大物 狭义相对论.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,狭义相对论,本章基本要求,1.,理解伽里略变换及其绝对时空观。,2.,理解狭义相对论的两条基本原理，掌,握洛伦兹变换及相对论的时空观。,掌握狭义相对论动力学的几个重要结,论，学会其应用。,一 相对论产生的时代背景,爱因斯坦说：“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。”,物理学的进化,爱因斯坦，英费尔德著，周肇威译。上海科学技术出版社，,1962,，,124,1,电磁场理论发展引起的问题,真空中的电磁波波动方程对什么惯性系成立？,2,速度合成律中的问题,设想相距为,L,的甲乙两人玩排球，甲击球给乙。,即将击球前,，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚,t=L/c,球受冲击而出手瞬间,，,乙看到此情景的时刻比实际时刻晚,t =L/,（,c+V,）,显然,t t,，,这就是说，乙先看到球出手，后看到甲即将击球。,天文上观察到的超新星爆发记载数据，用经典理论没法解释。,25,年,2,年,新概念物理教程,力学,赵凯华著,P392,3,质量随速度增加,1907,年考夫曼在确定镭,C,发出的,射线荷质比,e/m,时，发现,e/m,与速度有关。,“以太”参考系是绝对静止系,M,2,M,1,G,T,G,M,2,G,设,“,以太,”,参考系为 系（太阳）实验室为 系,(,地球）,1887,年迈克耳孙,莫雷实验,4,以太风实验的零结果,G,M,1,M,2,T,（从 系看）,G,M,2,M,2,G,G,M,2,G,仪器可测量精度,实验结果,未,观察到地球相对于,“,以太,”,的运动,.,结论,：作为绝对参考系的以太不存在,.,以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克尔孙,-,莫雷实验近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但结论却没有任何变化,迈克尔孙,-,莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在,19,世纪物理学上空的一朵乌云,.,1905,年,狭义相对论诞生,Albert Einstein(1879-1955),摄于,1905,年,1921 Nobel,2005,国际物理年,100 Years of Photoemission,爱因斯坦的,哲学观念：,自然界应当是和谐而简单的,.,理论特色：,出于简单而归于深奥,.,Albert Einstein (1879 1955),20,世纪最伟大的物理学家,于,1905,年和,1915,年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于,1905,年提出了光量子假设,为此他于,1921,年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面具有很多重要的贡献,.,千禧之年，加拿大的,环球邮报,请世界各国的读者评选，从公元,1001,年至今，,1000,年来对整个世界影响最大的,100,位名人。,猜猜看是谁荣登榜首？,NO!,拿破仑？,成吉思汗？,NO！,比尔,盖茨？,莎士比亚？,NO！,NO！,爱因斯坦,杰出的物理学家对人类社会进步的影响，被全世界公认！,是！,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，,上帝说，“让牛顿去吧，”,于是一切成为光明。,但不久，,魔鬼说，“让爱因斯坦去吧”,于是一切又重新回到黑暗中。,英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句,搞不懂相对论的人才后面加上,“我没有什么别的才能，只不过喜欢刨根问底地追究问题罢了。”,“时间、空间是什么，别人在很小的时候就搞清楚了，我智力发展迟缓，长大了还没有搞清楚，于是一直在琢磨这个问题，结果也就比别人钻研得更深一些。”,对于为什么自已能取得如此重大的成就，爱因斯坦说：,二 伽利略变换 经典时空观,P(x,y,z,t),P(x,y,z,t),X X,S,S,v,O,O,（一）伽利略变换,设,S,系相对于,S,惯性系以匀速,v,沿,x,轴运动，,t=t=0,时，,o o,重合，在两参照系观察同一事件的时空关系。,P(x,y,z,t),(x,y,z,t),X X,S,S,v,O,O,vt,1.,伽利略坐标变换,2.,速度变换,绝对速度,=,相对速度,+,牵连速度,3.,加速度变换,（二）经典时空观,1.,时间间隔的测量是绝对的。,2.,空间间隔的测量是绝对的。,4.,经典力学的绝对时空观,绝对时空观认为：时间、空间彼此独立，互不相干，独立于物质和运动之外，与参照系的选取无关。