2021-2022学年高二物理竞赛课件：狭义相对论的两个基本假设(共15张PPT).pptx

狭义相对论的两个基本假狭义相对论的两个基本假设设 在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值，有相同的值，与光源和观测者的运动无关。与光源和观测者的运动无关。1 1 1 1、相对性原理、相对性原理、相对性原理、相对性原理物理定律在所有惯性系中具有相同的表述形式。物理定律在所有惯性系中具有相同的表述形式。2 2 2 2、光速不变原理、光速不变原理、光速不变原理、光速不变原理（1964-19661964-1966年，欧洲核子中心的实验直接验证了光速不年，欧洲核子中心的实验直接验证了光速不变的原理：变的原理：以以 的高速飞行的的高速飞行的 介子，在飞行中辐射介子，在飞行中辐射光子，得到光子的实验室速度数值仍然是光子，得到光子的实验室速度数值仍然是 ）包括两个意思：包括两个意思：l 光速不随观察者的运动而变化光速不随观察者的运动而变化 l 光速不随光源的运动而变化光速不随光源的运动而变化 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 经典力学（牛顿）的相对性原理：经典力学（牛顿）的相对性原理：经典力学（牛顿）的相对性原理：经典力学（牛顿）的相对性原理：在牛顿力学中在牛顿力学中 力与参考系无关力与参考系无关质量与运动无关质量与运动无关伽利略变换伽利略变换 在不同惯性系中牛顿定律有相同形式在不同惯性系中牛顿定律有相同形式 对所有惯性系，牛顿力学的规律都具有相同对所有惯性系，牛顿力学的规律都具有相同的形式，即对描述力学现象的规律而言，所有惯的形式，即对描述力学现象的规律而言，所有惯性系都是等价的。性系都是等价的。速度变换与加速度变换速度变换与加速度变换正正变变换换逆逆变变换换正变换正变换用用S S系的时间求导系的时间求导绝对时空：绝对时空：时间量度与参考系无关，时间量度与参考系无关，即即速度变换速度变换正正逆逆 加速度变换加速度变换惯性系惯性系在两个惯性系中在两个惯性系中宏观低速宏观低速物体的力学规律物体的力学规律在任何惯性系中形式相同在任何惯性系中形式相同或或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）利用伽利略变换利用伽利略变换牛顿的相牛顿的相对性原理对性原理动量守恒定律在伽利略变换下形式不变动量守恒定律在伽利略变换下形式不变牛顿力学的困难2)光速光速c 不服从伽利略速度变换不服从伽利略速度变换-与参照系无关与参照系无关1 1、麦克斯韦电磁场理论与伽利略变换的矛盾、麦克斯韦电磁场理论与伽利略变换的矛盾1 1）电磁场方程组不服从伽利略变换电磁场方程组不服从伽利略变换按照经典理论的伽利略变换：按照经典理论的伽利略变换：（光速和惯性系的选取有关）（光速和惯性系的选取有关）用伽利略变换，电磁场方程不具有相同形式，用伽利略变换，电磁场方程不具有相同形式，然而在不同惯性系中做电磁场实验结果相同。然而在不同惯性系中做电磁场实验结果相同。实验证明：实验证明：2 2、几种选择的可能、几种选择的可能（1 1）摒弃伽利略的绝对时空观）摒弃伽利略的绝对时空观（2 2）摒弃电磁场方程）摒弃电磁场方程（3 3）两者兼顾：电磁学规律在）两者兼顾：电磁学规律在 一个特殊参考系一个特殊参考系 “以太以太”参考系中成立参考系中成立3 3、迈克耳孙、迈克耳孙莫雷实验莫雷实验迈克耳孙和莫雷利用自制的干涉仪，期望通过光迈克耳孙和莫雷利用自制的干涉仪，期望通过光在不同方向的传播产生的光程差，观察到干涉条在不同方向的传播产生的光程差，观察到干涉条纹的移动。他们在不同环境纹的移动。他们在不同环境条条件下进行多次实验，件下进行多次实验，始终未得到预期的结果，始终未得到预期的结果，即即未观测到未观测到地球相对地球相对“以太以太”的运动。的运动。得到光速不变的结论！得到光速不变的结论！是是 伽利略变换正确伽利略变换正确 而而 电磁规律不符合相对性原理电磁规律不符合相对性原理?作出了对整个物理学都有变革意义的回答。作出了对整个物理学都有变革意义的回答。还是还是 电磁规律符合相对性原理电磁规律符合相对性原理 而而 伽利略变换该修正伽利略变换该修正?爱因斯坦爱因斯坦(Einstein)深入分析了此问题，深入分析了此问题，于于1905年发表了年发表了论动体的电动力学论动体的电动力学 爱因斯坦认为爱因斯坦认为（1 1）自然界一切基本运动规律都应当满足相）自然界一切基本运动规律都应当满足相对性原理。对性原理。（2 2）麦克斯韦电磁场理论对经典时空观不满足相）麦克斯韦电磁场理论对经典时空观不满足相对性原理，表明经典的时空观是错误的。对性原理，表明经典的时空观是错误的。（3 3）既然肯定了电磁场理论，必然肯定光速是不）既然肯定了电磁场理论，必然肯定光速是不变的。变的。(1)Einstein相对性原理是相对性原理是Newton力学相对性原理的发展力学相对性原理的发展讨论讨论(2)光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对(3)观念上的变革观念上的变革牛顿力学牛顿力学速度与参考系有关速度与参考系有关(相对性相对性)与参考系无关与参考系无关时间时间 长度长度质量的测量质量的测量狭义相对论力学狭义相对论力学光速不变光速不变长度长度 时间时间 质量质量 速度的速度的测量与参考系有关测量与参考系有关（相对性）（相对性）这样，就必然抛弃了伽里略变换这样，就必然抛弃了伽里略变换 抛弃了绝对时空观。抛弃了绝对时空观。新的时空变换式新的时空变换式此时，从此时，从O点发一闪光点发一闪光经一段时间经一段时间 光传到光传到 P点点洛仑兹变换的导出洛仑兹变换的导出寻找寻找重合重合两个参考系中两个参考系中相应的坐标值相应的坐标值之间的关系之间的关系uPxxyyzzoout.由光速不变原理：由光速不变原理：由于运动发生在由于运动发生在x方向，方向，有有推导思路：推导思路：uPxxyyzzoout.与与的变换关系？的变换关系？由空间均匀各向同性：由空间均匀各向同性：（相对性原理及伽利略变换）（相对性原理及伽利略变换）与与下面的任务是：下面的任务是：根据上述四式，根据上述四式，确定系数确定系数 k的变换应满足的变换应满足线性线性关系关系x=k(x u t)x=k(x+u t)（3）（4）可求得可求得代回式（代回式（3）、（）、（4），得），得