1、第十五章 狭义相对论,难点: 物质观的深化,重点: 相对论基本原理；洛仑兹变换；时空观,“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”苏轼题西林壁,不变性：是物理定律，是自然界中与观察者无关的客观规律.,151 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难,“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。”爱因斯坦,自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之间的变换关系（相对性原理），和变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘. 现代物理方法论精髓,一 伽利略变换式 经典力学的相对性原理,问：相对于不同的参
2、考系 , 经典力学定律的形式是完全一样的吗 ？,牛顿力学的回答:,对于任何惯性参照系,牛顿力学的规律都具有相同的形式. 这就是牛顿力学的相对性原理 .,S系和 系坐标轴相互平行,系相对于S系沿+x方向以速率v 运动,事件： t 时刻，物体到达 P 点,伽利略变换,伽利略速度变换,伽利略加速度变换,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.,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 .,经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .,绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关 , 长度和时间的测量是绝对
3、的.,二 经典力学的绝对时空观,“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地流逝着, 与任何外界无关.”“绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动, 并且永远不变.”,实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.,问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗 ？,真空中的光速,对于两个不同的惯性参考系 , 光速满足伽利略变换吗 ？,三 伽利略变换的困难,光速依赖于惯性参考系的选取吗?,结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换),人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了各种
4、理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验事实相矛盾，最后均以失败告终 .,实验结果 未观察到地球相对于“以太”的运动.,实验装置：,设“以太”参考系为S系、实验室为S系,结论：作为绝对参考系的以太不存在.,以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但结果却没有任何变化,迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.,爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥.,Albert Einstein ( 1879 1955 )20
5、世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献 .,15 2 狭义相对论的基本原理,一 狭义相对论的基本原理,1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 .,2）光速不变原理：真空中,光在任一惯性系中沿各个方向的速度都是C，它与光源或观察者的运动无关.,关键概念：相对性和不变性 .,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 .,伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 .,1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发
6、展,爱因斯坦相对论适用于包括力学定律和电磁学定律在内的一切物理规律。,2) 观念上的变革,均与参考系无关,时间测量 长度测量,速度与参考系有关(相对性),长度、时间的测量与参照系有关,牛顿力学,狭义相对论力学,实验说明，伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观不再适用，必须寻找新的变换，建立新的时空观。,一 同时的相对性,15 - 3 狭义相对论的时空观 洛伦兹变换式,在牛顿力学中，时间是绝对的。两事件在惯性系 S 中观察是同时发生的，那么在另一惯性系S中观察也是同时发生的。,狭义相对论则认为：这两个事件在惯性系S中观察是同时的，而在惯性系S观察一般来说不再是同时的了。这就是狭义相对论的同
7、时相对性。,同时性的相对性- 光速不变原理的直接结果,事件 1 ：车厢后壁接收器接收到光信号. 事件 2 ：车厢前壁接收器接收到光信号.,以爱因斯坦火车（Einstein train）为例说明同时性的相对性,Einstein train,地面参考系,中点M放置光信号发生器,某时刻M发一光信号,研究的问题： 两事件发生的时间间隔,M发出的闪光,光速为,A B同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生,S系中的观察者又如何看呢？,处闪光,光速也为,A 、B 随 S运动,A迎着光，比B 先收到光,事件1、事件2不同时发生,事件1先发生,由于光速不变，在一个惯性系中同时不同地点发生的两个事件，在另一个
8、惯性系中不再是同时发生的了。,二 时间的延缓,运 动 的 钟 走 得 慢,系同一地点 B 发生两事件,在 S 系中观测两事件,时间间隔,在一个惯性系中,相对于观察者运动的钟比相对于观察者静止的钟走得慢。这种效应称时间延缓；或时间膨胀；或动钟变慢效应。,因此,固有时间,固有时间 ：同一地点发生的两事件的时间间隔 .,两地时间 ：不同地点发生的两事件的时间间隔 .,狭义相对论的时空观1） 两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义.2）时空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带.,3） 时， .
9、,1）时间延缓是一种相对效应 .,2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等 . ）,解：飞船参考系定为 S 系,地面参考系定为 S 系,S中是原时,S中是两地时,例1 以飞船以v=9103m.s-1的速率相对于地面匀速飞行。飞船上的钟走了5s的时间，用地面上的钟测量是经过了多少时间？,例2 设想有一光子火箭以 速率相对地球作直线运动 ，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去 10 min , 则地球上的观察者测得此事用去多少时间 ？,运动的钟似乎走慢了.,解: 设火箭为 系、地球为 S 系,时间膨胀运动时钟变慢,t1+t时刻杆的左端经x1,某一时刻
10、t1,杆右端经过x1,S系杆长：,将杆固定在x轴上。,在S系中杆的长度为：,在S系中杆的长度是多少呢？,t1+t时刻杆的右端经x2,怎么测量运动的长度？,三 长度的收缩,同时测,现在再看t,它是杆的左端和右端相继通过x1点这两个事件的时间间隔，由于x1是S系中一个固定点，所以t是这两个事件发生的原时。,从S系看：,由于杆长为l ，所以,从S系看：,它是x1经过杆的右端和左端这两个事件的时间间隔，发生在S系的两个地点，所以t是两地时间。,由于t 和t都是指同样两个事件的时间间隔,根据时间延缓关系:,杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的长度缩短。这种现象称为长度收缩。,固有长度,固有长度：物体
11、相对于观察者静止时测得的长度。,也称静长或原长。,（2）尺缩效应只在相对运动方向上发生；,（1）原长最长；,在S中的观察者,在S中的观察者,（3）长度收缩是一种相对效应, 此结果反之亦然 .,解 ：固有长度,例3 原长为5m的飞船以v9103m.s-1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？,解：,例4 设想有一光子火箭， 相对于地球以速率 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为 15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？,人类乘坐接近光速的光子火箭作星际旅行,无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间原则上可以任意短。,在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.,双生子佯谬： 有一对孪生兄弟，在20岁时，哥哥从地球出发乘飞船运行10年后，哥俩谁更年轻？ （已知飞船速度 ）,到底谁最年轻？,到底是哪个钟走得慢了呢？,我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙作更多的变速运动，谁就会活得更长久。,1.相对性原理：一切物理定律在所有的惯性系中都有相同数学形式。,一.狭义相对论的两条基本原理：,2. 光速不变原理：在所有的惯性系中,真空中的光速恒为c ，与光源或观察者的运动无关。,二、同时的相对性,时间膨胀,三、长度缩短,