,3.,力学（伽利略）相对性原理,对一切惯性系，力学规律是等价的，具有相同的形式。,三 狭义相对论基本原理 洛仑兹变换,光速不变原理,:,在所有惯性系中,光在真空中的速度都有相同的值,C,。,（一）狭义相对论基本原理（爱因斯坦假设）,2.,相对性原理,:,在所有惯性系中,物理学定律都相同,.,（二）洛仑兹变换,(Lorentz transformation),P(x,y,z,t),P(x,y,z,t),X X,S,S,v,O,O,讨论,:,1.vc,时不成立,详见郭硕鸿主编,电动力学,P239,页,逆变换,P(x,y,z,t),P(x,y,z,t),X X,S,S,v,O,O,讨论,:,1.vc,时不成立,讨论,:,光速不变,1.u,vc,时,回到伽利略速度变换式,2.,如在,S,系中沿,X,方向发射一光信号,在,S,系中观察,（三）洛仑兹速度变换,(,一,),同时的相对性,X X,S,S,v,O,O,x,1,x,2,设,:S,系中发生两事件，时空坐标为：（,x,1,y,1,z,1,t,1,）、（,x,2,y,2,z,2,t,2,）,若两事件同时发生，时间间隔为：,四 狭义相对论的时空观,问：,S,系中观察，这两事件是否同时发生？,S,系中观察者测得，这两个事件发生时刻为：,讨论,结论,1,同时性具有相对意义,同时不同地,-,不同时,（,2,）,（,1,）,同时同地,-,同时,（,3,）,不同时不同地,-,不同时,时,-,同时,但：,设,棒沿,X,轴对,S,系静止放置，在,S,系中测得两端坐标,则棒的,固有长度,为,问,:,在,S,系中测得棒有多长,?,(,二,),长度的收缩,(,动尺缩短,),S,v,X,X,S,O,x,1,x,2,O,设在,S,系中某时刻,t,同时测得棒两端坐标为,x,1,、,x,2,，则,S,系中测得棒长,L=,x,2,x,1,，,L,与,L,的关系为：,缩 短,X,X,S,O,x,1,x,2,O,S,v,设,:,棒沿,X,轴对,S,系静止放置,在,S,系中测得两端坐标,则棒的长度为,问,:,在,S,系中测得棒有多长,?,那么，静止在,S,系,中的棒，在,S,系中测量，伸长还是缩短呢,?,x,1,x,2,X,X,S,O,O,S,v,设在,S,系中某时刻,t,同时测得棒两端坐标为,x,1,、,x,2,，,则,S,系中测得棒长,L=,x,2,-,x,1,，,L,与,L,的关系为：,缩 短,x,1,x,2,X,X,S,O,O,S,v,结论,：从对物体有相对速度,v,的坐标系中测得的沿速度方向的物体长度,L,，,总比在与物体相对静止的坐标系中测得的长度（,固有长度,）,L,0,短。,动尺缩短,注：垂直速度,v,方向的长度不变,结论,2:,空间间隔具有相对意义,注意,2,运动尺度的缩短效应是时空的基本属性,1,长度收缩是一个,时空特征，,不是由于运动分子之间有什么变化引起的,例,设某列火车的静长为,100,米，当以（,1,）,v=30m/s,；,(2)2.7,10,8,m/s,的速度作匀速直线运动时，地面观察者测得它的长,度是多少,解（,1,）,列车缩短了,0.5,微微米,（,2,）,列车缩短了,56.4,米,(,三,),时间的膨胀,(,动钟变慢,),X,S,S,v,O,O,x,X,t,1,t,2,设,S,系中固定地点,X,处发生某个事件,在,S,系中测得此事件开始于,t,1,时刻,结束于,t,2,时刻,其时间间隔为 称为固有时间,在,S,系中观测,该过程所经历的时间为,(,在相对于过程发生的地点为静止的参照系中测得的时间间隔称为,固有时间,),X,S,S,v,O,O,x,X,t,1,t,2,讨论：,1.,时间膨胀,2,运动的钟变慢了。,高速飞行的 介子寿命延长,为时间的膨胀提供了有力的证据。,如：,S,系中的观测者,同样会观测到,S,系中的钟走慢的现象,X,S,S,u,O,O,x,X,t,1,t,2,结论,3,时间间隔具有相对意义,结论,从对于发生事件的地点作相对运动的坐标系中所测得的时间,，总比从相对静止的坐标系中测得的时间（,固有时间,）,0,要长。,动钟变慢,4,运动时钟的延缓效应是时空的基本属性,3,时，,.,1,时间延缓是一种相对效应,.,2,时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程,.,（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等,）,注意,孪生子佯谬（孪生子效应）,佯谬并不存在，谁相对于宇宙作更多的变速运动，谁的时间应更延缓。,铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处，分别比静止在地面上的钟慢,59,纳秒和快,273,纳秒。,例,带正电的,介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，平均寿命为,2.510,-8,s,过后即衰变为一个介子和一个中微子。