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1、狭义相对论A.爱因斯坦爱因斯坦(18791955) 二十世纪最伟大的自然科学家二十世纪最伟大的自然科学家,物理学革命的旗手。物理学革命的旗手。 (1921年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖) 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到方程。另外还找到了力、电、光、声了
2、力、电、光、声-等都遵循的规律等都遵循的规律-能量能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。展到头了。相对论背景相对论背景 正于是正于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：世纪物理学的发展的文章中说到：也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！的小数点后面在加几位罢
3、了！ 但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。” -开尔文开尔文-热辐射实验热辐射实验迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。浇灌着两朵鲜花。 “但是，在物理学晴朗天空的远处，还
4、有但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，两朵令人不安的乌云，-”普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域2005世界物理年 纪纪念念爱爱因因斯斯坦坦狭狭义义相相对对论论诞诞生生100周周年年与与爱爱因因斯斯坦逝世坦逝世50周年。周年。 让物理走近大众，让世界拥抱物理相对论有狭义相对论广义相对论之分：相对论有狭义相对论广义相对论之分：关于惯性系时空观的理论关于惯性系时空观的理论狭义相对论（狭义相对论（1905）广义相对论（广义相对论（1915）关于一般参照系及引力的理论关于一般参照系及
5、引力的理论狭义相对论狭义相对论 仅限于惯性参照系，特别对微观高速运动的粒子仅限于惯性参照系，特别对微观高速运动的粒子（1）狭义相对论的两个基本原理）狭义相对论的两个基本原理（2）有关时空结构和物质、运动联系的一个时空）有关时空结构和物质、运动联系的一个时空观观广义相对论的三个著名预言广义相对论的三个著名预言： 1 1、光束弯曲、光束弯曲 2 2、引力红移、引力红移 3 3、水星近日点的进动、水星近日点的进动 它们已在不同精度上得到了证实，因而它们已在不同精度上得到了证实，因而可以说是可以说是“广义相对论的三大实验验证广义相对论的三大实验验证”。 爱因斯坦建立广义相对论后的五十年间，爱因斯坦建立
6、广义相对论后的五十年间，基本上只有这基本上只有这“三大验证三大验证”。直到六十年代，。直到六十年代，美国物理学家夏皮罗等人才提出了美国物理学家夏皮罗等人才提出了“第四验第四验证证”雷达回波的时间延迟雷达回波的时间延迟。 广义相对论作为一种引力理论，尽管在广义相对论作为一种引力理论，尽管在理论上还存在不少问题，但比起其它引力理论理论上还存在不少问题，但比起其它引力理论来，在解释目前为数不多的实验上，仍然占着来，在解释目前为数不多的实验上，仍然占着领先的地位。它的观点和方法，在整个二十世领先的地位。它的观点和方法，在整个二十世纪理论物理中不仅是一项非常重大的收获，而纪理论物理中不仅是一项非常重大的
7、收获，而且对物理学和有关数学分支的发展产生了十分且对物理学和有关数学分支的发展产生了十分深刻的影响。深刻的影响。 相相对对论论的的时时空空观观念念与与人人们们固固有有的的时时空空观观念念差差别别很大，很难被普通人所理解。很大，很难被普通人所理解。 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上上帝帝说说：“让让牛牛顿顿去去吧吧，”于于是是一一切切都都成成为光明。为光明。后人续写道后人续写道: : 上帝说完多少年之后，魔鬼说：上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。爱因斯坦爱因斯坦: Einstein
8、牛顿牛顿: Newton绝对时空观绝对时空观现代时空观现代时空观伽利略变换伽利略变换洛伦兹洛伦兹变换变换经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理相对性原理相对性原理( (对于不同的惯性系，对于运动对于不同的惯性系，对于运动的描述是相对的，但是力学的的描述是相对的，但是力学的基本定律基本定律-牛顿定律，其形式牛顿定律，其形式都是一样的。）都是一样的。）物理规律对所有惯性系都是物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特一样的，不存在任何一个特殊的（例如殊的（例如“绝对静止绝对静止”的）的）惯性系。惯性系。伽利略坐标变换伽利略坐标变换与与 重合重合位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为
