1、 对于任何惯性参照系对于任何惯性参照系,牛顿定律都成立牛顿定律都成立.即对即对于不同的惯性系，力学的基本定律于不同的惯性系，力学的基本定律 牛顿定律牛顿定律具有相同的形式具有相同的形式.因此，在任何惯性系中观察，同因此，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现象将按同样的形式发生和演变.（力学相（力学相对性原理对性原理 伽利略不变性）伽利略不变性）相对于不同的参考系相对于不同的参考系,基本力学定律的形式是基本力学定律的形式是完全一样的吗完全一样的吗？牛顿力学的回答牛顿力学的回答:伽利略变换伽利略变换x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt v
2、z z当当 时时0tt,oo重合重合txxv yy zz tt 位置坐标变换公式位置坐标变换公式 经典力学认为：经典力学认为：1）空间的）空间的量度是绝对的，与参考系无关；量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与）时间的量度也是绝对的，与参考系无关参考系无关.zzaayyaa xxaa加速度变换公式加速度变换公式aaamF amFvxxuuyyuu zzuu伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式 在两相互作匀速直线运动的惯性在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定理具有相同的形式系中，牛顿运动定理具有相同的形式.x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx
3、xt vz z 相对于不同的参考系相对于不同的参考系,长度和时间的测量结果长度和时间的测量结果是一样的吗是一样的吗?绝对时空概念：时间和空间的量度和惯性系无绝对时空概念：时间和空间的量度和惯性系无关关,长度和时间的测量是绝对的长度和时间的测量是绝对的.牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿的相对性原理牛顿的相对性原理注注 意意 牛顿力学的相对性原理，在宏观、牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致低速的范围内，是与实验结果相一致的的.实践已证明实践已证明,绝对时空观是不正确的绝对时空观是不正确的.对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形
4、式是一样的吗是一样的吗？真空中的光速真空中的光速m/s10998.21800c 对于两个不同的对于两个不同的惯性参考系惯性参考系,光速满光速满足伽利略变换吗足伽利略变换吗？?v ccx xy yvo oz z ssc球球投投出出前前cd21ttvcdt2结果结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间到观察者所需要的时间.(根据根据伽利略变换伽利略变换)cdt 1球球投投出出后后vcv 迈克尔逊迈克尔逊 莫雷实验的莫雷实验的设计思想设计思想 人们假
5、设超新星发出的光，其传播速度只与人们假设超新星发出的光，其传播速度只与传播介质的运动速度有关，传播介质的运动速度有关，而与爆发物的速度无而与爆发物的速度无关关.传播光的介质为传播光的介质为“以太以太”,在在“以太以太”绝对参绝对参考系中光向各个方向传播速度均为考系中光向各个方向传播速度均为 .若把若把“以太以太”比喻作无处不在的大气比喻作无处不在的大气,在其中飞行的地球应感在其中飞行的地球应感到迎面吹来的以太风到迎面吹来的以太风.c 为了测量地球相对于为了测量地球相对于“以太以太”的运动的运动,1881年迈克尔逊用他自制的干涉仪进行测量年迈克尔逊用他自制的干涉仪进行测量,没结果没结果.1887
6、年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果仍得到零结果,即即未观测到地球相对未观测到地球相对“以太以太”的的运动运动.寻找绝对参照系寻找绝对参照系 “以太以太”vsoMNvsNMolONOMO M Ovvclclt1O N O22212ccltv22cltcv2222clNvO Nc22vcvN Ocv22vc2222clNvm/s103,nm500,m104vl4.0N 人们为维护人们为维护“以太以太”观念作了种种努力，观念作了种种努力，提出了提出了各种理论如各种理论如 1）发射理论；）发射理论；2）“以太以太”引曳理论；引曳理论；3）收缩理论
7、等，这些理论均以）收缩理论等，这些理论均以失败失败告终告终.仪器可测量精度仪器可测量精度01.0N 实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动.0N 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相年先后创立了狭义相对论和广义相对论对论和广义相对论,并于并于1905年提年提出了光量子假设出了光量子假设,为此他于为此他
