1、背景,一是19世纪末经典物理学趋于完善；,二是出现两朵乌云,热辐射紫外灾难,以太否定性结果,主体是 ,相对论,量子力学,应用,学科：,原子与分子物理学,凝聚态物理,材料技术,技术：,天体物理,电子技术,激光技术,原子能技术,近代物理学基础,内容,相对论,狭义相对论,广义相对论,1905年爱因斯坦提出的，是一种仅适用于惯性系，从时间和空间的基本概念出发将力学和电磁学统一起来的概念,1916年爱因斯坦等人提出的，适用于非惯性系，是包含引力的相对性理论，是相对论天体物理学，高能天体物理学和宇宙学的理论基础,第十七章 狭义相对论,一、力学的相对性原理,力学规律在所有惯性系中都是等价的，具有相同形式。,
2、二、伽利略变换,相对性原理的数学表达式，是建立在经典时空观基础上的不同参照系之间的时空变换关系。,伽利略航船现象1632年,表述1：,在任何一个惯性参照系中，不可能通过,任何力学实验判定这个参照系是处于静止或匀速直线运动状态。,表述2：,S与S关系如下：,伽利略坐标变换式,伽利略速度和加速度变换式,力学定律形式不变,1.同时性是绝对的,S中同时：,S中：,2. 时间间隔是绝对的,S中不同时：,S中：,三、经典力学的时空观,3. 两地之间的距离是绝对的,S系:,S系:,经典时空观综述：, 绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永 远均匀的流逝着，与任何外界事物无关。, 绝对的空间就其本质而言，是
3、与任何外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。, 绝对时间和绝对空间的概念加上伽利略相对性原理，便构成了经典的时空观。,一、绝对参照系的探寻,必要性：牛顿运动定律只有相对于绝对参照系（绝对空间上建立的参照系）成立，这个参照系的存在是牛顿力学的基础。,“以太”：电磁理论确定真空中光速是常数，与方向无关。依据伽利略变换，这个结论只能相对绝对参照系成立，即绝对静止以太物质是其体现,探寻方法：通过探测地球相对以太的运动，证明以太的存在。,二、迈克尔逊-莫雷实验,迈克尔逊-莫雷1887年设计测量以太漂移实验,原理：如图,光路1沿地球公转方向：,光程差,转动90o后：,光程差,条纹移动量是：,预计0.37
4、个条纹，实验0.01。,迈克尔逊获得1907年的诺贝尔物理奖。,没有运动！,以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。,地球上各方向光速相同，与地球运动状态无关。,1852 1931 美国科学促进协会主席,美国科学院院长；,一、狭义相对论的基本原理,物理定律在所有惯性系中都是相同的，或者说：所有惯性系都是等价的，不存在绝对参照系。,1. 狭义相对性原理,2. 光速不变原理,在一切惯性系中，光在真空中沿各个方向传播速度都是C，跟光源与观察者相对速度无关。,基点：,经典力学对天体运动描述的准确性；,电磁场的物质性与以太的否定。,基点：电磁理论和迈克尔逊实验结果,二、洛
5、仑兹变换,前提： 满足光速不变原理和狭义相对性原理, 当uc时，换原为伽利略变换,表示：,取如下线性变换,计算整理得出洛仑兹变换式：,其中：,注意：,当 u C 时,转换为伽利略变换,式中,一、同时的相对性,1o 若,则, 在 S 系中同一地点同时发生两件事，在 S 系中也是同时发生。,2o 若, 称为同时的相对性,则,例：爱因斯坦列车,列车：,地面：,A 先，B 后,同时收到,3o 时序的相对性,保证相对论与因果律不矛盾，应满足运动速度小于光速。,以子弹击中小鸟为例：,S系：,发射:,击中：,S系：,若要满足,式中：u是S系速度， 是子弹速度。,则要满足,二 、运动的时钟变慢,事件E1:,C
6、3C1,事件E2:,C3C2,由洛仑兹变换,三 、运动的杆缩短,静止长度,运动长度,由洛仑兹变换：,一、质量与速度关系,mo:静止质量,m : 运动质量,二、相对论动力学方程,相对论动量表示为：,相对论动力学方程是：,一、相对论的能量,由质速关系，两边求导得,（1）（2）联立得,设：物体沿 x 轴运动，合外力为F,1o moc2称为静止能量,表明质量与能量之间有着固定的、内在关系。,2o 注意到,物质存在和运动形式变化，不能说物质转化为 能量,物体吸收或放出能量时，伴随质量增加或减少,3o 注意到如下展开式,在 时,E=mc2是相对论总能量,二、能量与动量关系,比较能量与动量表达式：,三、两个
7、极端情况,这时相对论能量与动量表达式简化为,这时非相对论情况，动、静能之比有,例 17-1,1s 之后同时被 P1和 P2接收到。设 S 相对 S 的运动速度为 0.8 c，求： P1和 P2接收到讯号时在 S 上的时刻和位置。,解：,P1,在 S上观察时,闪光从 O点出发，在 S上观察光讯号于,S系：,P2,S系：,P1,P2,例 17-2,相距 1000 m的两点，而在另一惯性系 S 中，测得这两个事件发生的地点相距 2000 m。求；,在 S 系中测得这两个事件的时间间隔。,解：,由洛仑兹变换,惯性系 S中，两事件同时发生在 x轴上,地球。火箭发射 后（火箭上钟），火箭向地面发射一导弹，
8、其速度相对于地面u1=0.3c。求；火箭发射后多长时间，导弹到达地面（地球上的钟）？假设地面不动。,例 17-3,解：,按地球上的钟计算，导弹发射的时间是火箭发射后,火箭相对于地面以 u= 0.6 c速度向上飞离,这段时间火箭在地面上飞行的距离,导弹飞到地球的时间,火箭发射后到导弹到达地面的时间,例17-4,方向平行。在车厢中测得杆长为1.0m，车厢以41.7ms-1的速度行驶。求在地面上测得的杆长。,2 设想人类实现了恒星际航行，将火箭发射到临近恒星上去。火箭相对于日心-恒星坐标系的速度为u=0.8c，火箭中静止放置长度为1.0m的杆，杆与火箭航行方向平行。求在日心-恒星坐标系中测得的杆长。,1 一长杆在车厢中静止，杆与车厢前进,解：,1,2,例17-6,光脉冲从船尾传到船头，飞船上的观察测得船长为 90 m ，求地球上的观察者测得光脉冲从船尾发出（事件1）到达船头（事件2）两个事件的空间间隔。,宇宙飞船相对地球以0.8c的速度飞行。,解：,
