第十二章 狹義相對論基礎

　　從本章起，所學內容很多是新的物理概念和處理問題的方法，對于我們的學習來說，近代物理學并不是重點章節，大多是一些識記與領會等內容，因此在學習時主要要領會與記憶一些重要概念和結論等內容。

　　一、經典力學的時空觀，相對運動，伽利略變換(識記)

　　經典力學認為時間、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規律來說是完全等價的。就是說，不可能通過力學規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、洛倫茲變換(識記)

　　天才的物理學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。這兩條原理構成了狹義相對論的理論基礎。

　　(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，包括光學實驗，都不能確定系統本身的絕對運動。注意：伽利略的相對性原理只說“一切慣性系對力學規律是完全等價的。”而相對論相對論原理指出“一切慣性系對一切規律(包括力學、電磁學)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。

　　關于洛倫茲變換式，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。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。它與空間坐標和相對速度有關。

　　長度收縮：如果有一個人以光速象火箭那樣“發射”出去，而我們在地面上測量他的身高，結果他的身高為零。這就是“長度收縮”效應。簡言之，相對物體運動的坐標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系xOz平面內一張正方形的畫，在相對此坐標系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。若是一個圓形，將是什么樣的呢?

　　時間延緩：從相對事件發生地點運動的坐標系中所測得的事件經歷的時間間隔要比相對靜止的坐標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，他們卻永遠不停地在kiss，時間靜止了?

　　速度變換：在經典力學中，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該是沒問題的。主要還是識記和領會其結論。

　　四、相對論動力學的基本結論(識記)

　　1、物體的質量m是隨速度而變的。速度越大，m將變大。

　　2、質量和能量的關系。著名的E=mc2 ，這是相對論的另一個重要結論。稱作愛因斯坦質能關系式。它具有普遍的性質，它青表明質量和能量是彼此不可分割的。但是質量變為能量和能量可變為質量的說法是不對的。質量和能量之間是不能相互轉換的，但是它們之間有這樣的量值關系。質量和能量分別遵守各自的守恒定律。

　　3、動量和能量的關系：E2=c2p2+m20c4

　　光子的靜止質量為0，光子的動量為p=E/c

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