06华中科技大学大学物理 狭义相对论0901.ppt

第第6章章 狭义相对论狭义相对论一、牛顿力学（一、牛顿力学（经典力学经典力学）的成就）的成就经典物理学经典物理学经典统计力学经典统计力学经典力学经典力学在在科学技术今后的发展中，仍将发挥不可替代的作用。科学技术今后的发展中，仍将发挥不可替代的作用。经典电磁学经典电磁学蒸汽机和电机的发明蒸汽机和电机的发明电力技术革命电力技术革命产业革命产业革命在这种形势下，在这种形势下，相对论相对论和和量子力学量子力学应运而生。相对论应运而生。相对论和量子物理是近代物理的两大支柱。和量子物理是近代物理的两大支柱。历史进入到历史进入到20世纪，物理学开始深入到世纪，物理学开始深入到微观、高速微观、高速领域，人们发现牛顿力学不再适用！领域，人们发现牛顿力学不再适用！本章学习惯性系内高速运动规律本章学习惯性系内高速运动规律狭义相对论狭义相对论。1二、牛顿力学中值得二、牛顿力学中值得“推敲推敲推敲推敲”的问题：的问题：问题：问题：1 1、对于不同的参考系，基本力学定律的形式是完、对于不同的参考系，基本力学定律的形式是完全一样的吗？全一样的吗？对对这些问题的回答，物理学经历了从这些问题的回答，物理学经历了从牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学到到相对论相对论相对论相对论的发展。的发展。原则上，可以在任意参考系中，运用力学规律对同原则上，可以在任意参考系中，运用力学规律对同一物体的同一运动进行研究。一物体的同一运动进行研究。运动的相对性运动的相对性运动的相对性运动的相对性2 2、对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是、对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样吗？一样吗？2第第1 1节节 伽利略变换伽利略变换一、一、伽利略相对性原理伽利略相对性原理牛顿力学回答：牛顿力学回答：对于任何对于任何惯性系惯性系惯性系惯性系，牛顿定律都成立；，牛顿定律都成立；对于不同的惯性系，力学的基本规律对于不同的惯性系，力学的基本规律牛顿定律，牛顿定律，其形式都是一样的；其形式都是一样的；在任何惯性系中观察，同一力学现象将按相同的形在任何惯性系中观察，同一力学现象将按相同的形式发生和演变。式发生和演变。谈论某一惯性系的绝对运动或绝对静止是没有意义谈论某一惯性系的绝对运动或绝对静止是没有意义的。静止是相对的。不存在任何一个特殊的惯性系。的。静止是相对的。不存在任何一个特殊的惯性系。伽利略（力学）相对性原理伽利略（力学）相对性原理伽利略（力学）相对性原理伽利略（力学）相对性原理3关于关于时间时间时间时间和和空间空间空间空间的问题，牛顿认为：的问题，牛顿认为：绝对空间绝对空间长长度的量度与参考系无关；度的量度与参考系无关；绝对时间绝对时间时间时间的量度与参考系无关的量度与参考系无关；牛顿的绝对时空概念是人们对空间和时间认识的理牛顿的绝对时空概念是人们对空间和时间认识的理论总结。论总结。时间时间和空和空间间是相互独立的是相互独立的。绝对时绝对时绝对时绝对时空观空观空观空观力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理 和和 绝对时空绝对时空绝对时空绝对时空是直接联系在一起的。是直接联系在一起的。空间空间空间空间与运动无关，与运动无关，空间的度量与惯性系无关，绝对空间的度量与惯性系无关，绝对不变。不变。伽利略伽利略伽利略伽利略变换变换变换变换时间时间时间时间均匀流逝，与物质运动无关，所有惯性系有统均匀流逝，与物质运动无关，所有惯性系有统一的时间。一的时间。4在两个惯性系中考察同一物理在两个惯性系中考察同一物理事件事件：令两坐标系的原点重令两坐标系的原点重合时为计时起点。合时为计时起点。