大学物理授课教案 第十七章 狭义相对论基础

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1、第十七章狭义相对论基础沈阳工业大学郭连权（教授）第十七章狭义相对论基础在第一册中讲过的牛顿力学，只适用于宏观物体低速运动，高速运动的物体则使用相对论力学。相对论本章只介绍狭义相对论§17—1伽利略变换经典力学时空观力学相对论原理一、伽利略变换概念介绍：事件：是在空间某一点和时间某一时刻发生的某一现象（例如：两粒子相撞）。事件描述：发生地点和发生时刻来描述，即一个事件用四个坐标来表示如图所示，有两个惯性系,，相应坐标轴平行，相对以沿正向匀速运动，时，与重合。现在考虑点发生的一个事件：按经典力学观点，可得到两组坐标关系为第十七

2、章狭义相对论基础沈阳工业大学郭连权（教授）或（17-1）式（17-1）是伽利略变换及逆变换公式。二、经典力学时空观1、时间间隔的绝对性设有二事件，，在系中测得发生时刻分别为，；在系中测得发生时刻分别为，。在系中测得两事件发生时间间隔为，在系测得两事件发生的时间间隔为。，，。此结果表示在经典力学中无论从哪个惯性系来测量两个事件的时间间隔，所得结果是相同得，即时间间隔是绝对得，与参照系无关。2、空间间隔的绝对性设一棒，静止在系上，沿轴放置，在系中测得棒两端得坐标为，（），棒长为，在系中同时测得棒两端坐标分别为,（），则棒长为即

3、。此结果表示在不同惯性系中测量同一物体长度，所得长度相同，即空间间隔是绝对的，与参照系无关。上述结论是经典时空观（绝对时空观）的必然结果，它认为时间和空间是彼此独立的，互不相关的、并且独立于物质和运动之外的（不受物质或运动影响的）某种东西。三、力学相对性原理力学中讲过，牛顿定律适用的参照系称为惯性系，凡是相对惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯性系。即是说，牛顿定律对所有这些惯性系都适用，或者说牛顿定律在一切惯性系中都具有相同的形式，这可以表述如下：力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律，或者说，在研究力学规律时一切惯性

4、系都是等价的。这就是力学相对性原理。这一原理在实验基础上总结出来的。下面我们可以看到物体的加速度对伽利略变换时是不变的。由伽利略变换，对等式二边求关于对时间的导数，可得：及（17-2）第十七章狭义相对论基础沈阳工业大学郭连权（教授）（注意，）式（17-2）是伽利略变换下速度变换公式。对（2）两边再对时间求导数，有（17-3）式（17-3）表明：从不同得惯性系所观察到的同一质点的加速度是相同的，或说成：物体的加速度对伽利略变换是不变的。进一步可知，牛顿第二定律对伽利略变换是不变的。§17—2迈克耳逊—莫雷实验由于经典力学认为

5、时间和空间都是与观测者的相对运动无关，是绝对不变的，所以可以设想，在所有惯性系中，一定存在一个与绝对空间相对静止的参照系，即绝对参照系。但是，力学的相对性原理指明，所有的惯性系对力学现象都是等价的，因此不可能用力学方法来判断不同惯性系中哪一个是绝对静止的。那么能不能用其他方法（如：电磁方法）来判断呢？1856年迈克斯韦提出电磁场理论时，曾预言了电磁波的存在，并认为电磁波将以的速度在真空中传播，由于这个速度与光的传播速度相同，所以人们认为光是电磁波。当1888年赫兹在实验室中产生电磁波以后，光作为电磁波的一部分，在理论上和实

6、验上就完全确定了。传播机械波要介质，因此，在光的电磁理论发展初期，人们认为光和电磁波也需要一种弹性介质。十九世纪的物理学家们称这种介质为以太，他们认为以太充满整个空间，即使真空也不例外，他们并认为在远离天体范围内，这种以太是绝对静止的，因而可用它来作绝对参照系。根据这种看法，如果能借助某种方法测出地球相对于以太的速度，作为绝对参照系的以太也就被确定了。在历史上，确曾有许多物理学家做了很多实验来寻求绝对参照系，但都没得出预期的结果。其中最著名的实验是1881年迈克耳逊探测地球在以太中运动速度的实验，以及后来迈克耳逊和莫雷在1

7、887年所做的更为精确的实验。实验装置如图所示，它就是对光波进行精密测量的迈克耳逊干涉仪。整个装置可绕垂直于图面的轴线转动，并保持固定不变。设地球相对于绝对参照系的运动自左向右，速度为，第十七章狭义相对论基础沈阳工业大学郭连权（教授）（1）光再所有时间为（2）光再从所用时间设光从时，对仪器速度，对以太速度为，设光从时，对仪器速度为，对以太速度，。光从所用时间为（对做级数展开）从系来看（地球上或仪器上），点发出的光到达望远镜时间差为。于是，两束光光程差为。若把仪器旋转，则前、后两次的光程差。在此过程中，T中应有条条纹移过某参

8、考线。式中、均为已知，如能测出条纹移动的条数，即可由上式算出地球相对以太的绝对速度，从而就可以把以太做为绝对参照系了。在迈克耳逊—莫雷实验中，约为10m，光波波长为5000,再把地球公转速度代入，则得。因为迈克耳逊干涉仪式非常精细得，它可以观察到的条纹移动，因此，迈克耳逊和莫雷应当毫无困难地观察到有0.