狭义相对论

文章目录

  • 一、狭义相对论的两个基本假设
    •     1.1、狭义相对性原理
    •     1.2、光速不变原理
  • 二、狭义相对论的时空观
    •     2.1、"同时性"相对性
    •     2.2、时间延缓
    •     2.3、长度收缩
  • 三、洛伦兹变换
  • 四、狭义相对论质点动力学
    •     4.1、相对论质量
    •     4.2、相对论动量
    •     4.3、相对论动能
    •     4.4、相对论能量和动量的关系

一、狭义相对论的两个基本假设

    1.1、狭义相对性原理

    在所有惯性系中,一切物理定律都具有相同的形式,即具有相同的数学表达形式. 或者说,对于描述一切物理现象的规律来说,所有惯性系都是等价的

    1.2、光速不变原理

    在所有惯性系中,真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量 c c c,与光源和观察者的运动状态无关.

二、狭义相对论的时空观

    2.1、"同时性"相对性

    在 S ′ S^{'} S 系中异地同时发生的两个事件中,在 S S S 系看来并不同时,即"同时性"具有相对性. 显然,在一个惯性系中同地同时发生的两个事件,对其他惯性系都是同时的.

    2.2、时间延缓

      固有时间:在静止惯性系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔 τ 0 \tau_0 τ0.
      时间膨胀:在运动的惯性系中测得上述两个事件之间的时间间隔 τ \tau τ τ > τ \tau>\tau τ>τ
满足: τ = τ 0 1 − β 2 \tau=\frac{\tau_0}{\sqrt{1-\beta^2}} τ=1β2 τ0

    2.3、长度收缩

      固有长度:在静止惯性系中测得的物体长度 l 0 l_0 l0.
      长度收缩:在沿着物体长度方向运动的惯性系中测得的物体长度 l l l l < l 0 l<l_0 l<l0.
满足: l = l 0 1 − β 2 l=l_0\sqrt{1-\beta^2} l=l01β2

