力学 八 狭义相对论.ppt

,*,一 狭义相对论的历史背景,绝对空间,:,空间与运动无关,空间绝对静止,.,空间的度量与惯性系无关,绝对不变,绝对时间,:,时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间,.,牛顿的绝对时空观,牛顿力学的相对性原理,注 意,牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的范围内,是与实验结果相一致的,.,但在高速运动情况下则不适用,.,对电磁现象的研究表明,:,电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组,不服从伽利略变换,.,真空中的光速,试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间,.,球投出,前,球投出,后,(,根据伽利略变换,),例,观察者先看到投出后的球，,后看到投出前的球,.,结果,球投出,前,球投出,后,(,根据伽利略变换,),l,=,5000,光年,物质飞散速度,A,B,公元,1054,年,人们发现天上出现了一颗,“,客星,”,其耀眼的光芒,用肉眼在白天也看得见,.,史书记载它在天空中停留了,22,个月,产生了著名的金牛座蟹状星云,.,当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问,.,l,=,5000,光年,物质飞散速度,A,B,A,点光线到达地球所需时间,B,点光线到达地球所需时间,l,=,5000,光年,物质飞散速度,A,B,l,=,5000,光年,物质飞散速度,A,B,理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约,.,实际持续时间约为,22,个月,这怎么解释,?,“以太”参考系是绝对静止系,G,M,1,G,迈克耳孙,-,莫雷实验,G,M,1,M,2,T,设,“,以太,”,参考系为 系,实验室为 系,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耳孙,-,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,果,却没有任何变化,迈克耳孙,-,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,.,爱因斯坦,20,世纪最伟大的物理学家之一,1905,年、,1915,年先后创立狭义和广义相对论,1905,年提出了光量子假设,1921,年获得诺贝尔物理学奖,还在量子理论方面有重要贡献,.,（,1,879-1955,）,真空中的光速是常量，沿各个方向都等于,c,，,与光源或观测者的运动状态无关,.,1,）,相对性原理,物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式,.,2,）,光速不变原理,1,狭义相对论的基本假设,二洛仑兹变换,关键概念：相对性和不变性,.,伽利略变换与,狭义相对论的基本原理不符,.,狭义相对论的基本原理,与实验事实相符合,.,这两条基本原理是狭义相对论的基础,.,2,洛伦兹变换式,符合相对论理论的时空变换关系,设 时，重合,;,事件,P,的时空坐标如图所示,.,*,洛伦兹坐标变换式,正,变换,逆,变换,注 意,时,转换为伽利略变换式,.,洛伦兹速度变换式,正变换,逆变换,讨论,光速不变,如在,S,系中沿,x,方向发射一光信号,在,S,系中观察,:,光速在任何惯性系中均为同一常量，利用它可将时间测量与距离测量联系起来,.,S,系,(,地面参考系,),事件,2,事件,1,设,S,系中,x,1,、,x,2,两处发生两事件,时间间隔为,.,问,S,系中这两事件发生的时间间隔是多少？,1,同时的相对性,三 狭义相对论的时空观,系,在一个惯性系同时发生的两个事件，在另一个惯性系是否同时,?,讨论,-,不同时,-,不同时,2,同地不同时,1,同时不同地,S,系,S,系,-,同时,-,不同时,时,-,同时,3,同时同地,4,不同时不同地,讨论,S,系,S,系,结论,同时性具有相对意义,沿两个惯性系运动方向，,不同地点,发生的两个事件，在其中一个惯性系中是,同时,的，在另一惯性系中观察则,不同时,，所以同时具有,相对,意义；只有在,同一地点,，,同一,时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是,同时,的,.,长度,的测量和,同时性,概念密切相关,2,长度的收缩,(,动尺变短,),棒沿,轴对 