大学物理2-5-第1章-狭义相对论时空观.ppt

2023/2/211大大 学学 物物 理理University PhysicsUniversity Physics第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对论相对论相对论相对论狭义相对论（狭义相对论（19051905年）年）(Special Relativity,SR)广义相对论（广义相对论（19151915年）年）(General Relativity,GR)第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观学的时空观 。2 2）狭义相对论基本原理。）狭义相对论基本原理。3 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。）洛仑兹坐标变换和速度变换。4 4）狭义相对论时空观。）狭义相对论时空观。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学时空观伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学时空观伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学时空观伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学时空观1 1、伽利略坐标变换、伽利略坐标变换 设设惯惯性性系系K/(o x y z)沿沿公公共共的的X轴轴相相对对另另一一惯惯性性系系K(o x y z)以速度以速度 u 运动，运动，t=t=0 时，两个原点时，两个原点 O 和和 O 重合。重合。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观2 2、伽利略相对性原理（力学相对性原理）、伽利略相对性原理（力学相对性原理）力学定律在所有惯性系中都相同。力学定律在所有惯性系中都相同。力学定律在力学定律在伽利略变换伽利略变换下不变下不变第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观经典力学（牛顿力学）时空观是绝对的时空观经典力学（牛顿力学）时空观是绝对的时空观3 3、牛顿力学的时空观、牛顿力学的时空观第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观学的时空观 。2 2）狭义相对论基本原理。）狭义相对论基本原理。3 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。）洛仑兹坐标变换和速度变换。4 4）狭义相对论时空观。）狭义相对论时空观。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观相相相相对对对对性性性性原原原原理理理理-任任任任何何何何物物物物理理理理定定定定律律律律在在在在所所所所有有有有惯惯惯惯性性性性系系系系中中中中都都都都有有有有相相相相同同同同的的的的表表表表示示示示形形形形式式式式，即即即即所所所所有有有有惯惯惯惯性性性性系系系系都都都都是等价的；平权的。是等价的；平权的。是等价的；平权的。是等价的；平权的。爱爱因因斯斯坦坦的的相相对对性性原原理理和和伽伽利利略略相相对对性性原原理理在在思思想想上上是是基基本一致的，本一致的，是力学相对性原理的推广是力学相对性原理的推广。狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观光光光光速速速速不不不不变变变变原原原原理理理理-在在在在所所所所有有有有惯惯惯惯性性性性系系系系，真真真真空空空空中中中中的的的的光光光光速速速速都都都都相等，相等，相等，相等，c=310c=3108 8 m/s m/s。光速不变原理说明：真空中的光光速不变原理说明：真空中的光速与光源或观察者的运动无关，且在速与光源或观察者的运动无关，且在各个方向上都相同，与参照系也无关，各个方向上都相同，与参照系也无关，是一个常量。是一个常量。这是和经典的速度变换公式（伽这是和经典的速度变换公式（伽利略变换）不相容的。若保持光速不利略变换）不相容的。若保持光速不变原理，就必须抛弃伽利略变换，也变原理，就必须抛弃伽利略变换，也就是必须抛弃绝对的时空观。就是必须抛弃绝对的时空观。爱爱因因斯斯坦坦由由上上述述两两个个基基本本假假设设出出发发，导导出出了了狭狭义义相相对对论论中中的的坐坐标标变变换换关关系系-洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观学的时空观 。2 2）狭义相对论基本原理。）狭义相对论基本原理。3 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。）洛仑兹坐标变换和速度变换。4 4）狭义相对论时空观。）狭义相对论时空观。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对论速度变换相对论速度变换由洛仑兹变换可得：由洛仑兹变换可得：第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观所以得所以得:或或第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观(2)(2)洛伦兹速度变换近似为伽利略速度变换洛伦兹速度变换近似为伽利略速度变换时时(3)(3)(3)(3)洛伦兹速度变换与光速不变原理相符洛伦兹速度变换与光速不变原理相符洛伦兹速度变换与光速不变原理相符洛伦兹速度变换与光速不变原理相符讨论讨论:(1)(1)物体相对不同参考系的速度不仅在相对运动方向物体相对不同参考系的速度不仅在相对运动方向上的分量不同上的分量不同,在垂直相对运动方向上的分量也不同。在垂直相对运动方向上的分量也不同。u c 时时,第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例例题题】地地球球上上一一观观察察者者看看见见一一飞飞船船A以以速速度度 2.5108 m/s 从从他他身身边边飞飞过过，另另一一飞飞船船B以以速速度度 2.0108 m/s 跟跟随随A飞飞行行。求求：（1）A上上的的乘乘客客看看到到B的的相相对对速速度度；（2）B上上的的乘乘客客看看到到A的的相对速度。相对速度。