簡述伽利略變換和洛倫茲變換,它們之間的關係以及各自在經典力學和相對論力學中的地位

2021-05-23 05:13:54 字數 3302 閱讀 9811

1樓:匿名使用者

伽利略變換是伽利略相對性原理的體現,用在經典力學,是經典力學的參考係變換公式,牛頓方程在該變換下保持不變。

洛倫茲變換用在描述高速運動的系統上,是由光速不變原理和相對性原理推導出來的,是相對論是重要結論之一。現如今所有的基本物理學方程都必須要求在洛倫茲變換下保持形式不變。是現代物理學最重要的組成部分之一。

牛頓力學的方程在該變換下不能保持不變,所以必須修正。

2樓:匿名使用者

經典力學在不同慣性參考係下滿足伽利略變換,既在此變換下所有力學形式不變;狹義相對論力學在不同慣性參考係滿足洛倫茲變換,在此變換下其力學形式不變。

愛因斯坦的狹義相對論的簡述

3樓:匿名使用者

狹義相對論

special relativity

適用於慣性系,從時間、空間等基本概念出發將力學和電磁學統一起來的物理理論。2023年由a.愛因斯坦建立 。這個理論在涉及高速運動現象時,同經典物理理論顯示出重要的區別。

產生 到19世紀末,經典物理理論已經相當完善,當時物理學界較為普遍地認為物理理論已大功告成,剩下的不過是提高計算和測量的精度而已。然而某些涉及高速運動的物理現象顯示了與經典理論的衝突,而且整個經典物理理論顯得很不和諧:①電磁理論按照經典的伽利略變換不滿足相對性原理,表明存在絕對靜止的參考係,而探測絕對靜止參考係的種種努力均告失敗。

②似乎存在著經典力學無法說明的極限速度。③電子的質量依賴於它的速度。在這種形勢下,有見地的物理學家預感到物理學中正孕育著一場深刻的革命。

愛因斯坦立足於物理概念要以觀察到的事實為依據,而不能以先驗的概念強加於客觀事實,他考察了一些普遍的物理事實和經典物理學中如運動、時間、空間等基本概念,看出以下兩點具有根本的重要性,並把它們作為建立新理論的基本原理:①狹義相對性原理,不僅力學實驗,而且電磁學實驗也無法確定自身慣性系的運動狀態,也就是說,在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不變原理,真空中的光速對不同慣性系的觀察者來說都是c。

承認這兩條原理,牛頓的絕對時間、絕對空間觀念必須修改,異地同時概念只具有相對意義。在此基礎上,愛因斯坦建立了狹義相對論。

內容 洛倫茲變換 根據相對性原理和光速不變原理,可匯出兩個慣性系之間時空座標之間的洛倫茲變換。當兩個慣性系s和s′相應的笛卡爾座標軸彼此平行,s′系相對於s系的運動速度v僅在x軸方向上,且當t=t′=0時,s′系和s系座標原點重合,則事件在s系和s′系中時空座標的洛倫茲變換為

x′=γ(x-vt),y′=y,z′=z,t′=γ(t-vx/c2)式中γ=(1-v2/c2)-1/2;c為真空中的光速。洛倫茲變換是狹義相對論中最基本的關係,狹義相對論的許多新的效應和結論都可從洛倫茲變換中直接得出,它表明時間和空間具有不可分割的聯絡。當速度遠小於光速 ,即v玞時,洛倫茲變換退化為伽利略變換,經典力學是相對論力學的低速近似。

同時性的相對性 在某個慣性系中看來異地發生的兩個事件是同時的,那末在相對於這一慣性系運動的其他慣性系看來就不是同時的,因此在狹義相對論中,同時性概念不再具有絕對的意義,只具有相對的意義。不僅如此,在不同慣性系看來,兩異地事件的時間順序還可能發生顛倒;但是具有因果聯絡的兩事件的時間順序不會發生顛倒。同時性的相對性是狹義相對論中非常基本的概念,時間和空間的許多新特性都與此有關。

長度收縮 狹義相對論預言,一根沿其長度方向運動速度為v的桿子的長度l比它靜止時的長度l0要短,

l=l0

。 長度收縮不是物質的動力學過程,而是屬於空間的性質。它是由於測量一根運動桿子的長度須同時測量其兩端,在不同慣性系中,同時性具有相對性,因而不同慣性系中得出的結果不同,只具有相對的意義。

