文档介绍：1 狭义相对论基础(Special Relativity) · 经典力学:宏观,低速( ?<< c) · 相对论:高速· 狭义相对论(Special Relativity) 研究: 惯性系中的物理规律; 惯性系间物理规律的变换。揭示: 时间、空间和运动的关系。广义相对论(General Relativity) 研究: 非惯性系中的物理规律及其变 2 换。揭示: 时间、空间和物质分布的关系。第8 章狭义相对论基础§1 力学相对性原理和伽利略变换经典力学:力学基本规律; 力学相对性原理; 伽利略变换一. 力学基本规律· 牛顿定律· 有关定理:动量定理; 角动量定理; 动能定理、功能原理。· 守恒定律:动量守恒; 角动量守恒; 机械能守恒。 3 它们只在惯性系中成立; 在任何惯性系中形式相同。二. 力学相对性原理(Principle of relativity in mechanics) 1. 力学相对性原理一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式。· 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, 当然力学规律也不依赖于惯性参考系。 2. 一切惯性系在力学上是等价( 平权) 的没有谁更优越; 不存在有特殊的、绝对的惯性系。 3. 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 4 · 最早由伽里略从实验上提出来,即通过力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。三. 伽利略变换(Galilean tranformation) 牛顿的时空观可通过以下坐标和时间变换来体现。 1. 事件(event) ·t 时刻在空间某处发生的一个物理现象。· 事件的时空坐标:P(x 、y 、z 、t) 2. 伽利略坐标变换伽利略变换给出某一事件在不同惯性系之间时空坐标的变换关系。设两惯性系: S、S?( 以直角坐标表示) 5 · 对应轴平行,且 x 、x ?轴重合; ·t=t ?=0 时o 、o ?重合; ·S ?相对 S 以速度 u( 常矢量) 沿x 轴运动。由图有伽利略坐标变换( 正变换)x?=x- uty ?=yz ?=zt?=t ( 逆变换) 含?量?不含?量不含?量?含?量 P(x,y,z,t)(x ?,y ?,z ?,t ?) ? utoo ?x 、x ? xx ? u SyS?y?6 u?-u如x=x ?+ ut ? 2. 伽利略速度变换将上式对 t=t ?求导有???=?-u? P 对S=?? P 对S?+? S?对S 3. 加速度变换 dx ?dxdtdt ?? x?== -u= ? x-udydt dy ?dt ?? y?== = ? ydzdt dz ?dt ?? z?== = ? zd ? xd ? x?=dt dt ? a x?==a xd ? ydt d? y?dt? a y?== =a yd ? zdt d ? z?dt ? a z?== =a z 7 ?a?=a · 牛顿定律中,质量和速度无关, 力和参考系无关, 若在 S 中有 F= ma 则在 S?中有 F?=m?a?即在不同惯性系中牛顿定律有相同形式。· 可见伽里略变换和力学相对性原理是协调一致的。§2 爱因斯坦相对性原理和光速不变一. 历史背景· 19 世纪末电磁学有了很大发展, 1865 年麦克斯韦(Maxwell) 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 c( 真空中) ; 1888 年赫兹(Hertz) 在实验上证实了电磁波的存在。 8 · 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 c ,在另一参考系中必不是 c 。· 提出问题: 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: 宇宙中充满了叫“以太(ether) ”的物质, 电磁波靠“以太”传播。把以太选作绝对静止的参考系; 电磁场方程组只在“以太”参考系成立; 电磁波在“以太”参考系中速率各向为 c 。· 按伽利略变换, 电磁波相对于其它参考系( 如地球) 速率就不会各向均匀, 而和此参考系相对于“以太”的速度有关。若此, 如在地球上测光速, 可能>c 或<c · 19 世纪末,很多精确的实验和观察( 最著 9 名的是 Michelson-Morley 实验) 都得出完全否定的结果, 在任何参考系中测得的光在真空中的速率均为 c。·是伽利略变换正确而电磁规律不符合相对性原理? · 还是电磁规律符合相对性原理而伽利略变换该修正? · 爱因斯坦(Einstein) 深入分析了此问题, 于 1905 年发表了《论动体的电动力学》作出了对整个物理学都有变革意义的回答。 10 爱因斯坦(Albert Einstein) (1879 — 1955) 美籍德国人 1921 年获诺贝尔物理奖美国时代周刊评选他为