广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（讲稿）第六篇 近代物理基础 第15章 狭义相对论（伽利略变换、经典时空观、狭义相对论的基本原理、相对论时空观）

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第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 第六篇 近代物理基础 第15章 狭义相对论

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素SuanadongUniversity ofTechnology(1)相对论主要内容：伽利略变换经典时空观狭义相对论的基本原理相对论时空观

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 相对论(1) 伽利略变换 经典时空观 主要内容： 狭义相对论的基本原理 相对论时空观

广东工業大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素uanadongUniversityofTechnolog前言十九世纪未，经典物理学各分支学科都已形成了完整的理论体系。研究机械运动的力学学科，有以“力”为中心概念的牛顿力学体系和以“能”为中心概念的分析力学体系：研究电磁运动的电磁学与光学被统一到麦克斯韦电磁场理论：研究热运动的热学学科既有以热力学定律为基础的宏观理论，又有统计物理学这一以分子动理论为基础的微观理论。在经典物理学的辉煌成就面前，不少物理学家认为物理学已大功告成。然而，就在19世纪未20世纪初，实验上陆续发现一系列经典物理学难以解释的事实，如迈克耳孙-莫雷实验的零结果，黑体辐射能谱、光电效应的规律、氢原子光谱的规律等都无法用经典理论去解释。这使物理学家感到了困惑

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 十九世纪末，经典物理学各分支学科都已形成了完整的理 论体系。研究机械运动的力学学科，有以“力”为中心概念的 牛顿力学体系和以“能”为中心概念的分析力学体系；研究电 磁运动的电磁学与光学被统一到麦克斯韦电磁场理论；研究热 运动的热学学科既有以热力学定律为基础的宏观理论，又有统 计物理学这一以分子动理论为基础的微观理论。 在经典物理学的辉煌成就面前，不少物理学家认为物理学 已大功告成。然而，就在19世纪末20世纪初，实验上陆续发现 一系列经典物理学难以解释的事实，如迈克耳孙-莫雷实验的 零结果，黑体辐射能谱、光电效应的规律、氢原子光谱的规律 等都无法用经典理论去解释。这使物理学家感到了困惑。 前言

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素uangdongUpiyersityofTechnolog其实，牛顿力学体系没有涉及对以亚光速运动的粒子的研究，麦克斯韦电磁理论没有包括电磁场与物质粒子的相互作用还有，当时的物理学理论也未深入到原子、原子核等微观系统的研究中去。上述实验研究已经涉及到高速运动、微观领域等等，当然经典物理学理论对此束手无策。20世纪初期，爱因斯坦把物理学的研究拓展到了高速、宇观领域，建立了相对论；普朗克提出量子假设，爱因斯坦提出光子假设，玻尔把量子概念应用于原子系统，使上述问题得到初步解决。1923年，德布罗意提出一个假设：实物粒子也具有波动性，此后短短几年，就建立了应用于微观领域的理论体系一一量子力学。近代物理学是相对20世纪以前的经典物理学而言的。相对论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱，是20世纪高新技术的理论基础。本篇先介绍狭义相对论，然后介绍量子物理基础，最后简要介绍激光和固体的量子理论

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 其实，牛顿力学体系没有涉及对以亚光速运动的粒子的研 究，麦克斯韦电磁理论没有包括电磁场与物质粒子的相互作用。 还有，当时的物理学理论也未深入到原子、原子核等微观系统 的研究中去。上述实验研究已经涉及到高速运动、微观领域等 等，当然经典物理学理论对此束手无策。 20世纪初期，爱因斯坦把物理学的研究拓展到了高速、宇 观领域，建立了相对论；普朗克提出量子假设，爱因斯坦提出 光子假设，玻尔把量子概念应用于原子系统，使上述问题得到 初步解决。1923年，德布罗意提出一个假设：实物粒子也具有 波动性，此后短短几年，就建立了应用于微观领域的理论体 系——量子力学。 近代物理学是相对20世纪以前的经典物理学而言的。相对 论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱，是20世纪高新技 术的理论基础。本篇先介绍狭义相对论，然后介绍量子物理基 础，最后简要介绍激光和固体的量子理论

