《电动力学》课程教学资源（课件讲稿）第六章 狭义相对论

第六章 狭义相对论

1 第六章 狭义相对论

物理规律都是相对于一定参考系进行表述，宏观电磁场的普遍规律麦克斯韦方程组在哪些参考系中成立?参考系变换时，基本规律的形式如何改变？基本物理量E和B如何变换？电动力学的参考系问题是一个很基本的物理问题。这个问题的解决是和新时空观的建立联系在一起的。人们在研究高速运动现象，特别是电磁波的传播现象时，揭示了旧时空观的局限性，建立了新的时空观

2 物理规律都是相对于一定参考系进行表述，宏观电磁 场的普遍规律麦克斯韦方程组在哪些参考系中成立?参考 系变换时，基本规律的形式如何改变？基本物理量E和B如 何变换? 电动力学的参考系问题是一个很基本的物理问题。这个 问题的解决是和新时空观的建立联系在一起的。人们在研究 高速运动现象，特别是电磁波的传播现象时，揭示了旧时空 观的局限性，建立了新的时空观

相对论主要是关于时空的理论。相对论时空观的建立是人们对物理现象认识上的一个飞跃。相对论对近代物理学的发展，特别是核物理和高能物理的发展起着重大作用。现在相对论已经成为物理学的主要基础之一狭义相对论：局限于惯性参考系的理论广义相对论：推广到一般参考系和包括引力场在内的理论本章仅限于讨论狭义相对论

3 相对论主要是关于时空的理论。相对论时空观的建 立是人们对物理现象认识上的一个飞跃。相对论对近代物 理学的发展,特别是核物理和高能物理的发展起着重大作 用。现在相对论已经成为物理学的主要基础之一。 狭义相对论：局限于惯性参考系的理论 广义相对论：推广到一般参考系 和包括引力场在内的理论 本章仅限于讨论狭义相对论

狭义相对论的主要内容（1）惯性参考系之间时空坐标的洛伦兹变换及其物理意义，这是相对论时空观的集中反映。(2②）物理规律在任意惯性系中可表为相同形式，即物理规律的协变性。协变性要求是对各种场和粒子间相互作用规律的探索的主要理论指导之一。（3）把电动力学基本规律一麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式表为协变形式，从而使电动力学成为明显相对论性的理论，可用来解决任意速度带电粒子与电磁场的相互作用问题。（4）把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。由此得到相对论的质量、能量和动量的关系。这些关系是原子能应用的主要理论基础，是解决高能粒子运动和转化过程的运动学问题的主要工具

4 狭义相对论的主要内容 (1) 惯性参考系之间时空坐标的洛伦兹变换及其物理意义,这是相对 论时空观的集中反映。 (2) 物理规律在任意惯性系中可表为相同形式,即物理规律的协变性。 协变性要求是对各种场和粒子间相互作用规律的探索的主要理 论指导之一。 (3) 把电动力学基本规律—麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式表为协 变形式，从而使电动力学成为明显相对论性的理论，可用来解 决任意速度带电粒子与电磁场的相互作用问题。 (4) 把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。由此得到相对论 的质量、能量和动量的关系。这些关系是原子能应用的主要理 论基础，是解决高能粒子运动和转化过程的运动学问题的主要 工具

第一节 相对论的实验基础>力学的相对性原理>狭义相对论的实验基础及历史背景-

5 第一节 相对论的实验基础 ➢ 力学的相对性原理 ➢ 狭义相对论的实验基础 及历史背景

一、力学的相对性原理1.伽利略变换'系相对Z系沿x轴方向做匀速直线运动PYZx=x-vtZV正变换(x, y, z)11=Prr't= t00'XZ'6

6 一、力学的相对性原理 1.伽利略变换 Σ'系相对Σ系沿x轴方向做匀速直线运动 正 变 换 x  = x − v t y y  = z  = z t = t O X Y O' Z' Y' v P (x, y, z) r  r     Z

1一一绝对时空观2.伽利略变换的时空观同时的绝对性0系中同时发生的事件（可不同地点），0系也同时发生t'=ti t’=t2t'= t2ti = tz 时间间隔的绝对性At = t, - tiO系中相继发生的两事件时空相互分离△t'= AtO·系中两事件亦相继发生空间间隔的绝对性一一杆的长度的绝对性杆相对0系静止 △x'=x-xi杆相对0系以速度运动△x = x2 - Xi杆沿运动方向的长度与静止时相同