時間延緩 狹義相對論預言,運動時鐘的時率比時鐘靜止時的時率要慢。設在s¢系中靜止的時鐘測得某地先後發生兩事件的時間間隔為δτ,在s系中,這兩個事件不是發生在同一地點,須用校準好的同步鐘測量,測得它們先後發生的時間間隔為δt,δτ=δt<δt。時間延緩是同時性的相對性的結果,是時間的屬性,不僅運動時鐘的時率要慢,一切與時間有關的過程如振動的週期、粒子的平均壽命等都因運動而變慢。

速度變換公式 按照狹義相對論,當s′系和s系相應座標軸彼此平行,s′系相對於s系的速度v沿x方向,則質點相對於s系的速度 u={ux,uy,uz}和相對於s¢系的速度u'={u'x,u'y,u'z}之間的變換關係為

當u玞時,相對論速度變換公式退化為伽利略速度變換公式。

相對論都卜勒頻移 設光源相對靜止時發射光的頻率為v0,當光源以速度u運動時,接收到光波頻率為v=0,狹義相對論預言, ,式中θ為光源運動方向與觀測方向之間的夾角。與經典的都卜勒效應不同,存在著橫向都卜勒頻移,當光源運動方向與觀測方向垂直時,θ=90°,則 。橫向都卜勒頻移是時間延緩的效應。

質速關係 狹義相對論預言,與經典力學不同,物體的質量不再是與其運動狀態無關的量,它依賴於物體的運動速度。運動物體速度為v時的質量為,式中m0為物體的靜質量,當物體的速度趨於光速時,物體的質量趨於無窮大。

關於狹義相對論中的質量,還存在另一種觀點,認為只有一種不變的質量,即物體的靜質量,無法明確定義運動質量。兩種觀點對於狹義相對論的基本看法上沒有分歧,只是對質量概念的引入上存在分歧。後一種觀點在概念引入的邏輯嚴謹性上更為可取,而前一種觀點對於某些物理現象,如迴旋加速器的加速限制、康普頓效應以及光線的引力偏折等,作淺顯說明頗為有效。

質能關係 狹義相對論最重要的預言是物體的能量e和質量m有當量關係,e=mc2。與物體靜質量m0相聯絡的能量e0=m0c2。質能關係是核能釋放的理論基礎。

能量動量關係 狹義相對論中動量定義為

,能量動量關係為。

極限速度與光子的靜質量 真空中的光速c是乙個絕對量,是一切物體運動速度的極限,也是一切實在的物理作用傳遞速度的極限。從質速關係可以看出一切以光速c運動的物質的靜質量必為零,光子的靜質量為零。

在狹義相對論中,牛頓定律f=ma的形式不再成立,它在洛倫茲變換下不能保持形式不變,因而它不滿足相對性原理而必須修改,代替的力學規律的形式是f=dp/dt,式中p為物體的動量。電磁場的麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式f=q(e+u×b)在洛倫茲變換下形式保持不變,它們是狹義相對論的電磁規律。在狹義相對論中,動量守恆、能量守恆定律仍然成立,能量守恆包括了質量守恆。

在經典物理學中,物理定律總是表述為把時間座標和空間座標分開來,洛倫茲變換表明時間座標和空間座標應作統一處理。h.閔可夫斯基發展了狹義相對論的形式體系,採用在四維時空中表述物理定律和公式。

這樣的表述,相對論的協變性質表達得更為明晰,物理定律的形式更為簡潔,許多問題的求解也更為簡便。

意義 狹義相對論經受了廣泛的實驗檢驗,所有的實驗都沒有檢測到同狹義相對論有什麼不一致的結果。狹義相對論是基礎牢靠、邏輯結構嚴謹和形式完美的物理理論。廣泛應用於許多學科,和量子力學成為近代物理學的兩大理論支柱。

在現代物理學中,成為檢驗基本粒子相互作用的各種可能形式的試金石,只有符合狹義相對論的那些理論才有考慮的必要,這就嚴格限制了各種理論成立的可能性。

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