Lec12 狭义相对论2 - 机械
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狭义相对论原文
【实用版】
目录
1.狭义相对论的概述
2.狭义相对论的基本原理
3.狭义相对论的数学表达式
4.狭义相对论的实际应用
正文
【1.狭义相对论的概述】
狭义相对论,是爱因斯坦于 1905 年提出的一种物理学理论。
这一理论的基本思想是,物理定律的形式必须在所有惯性参考系中相同。
换句话说,如果我们在两个不同的运动状态下观察同一事件,那么我们得到的物理定律应该是一致的。
【2.狭义相对论的基本原理】
狭义相对论有两个基本原理,分别是相对性原理和光速不变原理。
相对性原理:所有惯性参考系中,物理定律的形式是相同的。
光速不变原理:在任何惯性参考系中,光在真空中的传播速度都是一个常数,约为每秒 3*10^8 米,通常用字母 c 表示。
【3.狭义相对论的数学表达式】
狭义相对论的数学表达式主要包括洛伦兹变换和时间膨胀公式。
洛伦兹变换:描述在两个不同运动状态下,空间和时间如何相互转换的公式。
时间膨胀公式:描述在高速运动状态下,时间如何变慢的公式。
【4.狭义相对论的实际应用】
狭义相对论虽然主要研究的是高速运动物体的性质,但是其影响已经深入到我们的日常生活中。
例如,GPS 定位系统就需要考虑狭义相对论的效应,因为卫星的运行速度非常快,而地面的观察者速度相对较慢。
如果不考虑狭义相对论,GPS 定位的误差会非常大。
此外,狭义相对论还揭示了质量和能量的等价性,为核能的研究和利用提供了理论基础。
《狭义相对论的基本原理》知识清单一、狭义相对论的背景在 19 世纪末,经典物理学在解释许多物理现象时遇到了困难。
比如,麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在,并得出电磁波在真空中的速度是一个常数。
但按照经典力学的速度叠加原理,不同惯性系中测量的光速应该是不同的,这就产生了矛盾。
同时,在研究高速运动的微观粒子时,经典物理学的理论也无法给出准确的描述。
正是在这样的背景下,爱因斯坦提出了狭义相对论,对经典物理学进行了重大的修正和拓展。
二、狭义相对论的两个基本原理1、相对性原理相对性原理指出,物理规律在所有惯性系中都是相同的。
这意味着无论我们处于哪个匀速直线运动的惯性参考系中,进行物理实验所得到的结果应该是一样的。
打个比方,如果在一个匀速直线运动的火车厢里做一个物理实验,比如测量小球的下落轨迹,同时在地面上也做同样的实验,只要忽略外界的影响,两个实验的结果应该是相同的。
这就打破了牛顿力学中绝对空间和绝对时间的观念,因为在牛顿力学中,存在一个绝对静止的参考系,而相对性原理否定了这种绝对的参考系。
2、光速不变原理光速不变原理是指真空中的光速在任何惯性系中都是恒定不变的,与光源和观察者的相对运动无关。
假设一个光源向各个方向发出光,无论观察者是静止的还是以一定速度运动,他们测量到的光速都是相同的。
这与我们日常生活中的经验似乎相悖,因为当我们观察一辆行驶中的汽车发出的声音时,声音的速度会因为观察者和汽车的相对运动而有所不同。
但对于光,情况却完全不同,光速始终保持不变。
三、洛伦兹变换为了从数学上描述狭义相对论中的物理量在不同惯性系之间的变换关系,引入了洛伦兹变换。
洛伦兹变换取代了经典力学中的伽利略变换。
在低速情况下,洛伦兹变换可以近似为伽利略变换,但在高速情况下,两者的差异就变得非常显著。
通过洛伦兹变换,可以得到时间和空间的坐标在不同惯性系之间的关系。
比如,一个事件在一个惯性系中的时间和空间坐标,通过洛伦兹变换可以计算出在另一个惯性系中的相应坐标。
狭义相对论的主要内容
狭义相对论(Special Theory of Relativity)是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表的题为《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。
“狭义”表示它只适用于惯性参考系。
这个理论的出发点是两条基本假设:狭义相对性原理和光速不变原理。
理论的核心方程式是洛伦兹变换(群)(见惯性系坐标变换)。
狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应(相对论效应),如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。
狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一:一切微观物理理论(如基本粒子理论)和宏观引力理论(如广义相对论)都满足狭义相对论的要求。
这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。
狭义相对论不仅包括如时间膨胀等一系列推论,而且还包括麦克斯韦-赫兹方程变换等。
狭义相对论需要使用引入张量的数学工具。
狭义相对论是对艾萨克·牛顿时空理论的拓展,要理解狭义相对论就必须理解四维时空,其数学形式为闵可夫斯基几何空间。
现在对于物理理论新的分类标准,是以其理论是否是决定论来划分经典与非经典的物理学,非量子理论都可以叫经典或古典理论。
在此意义上,狭义相对论仍然是一种经典的理论。