8、于1921年年获得诺贝尔物理学奖获得诺贝尔物理学奖,他还在量子他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献理论方面具有很多的重要的贡献.1）爱因斯坦爱因斯坦相对性原理相对性原理：物理定律物理定律在所有的在所有的惯性系中都具有相同的表达形式惯性系中都具有相同的表达形式.2）光速不变光速不变原理：原理：真空中的光速是常量，它与真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.关健概念：相对性和不变性关健概念：相对性和不变性.相对性原理是自然界的普遍规律相对性原理是自然界的普遍规律.伽利略变换与伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符狭义相对
9、论的基本原理不符.说明同时具有相对性，时间的量度是相对的说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.和和光速不变光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系紧密联系在一起的是：在某一惯性系中中同时同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并一惯性系中观察，并不是同时不是同时发生的。发生的。长度长度的测量是和的测量是和同时性同时性概念密切相关概念密切相关.x1x2xv测量运动汽车的长度测量运动汽车的长度同时同时记录记录 和和1x2xx1x2xv先先记录记录后后记录记录1x2xcv211z z yx xyvo o ss*),(tzyx),(tzyx
10、P)(12txtxxvvyy zz)(1222xctxcttvv 设设：时，时，重合重合;事件事件 P 的时空的时空坐标如图所示坐标如图所示.0tt,oo)(txxvyy zz)(2xcttv正正变变换换)(txxv yy zz)(2xcttv逆逆 变变 换换 光速光速在在任何任何惯性惯性系中均为同一系中均为同一常量常量 ，利用它将时间测量与利用它将时间测量与距离测量联系起来距离测量联系起来.z z yx xyvo o ss*),(tzyx),(tzyxP1）与与 成线性关系，但比例系数成线性关系，但比例系数 .2）时间不独立，时间不独立，和和 变换相互交叉变换相互交叉.3）时，洛伦兹变换时，
11、洛伦兹变换 伽利略变换。伽利略变换。,txtx,1xtcv洛伦兹变换洛伦兹变换特点特点 意义：意义：基本的物理定律、包括电磁学和量子力基本的物理定律、包括电磁学和量子力学的基本定律、都在，而且应该在学的基本定律、都在，而且应该在洛伦兹变换洛伦兹变换下保下保持持不变不变。这种不变显示出物理定律对匀速直线运动。这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性的对称性 相对论对称性相对论对称性.事件事件 1：车厢：车厢后后壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号.事件事件 2：车厢：车厢前前壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号.事件事件 2),(1111tzyx),(2222tzyx 系系(车厢参考
12、系车厢参考系)S 系系(地面参考系地面参考系),(1111tzyx事件事件 1),(2222tzyxS)vtx(x)c/vx t(t2)/)()(2121212cvxxttttt)c/vxt(t2)c/xvt(t2111)c/xvt(t2222)t vx(x111)t vx(x222)tt(v)xx(xxx121212)()(tvxx 结论结论：沿两个惯性系运动方向，沿两个惯性系运动方向，不同地点不同地点发生发生的的 两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对相对意义；意义；只
13、有在只有在同一地点同一地点，同一时刻发生的两个事件，在其同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是他惯性系中观察也是同时同时的的.012ttt012xxx0t在在 S 系系在在 系系同时同地同时同地发生的两事件发生的两事件S此结果反之亦然此结果反之亦然.注意注意012ttt012xxx 同时同时不同地不同地0/2cvxt)c/vxt(t2)()(tvxx 说明说明普遍的结论普遍的结论)c/vxt(t2)()(tvxx 推论推论1 1：0 x nda 0t 0 x nda 0t 在在 S 系中系中相同地点、相同地点、同时发生同时发生的两事件，在的两事件，在 S 系中这两个事件是系中这两个事件
14、是相同地点、相同地点、同时发生同时发生的。的。在在 S 系中系中相同地点、相同地点、不同时发生不同时发生的两事件，在的两事件，在 S 系中这两个事件系中这两个事件不同时发生不同时发生的，并且这两个事件发生的，并且这两个事件发生地点地点也也不相同不相同。推论推论2 2：0 xut b 0t 0 x nda 0t 在在 S 系中系中不相同地点、不相同地点、同时发生同时发生的两事件，在的两事件，在 S 系中这两个事件系中这两个事件不同时发生不同时发生的，并且这两个事件发的，并且这两个事件发生生地点也地点也不不同。同。推论推论3 3：00 xbutt 0 x nda 0t 在在 S 系中系中不相同地点
