第13章_狭义相对论.pptx
1第13章狭义相对论Special RelativityAlbert Einstein(18791955)第1页/共44页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 动能与能量的关系第2页/共44页313-1 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！第3页/共44页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、均匀地流逝着第4页/共44页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第5页/共44页6伽利略变换伽利略速度变换第6页/共44页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”的概念第7页/共44页813-2 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。第8页/共44页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？第9页/共44页101905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:洛伦兹变换第10页/共44页111.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AM=BM。令光源闪光后，二接收器同时接收到信号S 参照系第11页/共44页12SS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第12页/共44页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.第13页/共44页142.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？第14页/共44页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 2l，第15页/共44页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 uc 时，则 ，回到经典牛顿力学的绝对时空 第16页/共44页17时间的延缓(动钟变慢)第17页/共44页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 系第18页/共44页193.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，t1=t2，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第19页/共44页20棒AB 固定在x 轴上，在S 中的长度为l 在S中，t1时刻B过x1点 t1+t 时刻A 过x1点，同 时B过 x2=x1+ut 则，在S中，棒长为l=x2x1=ut在S 中，S 向左运动，点x1相继经过B和A 二点，则其时间间隔为第20页/共44页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。第30页/共44页31实验验证相对论动量第31页/共44页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：第32页/共44页332.相对论动能又由仍用力对粒子做功计算粒子动能的增量第33页/共44页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 第34页/共44页35则：回到牛顿力学的动能公式。当vc时:讨论：第35页/共44页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。第36页/共44页373.相对论能量定义：静止能量相对论总能量因此，E=mc2推论(质能关系式)由动能定理:（质量亏损 能量释放）第37页/共44页38质量亏损：核反应中反应前：反应后：静质量 m01 总动能EK1 静质量 m02 总动能EK2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第38页/共44页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。第39页/共44页40 例、设有两个静止质量均为m0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M0和运动速度。解：设合成粒子质量M、速度V ，由动量守恒第40页/共44页41根据能量守恒：即：可见差值第41页/共44页424.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第42页/共44页43令则，相对论动能与能量的变换关系 正变换逆变换 第43页/共44页44感谢您的观看！第44页/共44页