三、洛伦兹变换

    惯性系 S ( x , y , z ) S(x,y,z) S(x,y,z) S ′ ( x ′ , y ′ , z ′ ) S^{'}(x^{'},y^{'},z^{'}) S(x,y,z) x x x 轴与 x ′ x^{'} x 轴重合,且在时刻 t = t ′ = 0 t=t^{'}=0 t=t=0 时,原点 O O O O ′ O^{'} O 重合, S ′ S^{'} S 系相对于 S S S 系以速度 u u u 沿 x x x 方向做匀速运动.
    设某一事件 A A A S S S 系中观测到的时空坐标为 ( x , y , z , t ) (x,y,z,t) (x,y,z,t),在 S ′ S^{'} S 系中观测到的时空坐标为 ( x ′ , y ′ , z ′ , t ′ ) (x^{'},y^{'},z^{'},t^{'}) (x,y,z,t),则在狭义相对论中它们满足洛伦兹变换 洛 伦 兹 正 变 换 { x ′ = x − u t 1 − β 2 y ′ = y z ′ = z t ′ = t − u c 2 x 1 − β 2 洛伦兹正变换\begin{cases} x^{'}=\frac{x-ut}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ y^{'}=y \\ z^{'}=z \\ t^{'}=\frac{t-\frac{u}{c^2}x}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} x=1β2 xuty=yz=zt=1β2 tc2ux 洛 伦 兹 逆 变 换 { x = x ‘ + u t ′ 1 − β 2 y = y ′ z = z ′ t = t ′ + u c 2 x ′ 1 − β 2 洛伦兹逆变换\begin{cases} x=\frac{x^{‘}+ut^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ y=y^{'} \\ z=z^{'} \\ t=\frac{t^{'}+\frac{u}{c^2}x^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} x=1β2 x+uty=yz=zt=1β2 t+c2ux式中 β = u c \beta=\frac{u}{c} β=cu.
       经常会用到洛伦兹变换的另一种形式. 设两事件 1 1 1 2 2 2 ,事件 1 1 1 S S S S ′ S^{'} S 系中的时空坐标分别为 ( x 1 , y 1 , z 1 , t 1 ) (x_1,y_1,z_1,t_1) (x1,y1,z1,t1) ( x 1 ′ , y 1 ′ , z 1 ′ , t 1 ′ ) (x^{'}_1,y^{'}_1,z^{'}_1,t^{'}_1) (x1,y1,z1,t1),事件 2 2 2 S S S S ′ S^{'} S 系中的时空坐标分别为 ( x 2 , y 2 , z 2 , t 2 ) (x_2,y_2,z_2,t_2) (x2,y2,z2,t2) ( x 2 ′ , y 2 ′ , z 2 ′ , t 2 ′ ) (x^{'}_2,y^{'}_2,z^{'}_2,t^{'}_2) (x2,y2,z2,t2),则有 { Δ x ′ = Δ x − u Δ t 1 − β 2 Δ y ′ = Δ y Δ z ′ = Δ z Δ t ′ = Δ t − u c 2 Δ x 1 − β 2 \begin{cases} \Delta x^{'}=\frac{\Delta x-u\Delta t}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ \Delta y^{'}=\Delta y \\ \Delta z^{'}=\Delta z \\ \Delta t^{'}=\frac{\Delta t-\frac{u}{c^2}\Delta x}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} Δx=1β2 ΔxuΔtΔy=ΔyΔz=ΔzΔt=1β2 Δtc2uΔx { Δ x = Δ x ‘ + u Δ t ′ 1 − β 2 Δ y = Δ y ′ Δ z = Δ z ′ Δ t = Δ t ′ + u c 2 Δ x ′ 1 − β 2 \begin{cases} \Delta x=\frac{\Delta x^{‘}+u\Delta t^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ \Delta y=\Delta y^{'} \\ \Delta z=\Delta z^{'} \\ \Delta t=\frac{\Delta t^{'}+\frac{u}{c^2}\Delta x^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} Δx=1β2 Δx+uΔtΔy=ΔyΔz=ΔzΔt=1β2 Δt+c2uΔx式中 Δ x = x 2 − x 1 , Δ y = y 2 − y 1 , Δ z = z 2 − z 1 , Δ t = t 2 − t 1 \Delta x=x_2-x_1,\Delta y=y_2-y_1,\Delta z=z_2-z_1,\Delta t=t_2-t_1 Δx=x2x1,Δy=y2y1,Δz=z2z1,Δt=t2t1
     Δ x ′ = x 2 ′ − x 1 ′ , Δ y ′ = y 2 ′ − y 1 ′ , Δ z ′ = z 2 ′ − z 1 ′ , Δ t ′ = t 2 ′ − t 1 ′ \Delta x^{'}=x^{'}_2-x^{'}_1,\Delta y^{'}=y^{'}_2-y^{'}_1,\Delta z^{'}=z^{'}_2-z^{'}_1,\Delta t^{'}=t^{'}_2-t^{'}_1 Δx=x2x1,Δy=y2y1,Δz=z2z1,Δt=t2t1

四、狭义相对论质点动力学

    4.1、相对论质量

m = m 0 1 − β 2 m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\beta^2}} m=1β2 m0

    4.2、相对论动量

p = m v = m 0 v 1 − β 2 p=mv=\frac{m_0v}{\sqrt{1-\beta^2}} p=mv=1β2 m0v

    4.3、相对论动能

E k = E − E 0 = m c 2 − m 0 c 2 E_k=E-E_0=mc^2-m_0c^2 Ek=EE0=mc2m0c2
    爱因斯坦指出:式中 E 0 = m 0 c 2 E_0=m_0c^2 E0=m0c2 应当是质点静止时所具有的能量,称为静止能量,简称静能, E = m c 2 E=mc^2 E=mc2 是质点运动时所具有的总能量,二者之差即为质点由于其运动而增加的能量,也就是动能 E k E_k Ek.

    4.4、相对论能量和动量的关系

E 2 = p 2 c 2 + E 0 2 E^2=p^2c^2+E_0^2 E2=p2c2+E02对于光子, m 0 = 0 , E = p c , p = h ν c = h λ m_0=0,E=pc,p=\frac{h\nu}{c}=\frac{h}{\lambda} m0=0,E=pc,p=chν=λh

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