9、：经典力学认为：1）时间的）时间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）空间的量度也是绝对的，与）空间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关 .*伽利略变换伽利略变换一切惯性系都是等价的一切惯性系都是等价的经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理若若u u常矢量常矢量 对于不同的惯性系，对于运动的描述是相对的，但是力学的对于不同的惯性系，对于运动的描述是相对的，但是力学的基本定律基本定律-牛顿定律，其形式都是一样的。牛顿定律，其形式都是一样的。经典力学的相对性原理：经典力学的相对性原理：伽利略变换的困难伽利略变换的困难光速光速c伽利略变换伽利略变换: :麦克斯韦电磁场理
10、论麦克斯韦电磁场理论: : 利用伽利略变换对电磁现象的基本规律进行变换，发现这些规利用伽利略变换对电磁现象的基本规律进行变换，发现这些规律对不同的惯性系不具有相同的形式。律对不同的惯性系不具有相同的形式。（3）力学满足相对性原理只是偶然，相对性原理不是）力学满足相对性原理只是偶然，相对性原理不是普遍原理，电磁学理论只在普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系特殊的惯性系中成立。中成立。解决矛盾的可能方案：解决矛盾的可能方案：经典力学的相对性原理与麦氏电磁理论的矛盾经典力学的相对性原理与麦氏电磁理论的矛盾（1）电磁学理论需要修正。）电磁学理论需要修正。（2）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。）伽利
11、略变换和牛顿力学的时空观有问题。1.相对性原理相对性原理 物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（例如一个特殊的（例如“绝对静止绝对静止”的）惯性系。的）惯性系。2.光速不变原理光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与，与光源的运动状态无关。光源的运动状态无关。爱因斯坦相对性原理、光速不变爱因斯坦相对性原理、光速不变一、一、 狭义相对论的两条基本原理狭义相对论的两条基本原理洛伦兹坐标变换洛伦兹坐标变换与与 重合重合*伽利略变换伽利略变换正变换正变换洛仑兹变换式洛仑兹变换式对于洛仑兹变换
12、的说明：对于洛仑兹变换的说明：1、在狭义相对论中，洛仑兹变换占据中心地位；、在狭义相对论中，洛仑兹变换占据中心地位；2、洛仑兹变换是、洛仑兹变换是同一事件在不同惯性系同一事件在不同惯性系中两组时中两组时空坐标之间的变换方程；空坐标之间的变换方程；3、各个惯性系中的时间、空间量度的基准必须一致；、各个惯性系中的时间、空间量度的基准必须一致；4、相对论将时间和空间，及它们与物质的运动不可、相对论将时间和空间，及它们与物质的运动不可分割地联系起来了。分割地联系起来了。5、洛仑兹变换与伽利略变换本质不同，但是在、洛仑兹变换与伽利略变换本质不同，但是在低速和低速和宏观世界范围宏观世界范围内洛仑兹变换可以
13、还原为伽利略变换。内洛仑兹变换可以还原为伽利略变换。洛仑兹变换中蕴含的洛仑兹变换中蕴含的 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观1.同时的相对性同时的相对性2.时间度量的相对性时间度量的相对性3.空间度量的相对性空间度量的相对性相对论相对论效应效应同时的相对性和时间延缓同时的相对性和时间延缓一、同时的相对性一、同时的相对性事件事件 1 ：车厢：车厢后后壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号.事件事件 2 ：车厢：车厢前前壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号. 沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件，在沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现为其中一个惯性系中表现为同时
14、同时的，的， 在另一惯性系中在另一惯性系中观察则观察则不同时不同时。结论结论 ：同时的相对性同时的相对性用洛伦兹变换式证明同时性的相对性。用洛伦兹变换式证明同时性的相对性。事件事件 2 系系 (车厢参考系车厢参考系 )S 系系 ( 地面参考系地面参考系 )事件事件 1 证明：证明：时，时， 得证：一惯性系中的得证：一惯性系中的不同地点不同地点的的同时事件，在另一惯性系中观测同时事件，在另一惯性系中观测结果不同时。结果不同时。同时的相对性同时的相对性在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件在其他惯性系中不再是同时事件。在其他惯性系中不再是同时事件。只有在一
15、个惯性系中同时同地发生的两个事件，只有在一个惯性系中同时同地发生的两个事件，在另一个参考系中才是同时同地发生的。在另一个参考系中才是同时同地发生的。K系系中发生的两个事件中发生的两个事件 和和 。若。若K系以系以高高速速u相对相对k系系沿沿x轴轴方向运动，方向运动，k系系测得这两个事件测得这两个事件必必定定是（是（ ）。）。A. 同时同时事件事件B.不同地点不同地点发生的发生的同时同时事件事件C.即即非同时非同时，也，也非同地非同地D.无法确定无法确定时序与因果律时序与因果律子弹子弹前前事件事件1：开枪开枪在在S中：中：后后事件事件2：鸟死鸟死在在S中：是否能发生先鸟死，后开枪？中：是否能发生