二、伽利略坐标变换式二、伽利略坐标变换式t 时刻，某质点时刻，某质点到达到达P点。点。xyOyxO设有两个参考系设有两个参考系 ：系相对于系相对于 系以恒定的速度系以恒定的速度 沿沿 轴正向运动。轴正向运动。5正变换正变换逆变换逆变换或或伽伽利利略略坐坐标标变变换换式式6三、伽利略速度变三、伽利略速度变换与加速度变换换与加速度变换正正逆逆惯性系惯性系常数常数常数常数7四、力学定律对伽利略变换不变四、力学定律对伽利略变换不变由于同一质点的由于同一质点的加速度加速度加速度加速度在不同惯性系中的量值是一在不同惯性系中的量值是一样的，牛顿定律在不同惯性系中具有完全相同的形样的，牛顿定律在不同惯性系中具有完全相同的形式。因此，式。因此，牛顿三定律皆对伽利略变换不变牛顿三定律皆对伽利略变换不变。其它由牛顿运动定律导出的力学规律如动量守恒定其它由牛顿运动定律导出的力学规律如动量守恒定律、能量守恒定律、角动量守恒定律等也对伽利略律、能量守恒定律、角动量守恒定律等也对伽利略变换不变。即变换不变。即力学定律对伽利略变换不变。力学定律对伽利略变换不变。力学的相对性原理力学的相对性原理力学的相对性原理力学的相对性原理8五、牛顿力学的时空观五、牛顿力学的时空观由伽利略变换可得：由伽利略变换可得：任何一个物理事件所任何一个物理事件所经历的时间，从任何经历的时间，从任何一个参考系来测量，一个参考系来测量，都将是完全一样的。都将是完全一样的。时间的量度与参考系无关。时间的量度与参考系无关。对空间中某两点之间的距离，在对空间中某两点之间的距离，在 系和系和 系系中的测量值分别是：中的测量值分别是：9测量距离两端要求测量距离两端要求同时同时同时同时进行：进行：空间任何两点间的距离，在任何一个惯性参考空间任何两点间的距离，在任何一个惯性参考系中测量，都是绝对相等的。系中测量，都是绝对相等的。空间的量度与参考系无关。空间的量度与参考系无关。实践证明，绝对时空观是不正确的；实践证明，绝对时空观是不正确的；综上所述，时间的量度和空间的量度都与参考系综上所述，时间的量度和空间的量度都与参考系无关，时间与空间无关，时间、空间与物质无关。无关，时间与空间无关，时间、空间与物质无关。牛顿力学的绝对时空观。牛顿力学的绝对时空观。相对论否定了绝对时空观，并建立了新的时空概念。相对论否定了绝对时空观，并建立了新的时空概念。101919世纪末电磁学有了很大发展，世纪末电磁学有了很大发展，18651865年麦克斯韦总年麦克斯韦总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在；指出光结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在；指出光是一种电磁波，真空中其速率各向均为是一种电磁波，真空中其速率各向均为c ；18881888年赫年赫兹在实验上证实了电磁波的存在。兹在实验上证实了电磁波的存在。但按伽利略变换，光速在一个参考系中但按伽利略变换，光速在一个参考系中若是若是c，在另一参考系中必不是在另一参考系中必不是c。第第2 2节节 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理一、一、一、一、伽利略变换的局限性伽利略变换的局限性伽利略变换的局限性伽利略变换的局限性（牛顿力学的困难）牛顿力学的困难）问题问题问题问题1 1 1 1：关于光速关于光速问题问题问题问题2 2 2 2：伽利略变换对电磁规律不适用。伽利略变换对电磁规律不适用。11人人们们假假设设：宇宇宙宙中中充充满满了了叫叫“以以太太(ether)”(ether)”的的物物质，电磁波靠质，电磁波靠“以太以太”传播。传播。“以太以太”是一切运动的是一切运动的绝对静止的参考系；电磁场绝对静止的参考系；电磁场方程组只在方程组只在“以太以太”参考系成立；光波在参考系成立；光波在“以太以太”参考系中速率各向为参考系中速率各向为c。