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1、第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版作作业业：指指P142:三三.1,三三.2,三三.4,三三.5,三三.6, 三三.7预习预习：马书：马书：P300-315改改错错：（1）指指导导书书：P142（三三）4最最后后一一句句：将将“产产生生地地点点离离地地面面的的高高度度”改改成：成：“飞行的距离飞行的距离”。（2）指指导导书书：P182（二二）4 20改改为为4；P183（二）（二）5 5/3改为改为3；P183（二）（二）8 0.786c改为改为0.866c1第十四章第十四章 相对论相对论
2、14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版相相相相 对对对对 论论论论第第第第 十十十十 四四四四 章章章章2第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 1905年，年，26岁的爱因斯坦发表了岁的爱因斯坦发表了5篇著名论文：篇著名论文：2.分子大小的新测定分子大小的新测定：推导出计算扩散速度的数学推导出计算扩散速度的数学公式。公式。3.关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动
3、子的运动：提供了原子确实存在的证明。提供了原子确实存在的证明。4.论论动动体体的的电电动动力力学学：提提出出时时空空关关系系新新理理论论，被被称称为为“狭义相对论狭义相对论” 。5.物物体体的的惯惯性性是是否否决决定定其其内内能能：建建立立在在狭狭义义相相对对论论基基础础上上，该该文文表表明明质质量量和和能能量量可可互互换换，并并推推出出被被称称为为改变世界的方程式改变世界的方程式：E=mc2 。1.关关于于光光的的产产生生和和转转化化的的一一个个试试探探性性观观点点：提提出出光量子概念，并成功的解释了光量子概念，并成功的解释了光电效应光电效应现象。现象。3第十四章第十四章 相对论相对论14-
4、3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 相对论由相对论由爱因斯坦爱因斯坦（Albert Einstein）创立，创立，狭义相对论狭义相对论（Special Relativity）（1905）揭示了时间、空间与运动的关系。揭示了时间、空间与运动的关系。揭示了时间、空间与引力的关系。揭示了时间、空间与引力的关系。本章重点介绍狭义相对论的时空观。本章重点介绍狭义相对论的时空观。它包括了两大部分：它包括了两大部分：广义相对论广义相对论（General Relativity）（1915-1916）4第十四章第十四章 相对论相对论14-3
5、14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 爱因斯坦爱因斯坦（Albert Einstein） （18791955） 美籍美籍 德国人德国人 获获1921年诺年诺 贝尔物理奖贝尔物理奖5第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版爱因斯坦爱因斯坦 20世世纪纪最最伟伟大大的的物物理理学学家家, , 1905年年、1915年年先先后后创创立立狭狭义义和和广广义义相相对对论论, , 1905年年提提出出了了光光量量子子假假设设, , 并并因因此此
6、于于1922年年获获得得1921年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖, ,他他还还在在量量子子理理论论方方面面有有重重要要贡贡献献 .（1879-1955）6第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版电磁波（包括光）在真空中各方向速率都为电磁波（包括光）在真空中各方向速率都为 c 。企图找到企图找到“绝对静止绝对静止”参考系的参考系的思想实验思想实验：当时人们认为这只对当时人们认为这只对“绝对静止绝对静止”参考系参考系(以太以太)才成立。按照才成立。按照伽利略变换的伽利略变换的速度变换公式速度变换公式
7、, 有有如下如下c + ullLc - uuuAB设设 u c ， 19世纪下半叶，由世纪下半叶，由麦克斯韦麦克斯韦电磁场电磁场方程组方程组得知：得知：不同时！不同时！7第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 1887年年，体体现现上上面面思思想想实实验验的的迈迈克克耳耳孙孙莫莫雷雷（Michelson-Morlay）实实验验却却得得到到了了“零零”结果！结果！ 用用各各种种企企图图保保持持绝绝对对参参考考系系的的假假说说来来解解释该实验结果，均遭到失败。释该实验结果，均遭到失败。地球就是地球
8、就是“绝对静止绝对静止”的参考系？的参考系？典型的典型的假说假说有：有：发射说发射说和和以太拖曳说以太拖曳说。发射说发射说和和以太拖曳说以太拖曳说。8第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版发射说：发射说：光速要叠加上光源的速度光速要叠加上光源的速度。c + u1地球地球u2u1m1m2双双星星c u2不能同时不能同时到达地球到达地球射说，射说，双星观测否定了双星观测否定了发发即实际上观测即实际上观测不到双星位置的扭曲。不到双星位置的扭曲。应观察到双星位置的扭曲应观察到双星位置的扭曲“以太以太”
9、（ ether）拖曳说：拖曳说： 光在以太（绝对静止的参照系）中各向速光在以太（绝对静止的参照系）中各向速度都是度都是c，而以太又被地球拖着走。而以太又被地球拖着走。9第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 实际观测正上方的星体，望远实际观测正上方的星体，望远 按按以以太太拖拖曳曳说说，光光到到地地球球附附近近要要附附加加速速度度u，望望远远镜就不该倾斜了。镜就不该倾斜了。c tu正上方的星体正上方的星体* c地面地面u t镜必须向地球公转方向倾斜一个镜必须向地球公转方向倾斜一个小角度小角度
10、，这叫，这叫“光行差光行差”现象。现象。10第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 1922年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话：年爱因斯坦访日在即席演讲中有一段话： “还在学生时代，我就在想这个问题了。还在学生时代，我就在想这个问题了。当时，当时，我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。结论：结论：如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实，如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对那么地球相对以太以太运动的想法就是运动的想法就是错误错误的。的。是引导我走向狭义相对论的最早的
