第13章_狭义相对论.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,*,1899,年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说：,物理学晴朗的天空上，飘着几朵令人不安的乌云,黑体辐射,迈克尔逊,莫雷实验,光电效应,氢原子光谱,康普顿,效应,量子力学,狭义相对论,1,第,13,章狭义相对论,Special Relativity,Albert Einstein,(1879,1955),2,本章,：,13-1,牛顿相对性原理和伽利略变换,13-2,爱因斯坦相对性原理和光速不变,同时性的相对性,时间延缓,长度收缩,13-3,洛伦兹坐标变换,13-6,相对论动力学,相对论质量,相对论动能,相对论能量,动能与能量的关系,3,13-1,牛顿相对性原理和伽利略变换,研究物体的运动,借助参考系,那么，不同参考系中的基本力学定律的形式都一样吗？,牛顿力学的回答：,对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立。,力学相对性原理,（伽利略不变性）,伽利略曾用“大船”为喻,但我国东汉,尚书维,考灵曜,已有阐述，,早伽利略,1500,年！,4,时空：时间和空间的简称,物质的运动与时空的性质紧密相关，因此对时空性质的研究一直是物理学中的一个基本问题,牛顿力学的绝对时空观,长度和时间的度量与,参考系,无关,即：空间和时间的度量是,相互独立,的,空间：,广延性、独立存在、永恒不变、绝对静止,时间：,绝对的、真正的、数学的、在永恒、均匀地流逝着,5,伽利略变换,设：,S,系相对,S,系,以 运动,时间零点为,S,与,S,重合时,则,P,点在不同参考系中时空关系为,伽利略坐标变换,反映了绝对时空的概念,6,伽利略变换,伽利略速度变换,7,(,力与参考系无关,),则，在,S,系中：,于是，有,(,质量与运动无关,),(,伽利略变换,),对上述三式进行时间求导，并考虑,，得,因此，牛顿力学在任何惯性系都是正确的,注：,隐含了“绝对质量”的概念,8,13-2,爱因斯坦相对性原理和光速不变,19,世纪中叶，,麦克斯韦,建立了严整的电磁理论，并预言光是电磁波，且光在真空中的传播速率为,0,、,0,：真空介电常量、真空磁导率，与参考系无关。,因此，在任何惯性系中，光沿各个方向的传播速率都等于,c,。,或者说：对于描述电磁波的传播来说，所有惯性系都是,平等,的。,9,根据伽利略速度变换,由上：不同惯性系中光速传播,不是平等,的,与电磁理论矛盾！,那么，,伽利略变换与电磁理论孰对孰错呢？问题的根源在哪里？又如何解决呢？,寻找绝对静止的参考系：“以太”迈克尔孙,-,莫雷实验的零结果,？,10,1905,年,爱因斯坦发表,论动体的电动力学,物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊的,(,例如“绝对静止”的,),惯性系,爱因斯坦相对性原理,在任何惯性系中,光在真空中的速率都相等,光速不变原理,狭义相对论,提出,新的时空变换式,即,:,洛伦兹变换,11,1.,同时性的相对性,爱因斯坦从,15,岁就开始对牛顿的绝对时间概念提出了怀疑,他提出：,时间的度量是相对的，,依赖于惯性参照系的选择！,同时的相对性的根源,光速不变性,设参考系,S,的,x,轴上有一闪光源,M,，,A,、,B,为两个接收器，且,A,M,=B,M,。令光源闪光后，二接收器,同时,接收到信号,S,参照系,12,S,S,那么，在,S,参照系中这个,同时事件,又如何呢？,由于光速不变，接收器,A,先,接收到光信号,接收器,B,后,接收到光信号,同时性是相对的,13,同时的相对性,事件,1,:,车厢,后,壁接收器接收到光信号,.,事件,2,车厢,前,壁接收器接收到光信号,.,14,2.,时间延缓,从不同的惯性参考系测量事件发生的时间间隔情况又如何呢？,15,光信号往返于,A,的,时间间隔为,设在,S,中，,A,有一闪光光源，其旁有一时钟,C,在,S,中观察，光信号经过的路径为,2,l,，,16,固有时,在某一参考系中同一地点发生的两个事件的时间间隔,固有时最短,时间延缓,运动的钟走得慢,当,u,c,时，则 ，回到经典牛顿力学的绝对时空,17,时间的延缓,(,动钟变慢,),18,例,1,设想一光子火箭以 速率相对地球作直线运动，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去,10 min,则地球上的观察者测此事用去多少时间？,运动的钟似乎走慢了,.,解,:,设火箭为 系、地球为,S,系,19,3.,长度收缩,垂直于运动方向的长度测量与参考系的选取无关，那么，沿运动方向的长度测量又如何呢？,要点：长度测量与同时性概念紧密相关。,测出物体两端的坐标，其差值,x,就是物体的长度，可以不同时测量物体两端的坐标,只有同时测定物体两端的坐标，,t,1,=,t,2,，差值,x,才是物体的长度,静止物体,长度的测量,运动物体,长度的测量,20,棒,A,B,固定在,x,轴上，在,S,中的长度为,l,在,S,中，,t,1,时刻,B,过,x,1,点,t,1,+,t,时刻,A,过,x,1,点，同,时,B,过,x,2,=,x,1,+,u,t,则，,在,S,中，棒长为,l=x,2,x,1,=,u,t,在,S,中，,S,向左运动，点,x,1,相继经过,B,和,A,二点，则其时间间隔为,21,当,u,c,时，,m,成为负数，无意义,。,所以光速是物体运动的极限速度。,31,实验验证,相对论动量,32,在相对论力学中仍用动量变化率定义质点受到的作用力，即：,相对论动力学方程,作用于质点的合力等于相对论动量的变化率；,过渡到牛顿第二定律。,讨论：,33,2.,相对论动能,又,由,仍用力对粒子做功计算粒子动能的增量,34,设开始时物体静止，则有,因此，相对论动能为,若开始时物体在运动，则有,动能定理,35,则：,回到牛顿力学,的动能公式。,当,v,c,时:,讨论：,36,根据,可以得到粒子速率由动能表示的关系为：,表明,：当粒子的动能由于力对其做功而增大时，速率也增大。但速率的极限是,c,，,按照牛顿定律，动能增大时，速率可以无限增大,实际上是不可能的,。,37,3.,相对论能量,定义：,静止能量,相对论总能量,因此，,E,=,m,c,2,推论,(质能关系式),由动能定理,:,（,质量亏损,能量释放,）,38,质量亏损,：,核反应中,反应前：,反应后：,静质量,m,01,总动能,E,K,1,静质量,m,02,总动能,E,K,2,能量守恒：,因此：,核反应中释放的能量相应于一定的质量亏损。,总静止质量的减小,质量亏损,总动能增量,39,按相对论思维概念，几个粒子在相互作用过程中，最一般的能量守恒应表示为：,表示质量守恒,历史上：,能量守恒,质量守恒,独立,相对论中：,统一,放射性蜕变、原子核反应的证明。,40,例、,设,有两个静止质量均为,m,0,的粒子,A,、,B,，,以大小相同、方向相反的速度相撞，反应后合成一个为,复合,粒子。求复合粒子的静止质量,M,0,和,运动速度。,解：设合成粒子质量,M,、,速度,V,，,由,动量守恒,41,根据能量守恒：,即：,可见,差值,42,4.,动能与能量的关系,相对论总能量,静止能量,动量,反映出能量和动量的不可分割性与统一性,43,令,则，相对论动能与能量的变换关系,正,变换,逆,变换,44,