16、先鸟死，后开枪？在在S中：中：先先开枪，开枪，后后鸟死鸟死子弹速度子弹速度信号传递速度信号传递速度所以由所以由因果律因果律联系的两事件的时序不会颠倒。联系的两事件的时序不会颠倒。在在SS系中：仍然是开枪在前，鸟死在后。系中：仍然是开枪在前，鸟死在后。分析：分析：运运 动动 的的 钟钟 走走 得得 慢慢二、二、时间延缓时间延缓在在 S 系中观测两事件系中观测两事件系系同一同一地点地点 B 发生两事件发生两事件发射一光信号发射一光信号接受一光信号接受一光信号时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔在在 S 系系时间测量的相对性时间测量的相对性 同一同一地点发生的地点发生的两两事件事件的时间间隔的时间间隔
17、.固有时间固有时间固有固有时间时间相对于所研究的参考系是静止的钟相对于所研究的参考系是静止的钟测得的两事件的时间间隔；测得的两事件的时间间隔； 3） 时，时， .2）时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应 . 1）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.说明说明相对论效应：相对论效应：运动运动的钟走得的钟走得慢慢 时间延缓时间延缓 固有时最短固有时最短例例 一飞船以一飞船以u=u=9109103 3m/sm/s的速率相对与地面匀速飞行。的速率相对与地面匀速飞行。飞船上的钟走了飞船上的钟走了5s5s, ,地面上的钟经过了多少时间？地面上的钟经过
18、了多少时间？解：解：飞船的时间膨胀效应实际上很难测出飞船的时间膨胀效应实际上很难测出例例 带正电的带正电的 介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，平均寿命为平均寿命为 ，过后即发生衰变。今产生一束，过后即发生衰变。今产生一束 介子，在实验室测得它的速率为介子，在实验室测得它的速率为u u0.99c0.99c，并测得它在，并测得它在衰变前通过的平均距离为衰变前通过的平均距离为52m52m。这些测量结果是否一致？。这些测量结果是否一致？固有时固有时通过的平均距离：通过的平均距离：与实验结果很好的符合！与实验结果很好的符合！某种介质静止时的寿命是某种介质静止时的寿命
19、是 ，如它，如它以速度以速度 的速度运动，它的速度运动，它能飞行的距离能飞行的距离s为（为（ ）长度测量的定义：长度测量的定义： 在某一参考系中，测量物体在某一参考系中，测量物体的长度，就是要测量它的两端点的长度，就是要测量它的两端点在在同一时刻同一时刻的位置之间的距离。的位置之间的距离。同时的相对性同时的相对性长度测量的相对性长度测量的相对性三、三、长度收缩长度收缩长度收缩长度收缩 当当 时时 . 长度收缩是一种长度收缩是一种相对相对效应效应, 此结果反之亦然此结果反之亦然 .注意注意固有长度：棒静止时测得的它的长度叫棒的静长或固有长度：棒静止时测得的它的长度叫棒的静长或固有长度固有长度 .
20、（最长）（最长） 运动物体在运动物体在运动方向运动方向上上发生长度收缩发生长度收缩 .物理世界奇遇记物理世界奇遇记 -城市速度极限汤普金斯先生 街道缩短了 商店的橱窗变得像一条条狭缝人行道上步行的人则变成他有生以来第一次见到的细高条 -相对性例固有长度为例固有长度为5m5m的飞船以的飞船以 的速率相对于地的速率相对于地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？固有长度固有长度 在在S系中观察到在同一地点发生两个事件，第二事件发生系中观察到在同一地点发生两个事件，第二事件发生在第一事件之后在第一事件之后2s，在，在 系中观察到第二事件在第一事件系中观
21、察到第二事件在第一事件后后3s发生。求在发生。求在 系中这两个事件的空间距离。系中这两个事件的空间距离。练习：练习： 天津和北京相距天津和北京相距120km，在北京于某日上午，在北京于某日上午 9时时有一工厂因过载而断电，同日在天津于有一工厂因过载而断电，同日在天津于9时时0分分0.0003秒有一自行车与卡车相撞。试求在以秒有一自行车与卡车相撞。试求在以 的速率沿北京到天津方向飞行的飞船中，观察到的速率沿北京到天津方向飞行的飞船中，观察到的这两个事件之间的时间间隔？的这两个事件之间的时间间隔？1.1.相对性原理相对性原理 物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何物理规律对所有惯性系都是一样的
22、，不存在任何一个特殊的（例如一个特殊的（例如“绝对静止绝对静止”的）惯性系。的）惯性系。2.2.光速不变原理光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c c ，与，与光源的运动状态无关。光源的运动状态无关。两条基本假设两条基本假设（爱因斯坦的狭义相对论基本原理爱因斯坦的狭义相对论基本原理)洛仑兹变换式洛仑兹变换式位位置置坐坐标标变变换换狭义相对论时空观狭义相对论时空观2 2、相对于相对于观测者运动的惯性系沿运动方向的长度对观测者运动的惯性系沿运动方向的长度对观测者来说收缩了。观测者来说收缩了。1 1、相对于相对于观测者运动的惯性系的时钟系统对观测者观测者运动的惯性系的时钟系统对观测者来说变慢了。来说变慢了。3 3、没有、没有“绝对绝对”的时间、的时间、“绝对绝对”的空间。长的空间。长度收缩和时间的膨胀是相对的。度收缩和时间的膨胀是相对的。
