第二十四章 相对论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,陈 丽 娟,理学院,电话：,18998388500,Email:,ljchen,第二十四章,狭义相对论基础,本章,教学要求：,了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。,了解洛伦兹坐标变换。了解狭义相对论中同时性,的相对性以及长度收缩和时间膨胀概念。了解牛,顿力学中的时空观和狭义相对论中的时空观以及,二者的差异。,理解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和,能量的关系。,本章重点：,相对论中的时空观,长度收缩和时间膨胀,本章难点：,相对论中时空观的建立,近代物理学,十九世纪末，经典物理学：,机械运动,热运动,光运动,电磁运动,统一的电磁场理论,牛顿力学,二十世纪以来发展起来的物理学。,热力学,统计物理,几何光学,波动光学,电磁学,提高实验精度,扩大理论应用范围，解释自然现象,以后,任务,晴朗天空！,以太之谜,紫外光灾难,使物理学界大为震惊！,X,射线（伦琴,1895,）,放射性（居里,1896,）,电子（汤姆逊,1897,）,打破原子不,可分的神话,物理学许多领域,一系列理论与,实验尖锐矛盾,正当欢欣,鼓舞之时,但是好,景不长！,迈克耳逊,一,莫雷实验,黑体辐射实验,相对论,量子力学,近代物理两大理论支柱,物理领域拓展,宏观,低速,经典物理,微观,低速,经典,量子论,微观,高速,相对论,量子理论,宏观,高速,相对论,微观：,l 10,6,m/s,观测角度不同，看到的现象不同，或者对事物的描述不同,相对性,横看成岭侧成峰，,远近高低各不同,。,苏轼,题西林壁,Albert Einstein,1879,1955,1921,年获得诺贝尔物理学奖 （光电效应）,（,1905,年，,26,岁,）,（,1916,年，,37,岁,）,狭义相对论：,广义相对论：,惯性系,非惯性系，引力场,一、狭义相对论产生的历史背景,1.,经典力学的相对性原理,1,狭义相对论基本原理,力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律，或者说在研究力学规律时一切,惯性系,都是等价的。,2.,经典力学的时空观,(,绝对时空观,),(1),存在着绝对时间,:,时间的测量与参照系无关,(2),存在着绝对空间,:,长度的测量与参照系无关,(3),时间与空间相互独立,彼此无关,“绝对的、真正的和数学的时间，自己流失着，并且由于它的本性而均匀地，与任一外界对象无关地流失着。”,牛顿：,3.,伽利略变换,正变换,逆变换,伽利略变换,4.,力学基本规律对伽利略变换具有不变性,又：动量、机械能守恒定律对伽利略变换具有不变性,推广,:,经典力学中所有的基本规律对伽利略变换都具有不变性。,（,1,）时间间隔：,有两个事件,（,两次闪光,）,系：,系：,闪光,1,闪光,2,由伽利略变换：,结论：,（绝对时间）,不同的,惯性系中，时间及间隔相同，与参照系选取无关。,5.,经典的时空观,（,2,）空间间隔：,结论：,不同的,惯性系中，空间间隔不变，与参照系选取无关。,（绝对空间）,(3),时间与空间相互独立,彼此无关,6.,迈克尔逊,-,莫雷实验,光速的数值起了特别重要的作用,(1),伽利略变换下的光速,(2),麦克斯韦电磁理论中的光速,(3),实验结果,(,迈克耳逊,-,莫雷实验,),光或电磁波的运动不服从伽利略变换,当时科学家解释：,1.,存在一种只适用于力学规律的相对性原理，但不适用电磁学。电磁规律在“以太”中成立。,2.,存在适用于二者的相对性原理，但电磁说得加以修正。,3.,存在适用于二者的相对性原理，但牛顿理论得加以修正。,实验结果：没有测出以太速度，光速和麦氏理论一致,实验目的：寻找以太惯性系，测出地球相对以太速度,7.,爱因斯坦基本假设,1),狭义相对性原理,在所有惯性系中,一切物理学定律都具有相同的数学表达式。,2),光速不变原理,在所有惯性系中，光在真空中的速率都相等,(,等于,C),。,1),Einstein,的相对性理论是,Newton,理论的发展,一切物理规律,力学规律,讨论,2),光速不变与伽利略变换,与伽利略的速度相加原理针锋相对,3),观念上的变革,牛顿力学,速度与参考系有关,(,相对性,),革命性,时间标度,长度标度,质量的测量,与参考系无关,狭义相对论力学,长度、时间测量,的相对性,光速不变,二,.,洛伦兹变换,逆,变换,其中,正变换,(1),当 时,经典极限条件,(2),时间、空间相互关联并与参照系的运动有关。,(3),真空中的光速是一切实际物体运动速度的上限。,讨论,三点注意,(1),适用条件,:,当 时,与 重合,(2),洛仑兹变换是指同一事件在不同惯性系中两组时空坐标的变换。,(3),各惯性系中的时间、空间的量度基准必须一致。,三,.,洛仑兹速度变换,由洛仑兹时空坐标变换式知,同理,洛仑兹速度变换式,逆变换,正变换,2,狭义相对论时空观,一,.,同时的相对性,二,.,时间膨胀,结论：,在动系中测出的时间间隔比静系中测出的长。,动钟变慢。,注意：事件发生在静系中的同一地点,或：,固有时最短。,或：,例：飞船以,v=10,4,m/s,的速度沿地面水平飞行，船上一事件经历,10s,解：,8,.,0,c,v,=,若,求：地上看经历多少时间？,三,.,长度缩短,长度（空间间隔）是相对的，在动系中测出的长度比静系中测出的短,动尺缩短,注意：只沿运动方向有收缩,1,动系中同时测,2,结论：,或：,固有长度最长。,或：,例：火箭固有长度,10m,，,以,v=10,4,m/s,的速,度沿地面水平飞行,解：,m,l,6,=,&,c,u,8,.,0,=,若,求：地上看火箭多长？,例：带正电的 介子是一种不稳定的粒子。静止时，它的平均寿命为 ，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,求：在衰变前能否通过,17m,的路程？,从实验室看（,S,系看）：,解一：,可以通过。,解二：,从 介子看（系看）：实验室长度收缩,实验室运动的距离,可以通过。,3,相对论力学,一,.,相对论质量与动量,二,.,相对论动力学基本方程,牛顿力学：,相对论力学：,时,牛顿力学,牛顿力学,:,相对论力学,:,为保持动能定理的不变性，动能表达式变。,三,.,功和动能,再由,:,相对论动能公式：,动能量,静能量,讨论,例,:,静止的电子,被电压为,10,6,V,的电场加速,求,:,加速后的,m=?,v,=?,经典力学：,相对论力学,：,解：,四,.,能量和动量的关系,两边平方、通分、化简、整理,变换上式：,归为牛顿力学,讨论,计算题：,(1),地球上的观察者，用经典和相对论理论测定它在衰变以前分别走过多大的平均距离？它能否到达地面？,1,、在距地面,6000m,处的高层大气中产生了一个具有平均固有寿命为 的 介子，这一介子现正以,0.998c,的速率朝地球方向运动。,(2),对于与 介子处于相对静止状态的观测者来说，试分别用经典和相对论理论测定在 介子衰变之前，它能否到达地面？,按经典理论：,按相对论：,解：（,1,）,（,2,）,按相对论：,按经典理论：,结果同上；,拥有梦想只是一种智力，,实现梦想才是一种能力。,