15、、不相同地点、不同时发生不同时发生的两事件，的两事件，在在 S 系中这两个事件系中这两个事件不一定同时发生不一定同时发生的，并且这两个的，并且这两个事件发生事件发生地点也地点也不一定不一定相同。相同。推论推论4 4：0 xbut t 0 )c/vxt(t2)()(tvxx 低速空间低速空间“同时性同时性”与参照系无关。与参照系无关。1 vc 时时2211)c/v(11)c/xv t(t2 t)()(tvxx x 所有参照系是平等的，各有各自的所有参照系是平等的，各有各自的“同时性同时性”。-相对性原理相对性原理 有因果关系的事件，因果关系不因坐标系变化而改有因果关系的事件，因果关系不因坐标系变
16、化而改变。无因果关系的事件无所谓谁先谁后。变。无因果关系的事件无所谓谁先谁后。)/(2cxvtt)txcv1(t2)cucv1(tcu 当当 时时0t 0 t 0)()(tvxx)/(2cxvttu称为信号称为信号速度速度在在S中：中：先开枪，后鸟死先开枪，后鸟死 由因果关系联系着的两事件的时序是永远不会颠倒由因果关系联系着的两事件的时序是永远不会颠倒过来的。过来的。时序时序:两个事件发生的时间顺序。两个事件发生的时间顺序。前前事件事件1后后事件事件2子弹子弹u u在在S中：是否能发生先鸟死，后开枪？中：是否能发生先鸟死，后开枪？在在S中：中：0t 0 t 在在S中中)1(cucvttcu 根
17、据根据例例1 1.（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在其它惯性系中必不同时发生。其它惯性系中必不同时发生。（2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在其它惯性系中必同时发生。在其它惯性系中必同时发生。正确的说法是：正确的说法是：(A)(1).(3)(B)(1).(2).(3)(C)(3)(D)(2).(3)C xyozs标尺相对标
18、尺相对 系静止系静止s21111txxv22221txxv212121xxxx12xxl在在 S 系中测量系中测量测量为两个事件测量为两个事件),(),(2211txtx要求要求21tt 1 x2 x0l y xv o z s1x2x120lxxl在在 系中测量系中测量s021lll固有固有长度长度 当当 时时 .1 ll 固有固有长度：物体相对静止时所测得的长度长度：物体相对静止时所测得的长度.（最长最长）洛伦兹收缩洛伦兹收缩:运动运动物体在运动方向上长度物体在运动方向上长度收缩收缩.212121xxxx120lxxl12xxl 长度收缩是一种长度收缩是一种相对相对效应效应,此结果反之亦然此
19、结果反之亦然.注意注意xyozs1 x2 x0l y xv o z s1x2x 例例1 设想有一光子火箭，设想有一光子火箭，相对于地球以速相对于地球以速率率 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为度为 15 m，问以地球为参考系，此火箭有多长，问以地球为参考系，此火箭有多长？c95.0vss火箭参照系火箭参照系地面参照系地面参照系解解：固有长度固有长度m150ll21 llm68.4m95.01152lm150lvx xy yo om2/2yxllm2/2 yyll在在 S 系系 例例2 一长为一长为 1 m 的棒静止地放在的棒静止地放在 平面内，平面内，在在 系
20、的观察者测得此棒与系的观察者测得此棒与 轴成轴成 角，试问从角，试问从 S 系的观察者来看，此棒的长度以及棒与系的观察者来看，此棒的长度以及棒与 Ox 轴的夹角轴的夹角是多少？设想是多少？设想 系相对系相对 S 系的运动速度系的运动速度 .23cv45yxOxOSS23cvvx xy yo oxlyl解：解：在在 系系m1l,45Sm79.022yxlll43.63arctgxyll4/2/122lcllxxvs系系同一同一地点地点 B 发生两事件发生两事件在在 S 系中观测两事件系中观测两事件),(),(2211txtx),(2tx),(1tx12ttt时间间隔时间间隔)(211cxttv)
21、(222cxttv12tttt)(2cxttv0 x21tt固有固有时间时间：同一同一地点发生的地点发生的两两事件的时间间隔事件的时间间隔.时间延缓时间延缓：运动运动的钟走的的钟走的慢慢.0ttt固有时间固有时间 3）时，时，.cv tt1）时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应.2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等.）注意注意例例2.2.宇宙飞船相对于地面以速度宇宙飞船相对于地面以速度 v 作匀速直线作匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部飞行，某一时
22、刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号，经过发出一个光讯号，经过 t （飞船上的钟）时（飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为的固有长度为tc )A(tv )B(2/1 )C(cvtc2/1 )D(cvtc A 牛顿定律与光速极限的牛顿定律与光速极限的矛盾矛盾tmtpFd(ddd)vmFatvC0vo物体在恒力作用下的运动物体在恒力作用下的运动att0vv经典力学中物体的质量与运动无关经典力学中物体的质量与运动无关 根据相对论的速度变换关系可知任何物体的运根据相对论的速度变换关系可知任何物体的运动速度均动速度均不可超过光不
