1、1,运动的相对性与时空,从哥白尼到爱因斯坦 牛顿的力学相对性原理和伽利略变换 爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论的洛仑兹变换 时间膨胀 长度缩短 速度变换,2,一、初步认识相对性运动描述与参考系有关, 运动规律与参考系无关。对牛力的认识, 惯性系与非惯性系。, 从哥白尼到爱因斯坦,“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”这是古人以文学语言阐述的对事物认识因人而异的事实。这是最原始的“相对性”。,3,二 、深入认识相对性认识论方法论的问题，教育人们要 脱离自我 客观地看问题。相对性问题的核心是：物理规律是客观存在的，与参考系无关。,对“相对性”的正确认识，首先涉及“认识论、方法论”，在认
2、识上必须要“超越自我”，即超越自我认识的局限，自觉摆脱经验的束缚，以事实为依据。,4,相对论问题包括 两方面 1) 相对性原理 - 物理规律的不变性; 2) 变 换 - 不变式。,张三,张三说：头朝上。 李四也说：头朝上。,李四,但，张三看李四，大头朝下！,5,三、 哥白尼 爱因斯坦是典范,抛弃以我为中心,抛弃地心说,哥白尼,6,爱因斯坦 现代时空的创始人,惯性系，非惯性系平权,二十世纪的哥白尼,所有的参考系平权,7,从哥白尼到爱因斯坦- 参考系的选择,牛顿的相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理,平权就是对称性,2 牛顿的力学相对性原理 和 伽利略变换,明确研究的问题: 在两个惯性系中考察同
3、一物理事件,8,在不同的惯性系中， 考察同一物理事件。,两个参考系对表,问题：,一、伽利略变换,t时刻，物体到达P点,9,分量式,正变换,逆变换,10,速度变换 与加速度变换,正,逆,惯性系,11,在两个惯性系中,二、牛顿的相对性原理,牛顿力学中：,相互作用是客观的 分析力与参考系无关,质量的测量与运动无关,12,宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,或 牛顿力学规律是伽利略不变式,如：动量守恒定律：,13,3 爱因斯坦狭义相对论的 两个基本假设,一、牛顿力学的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 光速C 在哪个参考系中测的?迈克耳逊
4、莫雷的 0 结果 3) 高速运动的粒子,14,二 、基本假设,1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同 相对性原理 2、 光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理,1) 爱因斯坦 的理论是 牛顿 理论的发展,15,2) 光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理针锋相对,3) 观念上的变革,牛顿力学,速度与参考系有关,(相对性),狭义相对论力学,长度、时间测量的相对性,16,三、同时性的相对性,1、 事件 时空坐标 2、 同步钟 3、 同时性的相对性- 光速不变原理的直接结果以爱因斯坦火车为例说明,17,爱因斯坦火车,地面参考系,实验装置,发一光信号,18,发一光信号,研究的问题：
5、 两事件发生的时间间隔,处闪光,光速为,同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生。,19,事件1、事件2 不同时发生,事件1先发生,处闪光,光速也为,系中的观察者又如何看呢？,1、同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,2、相对效应 3、当速度远远小于 c 时 两个惯性系结果相同,20, 狭义相对论的洛仑兹变换,重合 且在此发出闪光,经一段时间 光传到 P点,一、推导,21,由光速不变原理：,由发展的观点：,有,22,由客观事实是确定的：,对应唯一的,设,下面的任务是 根据上述四式 利用比较系数法 确定系数,23,24,令,则,正变换,逆变换,25,正变换,讨论,时空坐标,伽利略变换,发展,
6、26,变换无意义,速度有极限,4) 由洛仑兹变换看同时性的相对性,事件1,事件2,两事件同时发生,？,27,若,同时性的相对性,5) 时序 因果关系,已知,28,5 时间膨胀 长度缩短 一、时间膨胀 运动时钟变慢,考察一只钟。,在研究一个物理过程的时间间隔中，,在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间 间隔(同一只钟测量) ，与另一系中，两个地点发 生的两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。,研究的问题是：,29,1、原时 两地时,2、原时最短 时间膨胀,在某一参考系中，同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫原时。,(两事件发生在同一地点),(一只钟测出的时间间隔),( S 系中的
7、两个地点的两只钟测出的时间间隔 ),两地时,原时,30,由洛仑兹逆变换,原时最短, 1,31,1、运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征,2、对同样的两个事件 原时只有一个,固有时 本性时 本征时,3、双生子效应,32,二、长度收缩-运动尺子变短,对运动长度的测量问题 怎么测？ 同时测,1、原长,棒静止时测得的它的长度 也称静长,静长,33,静长,棒以极高的速度相对S系运动， S系测得棒的长度值是什么呢？,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,相应的时空坐标,34,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,2、原长最长 长度收缩,由洛仑兹变换,35,1) 相对效应 2) 纵向效应3) 在低速下 伽利略变换4) 同时性的相对性的直接结果,36,6 相对论速度变换,37,由洛仑兹变换知,38,39,例：设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为0.90c 。 问：从地面上看，物体速度多大？,解：,