按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系（如地球）按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系（如地球）速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太以太”的速度有关。的速度有关。若此，如在地球上测光速，可能若此，如在地球上测光速，可能 c或或 即物体的运动速度不能超过真空中的光速。即物体的运动速度不能超过真空中的光速。伽利略变换是洛仑兹伽利略变换是洛仑兹变换变换的低速极限。的低速极限。1、当当 时，时，24已知：已知：由由或或1、相对于相对于 的速度。的速度。例例例例1 1、甲乙分别静止于两惯性系甲乙分别静止于两惯性系 和和 中，甲测得中，甲测得同一地点发生的两个事件的时间间隔为同一地点发生的两个事件的时间间隔为4s，而乙测而乙测得这两个事件的时间间隔为得这两个事件的时间间隔为5s，求：求：解：设解：设 相对于相对于 运动的速度运动的速度v 沿沿x 轴方向。轴方向。25得：得：26或或2、乙测得这两个事件发生的地点的距离。、乙测得这两个事件发生的地点的距离。27事件事件A A：闪电击中车尾闪电击中车尾车站。车站。火车火车,解：解：不同时击中！不同时击中！不同时击中！不同时击中！由：由：事件事件B B：闪电击中车头闪电击中车头两事件两事件同时发生同时发生同时发生同时发生时空坐标分别为：时空坐标分别为：时空坐标分别设为：时空坐标分别设为：xyOxyO车头先被闪电击中车头先被闪电击中 例例例例2 2、设有一列火车以速度设有一列火车以速度v 匀速地通过车站，从车站中匀速地通过车站，从车站中观察到两个闪电同时击中观察到两个闪电同时击中车头和车尾，问在火车上车头和车尾，问在火车上观察两闪电是否同时击中观察两闪电是否同时击中?28第第4 4节节 洛仑兹速度变换洛仑兹速度变换由洛仑兹由洛仑兹坐标变换坐标变换上面两式之比上面两式之比定义定义一、速度变换式一、速度变换式29由洛仑兹变换知由洛仑兹变换知由上两式得由上两式得同理得同理得30相对论速度变换式相对论速度变换式逆变换逆变换正变换正变换31关于光在真空中的传播速率：关于光在真空中的传播速率：已知光对已知光对 系的速率是系的速率是符合实验事实和光速不变原理。符合实验事实和光速不变原理。即光对于即光对于 系和对于系和对于 系的速率相等。系的速率相等。32例例例例3 3 3 3、设想一飞船以设想一飞船以0.800.80c 的速度在地球上空飞行，的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体 相对飞船速度为相对飞船速度为0.900.90c 。问：从地面上看，物体速度多大？问：从地面上看，物体速度多大？解：解：xx地面参考系为地面参考系为 系系选飞船参考系为选飞船参考系为 系系33例例例例4 4 4 4、两只完全相同的飞船两只完全相同的飞船A和和B，在，在A中的观察者测得中的观察者测得B接近它的速度为接近它的速度为0.800.80c，则则B中的观察者测得中的观察者测得A接近接近它的速度为多少？在两只飞船质心的观察者测得每一它的速度为多少？在两只飞船质心的观察者测得每一飞船趋近质心的速率是多少？飞船趋近质心的速率是多少？解：解：选任一飞船为选任一飞船为 系系 质心为质心为 系系A对对B的速率与的速率与B对对A的速率相等。的速率相等。A，B完全相同，质心为它们之间正中的位置。完全相同，质心为它们之间正中的位置。它们对质心的速率相等，设为它们对质心的速率相等，设为vx34二、速度方向的变换关系二、速度方向的变换关系由由yxPxP35光速光速的大小不因参考系的改变而改变，但传播方向的大小不因参考系的改变而改变，但传播方向将改变。将将改变。将u=c 代入得：代入得：仅仅 ，才有，才有36