解：解：(1)A看看B(如如图图)：由题意知：由题意知S（地球）（地球）飞船飞船B代入公式得代入公式得第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观（2）B 看看A(如图如图)：由题意知：由题意知S（地球）（地球）飞船飞船A代入公式得代入公式得第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观学的时空观 。2 2）狭义相对论基本原理。）狭义相对论基本原理。3 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。）洛仑兹坐标变换和速度变换。4 4）狭义相对论时空观。）狭义相对论时空观。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观 (相对论运动学相对论运动学)“横横看看成成岭岭侧侧成成峰峰，远远近近高高低低各各不不同同。”（苏轼题西林壁）第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观1 1 1 1、“同时同时同时同时”的相对性的相对性的相对性的相对性Express 按按照照经经典典力力学学的的观观点点，在在某某一一惯惯性性系系中中“同同时时”发发生生的的两两个个事事件件，在在其其它所有惯性系中都是它所有惯性系中都是“同时同时”发生的，即发生的，即“同时同时”与参照系无关，是绝对的。与参照系无关，是绝对的。而而狭狭义义相相对对论论指指出出：一一个个惯惯性性系系中中不不同同地地点点“同同时时”发发生生的的两两个个事事件件，在在另另一一个个惯惯性性系系中中不不一一定定是是“同同时时”的的，即即“同同时时”与与参参照照系系有有关关，“同同时时”是相对的。是相对的。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观说明：说明：uoo(x1,t)(x2,t)(x1,t1)(x2,t2)yyxxKK 第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观2 2 2 2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）棒的长度棒的长度:测量测量两端坐标来确定两端坐标来确定第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观2 2 2 2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观说明：说明：静长静长静长静长：杆在与杆相对静止的参照系中的长度。：杆在与杆相对静止的参照系中的长度。长长度度收收缩缩并并非非杆杆的的内内部部材材料料结结构构发发生生了了变变化化，而而是是空间间隔测量的相对性的反映。空间间隔测量的相对性的反映。在在与与相相对对运运动动垂垂直直的的方方向向上上，无无相相对对运运动动，故故不不发发生长度收缩。生长度收缩。2 2 2 2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例题例题】马路边竖立着一块正方形广告牌，其面积为马路边竖立着一块正方形广告牌，其面积为100 m2，以，以 0.80C 的速度行驶的的速度行驶的“爱因斯坦爱因斯坦”牌摩托牌摩托车的驾驶员车的驾驶员测得测得该广告牌的面积为多少？该广告牌的面积为多少？第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观Km第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观3 3 3 3、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）时钟快慢时钟快慢:记录记录两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观说明：说明：对对于于原原原原时时时时的的理理解解，要要特特别别强强调调两两个个事事件件在在同同一一地地点点发生。发生。时时间间膨膨胀胀是是相相对对原原时时t0 而而言言。若若在在K系系和和K 系系中中，两两个个事事件件发发生生在在不不同同地地点点，一一般般需需用用洛洛仑仑兹兹变变换换来来求求解。解。解解释释“孪孪生生子子佯佯谬谬（法法国国物物理理学学家家郎郎之之万万首首先先提提出出）”，“高速旅行可以长寿？高速旅行可以长寿？”。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观Time dilation-Time dilation-时间膨胀时间膨胀时间膨胀时间膨胀 第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例题例题】一天体正以一天体正以 0.800.80C C 的速度离开地球，地的速度离开地球，地球上测得该天体闪光的周期为球上测得该天体闪光的周期为 120120h h ，在与此天，在与此天体相对静止的参照系中测量，该天体的闪光周体相对静止的参照系中测量，该天体的闪光周期为多少？期为多少？第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例例题题】介介子子是是一一个个不不稳稳定定系系统统，会会自自发发衰衰变变为为 介介子子和和中中微微子子。已已知知静静止止的的 介介子子平平均均寿寿命命为为2.610-8 秒秒。若若从从加加速速器器中中射射出出一一个个 介介子子，相相对对实实验验室室的的速速度度为为 0.80 c，问问：在在实实验验室室中中，此此 介介子子的的寿寿命命多多大大？能能飞飞行多少距离？行多少距离？第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例例题题】两两个个惯惯性性系系的的观观察察者者O O和和OO以以 0.60C0.60C（C C表表示示真真空空中中的的光光速速）的的相相对对速速度度互互相相接接近近。如如果果O O测测得得两两者者的的初初始始距距离离是是 20 20 m m，则，则OO测得两者经过时间测得两者经过时间后相遇。后相遇。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观【例例题题】两两个个惯惯性性系系的的观观察察者者O O和和OO以以 0.60C0.60C（C C表表示示真真空空中中的的光光速速）的的相相对对速速度度互互相相接接近近。如如果果O O测测得得两两者者的的初初始始距距离离是是 20 20 m m，则，则OO测得两者经过时间测得两者经过时间后相遇。后相遇。第第 1 1 章章 狭义相对论时空观狭义相对论时空观THE END