高中物理竞赛 第五章狭义相对论1_图文

2018/6/26 1 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 §5.2 狭义相对论基本原理 §5.3 狭义相对论的时空观 §5.4 洛仑兹变换和速度变换 §5.5 狭义相对论动力学 §5.6 四维时空 2018/6/26 2 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 相对于不同的参照系,同一物体的同一运动, 会表现为不同的形式,称为物体的运动有相对性。 例如:在地面的观察者观察自由落体,质点的轨迹是垂 直线;在运动的车辆中观察同一质点,轨迹是二次抛物线。 y v g x? x 2018/6/26 3 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 相对于不同的参照系,同一物体的同一运动, 会表现为不同的形式,称为物体的运动有相对性。 例如:在地面的观察者观察自由落体,质点的轨迹是垂 直线;在运动的车辆中观察同一质点,轨迹是二次抛物线。 y 轨迹是直线 v x? x 2018/6/26 4 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 相对于不同的参照系,同一物体的同一运动, 会表现为不同的形式,称为物体的运动有相对性。 例如:在地面的观察者观察自由落体,质点的轨迹是垂 直线;在运动的车辆中观察同一质点,轨迹是二次抛物线。 y v g x? x 2018/6/26 5 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 相对于不同的参照系,同一物体的同一运动, 会表现为不同的形式,称为物体的运动有相对性。 例如:在地面的观察者观察自由落体,质点的轨迹是垂 直线;在运动的车辆中观察同一质点,轨迹是二次抛物线。 v y v g 轨迹非直线 x? g x 自由落体空间坐标有相对性! 在日常生活中有许多具有相对性的实例。 2018/6/26 6 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 一、力学的相对性原理 惯性参照系:一切作相对匀速运动的参照 系,惯性参照系是等价的。 力学的相对性原理:牛顿运动定律在一切 惯性系中成立,力学运动定律的形式在惯性系中 保持不变。 牛顿力学在惯性系变换操作时具有“对称性”! 2018/6/26 7 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 设固定的坐标系是S,运动坐标系是S’。 y y? v P ? x, y , z , t ? ? x?, y?, z ?, t ? ? x? o vt o? x? x z z? x 二、伽利略变换 允许用不同的数值表示客观位置 力学的相对性原理认为,在惯性系中力学运动 定律的形式在惯性系中保持不变(对称)。 2018/6/26 8 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 设固定的坐标系是S,运动坐标系是S’。 t ? t? 不同的坐标系中,时间是绝对的。 与力学的相对性原理是矛盾的,时间是一个特别 的物理量。 不允许用不同的数值表示客观时间 2018/6/26 9 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 设固定的坐标系是S,运动坐标系是S’。 y ? y? z ? z? 由于时间的绝对性 t ? t ? x x ? x? ? vt? ? x? ? vt S’系中: x? x? ? x ? vt ? x ? vt ? S系中: 2018/6/26 10 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 设固定的坐标系是S,运动坐标系是S’。 综合各坐标的表达式: x ? x? ? vt ? x? ? x ? vt y ? y? y? ? y z ? z? z? ? z t ? t? 2018/6/26 S ? S? S? ? S t? ? t 11 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 设固定的坐标系是S,运动坐标系是S’。 Pt ?r ? ?r ? 综合各坐标的表达式: x ? x? ? vt ? x? ? x ? vt y ? y? y? ? y z ? z? z? ? z t ? t? 2018/6/26 S ? S? S? ? S 坐标系空间间距不变量 ?r ?2 ? ? ?x?2 ? ?y?2 ? ?z ?2 ? ?r 2 ? ? ?x 2 ? ?y 2 ? ?z 2 ? 加利略加速度变换式 t? ? t a ? a? F ? ? ma? 12 §5.1 伽利略相对性原理和伽利略变换 ? ? F ? ? m?a? F ? ma 力学原理在伽利略变换下形式不变。反映力 学规律在惯性系变换下具有“对称性”! 变换的基础在于牛顿力学的时空观。 关键在于先验地把时间看成是一个特别的物理 量。没有与空间一样具有相对的特性。 如果时间有相对性,时间是空间的函数,力学原 理在惯性系变换时形式变化,力学规律对称性破坏。 ?r ? ?x ? ?y ? ?z 2 2 2 2018/6/26 2 13 §5.2 狭义相对论基本原理 力学的相对性原理由于先验地把时间看成是一 个特别的物理量,没有与空间一样具有相对的特性。 导致加利略变换。 电磁学中, 的传播速度是 用电磁理论严格推断,电磁波 c? 1 ? 0 ?0 常数,与坐标系无关。 2018/6/26 14 §5.2 狭义相对论基本原理 按加利略变换: S系中的电磁波速度: S’系中的电磁波速度: dx 1 x? ?c? dt ? 0 ?0 x? ? x ? v x? ? x ? v ? 1 直接与电磁理论冲突! ? 0 ?0 ?v 电磁理论在加利略变换操作下对称性破缺! 牛顿力学理论 麦克斯韦电磁理论 2018/6/26 必有一错! 15 §5.2 狭义相对论基本原理 物理实验证明:电磁波的速度与坐标系无关。 时间被毫无根据地看成是一个特别的物理量, 不 具备相对特性。 加利略变换值得怀疑。 正是由于加利略变换,产生上述理论矛盾。但是 否定加利略变换,意味要否定牛顿力学的时空观。 牛顿定律的正确性产生了动摇。 2018/6/26

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