西安建筑科技大学：《大学物理》课程教学资源（PPT课件）第15章 狭义相对论力学基础

大学物理:狭义相对论力学基础 第15章狭义相对论力学基础 爱因斯坦( Einstein) 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 第 15 章 狭义相对论力学基础 爱因斯坦 (Einstein)

大学物理:狭义相对论力学基础 爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家,1879年3月14日 出生于德国乌尔姆,1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学 1905年,爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这 年的3月到9月半年中,利用业余时间发表了6篇论文,在物 理学3个领域作出了具有划时代意义的贡献一创建了光量 子理论、狭义相对论和分子运动论。 爱因斯坦在1915年到1917年的3年中,还在3个不同领 域做出了历史性的杰出贡献一建成了广义相对论、辐射量 子理论和现代科学的宇宙论。 爱因斯坦获得1921年的诺贝尔物理学奖 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家，1879年3月14日 出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。 1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一 年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了6 篇论文，在物 理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献— 创建了光量 子理论、狭义相对论和分子运动论。 爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在3 个不同领 域做出了历史性的杰出贡献— 建成了广义相对论、辐射量 子理论和现代科学的宇宙论。 爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖

大学物理:狭义相对论力学基础 牛顿力学 19世纪后期,经典物理学的三 麦克斯韦电磁场理论大理论体系使经典物理学已趋 热力学与经典统计理论」于成熟。 两朵小乌云·迈克耳逊——莫雷“以太漂移”实验 ●黑体辐射实验 狭义相对论 近代物理学的两大支 柱,逐步建立了新的 量子力学 物理理论。 强调 ●近代物理不是对经典理论的补充,而是全新的理论。 ●近代物理不是对经典理论的简单否定 物理系,史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 牛 顿 力 学 麦克斯韦电磁场理论 热力学与经典统计理论 两朵小乌云 ⚫ 迈克耳逊——莫雷“以太漂移”实验 ⚫ 黑体辐射实验 强调 ⚫ 近代物理不是对经典理论的简单否定。 ⚫ 近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。 狭 义 相 对 论 量 子 力 学 近代物理学的两大支 柱，逐步建立了新的 物理理论。 19世纪后期，经典物理学的三 大理论体系使经典物理学已趋 于成熟

大学物理:狭义相对论力学基础 相对论基本原理 爱因斯坦两个假设 相对论数学基础 洛仑兹变换 相对论运动学 相对论动力学 牛顿力学 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 相对论基本原理 爱因斯坦两个假设 相对论运动学 相对论动力学 相对论数学基础 ——洛仑兹变换 牛顿力学   c

大学物理:狭义相对论力学基础 §15.1经典力学的相对性原理伽利略变换 力学的相对性原理 疑问:牛顿的经典力学理论在哪个参照系内成立? 牛顿理论中的物理量(位移 速度、加速度、动量等)都是 相对所选定参照系的物理量 当车相对地面运动时 S地:P=m0DS车:P=0 当车相对地面匀速直线运动时,在地面和车相里做力学实验 是否有相同结果?牛顿理论、公式是否成立,公式形式是否 相同? 当车相对地面有加速度时呢?S地:F=mS车:F=ml 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 §15.1 经典力学的相对性原理 伽利略变换 一. 力学的相对性原理 疑问：牛顿的经典力学理论在哪个参照系内成立？ 牛顿理论中的物理量（位移、 速度、加速度、动量等）都是 相对所选定参照系的物理量 当车相对地面运动时    S地 : p = m S : p = 0  车 当车相对地面有加速度时呢？ 当车相对地面匀速直线运动时，在地面和车相里做力学实验 是否有相同结果？牛顿理论、公式是否成立，公式形式是否 相同？ S F ma   地 : = S F = ma   车 :

大学物理:狭义相对论力学基础 1.惯性系 牛顿运动定律适用的参照系—惯性系 地球表面可以近似地认为是一个惯性系 2非惯性系 牛顿运动定律不适用的参照系—非惯性系 相对地面(惯性系)做加速运动或曲线运动的参照系 3.惯性系之间的关系 相对已知惯性系做匀速直线运 动的任何参照系也是惯性系 相对地面做匀速直线运动的车、 船等 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 1.惯性系 牛顿运动定律适用的参照系——惯性系 地球表面可以近似地认为是一个惯性系 2.非惯性系 牛顿运动定律不适用的参照系——非惯性系 3.惯性系之间的关系 相对已知惯性系做匀速直线运 动的任何参照系也是惯性系 相对地面（惯性系）做加速运动或曲线运动的参照系 相对地面做匀速直线运动的车、 船等

大学物理:狭义相对论力学基础 4.经典力学的相对性原理 在所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律是相同的, 具有相同的数学表达形式。或者说,对于描述力学现象的 规律而言,所有惯性系是等价的。 地一1车 地 F 车相对地面匀速直线运动 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的， 具有相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的 规律而言，所有惯性系是等价的。 4.经典力学的相对性原理 车相对地面匀速直线运动 T地 =T车 S F ma   地 : = S F = ma   车 :

大学物理:狭义相对论力学基础 二.绝对时空观 绝对时间 绝对空/广绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关 时间永远均匀地流逝,与外界事物无关 空间从不运动,永远不变,与外界事物无关 经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 二. 绝对时空观 绝对时间 绝对空间 绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关 经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关 时间永远均匀地流逝，与外界事物无关 空间从不运动，永远不变，与外界事物无关

大学物理:狭义相对论力学基础 伽利略变换(绝对时空观的定量描述) 1.伽利略坐标变换 在两个惯性系中分析描述同一物理事件 在地面和匀速运动物体上建立两个参照系S, 在t=0时刻,S,S系在O点重合。t时刻,S系运动 到O点,物体在P点 S F(x,y,,t) F(x,, 2 P(x,y,z; t ,y,z';t) v(x,y, t) T'(x,y,2 a(x, y,2, t) a'(x'y, 2, t') 0/0 x(x") 物理系:史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 三. 伽利略变换（绝对时空观的定量描述） S S r(x,y,z,t)  r (x  ,y  ,z  ,t)  v(x,y,z,t)  v(x  ,y  ,z  ,t)  a(x,y,z,t)  a'(x  ,y  ,z  ,t)  在两个惯性系中分析描述同一物理事件 在 t ＝ 0 时刻，S , S系在 O 点重合。t 时刻， S 系运动 到 O点，物体在P 点 P(x, y, z; t ) (x', y',z'; t') r  r   u  y O z S O' x(x' ) z' y' S' 1. 伽利略坐标变换 在地面和匀速运动物体上建立两个参照系S , S

大学物理:狭义相对论力学基础 伽利略坐标变换式 正变换 SS P(x,y, z; t) x=x-ut ru l·t 逆变换 矢量式 x=x+ut =+h 其中假设 物理系,史彭

物理系：史彭 大学物理：狭义相对论力学基础 正变换 逆变换 伽利略坐标变换式 x  = x − ut y  = y z' = z t' = t  x = x' + ut y = y z = z  t = t 矢量式 0 r r' r    = + 其中假设 t = t r = u  t   0 P(x, y, z; t ) (x', y',z'; t') r  r   u  y O z S O' x(x' ) z' y' S' 0 r  x  x