23、可超过光的速度的速度.经典动量守恒和质量守恒定律遇到的经典动量守恒和质量守恒定律遇到的困难困难 经典力学中物体的质量与运动无关经典力学中物体的质量与运动无关,即在不同即在不同的惯性参考系中质量相同的惯性参考系中质量相同.1）相对论动量相对论动量vvvmmmp0201当当 时时cvvv0mmp2）相对论质量相对论质量201mm0m静质量静质量 ：物体相对于惯性系静止时的质量：物体相对于惯性系静止时的质量.在不同惯性系中大小不同在不同惯性系中大小不同.)(vm当当 时时cv0mm vmC0mo)1(dddd20vmttpF 相对论动量守恒定律相对论动量守恒定律tmtmddddvv 当当 时，时，增
24、加增加,而而 ，所，所以光速以光速 C 为物体的极限速度为物体的极限速度.tmcddv0aiiiiiiimpF2010v当当时时不变不变.tmFmmcdd0vv当当 时时动能定理动能定理2022121dvvmmrFEkpxxkpxtpxFE000dddddv设设 0000viFFEk20201cmcmpEk22cvv积分得积分得201vmppppdd)(dvvv利用利用 和和v2vvvv022020d11cmmEk得得)111(220202cmcmmcEk相对论相对论动能动能 静静能能 ：物体：物体静止静止时所具有的时所具有的能量能量.20cm2021vvmEck 当当 时时,0mm20201
25、cmcmpEk22cvvkEcmmcE202相对论相对论质能质能关系关系 1932年英国物理学家年英国物理学家(J.D.Cockcroft)和爱尔兰和爱尔兰物理学家物理学家(E.T.Walton)利用质子加速器进行了人工利用质子加速器进行了人工核蜕变，第一次从实验上验证了质能关系，为此他核蜕变，第一次从实验上验证了质能关系，为此他们于们于19年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖物理意义物理意义2mcE 相对论相对论质能关系质能关系2)(cmE.E 称为物体的总能量，包括动能和静止能量两部称为物体的总能量，包括动能和静止能量两部分。分。202cmEmcEk.物体静止时，物体静止时，v=0，20c
26、mE0E.物体动能物体动能EEEEk0202cmEmcEk.原子核反应原子核反应202cmmcEk20)(cmm2mc能量可以转变成质量能量可以转变成质量能量能量质量质量能量能量质量质量核反应堆核反应堆1克铀裂变释放的能量是克铀裂变释放的能量是1克煤的克煤的250万倍。万倍。1克氘聚变释放能量是铀的克氘聚变释放能量是铀的4倍，煤的倍，煤的1000万倍。万倍。锂原子的核反应锂原子的核反应HeHeBeHLi4242841137两粒子所具有的总动能两粒子所具有的总动能MeV3.17kE0.01855ukg1008.3292kcEm两粒子质量比静质量增加两粒子质量比静质量增加0.01864um1.00
27、783uHm7.01601uLim4.00260uHem理论计算和实验结果相符理论计算和实验结果相符实验测量实验测量H11Li37He42He42kg1066.1u127n2SrXnU109538139541023592u22.0m质量亏损质量亏损原子质量单位原子质量单位 kg1066.1u127放出的能量放出的能量MeV2002cmEQ1g 铀铀 235 的原子裂变所释放的能量的原子裂变所释放的能量J105.810Q质能关系质能关系预言预言：物质的质量就是能量的一种储藏：物质的质量就是能量的一种储藏.1 核裂变核裂变我国于我国于 1958 年建成的首座重水反应堆年建成的首座重水反应堆2 轻核
28、聚变轻核聚变HeHH42212124MeVJ1087.3)(122cmEQ释放能量释放能量kg103.4u026.029m质量亏损质量亏损 轻核聚变轻核聚变条件条件 温度要达到温度要达到 时，使时，使 具具有有 的动能，足以克服两的动能，足以克服两 之间的库伦排斥之间的库伦排斥力力.K108H21H21keV10氘核氘核氦核氦核kg103437.3)H(27210mkg106425.6)He(27420m222021ccmmcEv2201cmmpvvv22222022)()(cmcmmcvE200cmE pc22202cpEE极端相对论近似极端相对论近似pcEEE,0光子光子cmv,00mcc
29、Ep光的波粒二相性光的波粒二相性hphE,普朗克常数普朗克常数 例例1 设一质子以速度设一质子以速度 运动运动.求其总求其总能量、动能和动量能量、动能和动量.c80.0v解解 质子的静能质子的静能MeV938200cmEMeV1563MeV)8.01(938121222202ccmmcEvMeV62520kcmEE119220smkg1068.61cmmpvvvkg103437.3)H(27210mkg100449.5)H(27310mkg106425.6)He(27420mkg106750.1)n(27100m 例例2 已知一个氚核已知一个氚核 和一个氘核和一个氘核 可聚变可聚变成一氦核成一氦核 ,并产生一个中子并产生一个中子 ,试问这个核聚试问这个核聚变中有多少能量被释放出来变中有多少能量被释放出来.H)(21H)(31e42Hn10nHeHH10423121解解 核聚变反应式核聚变反应式)kg(100311.027)n()He(H)()(1004203102100mmmHmm反应质量亏损反应质量亏损17.49MeVJ10799.2)(1220cmE释放的能量释放的能量nHeHH10423121解解 核聚变反应式核聚变反应式
