2022-2023学年高二物理竞赛课件：狭义相对论基础(SPECIAL RELATIVITY)

狭义相对论基础 (SPECIAL RELATIVITY) 狭义相对论基础 (SPECIAL RELATIVITY) 在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。 但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云…… 英国物理学家 · 开尔文 (1900年) 相对论：新的时空观，物质 = 能量 颠覆经典时空观，颠覆牛顿定律。 牛顿力学：宏观、低速。 量子力学：宏、微观均适用。 相对论：低、高速均适用 狭义：只涉及惯性系。 广义：涉及非惯性系。 狭义相对论 数学工具：洛仑兹时空变换，速度合成 表象：时间延缓和长度收缩 相对论动力学：动量质量和能量 底线：同时的相对性和因果律 本质：视角变换，不同角度看问题 一、相对论的基本原理和洛仑兹变换 牛顿力学的假设和伽利略变换 两个假设： 力学定律在所有惯性系中形式相同 质量和受力在所有惯性系中保持不变 推论：a在所有惯性系中保持不变 数学上：伽利略变换 1 伽利略变换： 正变换 逆变换 x y z o S u S' y' z' x' o' 6 速度变换与加速度变换 正 逆 两个都是惯性系 是恒量 在两个惯性系中 7 2、伽利略变换与绝对时空概念 得： 即：在S系和S’系中的观察者对任意两事件之间的时间间隔进行测量，测量结果与参照系无关。 在牛顿力学中，时间是绝对的。 同一根棒在不同参考系中的长度： 由伽利略变换得: 即: 在牛顿力学中，长度是绝对的。 8 3、牛顿相对性原理 在牛顿力学中 质量与运动无关 力与参照系无关 若S中 则S’中 适用于，宏观低速物体 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变 S’系： S系： 9 牛顿相对性原理 总结 在牛顿力学前提（或假设） 质量与运动无关 力与参照系无关 力学规律与参照系无关 在牛顿力学中，时间是绝对的。 在牛顿力学中，长度是绝对的。 在牛顿力学中，速度是相对的。 10 二、爱因斯坦相对性原理和光速不变原理： 1. 时代背景： 牛顿的绝对时空观遇到了问题： 迈克斯韦方程组预言电磁波，导出真空电磁波速 ，光（电磁波）速不变 若 S 系的真空光速为 c，S' 系相对于 S 系以速度 u 运动，则 S‘ 系中观测到的真空光速为 c + u 或 c – u 。 但是，从麦克斯韦方程中得到的光速与参考系无关 我们都相对于此特殊参考系运动而不自知 在介质的海洋中随波逐流，误以为光速不变 既要满足牛顿伽利略，又要满足麦克斯韦 权宜之计：绝对参考系！ 此特殊介质就是以太！ 那么，我们该怎么办？ 寻找以太的实验：迈克尔逊-莫雷实验 $