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[外语学习]第四章相对论基础-2

* 复习: 相对论是关于时空的理论 狭义相对论:局限于惯性参考性的理论 广义相对论:推广到一般参考系和包括引力场在内的理论 2. 概念与背景 参考系:物理规律需要一定的参考系来描述 惯性系:力学基本规律成立的参考系 “以太” 机械波 声波,水波需要一定的传播介质 电磁波的传播介质是? 以太说: 宇宙中弥漫着一种无所不在的媒质,万物(包括光)相对于该媒质运动。 问题: 若以太存在,依据经典力学时空观,不同参考系下,电磁波沿着各个方向传播速度应该不同,而实验事实是,电磁波沿着各个方向传播速度都为光速(C) 疑问: 以太是否存在,光速是否恒定? 实验验证: 迈克尔—莫来实验(Michelson-Morley)以及后续的相关实验[1-6] [1] R. S. Shankland et al. Rev. Modern Phys. 277, 167 (1955) [2] J. P. Cedarholm et al. Phys. Rev. Lett. 1, 342 (1958) [3] G. R. Issak, Phys. Bull. 255 (1970) [4] T. Alvager, Phys. Lett. 12, 260 (1964) [5] A. J. Greenberg et al. Phys. Rev. Lett. 23, 1267 (1969) [6] J. C. Hafele, R. E. Keating, Science 177, 166 (1972) 3. 狭义相对论的基本原理(假设) 相对性原理 一切物理定律在所有的惯性系中具有相同的数学形式,即物理定律的协变性 B. 光速不变性原理: 真空中的光速相对于任何惯性系沿任何一方向恒为C,并与光源的运动无关 注:伽里略变换与光速不变性假设不相符。 3. 狭义相对论的时空理论 同时的相对性 不同地点但同时的两个事件在另一系中不同时。 同地点但不同时的两个事件在另一系中不同时。 同一地点、同时的两个事件在另一系中也同时。 B. 时间膨胀(延缓) 自然界的很多物理过程可以作为计时:比如分子振动或原子谱线的周期,粒子衰变寿命等 目前采用的国际基准是:铯-133原子的基态二超精细能级之间的跃迁辐射的周期的9 192 631 770倍的时间定义为1秒 相对性效应 双生子效应 参考:Science 177, 166 (1972) B. 长度收缩 目前采用的测量长度的国际基准:光在真空中于1/299 792 458 秒的时间间隔内通过的路径长度,定义为1米 相对论效应 注: 时间膨胀和长度收缩是一种时空效应,只是时空变换的结果,与真实的物理效应,比如热胀冷缩完全不同 §4-4 洛仑兹变换 一、坐标变换 坐标原点重合。 推导过程: 洛伦兹变换反映了相对论的时空观 S系: 不同地点但同时的两个事件在另一系中不同时。 同一地点、同时的两个事件在另一系中也同时。 同地点但不同时的两个事件在另一系中不同时。 系: 洛伦兹坐标变换的推论: 二、速度变换 推导 二、速度变换 洛伦兹速度变换满足光速不变性的假设。 例4-1 父与子: 例4-2 尽快获知有无外星人的“好办法”: 某外星M离地球2万光年(即光从地球传播到该外星需2万年时间),某宇航员以速度u从地球出发驶向该外星。假设宇航员估计自己还能活100年,问:该宇航员是否可能在有生之年抵达外星?若可能,其速度u至少为多大? 例4-3 谁先动手: 解: §4-5 相对论的动力学问题 一.经典动力学及其局限性 2.相对论的质量与动量 1. 相对论的质量: 2. 相对论的动量: 推导过程: *

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