05第五章相对论.doc

相对论基础 相对性原理 伽利略相对性原理 伽利略相对性原理：一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律来说是完全等价的，并不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系，与之相应，一个惯性系的内部所作的任何力学的实验都不能够确定这一惯性系本身是在静止状态，还是在作匀速直线运动。 伽利略相对性原理解释：在一个惯性参照系中，质点的质量、位矢、速度、加速度和质点所受的力分别为：，在另一个相对于参照系以速度作匀速直线运动的惯性参照系中，该质点的质量、位矢、速度、加速度和质点所受的力分别为：。伽利略相对性原理指出，无论在参照系中，还在在参照系中，描写机械运动的力学规律的牛顿定律应该具有相同的形式： 在参照系中： 在参照系中： 伽利略相对性原理来源：在经典力学的时空观是绝对时空观，绝对时空观得到的坐标变换为伽利略坐标变换，由伽利略坐标变换得到，在参照系和参照系中的加速度相等，经典力学认为，在参照系和中，质点的质量和所受的力都相等，所以在参照系和中描写机械运动的力学规律的牛顿定律具有相同的形式，所以经典力学的概念满足伽利略相对性原理。 伽利略坐标变换：， 得加速度变换为： 经典力学认为：， 所以由参照系中的牛顿定律： 可以推出参照系中的牛顿定律： 两个参照系中的牛顿定律形式相同 洛伦兹坐标变换 洛伦兹坐标变换的来由：根据伽利略坐标变换，电磁学方程在参照系和中具有不同的形式，电磁学方程不满足相对性原理，为了使电磁学方程满足相对性原理，洛伦兹提出了洛伦兹坐标变换。 洛伦兹坐标变换： 经典力学与电磁学的矛盾：牛顿定律在伽利略坐标变换下满足相对性原理，在洛伦兹坐标变换不满足相对性原理。电磁学方程在伽利略坐标变换下不满足相对性原理，在洛伦兹坐标变换满足相对性原理，这个矛盾提出这样一个问题，是牛顿定律和伽利略坐标变换不对，还是电磁学方程和洛伦兹坐标变不对，或者相对性原理根本就不对。 爱因斯坦相对性原理 爱因斯坦的选择1：爱因斯坦认为相对性原理是普遍成立的物理原理，并把伽利略相对性原理推广为一般的相对性原理。 爱因斯坦相对性原理：一切物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式。 爱因斯坦相对性原理解释：物理定律中出现的物理量在参照系中为,在参照系中为,物理量与可以不一样，但参照系中的物理定律和在参照系中的物理定律一定相同。 根据坐标变换，由推出 根据坐标变换，由推出 满足相对性原理： 的意思： 爱因斯坦的选择2：爱因斯坦认为相对性原理是普遍成立的物理原理，那么经典力学与电磁学的矛盾如何解决？爱因斯坦认为电磁学方程和洛伦兹坐标变换是正确的，牛顿定律和伽利略坐标变换不正确。 相对论的创立：爱因斯坦认为洛伦兹坐标变换是正确的，伽利略坐标变换不正确，而伽利略坐标变换是在绝对时空观的基础上建立起来的，否定了伽利略坐标变换就否定了绝对时空观，因此爱因斯坦根据洛伦兹坐标变换建立了相对时空观，这就导致了相对论的创立 相对论力学的创立：牛顿定律在洛伦兹坐标变换下不满足相对性原理，要满足相对性原理，必须改造牛顿定律，这就导致了相对论力学的创立。 狭义相对论基本原理 狭义相对论基本原理： 相对性原理：物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式。 光速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光在真空中传播速度都是相等的。 相对性原理的说明：相对性原理是物质世界最完美的基本原理，它来源于经典力学，适用于一切物质运动规律，它完美在它的统一性，即物理定律的形式不因参照系的选择不同而有所不同。 光速不变原理的说明：光是电磁波，它是物质运动最基本的形式之一，它的运动规律应该是不因参照系的选择不同而有所不同，所以其运动速度在任一惯性参考系中都一样，这样它与相对性原理才相容。 光速不变原理否定了绝对参照系的存在：经典力学与电磁学的矛盾导致了“以太”假设的出现，“以太”是绝对静止的参照系，为了测量地球在“以太”绝对参照系中的速度，迈克耳孙和莫雷在不同地理条件，不同季节条件下多次进行实验，实验最终失败了，实验失败的原因无法用当时的物理理论解释，迈克耳孙和莫雷的实验是光的干涉实验，光速不变原理可以在理论上解释实验失败的原因，就是“以太”绝对参照系根本不存在，地球在“以太”绝对参照系中的速度就无从谈起。 狭义相对论基本原理与洛伦兹坐标变换的关系 由狭义相对论的两条基本原理可以推导出洛伦兹坐标变换，所以狭义相对论的坐标变换是洛伦兹坐标变换。洛伦兹坐标变换描述的不是绝对时空观的时空特性，而是相对时空观的时空特性，因此狭义相对论的基本原理所描述的是相对时空观。 时间、空间和物质紧密联系：在洛伦兹坐标