7 2.伽利略变换的时空观——绝对时空观 同时的绝对性 O系中同时发生的事件（可不同地点），O'系也同时发生。  =  t t ' 2 1  = − =  x x x x ' 1 2  = t t   时 空 相 互 分 离 时间间隔的绝对性 空间间隔的绝对性——杆的长度的绝对性 2 2 t t 1 2 = t t 1 1  = t t  = O系中相继发生的两事件 2 1  = − t t t O '系中两事件亦相继发生 杆相对O '系静止 2 1  = − x x x '   杆相对O系以速度v运动 杆沿运动方向的长度与静止时相同

一、力学的相对性原理2.伽利略变换的时空观一一绝对时空观在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系的状态无关，时间与空间亦不相联系，即经典力学时空观。3.力学的相对性原理(1)在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同形式；(2）一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系

8 3.力学的相对性原理 ⑵ 一切惯性系都是等价的，不存在特殊的惯性系。 (1)在一切相对作匀速运动惯性系中牛顿力学定律具有相同 形式； 在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与参考系 的状态无关，时间与空间亦不相联系，即经典力学时空观。 2.伽利略变换的时空观——绝对时空观 一、力学的相对性原理

二、相对论产生的历史背景和实验基础1.相对论产生的历史背景经典力学根据实践经验引人了惯性参考系，力学的基本运动定律对所有惯性系成立关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁场的基本规律，在此基础上必然提出参考系问题，即所总结出来的电磁现象的基本规律究竟适用于什么参考系。参考系问题在电动力学中由于下述原因而变得更为突出：从电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组，可以得到波动方程，并由此波动方程得出电磁波在真空中的传播速度为c。按照旧时空概念，如果物质运动速度相对于某一参考系为C，则变换到另一参考系时，其速度就不可能沿各个方向都为c。C

9 关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁场的基本规律，在 此基础上必然提出参考系问题，即所总结出来的电磁现象的基本规律 究竟适用于什么参考系。 二、相对论产生的历史背景和实验基础 经典力学根据实践经验引人了惯性参考系，力学的基本运动定律 对所有惯性系成立 参考系问题在电动力学中由于下述原因而变得更为突出：从电磁 现象总结出来的麦克斯韦方程组，可以得到波动方程，并由此波动方程 得出电磁波在真空中的传播速度为c。按照旧时空概念，如果物质运动 速度相对于某一参考系为c，则变换到另一参考系时，其速度就不可能 沿各个方向都为c。 1.相对论产生的历史背景

从旧概念出发.电磁波只能够对一个特定参考系的传播速度为c因而麦氏方程组也就只能对该特殊参考系成立。如果确是这样，则经典力学中一切惯性参考系等价的相对性原理在电磁现象中就不再成立。因而由电磁现象可以确定一个特殊参考系，这样便可以把相对于该特殊参考系的运动称为绝对运动。寻找这个特殊参考系和确定地球相对于这参考系的运动成为上世纪未物理学家的一个重要课题。电磁学的进一步发展要求解决这一问题.而当时的科学发展水平已使得精确测量光速成为实际可能。多次实验结果都没有发现任何绝对运动的效应，从而道使人们接受在真空中光速相对于任何惯性系都等于c的结论。10

10 从旧概念出发,电磁波只能够对一个特定参考系的传播速度为c， 因而麦氏方程组也就只能对该特殊参考系成立。如果确是这样，则 经典力学中一切惯性参考系等价的相对性原理在电磁现象中就不再 成立。因而由电磁现象可以确定一个特殊参考系，这样便可以把相 对于该特殊参考系的运动称为绝对运动。 寻找这个特殊参考系和确定地球相对于这参考系的运动成为上世 纪末物理学家的一个重要课题。电磁学的进一步发展要求解决这一问 题,而当时的科学发展水平已使得精确测量光速成为实际可能。多次实 验结果都没有发现任何绝对运动的效应，从而迫使人们接受在真空中 光速相对于任何惯性系都等于c的结论