1、背景一是19世纪末经典物理学趋于完善； 二是出现两朵乌云 热辐射紫外灾难 以太否定性结果 主体是 相对论量子力学 应用 学科： 原子与分子物理学 凝聚态物理 材料技术 技术： 天体物理 电子技术 激光技术 原子能技术 内容 1 相对论 狭义相对论 广义相对论 1905年爱因斯坦提出 的，是一种仅适用于 惯性系，从时间和空 间的基本概念出发将 力学和电磁学统一起 来的概念 1916年爱因斯坦等人提 出的，适用于非惯性系 ，是包含引力的相对性 理论，是相对论天体物 理学，高能天体物理学 和宇宙学的理论基础 2 一、力学的相对性原理 力学规律在所有惯性系中都是等价的，具 有相同形式。 二、伽利略变换
2、 相对性原理的数学表达式，是建立在经典时 空观基础上的不同参照系之间的时空变换关系。 伽利略航船现象1632年 表述1： 在任何一个惯性参照系中，不可能通过 任何力学实验判定这个参照系是处于静 止或匀速直线运动状态。 表述2： 17.1 经典力学时空观 3 S与S关系如下： 伽利略坐标变换式 伽利略速度和加速度变换式 力学定律形式不变 4 1.同时性是绝对的 S中同时： S中： 2. 时间间隔是绝对的 S中不同时： S中： 三、经典力学的时空观 5 3. 两地之间的距离是绝对的 S系: S系: 经典时空观综述： 绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永 远均匀的流逝着，与任何外界事物无关。 绝
3、对的空间就其本质而言，是与任何外界事物 无关，它从不运动，并且永远不变。 绝对时间和绝对空间的概念加上伽利略相对性 原理，便构成了经典的时空观。 6 一、绝对参照系的探寻 必要性：牛顿运动定律只有相对于绝对参照系（ 绝对空间上建立的参照系）成立，这个参照系的 存在是牛顿力学的基础。 “以太”：电磁理论确定真空中光速是常数，与方 向无关。依据伽利略变换，这个结论只能相对绝 对参照系成立，即绝对静止以太物质是其体现 探寻方法：通过探测地球相对以太的运动，证明 以太的存在。 二、迈克尔逊-莫雷实验 迈克尔逊-莫雷1887年设计测量以太漂移实验 17.2 迈克尔逊-莫雷实验 7 原理：如图 u S 光
4、路1 光路2 T M2 M1 P 光路1沿地球公转方向： 光程差 转动90o后： 光程差 条纹移动量是： N 预计0.37个条纹，实验0.01。 迈克尔逊获得1907年的诺贝尔物理奖。 没有运动！ 8 以太不存在，光的播不需任何媒， 可在真空中播，以太不能作 参照系。 地球上各方向光速相同，与地球运 状无关。 1852 1931 美国科学促进协会主席,美国科学院院长； 9 一、狭义相对论的基本原理 物理定律在所有惯性系中都是相同的，或者说 ：所有惯性系都是等价的，不存在绝对参照系。 1. 狭义相对性原理 2. 光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中沿各个方向传 播速度都是C，跟光源与观察者相
5、对速度无关。 基点：经典力学对天体运动描述的准确性； 电磁场的物质性与以太的否定。 基点：电磁理论和迈克尔逊实验结果 17.3 狭义相对论基本原理 洛仑兹变换 10 二、洛仑兹变换 前提： 满足光速不变原理和狭义相对性原理 当uc时，换原为伽利略变换 表示：取如下线性变换 计算整理得出洛仑兹变换式： 11 其中： 注意： 当 u C 时 转换为伽利略变换 逆变换 式中 12 一、同时的相对性 S系：时空坐标为 S系：时空坐标为 17.4 狭义相对论的时空观 13 1o 若 则 在 S 系中同一地点同时发生两件事 ，在 S 系中也是同 生。 2o 若 称为同时的相对性 则 例：因斯坦列 列： 地
6、面：A 先，B 后 同收到 14 3o 时序的相对性 保证相对论与因果律不矛盾，应满足运动速 度小于光速。 以子弹击中小鸟为例： S系：发射: 击中： S系：若要满足 式中：u是S系速度， 是子弹速度。 前 事件1 开枪开枪 后 事件2 鸟死鸟死 子弹 则要满足 15 二 、运动的时钟变慢 事件E1: S S u C1C2 C3C3C3C1 事件E2: C3C2 由洛仑兹变换 16 三 、运动的杆缩短 静止长度 运动长度 由洛仑兹变换： 17 一、质量与速度关系 mo:静止质量 m : 运动质量 二、相对论动力学方程 相对论动量表示为： 相对论动力学方程是： 17.5 相对论质点动力学方程 1
7、8 一、相对论的能量 由质速关系，两边求导得 （1）（2）联立得 17.6 相对论的能量 设：物体沿 x 轴运动，合外力为F 19 1o moc2称为静止能量 表明质量与能量之间有着固定的、内在关系。 2o 注意到 物质存在和运动形式变化，不能说物质转化为 能量 物体吸收或放出能量时，伴随质量增加或减少 3o 注意到如下展开式 在 时 E=mc2是相对论总能量 20 二、能量与动量关系 比较能量与动量表达式： 三、两个极端情况 这时相对论能量与动量表达式简化为 21 这时非相对论情况，动、静能之比有 22 例 17-1 1s 之后同时被 P1和 P2接收到。设 S 相对 S 的运 动速度为 0
8、.8 c，求： P1和 P2接收到讯号时在 S 上的时刻和位置。 P1P2 解： P1 在 S上观察时 闪光从 O点出发，在 S上观察光讯号于 S系： P2 S系： P1 P2 23 例 17-2 相距 1000 m的两点，而在另一惯性系 S 中，测 得这两个事件发生的地点相距 2000 m。求； 在 S 系中测得这两个事件的时间间隔。 解：由洛仑兹变换 惯性系 S中，两事件同时发生在 x轴上 24 25 地球。火箭发射 后（火箭上钟），火箭向 地面发射一导弹，其速度相对于地面u1=0.3c。求 ；火箭发射后多长时间，导弹到达地面（地球上的 钟）？假设地面不动。 例 17-3 解： 按地球上的
9、钟计算，导弹 发射的时间是火箭发射后 火箭相对于地面以 u= 0.6 c速度向上飞离 26 这段时间火箭在地面上飞行的距离 导弹飞到地球的时间 火箭发射后到导弹到达地面的时间 27 例17-4 方向平行。在车厢中测得杆长为1.0m，车厢以 41.7ms-1的速度行驶。求在地面上测得的杆长。 2 设想人类实现了恒星际航行，将火箭发射到 临近恒星上去。火箭相对于日心-恒星坐标系的 速度为u=0.8c，火箭中静止放置长度为1.0m的杆 ，杆与火箭航行方向平行。求在日心-恒星坐标 系中测得的杆长。 1 一长杆在车厢中静止，杆与车厢前进 解： 1 2 28 例17-6 光脉冲从船尾传到船头，飞船上的观察测得船长 为 90 m ，求地球上的观察者测得光脉冲从船尾 发出（事件1）到达船头（事件2）两个事件的空 间间隔。 宇宙飞船相对地球以0.8c的速度飞行。 解： 29 1 30