系静止放置,在,系中同时测得两端坐标,则棒的,固有长度,为,固有,长度：物体相对静止时所测得的长度,.,（,最长,）,问,在,S,系中测得棒有多长,?,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,0,的关系为：,结论,长度具有,相对,意义,讨论,1,长度收缩,l,l,0,V,2,如将物体固定于,系,由,系测量,同样出现长度收缩现象,.,物体在运动方向上长度收缩,.,例,1,设想有一光子火箭，相对于地球以速率 直线飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为,15 m,，,问以地球为参考系，此火箭有多长？,火箭参照系,地面参照系,解,固有长度,运动长度,火箭参照系,地面参照系,例,2,长为,1 m,的棒,静止地放在 平面内，在,系的观察者测得此棒与 轴成 角，试问从,S,系的观察者来看，此棒的长度以及棒与,Ox,轴的夹角是多少？设 系相对,S,系的运动速度,.,解,在,系,在,S,系,3,时间的延缓,(,动钟变慢,),B,发射光信号,接受光信号,时间间隔,系,同一,地点,B,发生两事件,在,S,系中观测两事件,B,固有,时间：,同一,地点发生的,两,事件的时间间隔,.,时间延缓：运动的钟走得慢,.,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,狭义相对论的时空观,(,1,),两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义,.,(,2,),时,空不互相独立，而是不可分割的整体,.,(,3,),光速,C,是建立不同惯性系间时空变换的纽带,.,例,一列长,0.5km,的火车以,100km/h,的速度行驶，在地面上的人观察到有两件事同时分别发生火车的前后两端，问在火车上的人，观察到两个闪电的时间间隔是多少？,解：,以地面为,S,系，车为,S,系，取车运动方向为正方向,例,地面上有一跑道长,100m,，运动员从起点跑到终点，用时,10s,，现以,0.8c,速度向前飞行的飞船中观察，,(1),跑道多长？,(2),求运动员跑过的距离和所用的时间？,(3),求运动员的平均距离,解：,以地面为,S,系，飞船为,S,系,(1),跑道固有长度,l,0,=100m,，在飞船参照系中测量,(2),(3),(,1,),相对论动量遵循洛伦兹变换,当 时,1,动量与速度的关系,(,2,),相对论质量,静止质量：,m,0,八动力学基础,相对论质量,说明质量与速度有关,.,m,0,m,1,2,3,4,0.2,0.4,1.0,0,0.6,0.8,v,c,物体相对于惯性系静止时的质量,.,静质量,:,结论,:,质量具有相对意义,.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用,.,当 时,2,狭义相对论力学的基本方程,当 时,变为牛顿第二定律,.,即,当,时,不变,3,质量与能量的关系,动能定理,设,积分,相对论,动能,当 时，,静能量,物体,静止,时所具有的,能量,.,相对论,质能,关系,质能关系,指出,：,物质的质量和能量之间有密切的联系,.,总能量,相对论能量和质量守恒是一个,统一,的物理规律,.,物理意义,惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论,.,相对论的质,能,关系为开创原子能时代提供了理论基础,这是一个具有划时代意义的理论公式,.,4,质能公式在原子核裂变和聚变中的应用,质量亏损,原子质量单位,放出的能量,1),核裂变,1g,铀,235,的原子裂变释放的能量,原子弹爆炸（核裂变）,我国于,1958,年建成的首座重水反应堆,秦山核电站,全景图,在建的,阳江核电站,效果图,在建的,江苏连云港,田湾核电站,2),轻核聚变,释放能量,质量亏损,轻核聚变,条件,温度达到 时，使 具有 的动能，足以克服两 之间的库仑排斥力,.,氘核,氦核,1967,年,6,月,17,日，中国第一颗氢弹爆炸成功,5,动量与能量的关系,极端相对论近似,光子,光的波粒二象性,例,1,设一质子以速度 运动,.,求其总能量、动能和动量,.,解,质子的静能,动量也,可,如此计算,例,1,设一质子以速度 运动,.,求其总能量、动能和动量,.,解,核聚变反应式,例,2,已知一个氚核 和一个氘核 可聚变成一氦核,并产生一个中子,试问这个核聚变中有多少能量被释放出来,.,氘核和氚核聚变为氦核的过程中，,静能量减少了,