西南大学：《普通物理学》课程PPT教学课件（力学）第十二章 相对论简介

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1 普通物理学教程 讲授： 物理学院基础物理教研室 光 电 科 学 技 术 研 究所 蒋小平 68384963 jungxp@163.com

思考:在牛顿力学中,我们知道,力F对物体做功,可 使物体的动能E增加。如果此力持续不断地对这个物体做功, 则物体的动能会变为∞! 可能吗 一个科学的假设:一小孩出生后,立即把他30岁的父亲 送上高速飞行的字宙飞船。待小孩40岁时,其父亲返回,其 父根据他所带的校准的时钟测出的时间只过了20年,即他年 龄是50岁! 会吗 (想故命

2 思考：在牛顿力学中，我们知道，力F对物体做功，可 使物体的动能Ek增加。如果此力持续不断地对这个物体做功， 则物体的动能会变为∞！ 可能吗 一个科学的假设：一小孩出生后，立即把他30岁的父亲 送上高速飞行的宇宙飞船。待小孩40岁时，其父亲返回，其 父根据他所带的校准的时钟测出的时间只过了20年，即他年 龄是50岁！ 会吗

爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人 二十世纪的哥白尼 宏现、低速微观、高逭 (想故命

3 爱因斯坦: Einstein 二十世纪的哥白尼 现代时空的创始人 宏观、低速 微观、高速

主要内容:狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 洛仑兹变换式 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹速度变换 相对论性质量和动量 相对论性能量 相对论性力和加速度间关系 (想故命

4 主要内容： 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 洛仑兹变换式 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹速度变换 相对论性质量和动量 相对论性能量 相对论性力和加速度间关系

§12.1力学智对性原理和伽利暗变换 力学相对性原理 物体的运动 位置随时间的变化 基本力学定律参考系 是否对所有的参考系 基本量:长度和时间的测量 牛顿力学的回答:在任何惯性系中观察,同一力学现象 将按同样的形式发生和演变。 朱顿相对性原理、力学相对性原理、伽利略不变性|5

5 §12.1 力学相对性原理和伽利略变换 物体的运动 位置随时间的变化 基本力学定律 参考系 是否对所有的参考系 基本量：长度和时间的测量 形式都一样？ 牛顿力学的回答：在任何惯性系中观察，同一力学现象 将按同样的形式发生和演变。 一、力学相对性原理 牛顿相对性原理、力学相对性原理、伽利略不变性

重要结论:只能确定兩个惯性系的相对运动速度,谈论某 惯性系的绝对运动(绝对静止)是没有意的。 绝对空间:长度的量度与参考系无关 牛顿 绝对时间:时间的量度与参考系无关。 ○ 绝对时电观 “绝对空间,就其本性而言,与外界任何事物无 关,而永远是相同的和不动的。”“绝对的、真 正的和数学的时间自己流逝着,并由于它的本性 而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。 宏观低速物体的力学规在任何惯性系中形式捐同 力学相对性原理 应用程序 (想故命 6

6 重要结论：只能确定两个惯性系的相对运动速度，谈论某 一惯性系的绝对运动（绝对静止）是没有意义的。 绝对空间：长度的量度与参考系无关。 绝对时间：时间的量度与参考系无关。 牛顿 “绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无 关，而永远是相同的和不动的。 ”“绝对的、真 正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性 而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。 绝对时空观 宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同 力学相对性原理

二、伽利略换( Galilean Transformation) 在两个惯性系中考察同一物理事件。设惯性系S和相对 S运动的惯性系S’, 完全相同校好而县是同步yS1y'S_2 的,物体到达P点指示的时 间分别为t两系原点重合 (x, y,z) (x',y',z') 时为计时零点), (想故命

7 二、伽利略变换（ Galilean Transformation ） 在两个惯性系中考察同一物理事件。设惯性系S和相对 S运动的惯性系S’， 两参考系中的时钟结构 完全相同、校好而且是同步 的，物体到达P点指示的时 间分别为t、t’(两系原点重合 时为计时零点）, y o P o  S u x  x u S y  z z' • ( x' , y' ,z' ) ( x, y,z )

由绝对时空观, X=x-ut x=x+ut yS↑y'S u y=y P t=t 正变换 逆变换 伽利略坐标变换 分别对三个方向的分量对时间求导,可得 v-u (伽利略速度变换) a=a (想故命

8 由绝对时空观， 正变换 x  = x −ut y  = y z  = z t = t 逆变换 t t z z y y x x ut =  =  =  =  +  y o P o  S u x  x u S y  z z' • ( x' , y' ,z' ) ( x, y,z ) 伽利略坐标变换 分别对三个方向的分量对时间求导，可得 x x y y z z v' = v − u, v' = v , v' = v v' v u    = − （伽利略速度变换） 再对时间求导 a' a   =

在牛顿力学中,质点的质量和运动的速度无关,力只跟 质点的相对位置或相对运动有关,且都与参考系无关。在S系 中,如果F=ma 那么,在S系中,F'=F,m=m,则 F'=m'as d(m'pr dt' 中山 即牛顿定律同样成立。 牛顿绝对时空观 牛顿相对性原理 (想故命

9 在牛顿力学中，质点的质量和运动的速度无关，力只跟 质点的相对位置或相对运动有关，且都与参考系无关。在S系 中，如果 F ma   = 那么，在S’系中， F' = F, m' = m ，则   dt' dp' dt' d( m' v' ) F' m' a'     = = = 即牛顿定律同样成立。 牛顿绝对时空观 牛顿相对性原理

§122爱国斯超智对性原理和光不变 伽利略支换的圆唯 ★电磁场方程组不服从伽利暗略变换(对不同的惯性系有不 同的形式)。 光速C 根据伽利略变换,在两个不同的参考系S、S中测光速,有 c=c±L 而由麦克斯韦电磁场理论 =2.99×103m/s (想故命 √E0 10

10 §12.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变 一、伽利略变换的困难 电磁场方程组不服从伽利略变换(对不同的惯性系有不 同的形式）。 光速C。 根据伽利略变换，在两个不同的参考系S、S’中测光速，有 c' = c  u 而由麦克斯韦电磁场理论 c . m / s 8 0 0 2 99 10 1 = =   