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素auangdongUniversityotTechnology狭义相对论基础第5章AlbertEinstein (18791955)

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 Albert Einstein（1879 — 1955） 狭 义 相 对 论 基 础 第 15 章

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素uanadongUniversityofTechnologyS 15. 1伽利略变换经典时空观1.伽利略变换在两个惯性系中考察同一物P理事件S两个惯性系：S系和S'系ut-S系相对S系以速度u沿x+X正向匀速运动福一物理事件：质点到达P点(x,y,z,t)两个惯性系的描述分别为：(x',y',z',t')

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 §15.1 伽利略变换 经典时空观 1.伽利略变换 y o x  x z z  y  ut o  s s  u P 在两个惯性系中考察同一物 理事件 两个惯性系： S系和 S 系 系相对S 系以速度u沿x 正向匀速运动 S 一物理事件： 两个惯性系的描述分别为： ( x , y , z, t ) ( x  , y  , z  , t) 质点到达 P 点

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素uanadongUniversityofTechnologyu.PS两个描述的关系称为变换t=t'=0ut-坐标原点重合。X任意时刻t，「两个描述的关系为x=x+utx=x-utV==t广正变换逆变换伽利略坐标变换式上述两组方程称为

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 两个描述的关系称为变换 t = t = 0 , 坐标原点重合。 t t z z y y x x ut  =  =  =  = − t t z z y y x x ut =  =  =  =  + 正变换 逆变换 y o x  x z z  y  ut o  s s  u P 任意时刻t，两个描述的关 系为 上述两组方程称为 伽利略坐标变换式

广李工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素Buangdong University otTechnology2.经典时空观伽利略坐标变换中默认了绝对时空首先t=t，有At = At即：时间间隔的测量是绝对的，与参考系运动无关其次(Ax)? +(Ay)?+ (△z) = /(Ar)?+(Ay)?+ (△)? =LAL= 1即：空间两点距离的测量是绝对的，与参考系运动无关绝对的、真正的和数学的时间，是永远就其本身而言，均匀地流逝着，与任何外界事物无关。绝对的空间，就其本性而言，是与任何外界事物无关的它永远不动、永远不变。一牛顿

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 2.经典时空观 首先 t t t t =  =    , 有 即：时间间隔的测量是绝对的，与参考系运动无关。 伽利略坐标变换中默认了绝对时空 其次 2 2 2 2 2 2  =  +   =  +   =  L x y z x y z L （ ) ) ) ) ) ) （ +（ （     （ +（ 即：空间两点距离的测量是绝对的，与参考系运动无关。 绝对的、真正的和数学的时间，就其本身而言，是永远 均匀地流逝着，与任何外界事物无关。 绝对的空间，就其本性而言，是与任何外界事物无关的， 它永远不动、永远不变。 —— 牛 顿

广东工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素SuanadongUniversity ofTechnology3.伽利略相对性原理《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》伽利略1632年出版(c)舟行而不觉(a)(b)TTTT

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 3.伽利略相对性原理 伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 舟 行 而 不 觉 1632年出版

广李工业大学第15章狭义相对论基础大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnoloay伽利略描述的种种现象表明：一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律而言是完全等价的或力学规律对一切惯性系都是等价的若以和分别表示同一质点在S和S'系中的速度，伽利略坐标变换式对时间t求导，并考虑到t=t，有二0.-uUx ='+u=7或C=7矢量式='+ü伽利略速度变换式

第15章 狭义相对论基础 大学物理A教案 伽利略描述的种种现象表明： 一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运 动的力学规律而言是完全等价的。 或 力学规律对一切惯性系都是等价的。 若以 和 分别表示同一质点在 和 系中的速度，伽利 略坐标变换式对时间 t 求导，并考虑到 ，有 v  v  t = t S S z z y y x x u v v v v v v  =  =  = − 或 z z y y x x u v v v v v v =  =  =  + u    矢量式 v = v+ 伽利略速度变换式