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1、第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换 一一 伽利略变换式伽利略变换式 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有牛顿力学的规律都具有相同的形式相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理这就是经典力学的相对性原理 . 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是经典力学定律的形式是完全一样的吗完全一样的吗 ？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对
2、论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换伽利略变换伽利略变换当当 时时与与 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：经典力学认为：1）空间的）空间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与）时间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关 .*大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换加速度变换公式加速度变换公式伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式 在
3、两相互作匀速直线运动的惯性在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式系中，牛顿运动定律具有相同的形式.*大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换 相对于不同的参考系相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果长度和时间的测量结果是一样的吗是一样的吗? 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关关 , 长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性
4、原理牛顿力学的相对性原理二二 经典力学的绝对时空观经典力学的绝对时空观注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的低速的范围内，是与实验结果相一致的 . 大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换（1 1）同时的绝对性）同时的绝对性据伽利略变换，据伽利略变换，S S/ /系系在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。同时的绝对性同时的绝对性S S系系, ,两
5、个事件同时发生两个事件同时发生大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换（2 2）时间间隔的测量是绝对的）时间间隔的测量是绝对的S S系：两个事件先后发生，系：两个事件先后发生，其间隔为其间隔为在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。时间间隔的绝对性。时间间隔的绝对性。据伽利略变换，据伽利略变换， 在在SS系中，系中，大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论
6、相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换（3 3）长度测量的绝对性）长度测量的绝对性当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但坐标差，但必须同时测量。必须同时测量。静止系中可不同时测静止系中可不同时测静止系中，杆的长度为静止系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为运动系中，杆的长度为大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换根据伽利略变换根据伽利略变换长度测量是绝对的。长度测
7、量是绝对的。大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换真空中的光速真空中的光速 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系 , 光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗 ？三三 牛顿力学的困难牛顿力学的困难（1 1）电磁波和光不服从伽利略变换）电磁波和光不服从伽利略变换大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换由
8、麦氏方程组可解出光在任意惯性参照系中（真空由麦氏方程组可解出光在任意惯性参照系中（真空介质）的速度为介质）的速度为 即在即在S和和S系中，光在系中，光在真空中的传播速度一样，这与伽利略速度变换矛盾。真空中的传播速度一样，这与伽利略速度变换矛盾。大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换 900 多年前（公元多年前（公元1054年年5月）一次著名的月）一次著名的超新星超新星爆发爆发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座
9、的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能均能用肉眼观察用肉眼观察, 特别是开始的特别是开始的 23 天天, 白天也能看见白天也能看见 .物质飞散速度物质飞散速度l = 5000 光年光年AB 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向它的外围物质向四面八方飞散四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动即有些抛射物向着地球运动, 现研究超现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论
10、3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月, 这怎么解释这怎么解释 ?理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l = 5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换（2 2）以太的假设）以太的假
11、设 “以太以太”是人们假想的，充满宇宙空间是人们假想的，充满宇宙空间的一种绝对静止的物质。的一种绝对静止的物质。 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动 , 1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果没有结果 .1887年他与莫雷以更高的精度重年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果, 即即未观测未观测到地球相对到地球相对“以太以太”的运动的运动 .大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原
12、理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换（3 3）质量随速度的增加而增加）质量随速度的增加而增加1901年考夫曼在确定镭发出的年考夫曼在确定镭发出的 射线（高射线（高速运动的电子束）荷质比的实验中首先看到，速运动的电子束）荷质比的实验中首先看到，电子的荷质比与其运动速度有关，假设电子电子的荷质比与其运动速度有关，假设电子的电荷的电荷 不随速度而变化，则它的质量就不随速度而变化，则它的质量就要随速度的增加而增大要随速度的增加而增大大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原
13、理和洛仑兹变换 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的. 理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家, 于于1905年和年和1915年先后创立了狭义年先后创立了狭义相对论和广义相对论相对论和广义相对论, 他于他于1905年提出了光量子假设年提出了光量子假设, 为此他于为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖, 他他还在量子理论方面具有很多的重要还在量子理论方面具有很多的重要的贡献的贡献 .大学物理学施建青版上册
14、上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换四狭义相对论的基本原理四狭义相对论的基本原理1）相相对性原理性原理：物理定律在：物理定律在所有的惯性系所有的惯性系中都具有相同的表达形式中都具有相同的表达形式 . 2）光速不变原理光速不变原理： 真空中的光速是常量，真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择惯性系的选择. 相对性原理是自然界的普遍规律相对性原理是自然界的普遍规律. 所有的惯性参考系都是等价的所有的惯性参考
15、系都是等价的 . 伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理不符不符 .大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换说明同时具有相对性，时间的量度是相对的说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 . 和和光速不变光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系紧密联系在一起的是：在某一惯性系中中同时同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并一惯性系中观察，并不一定是同时不一定是同时发生的
16、发生的 .大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换五洛伦兹变换式五洛伦兹变换式* 设设 ： 时，时， 重合重合 ; 事件事件 P 的时空的时空坐标如图所示坐标如图所示 . 长度长度的测量是和的测量是和同时性同时性概念密切相关概念密切相关.大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换正正变变换换逆逆 变变 换换 光速光速
17、在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来 .*大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换第三章第三章第三章第三章 相对论相对论相对论相对论3 - 1 3 - 1 相对论基本原理和洛仑兹变换相对论基本原理和洛仑兹变换1） 与与 成线性关系，但比例系数成线性关系，但比例系数 .2） 时间不独立，时间不独立， 和和 变换相互交叉变换相互交叉. 3） 时，洛伦兹变换时，洛伦兹变换 伽利略变换。伽利略变换。 洛伦兹变换洛伦兹变换特点特点 意义：意义：基本的物理定律应该在基本的物理定律应该在洛伦兹变换洛伦兹变换下保下保持持不变不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性的对称性 相对论对称性相对论对称性 .大学物理学施建青版上册上课31相对论基本原理和洛仑兹变换
