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H-1伽利略变换经典时空观

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1、狭义相对论基础,（Special Relativity）,爱因斯坦（Albert Einstein）（18791955）美籍德国人 1921年获诺贝尔物理奖,阿尔伯特爱因斯坦（AlbertEinstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城(Ulm)。父母都是犹太人。父亲赫尔曼爱因斯坦和叔叔雅各布爱因斯坦合开了一个制造电器设备的小工厂。母亲玻琳是受过中等教育的家庭妇女，非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教导他拉小提琴。,这是一个和睦、愉快的家庭。亲人们深爱着小爱因斯坦，但都为他的智力发育感到担忧。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴可是直到九岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。小爱因斯坦是一个诚实的孩子，从不做违心的或骗人的事。,在四、五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”

2、这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到六十七岁还能鲜明的回忆出来。,爱因斯坦在念小学和中学时，一般功课属平常，唯有数学成绩远在全班同学之上。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。,爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的。他不仅仅是相对论的创始人，而且是一位多学科的理论研究家。即使他不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的科学业绩主要包括四个方面：早期对布朗运动的研究；狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论，开辟了宇宙学的研究途径。1905年创建的狭义相对论和1921年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而1921年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家。,本章学习要点,2.理解爱因斯坦相对性原理和光速不变原理,3.理解同时性的相对性，时钟延缓，长度收缩等相对论效应。,1.理解相对论的时空观和绝对时空观之间的不同，以及洛仑兹变换与伽利略变换的关系。,4.理解相对论质量、动量、和能量等概念和公式

3、，以及它们和牛顿力学中相应各量的关系。,6-1,伽利略变换经典时空观,运动的描述：选定参照系后讨论位置、速度随时间的变化。所以，力学中最基本的问题：,爱因斯坦（Albert Einstein）,创立的，狭义相对论（Special Relativity（1905）揭示了惯性参照系中时间、空间与运动的关系。,力学研究物体的运动。,（1）长度、时间的测量与参照系是否有关？,（2）力学规律的形式与参照系是否有关？,如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）,动量守恒定律在伽利略变换下形式不变,经典时空观,经典时空观（绝对时空观）认为：时间与空间都是绝对的，彼此无关的，独立于运动之外的。,1.长度不变，,2.时间不变，,3.绝对同时性，,4.质量不变，,5.惯性系中所有力学规律相同。,牛顿定律成功地解决了低速、宏观物体的运动问题,狭义相对论基本原理,6-2,伽利略变换：只有在一个特定的参照系中光速才为C绝对参照系,其它参照系中光速不再是C。寻找绝对参照系、确定地球相对绝对参照系的运动是当时的重要任务。,19世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c 是常量。,绝对参考系(以太)中光速各向同性 c,沿运动

4、方向 ,垂直运动方向,(地球)运动参考系,1、麦克尔逊莫雷实验,设地球在绝对参照系中的速度为u,如果各方向上的光速有差异，干涉仪转90，干涉条纹就会移动！就可以确定地球的绝对运动！,干涉条纹,Michelson干涉仪,干涉仪转90后，光行时间差变成,按照伽利略速度变换,干涉仪转90引起光行时间差的变化为,由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数,对于,实验为“0结果” ，这表明以太不存在，光速与传播方向无关，与参考系无关！,诺贝尔物理学获奖证书,迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量，1907年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖。,2、双星观测实验,如果光速与光源运动有关,可能出现，同一时刻观测到同一颗星在不同位置.,光速与光源运动无关.,从未观测到。,因此，,电磁学理论给出真空中电磁波的传播速度为,真空中光速与参考系无关（即与光源的运动和观察者的运动无关）。,光速不变原理：,二、相对性原理,上述实验也说明：相对性原理不仅适用于力学，也适用于电磁学、光学。由此，爱因斯坦相信：尽管事物的具体规律形形色色，但主宰世界的规律并不多，而且不复杂，世界应该是和谐而且简单的，简单性应该成为一个理论完善与否的判定

5、原则。爱因斯坦把力学的相对性原理推广到了物质运动的所有形式，提出：,物理规律（包括力学规律）对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的惯性系，例如绝对静止的惯性系。,爱因斯坦论动体的电动力学1905,狭义相对论的两个基本假设,洛仑兹变换,The Lorentz Transformation,6-5,O、O重合时(t=t=0),O发出一个光信号,惯性系S （相对观察者）静止， S系沿S的ox 轴以 u作匀速直线运动。则， S也是惯性系。,同一事件在S系和S系中的时空坐标是一一对应的,所以时空变换关系应是线性变换,S系中t时刻看到O点的坐标为,S系中O点的坐标为,(2,3)代入上式:,上式对任意的都成立,注意:,由光速不变得:,联立求解,则,The Lorentz Transformation洛仑兹变换,时间和空间不再是相互独立的了，并且都与运动有关！(即与参考系有关!),联立求解得：,洛仑兹变换回到伽利略变换！,即，伽利略变换是洛仑兹变换在速度远小于光速时的特例,正变换,逆变换,Lorentz Velocity Transformation洛仑兹速度变换,In S coordinates,u u,例题：在 S 系测得光信号速度为c，求在相对S 沿X方向以u 匀速运动的S 系测得光信号的速度。,！,Lorentz Velocity Transformation,不可能通过参考系变换达到超光速。,

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