今产生一束介子，在实验室测得它的速率为,v=0.99C,，,并测得它在衰变前通过的平均距离为,52 m,。,这些测量结果是否一致。,解,根据经典理论，移动距离为,已知,与实验结果不符,根据狭义相对论理论，移动距离为,与实验结果相符,思考题,S,系中有一根米尺，固定在,x,轴上,其两端各装一手枪。有一很长的刻度尺固定于,S,系的,x,轴上。当后者从前者旁经过时，,S,系的观察者同时扳动两枪，使子弹在,S,系中的刻度尺上打出两个记号。求,S,系尺上两记号之间的距离。在,S,系中观察者将如何解释此结果。（,v=0.6C,）,X,S,S,v,O,x,1,x,2,O,X,X,S,S,v,O,x,1,x,2,O,X,二,事件,:,S,系,(x,1,0,0,t,1,)(x,2,0,0,t,2,),t,1,=t,2,=t,S,系,(x,1,0,0,t,1,)(x,2,0,0,t,2,),t,1,t,2,X,S,S,v,O,x,1,x,2,O,X,S,系中认为：,2,端开枪事件先发生，在,S,系再向前运动了一段时间后，,1,端才开枪，故记号的间隔大于,1,米。,解释,五 狭义相对论动力学基础,（一）相对论质量和动量,经典力学：质量与运动（参考系选择）无关。,狭义相对论：质量与运动（参考系选择）有关。,1,质量,质速关系,m,0,静,（止）,质量,：物体相对参考系,静止时的质量。,m,（,运）,动质量,：物体相对参考系,运动时的质量。,v,物体相对参考系（观测者）的速度。,质速关系,结论,4:,质量具有相对意义,特例：光子,v=c m,0,=0,加速器中的质子,m=1.0000000009m,0,某物体,2,动量,经典力学：,狭义相对论：,（二）相对论动力学基本方程,（三）相对论能量,dx,0,E,k,F,动能表达式,总能量,1,动能,经典力学：,狭义相对论：,静止能量,经典力学：,狭义相对论：,在,vC,的极限情况下：,故经典力学的动能表达式是相对论力学动能表达,式在物体的运动速度远小于光速的情形下的近似。,2,质能关系,质能公式,说明：,证明：,核,蜕变实验：,日常现象中不易觉察到，如,1Kg,零度的水加热烧开,质能,公式意义重大，对世界产生了巨大影响。,（四）能量与动量的关系,可证得,:,由,狭义相对论：,经典力学：,光子：,为便于记忆，动量与 能量的关系可用下面的直角三角形表示出来,E,E,0,pc,例：,计算原子核的结合能。,质量亏损：,质子：,m,p,=1.00728 u,中子,m,n,=1.00866 u,粒子：,m,He,=4.00150 u,结合成,1mol(4.002g)He,核，放出能量：,原子质量单位,:,能量释放：,（,100T,煤）,核能,-,质能公式在原子核裂变和聚变中的应用,1,。核裂变：,放出能量：,1g,铀,235,原子核数：,链式反应,-,原子弹,-,核能,典型例子：,2,。核聚变：,单位质量而言，轻核聚变放出能量比重核裂变大得多。且无放射性污染（核污染）。,典型例子：,1g,原子核数：,放出能量：,热核反应,-,氢弹,-,海水发电,太阳内部聚变反应：,太阳因不断辐射能量而质量不断减小。,LHC,地处瑞士日内瓦近郊的地下,100,米处，邻近法国边境，隶属欧洲核子研究中心。,它周长约,27,公里,，圈地面积约有,450,个“鸟巢”那么大。这是人类目前能将粒子加速到最高能量状态的环形加速器，可以将质子加速到,99.9999991%,光速。,耗资,十亿美金,。,科学家希望,重现宇宙誔生时的情况；,世界为什么会象现在这样？,物质的质量和重量是从哪儿来的？,希望在其中发现,希格斯波色子,、超对称粒子、暗物质粒子、微小黑洞,1,静止时边长为,50cm,的立方体,当沿着与它的一个棱边平行的方向相对于地面以匀速度,2.4x10,8,ms,-1,运动时,在地面上测得它的体积为多少,?,解,:,练 习 题,2,下列说法哪种,(,些,),正确,:,(1).,一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空的光速。,答案,:,(1)(2)(4),(4).,惯性系中的观察者观察一个相对他作匀速运动的时钟时，会看到该钟走慢了。,(3).,在一切惯性系中发生于同一时刻、不同地点的两个事件，在其它惯性系中也同时发生。,(2).,质量、长度、时间的测量结果都随物体与 观察者的相对运动状态而改变。,3,观察者甲以,4C/5,的速度相对静止的观察者乙运动，若甲携带一长度为,l,，,截面积为,S,，,质量为,m,的棒，这根棒要放在运动方向上，则,3,（,1,）甲测得其密度为,（,2,）乙测得其密度为,证明：,4,试证：,可得,代入,5,试证：,证明：,所以：,狭义相对论出现以后，整个世界都处于震惊和争论之中，这时的爱因斯坦却在思考着另外一些问题：引力的作用以什么速度传递？非惯性系中的物理规律又如何？,1915,年创立了广义相对论,