第十二章 狹義相對論基礎(chǔ)

　　從本章起，所學(xué)內(nèi)容很多是新的物理概念和處理問題的方法，對于我們的學(xué)習(xí)來說，近代物理學(xué)并不是重點章節(jié)，大多是一些識記與領(lǐng)會等內(nèi)容，因此在學(xué)習(xí)時主要要領(lǐng)會與記憶一些重要概念和結(jié)論等內(nèi)容。

　　一、經(jīng)典力學(xué)的時空觀，相對運動，伽利略變換(識記)

　　經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為時間、空間和運動是彼此分離的，即絕對時空觀。伽利略相對性原理指明：一切彼此作勻速直線運動的慣性系，對于描寫運動的力學(xué)規(guī)律來說是完全等價的。就是說，不可能通過力學(xué)規(guī)律從中特別選出所謂的絕對靜止的慣性系。

　　伽利略變換式如下：

　　X'=Xvt

　　Y'=Y

　　Z'=Z

　　t'=t

　　二、狹義相對對基礎(chǔ)、洛倫茲變換(識記)

　　天才的物理學(xué)家愛因斯坦在提出了兩條基本原理：(1)相對性原理。(2)光速不變原理。這兩條原理構(gòu)成了狹義相對論的理論基礎(chǔ)。

　　(1)相對性原理：每個物理定律在一切慣性參照系中具有完全相同的形式(一模一樣地進(jìn)行著)。這說明運動描寫只有相對的意義，而絕對靜止的參照系是不存在的。在任一慣性系中所做的任何實驗，包括光學(xué)實驗，都不能確定系統(tǒng)本身的絕對運動。注意：伽利略的相對性原理只說“一切慣性系對力學(xué)規(guī)律是完全等價的�！倍鄬φ撓鄬φ撛碇赋觥耙磺袘T性系對一切規(guī)律(包括力學(xué)、電磁學(xué))是等價的。”所以它是伽利略相對性原理的推廣。

　　(2)光速不變原理：所測得的真空中的光速在任一慣性系中是完全相同的不變量。這一條是愛因斯坦引入的新的理論假設(shè)。

　　關(guān)于洛倫茲變換式，作一下記憶。變換式表明，時間和空間不是彼此獨立的，相對論的時空是互相聯(lián)系的，和運動速度也是不可分的。由洛倫茲變換式也可看出，不同慣性系彼此間的相對速度不可能超過真空中的光速c，光速c是運動的極限速度，這是由相對論得到的一個重要結(jié)論。

　　三、相對論的時空觀，同時性的相對性、長度收縮、時間延緩

　　洛倫茲變換式表明，對于分散在空間不同地點的事件，同時性和慣性系有關(guān)。對于同一地點的事件，如果它們在某一慣性系中是同時的，那么它們在一切慣性系中也都是同時的。但是在不同地點發(fā)生的兩件事，在一慣性系看來是同時的，而在另一慣性系看不就不是同時的。所以同時性是相對的不是絕對的。它與空間坐標(biāo)和相對速度有關(guān)。

　　長度收縮：如果有一個人以光速象火箭那樣“發(fā)射”出去，而我們在地面上測量他的身高，結(jié)果他的身高為零。這就是“長度收縮”效應(yīng)。簡言之，相對物體運動的坐標(biāo)系中測物體的長度變短。

　　討論一下：在相對觀察者靜止的慣性坐標(biāo)系xOz平面內(nèi)一張正方形的畫，在相對此坐標(biāo)系x方向勻速運動的觀察者看來它成什么形狀?回答是成了一個長方形。這就是因為x方向的長度收縮效應(yīng)。若是一個圓形，將是什么樣的呢?

　　時間延緩：從相對事件發(fā)生地點運動的坐標(biāo)系中所測得的事件經(jīng)歷的時間間隔要比相對靜止的坐標(biāo)系所測得的時間要長。換句話說，如果一對情人在坐在一架光速飛船上打kiss，他們覺得自己只用了一秒鐘，而在地球上看，他們卻永遠(yuǎn)不停地在kiss，時間靜止了?

　　速度變換：在經(jīng)典力學(xué)中，速度變換就是兩個速度相加，而相對論速度變換則不是如此。如果在一架光速飛船上向前發(fā)出一速光。那么在我們地球上看來，這束光的速度是不是2c?用伽利略變換就是，但那是錯的，用相對論的速度變換可以得到光速還是c。應(yīng)證了光速不變的原理。

　　把時空變換、速度變換的式子記一下，做一些簡單的計算應(yīng)該是沒問題的。主要還是識記和領(lǐng)會其結(jié)論。

　　四、相對論動力學(xué)的基本結(jié)論(識記)

　　1、物體的質(zhì)量m是隨速度而變的。速度越大，m將變大。

　　2、質(zhì)量和能量的關(guān)系。著名的E=mc2 ，這是相對論的另一個重要結(jié)論。稱作愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式。它具有普遍的性質(zhì)，它青表明質(zhì)量和能量是彼此不可分割的。但是質(zhì)量變?yōu)槟芰亢湍芰靠勺優(yōu)橘|(zhì)量的說法是不對的。質(zhì)量和能量之間是不能相互轉(zhuǎn)換的，但是它們之間有這樣的量值關(guān)系。質(zhì)量和能量分別遵守各自的守恒定律。

　　3、動量和能量的關(guān)系：E2=c2p2+m20c4

　　光子的靜止質(zhì)量為0，光子的動量為p=E/c

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