11、想法。是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”我很快得出我很快得出这这即绝对静止的参考系即绝对静止的参考系以太是不存在的！以太是不存在的！11第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 爱因斯坦爱因斯坦认为：认为： 在任何惯性系中光速都是各向为在任何惯性系中光速都是各向为c，物质世界的规律应该是和谐物质世界的规律应该是和谐统一的，统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。这样就自然这样就自然地解释了地解释了迈克耳孙迈克耳孙莫雷莫雷实验实验的零结果。的零结果。c +
12、ullLc- uuuABcllLcuuAB 实践是检验真理的唯一标准实践是检验真理的唯一标准! 1978年年5月月11日日光明日报光明日报特约评论员文章的标题特约评论员文章的标题这个零结果否这个零结果否定了经典力学的定了经典力学的伽利略变换伽利略变换。12第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 只只有有忠忠实实于于事事实实，才才能能忠忠实实于于真真理理。 周恩来周恩来 只只有有人人们们的的社社会会实实践践，才才是是人人们们对对于于外外界界认认识识的的真真理理性性的的标标准准。真真理理的的标标准
13、只能是社会的实践。准只能是社会的实践。 毛泽东毛泽东13第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 1905年年爱因斯坦爱因斯坦在在论动体的电动力学论动体的电动力学1. 物理规律对所有惯性系都是一样的。物理规律对所有惯性系都是一样的。 2. 任何惯性系中，真空中光的速率都为任何惯性系中，真空中光的速率都为 c 。 若保持光速不变原理，若保持光速不变原理，这一规律称为这一规律称为光速不变原理。光速不变原理。光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾的，光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾的，就必须就必须抛弃抛
14、弃伽利略变换，伽利略变换，也就是必须也就是必须抛弃抛弃经典力学的绝对时空观。经典力学的绝对时空观。一文中提出如下一文中提出如下两条基本原理：两条基本原理：这后来被称为这后来被称为爱因斯坦相对性原理。爱因斯坦相对性原理。14第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版1 相对性原理相对性原理爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理 物理定律在所有惯性系中都具有相同的物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式表达形式.一狭义相对论的基本原理一狭义相对论的基本原理 相对性原理是力学相对性原理的推广相对性原理是
15、力学相对性原理的推广.力力学学相相对对性性原原理理：在在任任意意两两个个相相互互作作匀匀速速直直线线运运动动的的惯惯性性系系中中, ,牛牛顿顿运运动动定定律律具具有有相相同的形式同的形式.15第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 真真空空中中的的光光速速是是常常量量，沿沿各各个个方方向向都都等等于于c ，与光源或观测者的运动状态无关与光源或观测者的运动状态无关.2 光速不变原理光速不变原理 换换言言之之，真真空空中中任任何何惯惯性性系系中中，光光的的速速率率都是都是 c ，与光源或观测者的运
16、动状态无关，与光源或观测者的运动状态无关。 若若承认承认光速不变原理，光速不变原理，光速不变原理与伽利略变换是光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾彼此矛盾的，的，就必须就必须抛弃抛弃伽利略变换，伽利略变换，也就是必须也就是必须抛弃抛弃经典力学的绝对时空观。经典力学的绝对时空观。但它反映了客观事实。但它反映了客观事实。16第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版 关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性 . 注注意意到到伽伽利利略略变变换换关关系系与与狭狭义义相相对对论的基本原理（光速不变原
17、理）不符论的基本原理（光速不变原理）不符. 而而狭狭义义相相对对论论的的基基本本原原理理与与实实验验事事实相符合实相符合.这两条基本原理是狭义相对论的基础这两条基本原理是狭义相对论的基础. 那么，那么，狭义相对论的狭义相对论的变换关系又该具变换关系又该具有什么样的形式呢？有什么样的形式呢？17第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版二二 洛伦兹变换式洛伦兹变换式符合相对论理论的时空变换关系符合相对论理论的时空变换关系设设 时，时， 重合重合 ; 事件事件 P 的时空坐标如图的时空坐标如图所示所示
18、.*18第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版1 洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式19第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版正正变变换换逆逆变变换换 时时, 转换为伽利略变换式转换为伽利略变换式. 注注 意意2 一个新理论的成功，必须满足三条：一个新理论的成功，必须满足三条：能够包容原有的理论；能够包容原有的理论； 被不同的实被不同的实验重复的验证；验重复的验证；能预言一些新的现象。能预言一些
19、新的现象。注注 意意120第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版2 洛伦兹速度变换式洛伦兹速度变换式正变换正变换逆变换逆变换21第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版讨论讨论光速不变光速不变如如在在惯惯性性系系S中中沿沿x方方向向发发射射一一光光信信号号, ,已已知知光光对对S系系的的速速度度是是c，即即ux=c，那那么么，在惯性系在惯性系S中观察的光速中观察的光速 光光速速在在任任何何惯惯性性系中均为同一常量系中均为同一常量.22
