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第四章、狭义相对论基础第四章、狭义相对论基础本本课时课时教学基本要求教学基本要求1、了解狭义相对论的了解狭义相对论的两条基本原理两条基本原理。2、掌握掌握洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换公式和公式和相对论速度变换相对论速度变换公式。公式。3、理解理解时钟同步的相对性时钟同步的相对性和和同时的相对性同时的相对性。4、理解理解相对论时空观相对论时空观,掌握掌握相对论相对论长度收缩长度收缩和相对论和相对论 时钟延缓时钟延缓效应效应及其应用。及其应用。狭义相对论基础狭义相对论基础经典物理经典物理近代物理近代物理 相对论力学相对论力学 建立在相对论时空观基础上的力学理论 牛顿力学牛顿力学 在低速条件下(v c)相对论力学的近似狭义相对论狭义相对论:讨论匀速运动的惯性系 时空统一、质能统一广义相对论广义相对论:讨论任意运动的非惯性系 时空与物质的统一4.1 经典力学的困难经典力学的困难狭义相对论基础狭义相对论基础伽利略相对性原理伽利略相对性原理(1)伽利略变换伽利略变换 惯性系:K、KKKut狭义相对论基础狭义相对论基础(2)伽利略相对性原理伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学定律在所有惯性系中都相同。(不存在绝对惯性系)力学定律在力学定律在伽利略变换伽利略变换下不变下不变(3)迈克耳逊莫雷实验迈克耳逊莫雷实验 (MichelsonMorly)所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价?1862年 麦克斯韦麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论 光是电磁波光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系相对于什么参考系?速度迭加速度迭加“以太”的漂移A点接收到的光速为B点接收到的光速为迈克尔逊-莫雷实验始终得到否定的结论狭义相对论基础狭义相对论基础以太假说以太假说:以太参考系(绝对参考系)(以太 假想传播电磁波的弹性介质,充满整个空间)迈克耳逊莫雷实验迈克耳逊莫雷实验:(观察地球相对于以太的绝对运动)迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪:测量光速差测量光速差(相对以太不同方向运动)若存在光速差 干涉条纹将移动实验结果 不存在条纹移动不存在条纹移动 (宣布实验“失败失败”)狭义相对论基础狭义相对论基础对麦克耳逊莫雷实验结果的可能解释对麦克耳逊莫雷实验结果的可能解释:(1)经典力学和经典电磁学正确,修正以太假说。“以太拖拽假说以太拖拽假说”、“洛伦兹收缩假说洛伦兹收缩假说”(1892)光行差现象(2)经典力学正确,麦克斯韦电磁理论及以太假说不完全正确。“里兹发射假说里兹发射假说”(19081911)双星实验(3)经典力学及以太假说都不正确。爱因斯坦狭义相对论狭义相对论(1905)4.2 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理一、狭义相对论基本原理一、狭义相对论基本原理1905年 爱因斯坦爱因斯坦(A.Einstein)提出二条狭义相对论狭义相对论的基本假设:(1)光速不变原理光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2)相对性原理相对性原理:在所有惯性系中,一切物理定律的形式都相同光速与光源的运动无关光速与光源的运动无关,与伽利略变换矛盾。与伽利略变换矛盾。不存在特殊参考系不存在特殊参考系,与与“以太以太”概念矛盾。概念矛盾。狭义相对论基础狭义相对论基础狭义相对论基础狭义相对论基础在时空变换的具体解题时，经常用下列公式：在时空变换的具体解题时，经常用下列公式：狭义相对论基础狭义相对论基础解：取车厢为解：取车厢为S系，地面为系，地面为S系系【例例17】静止长度为静止长度为 l0 车厢，以速度车厢，以速度 相对地面行驶，从车厢后相对地面行驶，从车厢后壁以速度壁以速度 u0（相对车）向前射出一粒子，如图所示。求地面上观相对车）向前射出一粒子，如图所示。求地面上观测者测得粒子从车后壁到车前壁的运动时间和通过的距离。测者测得粒子从车后壁到车前壁的运动时间和通过的距离。狭义相对论基础狭义相对论基础 狭义相对论基础狭义相对论基础三、相对论速度变换三、相对论速度变换狭义相对论基础狭义相对论基础变换的特点变换的特点狭义相对论基础狭义相对论基础4.3 狭义相对论时空观狭义相对论时空观(相对论运动学)经典(绝对)时空观 相对论时空观相对论时空观 相对论运动学效应 长度收缩长度收缩,时钟延缓时钟延缓。一、一、同时的相对性同时的相对性对同时绝对性的批判对同时绝对性的批判,成为成为 Einstein 建立狭义相对论的基本出发点之一建立狭义相对论的基本出发点之一。狭义相对论基础狭义相对论基础uK系K系ABA狭义相对论基础狭义相对论基础AABBuK系K系不同地点时钟同步的相对性不同地点时钟同步的相对性 不同地点同时的相时性不同地点同时的相时性同时性的判断 需要同步的时钟 如何校准时钟?由于不存在无限大速度信号,校准不同地点时钟的方法:狭义相对论基础狭义相对论基础二、长度的相对性二、长度的相对性物体沿运动方向的长度比静止时缩短 同时的相对性在长度测量过程中的反映棒的长度:测量两端坐标来确定“测量”和“观看”的区别狭义相对论基础狭义相对论基础三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性时钟快慢:记录两个事件的时间间隔相对于本征时,运动的时钟变慢 时间膨胀狭义相对论基础狭义相对论基础理解时钟延缓的关键:同时的相对性uK系K系ABAK系AuK系AB时钟延缓效应 运动系统的时间流逝变慢了(与时钟结构无关)物理过程 化学过程 生命过程,都具有相对论效应民间有一种说法，天上一天人间一年乘坐0.99996247倍光速宇宙飞船航行,则宇航员的一天,在地球上的人们看来就相当于一年。为什么我们在乘坐飞机、火车时没有感觉到时间延缓？因为速度相对于光速来说太小了乘3倍声速的超音速飞机，一百年后，时间也只延长了0.015秒狭义相对论基础狭义相对论基础双生子佯谬双生子佯谬?产生佯谬的根源:地球可近似看作惯性系,飞船不是惯性系。狭义相对论只适用于惯性系狭义相对论只适用于惯性系狭义相对论基础狭义相对论基础四、相对论四维时空四、相对论四维时空(1)四维时空间隔四维时空间隔 四维坐标:三维空间 x、y、z,一维时间 ct (长度量纲)闵可夫斯基(Minkowski)空间:(x、y、z、w=ict)五、五、因果事件时间顺序的绝对性因果事件时间顺序的绝对性狭义相对论基础狭义相对论基础例4.16惯性系 K 与 K的坐标轴互相平行,K系相对 K 系沿 x 轴正方向作匀速直线运动。在 K 系中的 x 轴上发生两个同时事件,空间间隔 1.0m。在K系中,这两个事件的空间间隔为 2.0m。求在 K 系中,这两个事件的时间间隔。狭义相对论基础狭义相对论基础作业：作业：4-3 4-7 4-134-16 4-17 4-18
