《普通物理学》课程教学资源（PPT课件）第四章 相对论基础 4-1 狭义相对论基本原理、洛伦兹变换

§4-1狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 一、狭义相对论的基本原理 牛顿力学的困难 19世纪，一些人认为电磁波和机械波一样，是在某 一种介质中传播的，该介质被称为“以太”。认为以太 是绝对静止的，并弥漫于整个宇宙间，无色无味，具有极 大的弹性模量，但又不产生任何阻力等一些特性。 在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地 球，地球以怎样的速度在以太的海洋中航行，在其中飞行 的地球上应该感到迎面吹来的以太风。如果在地面上让 光线在平行和垂直于以太风的方向上传播，它们应有不 同的速度。 1887年，美国物理学家迈克耳孙和莫雷为证明以太的 存在一起设计了测量地球在以太中运动速度的实验。 上元不元返回退此

上页 下页 返回 退出 19世纪,一些人认为电磁波和机械波一样,是在某 一种介质中传播的,该介质被称为“以太”。认为以太 是绝对静止的,并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极 大的弹性模量,但又不产生任何阻力等一些特性。 在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地 球,地球以怎样的速度在以太的海洋中航行,在其中飞行 的地球上应该感到迎面吹来的以太风。如果在地面上让 光线在平行和垂直于以太风的方向上传播,它们应有不 同的速度。 1887年,美国物理学家迈克耳孙和莫雷为证明以太的 存在一起设计了测量地球在以太中运动速度的实验。 牛顿力学的困难 §4-1狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 一、狭义相对论的基本原理

平面镜 半透膜镜 光源 平面镜 迈克耳孙和莫 雷实验装置 显傲镜 若地球相对以太以y运动，则以太风从右边吹来。 觉子觉道司退欢

上页 下页 返回 退出 迈克耳孙和莫 雷实验装置 v 若地球相对以太以 v 运动，则以太风从右边吹来。 以太风

M2 M 以太风 若地球相对以太以y运动，则以太风从右边吹来。 上贰不贰返回：退此

上页 下页 返回 退出 G1 G2 M2 M1 v 若地球相对以太以 v 运动，则以太风从右边吹来。 以太风

1.在实验室S'系观察 ①光从G1M1 光速c-v顶风， ①光从M1一G1 光速c+y顺风， 来回时间 M2 4+4 2 M c+v 21 以太风 ∀ 上文不美返回退球

上页 下页 返回 退出 1.在实验室S’系观察 M2 G2 G1 M1 v 以太风 ① ② ①光从G1 M1 光速 c –v 顶风， ①光从M1 G1 光速 c +v 顺风， 来回时间 c v l c v l t + + − = 1 1 1         − = 2 2 1 1 2 c v c l

2.在实验室$系观察 ②光从G1M2 光速 Vc2-v2 ②光从M2G1 光速 ve2-v2 /c2 2 M G2 /c2-v2 以太风 让意不家道可退欢

上页 下页 返回 退出 2.在实验室S’系观察 ②光从G1 M2 光速 ②光从M2 G1 光速 2 2 c v − 2 2 c v − −v c 2 2 c v − −v c 2 2 c v − G2 G1 M1 v 以太风 ① ②

来回时间 212 2l2 t2= vc2-v2 两束光到望远镜的时间差： 21 21 △t=t2-t1e 3.将仪器旋转90°两路光到望远镜的时间差为 21, 21 △t'=t'2-t1= 1/2 让美觉返司退

上页 下页 返回 退出 来回时间 2 2 2 2 2 c v l t − = 2 1 2 2 2 1 2         − = c v c l 两束光到望远镜的时间差： 2 1 t = t −t         − −         − = 2 2 1 1/ 2 2 2 2 1 2 1 2 c v c l c v c l 3.将仪器旋转90°两路光到望远镜的时间差为 2 1 t' = t' −t' 1/ 2 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2         − −         − = c v c l c v c l

迈克耳孙-莫雷实验 M2 让美不家返可退此

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如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移动。 可是他们没有得到应有结果。后来又在德国、美国、 瑞士多次重复该实验，得到的仍然是“0结果”。迈 克耳孙在70高龄时仍在做这方面的工作。 爱因斯坦迈出了决定性的一步，断然否定了绝对 时空观并在此基础上提出了相对论。 狭义相对论的基本原理 爱因斯坦提出： (1)一切物理规律在任何惯性系中形式相同. 相对性原理 (2)光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理。 觉子觉道司退欢

上页 下页 返回 退出 如果实验前提正确，应该观察到0.4条的条纹移动。 可是他们没有得到应有结果。后来又在德国、美国、 瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。迈 克耳孙在 70 高龄时仍在做这方面的工作。 爱因斯坦迈出了决定性的一步，断然否定了绝对 时空观并在此基础上提出了相对论。 爱因斯坦提出： （1）一切物理规律在任何惯性系中形式相同. —— 相对性原理 （2）光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 —— 光速不变原理. 狭义相对论的基本原理

注意： (1)爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展 爱因斯坦相对论适用于一切物理规律。 牛顿理论适用于力学规律。 (2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对 (3) 观念上的变革 时间标度 牛顿力学 长度标度 均与参考系无关 质量的测量 速度与参考系有关（相对性） 狭义相对 长度、时间测量的相对性 论力学 光速不变 (与参考系有关) 元不素道回退

上页 下页 返回 退出 (2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对 (3) 观念上的变革 牛顿力学 均与参考系无关 狭义相对 论力学 长度、时间测量的相对性 （与参考系有关） 光速不变 速度与参考系有关(相对性) 时间标度 长度标度 质量的测量 (1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展 爱因斯坦相对论适用于一切物理规律。 牛顿理论适用于力学规律。 注意：

二、洛伦兹变换 (x,y,z,t) 问题： (x',y,z',t) 在约定的系统中， t=t'=0时，OO' 重合，且在此发出闪光。 X 经一段时间光传到P点（事件） 在K中P(x,y,z,t)寻找 对同一客观事件 两个参考系中相应的 在K中P(x,y,z,t） 坐标值之间的关系 让美下觉返同速

上页 下页 返回 退出 在K中 P x y z t ( , , , ) 在K' , , , 中 P x y z t (    ) 问题： 寻找 x  v P x y O r  (x, y,z,t) y  O r   (x  , y  ,z  ,t) 对同一客观事件 两个参考系中相应的 坐标值之间的关系 二、 洛伦兹变换 t t = =  0 O O 、  重合，且在此发出闪光。 经一段时间光传到 P 点（事件） 在约定的系统中， 时