大学物理6狭义相对论基础

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1、第五篇近代物理学基础19世纪末，以经典力学、电磁场理论和经典统计力学为主要支柱，经典物理学达到了完整、系统和成熟的阶段。不少物理学家认为：物理学的大厦已经基本建成，物理学理论上屑或小气泡，可以对它们进行研究和分类步精确化的问题。也许，在某个角落还有一粒尘近于采取最终稳定的形式。今后的任务只是进一的一些基本的、原则的问题都已经得到解决，接晴朗的物理学天空中出现了两朵乌云1.迈克耳孙-莫雷实验得到以太漂移的“零结果”2.气体比热问题上经典理论能量均分原理失败遇了困难十九与二十世纪之交时——开尔文（威廉．汤姆孙）经典物理学

2、所赖以建立的绝对时空观受到严重挑战，宣告寻找宇宙绝对参考系的企图失败了此外，在黑体辐射问题上，经典理论也同样遭这两朵乌云终于降下了20世纪物理学革命的暴风雨相对论诞生量子论诞生相对论和量子论是现代科学与文明的两大基石爱因斯坦(1905)普朗克(1900)玻尔(1912)第十五章狭义相对论基础超现实主义画家达利的作品§15-6相对论动力学基础§15-5洛伦兹速度变换法则§15-4狭义相对论时空观§15-3爱因斯坦假设洛伦兹变换§15-2迈克耳孙-莫雷实验§15-1力学相对性原理伽利略变换经典力学时空观物理学中将牛顿运

3、动定律所适用的参考系称为惯性系。相对于某一惯性系作匀速直线运动的一切参考系，牛顿运动定律同样适用，因而也都是惯性系。这就是说，研究一个力学现象时，不论取哪一个惯性系，对这一现象基本规律的描述都一样。这就是经典力学的相对性原理，它还可以表述为：一切惯性系都是等价的。经典力学的相对性原理要求：描述力学基本规律的公式从一个惯性系换算到另一个惯性系时，形式必须保持不变。伽利略变换满足了这种换算关系。§15-1力学相对性原理伽利略变换经典力学时空观一、伽利略变换在一个坐标系中的某一事件要用四个坐标x、y、z、t来描述，称为时空

4、坐标。设S系是惯性参照系，S´系相对于S系沿X轴以速度u运动，开始时O和O´重合。现在，在两个坐标系中描述P点某事件的时空坐标分别为（x，y，z，t）和（x´，y´，z´，t´），它们之间满足如下关系：S'系S系x'O'z´y´P（x，y，z，t）（x´，y´，z´，t´）yzOuxx'utzz'yy'u上面两组方程分别称为伽利略变换及其逆变换。伽利略变换的矢量形式为：或二、经典力学时空观棒长为l，静止放在S系中。分别在S系和S´系中测量其长度。S系中测得：S´系S系x´O´z´y´yzOS´系中测得：AB由上面结果

5、可见，在伽利略变换下，一切惯性系中测得的长度都是相同的，即空间是绝对的,与参照系无关。设有两事件P1和P2，S系中的观察者测得两事件发生的时间为t1和t2，S’系中的观察者测得两事件发生的时间为t’1和t’2，由伽利略变换有：可见在两个参照系中时间和时间间隔也是相同的，即时间是绝对的，时间间隔也是绝对的，与参照系无关。因此我们得出结论：经典力学的时间和空间都是绝对的，它们毫不相关、相互独立。这样的时空观叫绝对时空观。萨尔维阿蒂的大船跳向船尾不会比跳向船头来得远蝴蝶和苍蝇随便地到处飞行水滴入罐，不会滴向船尾鱼在碗中悠闲

6、地游动你无法从其中发生的任何一个现象来确定伽利略《两大世界体系的对话》（1632年）船是在运动还是停着不动——伽利略相对性原理三、力学相对性原理由伽利略变换导出速度变换法则质点的加速度即质点的加速度在伽利略变换下是不变量。S系是惯性系，牛顿第二定律成立，即F=ma在经典力学中，m被认为是不变量，与参照系无关，即m'=m力F在伽利略变换下也是不变量，即F'＝F而a'=a，故有F'=m'a'牛顿第二定律在S系和S'系中具有相同的形式，或者说牛顿第二定律在伽利略变换下形式不变。同理，牛顿第一定律和第三定律在所有惯性系中都具

7、有相同的形式，由牛顿定律推导出来的其它力学定律也必然在所有惯性系中都具有相同的形式。即在所有惯性系中力学定律都具有相同的形式，或者说在伽利略变换下形式不变，这一结论称为力学相对性原理只要测出地球相对于以太的绝对速度§15-2迈克耳孙-莫雷实验一、迈克耳孙-莫雷实验的目的以太曾被认为是传播电磁波的介质如果伽利略变换也适用于电磁现象按照伽利略速度变换法则就等于找到了以太参考系，就支持以太假说推论在以太中光速一定，沿各方向的速度都是c麦克斯韦方程组只在相对于以太静止的参考系中成立在相对以太运动的参考系中光沿各方向的速度不同

8、二、迈克耳孙-莫雷实验的原理等于光对以太的速度减去地球对以太的速度则几种特殊情况下的速度关系为相对于以太光速一定，沿各方向速度大小都是c与同向与反向与垂直根据伽利略速度变换法则，光对地球的速度迈克耳孙干涉仪原理211SM1M2G1望远镜2假设地球相对以太运动方向光束在G1和M2之间光束在G1和M1之间两光束光程差为干涉仪旋转90°移过视场的在迈