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1、相相 对对 论论第十四章第十四章 一一 理解理解伽利略变换及牛顿力学的绝伽利略变换及牛顿力学的绝对时空观对时空观.二二 了解了解迈克耳孙莫雷实验迈克耳孙莫雷实验.三三 理解理解狭义相对论的两条基本原理，狭义相对论的两条基本原理，掌握掌握洛伦兹变换式洛伦兹变换式.14-0 14-0 教学基本要求教学基本要求 四四 理解理解同时的相对性，以及长度收缩同时的相对性，以及长度收缩和时间延缓的概念，和时间延缓的概念，掌握掌握狭义相对论的时空狭义相对论的时空观观.五五 掌握掌握狭义相对论中质量、动量与速狭义相对论中质量、动量与速度的关系，以及质量与能量间的关系度的关系，以及质量与能量间的关系.14-0 1
2、4-0 教学基本要求教学基本要求x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy 系相对于系相对于 系以匀速沿系以匀速沿 轴运动，观轴运动，观察两参照系中同一事件的时空关系。察两参照系中同一事件的时空关系。SSX14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观vxxuuyyuu zzuu 速度变换公式速度变换公式x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyx
3、Px xt vz z yy14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观zzaa yyaa xxaa 加速度变换加速度变换aaamFamF 在两相互作匀速直线运动的惯性系中在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律具有相同的形式牛顿运动定律具有相同的形式.x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观伽利略变换伽利略变换当当 时时0tt oo与与 重合重合txxvyy zz tt 位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为：经典力学认为：1
4、）空间的）空间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与）时间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关.x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观二二 经典力学时空观经典力学时空观绝对空间绝对空间:空间与运动无关空间与运动无关,空间绝对空间绝对静止静止.空间的度量与惯性系无关空间的度量与惯性系无关,绝对绝对不变不变绝对时间绝对时间:时间均匀流逝时间均匀流逝,与物质运动与物质运动无关无关,所有惯性系有统一的时间所有惯性系有统一的时间.
5、14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理注注 意意 牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理,在宏观、在宏观、低速的范围内低速的范围内,是与实验结果相一致的是与实验结果相一致的.但在高速运动情况下则不适用但在高速运动情况下则不适用.14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观对电磁现象的研究表明对电磁现象的研究表明:电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换不服从伽利略变换.真空中的光速真空中的光速?vccx xy y
6、vo oz z ssc14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观 试计算球被投出前后的瞬间，所发试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间出的光波达到观察者所需时间.球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2球球投投出出后后vcv(根据伽利略变换根据伽利略变换)例例14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观观察者先看到投出后的球，观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球后看到投出前的球.结果结果:球球投投出出前前cdcdt 121ttvcdt2球球投投出出后后vcv(根据伽利略变换根据伽利略变换)14-
7、1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观l=5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度AB 公元公元10541054年年,人们发现天上出现了一人们发现天上出现了一颗颗“客星客星”,其耀眼的光芒其耀眼的光芒,用肉眼在白用肉眼在白天也看得见天也看得见.史书记载它在天空中停留了史书记载它在天空中停留了2222个月个月,产生了著名的金牛座蟹状星云产生了著名的金牛座蟹状星云.14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观 当一颗恒星在发生超新星爆发时当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散它的外围物质
8、向四面八方飞散,即有些即有些抛射物向着地球运动抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问过程中光线传播引起的疑问.l=5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度AB14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观vcltA A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间 B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间cltBl=5000 光年光年cvckm/s1500v物质飞散速度物质飞散速度AB14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观l=5000 光年光年cvck
9、m/s1500v物质飞散速度物质飞散速度AB 理论计算观察到超新星爆发的强光理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约的时间持续约 .实际持实际持续时间约为续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?年年25 ABttt14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观观“以太以太”参考系参考系是绝对静止系是绝对静止系G M1 Gvvclclt122cltcv迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验l12GMGMvsGM1M2T设设“以太以太”参考系为参考系为 系系实验室为实验室为 系系SS14-2 14-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验l12GMGMvsGM1M
10、2T s（从（从 系看）系看）G M2c22v cv-M2 Gcv-22v cG M2 G22212ccltv14-2 14-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验2222clNvm/s103,nm500,m104vl4.0N仪器可测量精度仪器可测量精度01.0N 实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动.0N14-2 14-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验结论结论：作为绝对参考系的：作为绝对参考系的以太不存在以太不存在.以后又有许多人在不同季节、时刻、以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳逊方向上反复重做迈克耳逊-莫雷实验近莫雷实验近年来
11、年来,利用激光使这个实验的精度大为提利用激光使这个实验的精度大为提高高,但结但结果果却没有任何变化却没有任何变化14-2 14-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷莫雷实验测到以太漂移速实验测到以太漂移速度为零度为零,对以太理论对以太理论是一个沉重的打击是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在被人们称为是笼罩在1919世纪物理学上空的世纪物理学上空的一朵乌云一朵乌云.14-2 14-2 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验爱因斯坦爱因斯坦 20世纪最伟大的物世纪最伟大的物理学家之一理学家之一,1905年、年、1915年先后创立狭义和年先后创立狭义和广义相对论广义相对论,1905
12、年提年提出了光量子假设出了光量子假设,1921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖,还在量子理论方面有重还在量子理论方面有重要贡献要贡献.（1879-1955）14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换 真空中的光速是常量，沿各个方向真空中的光速是常量，沿各个方向都等于都等于c，与光源或观测者的运动状态，与光源或观测者的运动状态无关无关.1 相对性原理相对性原理 物理定律在所有惯性系中都具有相物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式同的表达形式.2 光速不变原理光速不变原理一狭义相对论的基本原理一狭义相对论的基本原理14-3 14-3 狭义相对论的
13、基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换 关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性.伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原狭义相对论的基本原理不符理不符.狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理与实验事实与实验事实相符合相符合.这两条基本原理是狭义相对论的基础这两条基本原理是狭义相对论的基础.14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换二二 洛伦兹变换式洛伦兹变换式符合相对论理论的时空变换关系符合相对论理论的时空变换关系设设 时，时，重合重合;事件事件 P 的时空坐标如的时空坐标如图所示图所示.0ttoo,z z yx xyvo o
14、ss*),(tzyx),(tzyxP14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换)tx(txxvv 21yy zz )xct(xctt2221vv 1 洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式cv 211 14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换)tx(xv yy zz )xct(t2v 正正变变换换)tx(x v yy zz )xct(t 2v 逆逆变变换换注注 意意 时时,转换为伽利略变换式转换为伽利略变换式.cv1 cv 14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换2 洛伦兹速度
15、变换式洛伦兹速度变换式正变换正变换xxxucuu21vv xzzucuu21v xyyucuu21v 14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换逆变换逆变换 xyyucuu21v xzzucuu21v xxxucuu 21vv14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换讨论讨论ccccux 21vv光速不变光速不变如在如在S系中沿系中沿x方向发射一光信号方向发射一光信号,在在S系中观察系中观察:光速在任何惯性光速在任何惯性系中均为同一常量，系中均为同一常量，利用它可将时间测量利用它可将时间测量与距离测量联系起来与距离测量联系起来.14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换
经典力学的时空观 麦克尔逊-莫雷实验 狭义相对论基本假设
