学） 到19世纪末，经典物理学的发展已经相当成熟，“往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已”。 相对论和量子力学是近代物理学的两个基础理论，它们深刻改变人们对物质世界的认识。 第一朵乌云：测量地球相对“以太”运动的否定结果与存在绝对静止的“以太”参考系相矛盾。 第二朵乌云：黑体辐射规律与能量均分定理相矛盾。 这导致相对论和量子力学的诞生。 但这时看似晴朗的物理学的天空却出现了“两朵乌云”。 1879 –1955 Albert Einstein 3.1 狭义相对论的建立 3.1.1 时空变换 3.1.2 绝对时空观和伽利略变换 3.1.3 狭义相对论的基本假设 时间和空间，简称时空。 物理学对时空的认识可以分为三个阶段：牛顿力学阶段、狭义相对论阶段、广义相对论阶段。 狭义相对论是惯性系中的时空的理论，不能处理涉及引力的问题。 物质的运动与时空的性质紧密相关，因此对时空性质的研究一直是物理学中的一个基本问题。 广义相对论则把相对论推广到任意参考系，是关于时空和引力的理论。 3.1.1 时空变换 设有一列火车在地面上作匀速直线运动，还有两个结构完全相同的钟和两把完全相同的尺。 现把其中的一个钟和一把尺放在火车上（动钟、动尺）， 这实际上是时间和空间在两个惯性系之间的变换问题。 问：动钟和静钟哪个走得快？动尺和静尺哪个更长？ 另一个钟和另一把尺留在地面（静钟、静尺）， 并让这两把尺都沿着火车运动的方向放置。 在同一参考系中，这两个钟走得一样快，这两把尺的长度严格相等。 事件：具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象 在讨论时空性质时，我们关心的是时空坐标或时空点，而不必再去关心引入时空概念的事件。 例如：一个闪光在某一时刻t，到达某一地点（x,y,z）就是一个事件，其时空坐标是（x,y,z,t） 一个事件发生的时间和地点，称为该事件的时空坐标或时空点。 时空坐标代表时间和长度的测量值， 时空变换：同一事件P在两个惯性系中时空坐标（ ）和（ ）间的变换关系。 如何表示时间？ 时间零点的定义： 则时空变换反映了时间和空间与参考系选择的关系。 当O和O重合时 3.1.2 绝对时空观和伽利略变换 牛顿力学认为，时间与空间互相独立，在两个作相对运动的惯性系中测量，时间间隔和长度都是相同的（动钟和静钟走得一样快，动尺和静尺的长度相同），即与参考系的选择无关。 伽利略变换： 伽利略速度变换： 绝对时空观： 3.1.3 狭义相对论的基本假设 1. 历史背景 1864年麦克斯韦预言光是电磁波。根据电磁学理论，光在真空中的传播速率： ?0、?0：真空介电常量、真空磁导率，与参考系无关。 因此在任何惯性系中，光沿各个方向的传播速率都等于c。 或者说：对于描述电磁波的传播来说，所有惯性系都是平等的。 按伽利略速度变换，如果在某一惯性系 S 中沿各个方向的光速都是 c，则在以速度 u 运动的惯性系S 中观测，沿运动方向的光速为 c?u，沿反方向的光速为 c + u。 光速不变与伽利略相对性原理矛盾： （1）修改电磁学理论，让它服从伽利略相对性原理。 电磁学理论正确性已被实验验证，涉及电磁波的传播等高速运动，伽利略变换是否适用，没被实验验证。没有理由修改电磁学理论。 解决这一矛盾有三种可能的选择：