第六章 狭义相对论基础精选文档.ppt
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1、第六章 狭义相对论基础本讲稿第一页,共五十二页爱因斯坦爱因斯坦:Einstein:Einstein现代时空观现代时空观牛顿牛顿:Newton:Newton古典时空观古典时空观本讲稿第二页,共五十二页 绝对时空观说明存在一个绝对的惯性参考系,因此存在着绝对空间和相绝对时空观说明存在一个绝对的惯性参考系,因此存在着绝对空间和相对这个空间的绝对速度。对这个空间的绝对速度。在牛顿的在牛顿的绝对时空观绝对时空观下,下,同时性具有绝对性,同时性具有绝对性,时间间隔的测量具时间间隔的测量具有绝对性,有绝对性,长度的测量也具有绝对性。长度的测量也具有绝对性。6.1 6.1 牛顿相对性原理和伽利略变换牛顿相对性
2、原理和伽利略变换1 1、牛顿相对性原理(力学的相对性原理)、牛顿相对性原理(力学的相对性原理)一切力学现象对任何惯性系都是等价的,即力学现象对任何一切力学现象对任何惯性系都是等价的,即力学现象对任何惯性系具有相同的数学表达式。惯性系具有相同的数学表达式。牛顿力学中:牛顿力学中:相互作用是客观的,力与参考系无关。相互作用是客观的,力与参考系无关。质量的测量与运动无关。质量的测量与运动无关。本讲稿第三页,共五十二页 在两个惯性系中考察在两个惯性系中考察同一物理事件同一物理事件,两组时空坐标之间的关,两组时空坐标之间的关系称为伽利略坐标变换。系称为伽利略坐标变换。2 2、伽利略变换、伽利略变换P(x
3、,y,z,t)utx xS S系系zoyxozxyP(x,y,z,t),S S系系P(x,y,z,t)当当 t=t=0时,时,O、O重合。重合。到到t t 时刻,物体到达时刻,物体到达P P 点点开始计时。开始计时。本讲稿第四页,共五十二页伽利略变换式伽利略变换式坐标变换坐标变换速度变换速度变换加速度变换加速度变换正变换:正变换:把把S S系的各量用系的各量用S系的各量表示。系的各量表示。P(x,y,z,t)utx xzoyxozxy本讲稿第五页,共五十二页 逆变换可由正变换直接解出。或可将逆变换可由正变换直接解出。或可将u u变号,变号,x x与与x x互换得出。互换得出。伽利略变换是在长度
4、和时间测量绝对性下得出的。伽利略变换是在长度和时间测量绝对性下得出的。逆变换:逆变换:把把S系的各量用系的各量用S S系的各量表示。系的各量表示。伽利略逆变换式伽利略逆变换式坐标变换坐标变换速度变换速度变换加速度变换加速度变换本讲稿第六页,共五十二页 6.2 6.2狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理2 2)光速)光速c c是常量是常量不论从哪个参考系中测量。不论从哪个参考系中测量。以伽利略变换为基础来观测地球上各个方向上光速。光速以伽利略变换为基础来观测地球上各个方向上光速。光速应随惯性系的选取而异,不能是一个不变的常数。应随惯性系的选取而异,不能是一个不变的常数。1 1、牛顿力学的困难
5、、牛顿力学的困难真空中的光速真空中的光速1 1)电磁场方程组不服从伽利略变换。)电磁场方程组不服从伽利略变换。2 2)在任何惯性系中,光在真空中的传播速率都相等。)在任何惯性系中,光在真空中的传播速率都相等。2 2、爱因斯坦狭义相对论的基本原理、爱因斯坦狭义相对论的基本原理1 1)一切物理规律在任何惯性系中形式相同。一切物理规律在任何惯性系中形式相同。爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理 光速不变原理光速不变原理本讲稿第七页,共五十二页 相对论理论不仅正确地说明了电磁现象,而且涵盖了力学中相对论理论不仅正确地说明了电磁现象,而且涵盖了力学中的各种现象。爱因斯坦理论是牛顿理论的发展。的各种现象。
6、爱因斯坦理论是牛顿理论的发展。观念上的变革观念上的变革牛顿力学牛顿力学时间标度时间标度长度标度长度标度质量的测量质量的测量与参考系无关与参考系无关速度与参考系有关速度与参考系有关(相对性相对性)狭义相对论狭义相对论 力学力学长度长度 时间时间 质量质量与参考系有关与参考系有关光速不变光速不变(相对性相对性)本讲稿第八页,共五十二页 6.3 6.3同时性的相对性和时间延缓同时性的相对性和时间延缓1、同时性的相对性同时性的相对性 在牛顿力学中,时间是绝对的。两事件在惯性系在牛顿力学中,时间是绝对的。两事件在惯性系S S中观察是同时中观察是同时发生的,那么在另一惯性系发生的,那么在另一惯性系S S中
7、观察也是同时发生的。中观察也是同时发生的。依据依据光速不变原理,光速不变原理,爱因斯坦设计了一个理想实验,由此可得出同爱因斯坦设计了一个理想实验,由此可得出同时性的相对性。时性的相对性。狭义相对论则认为:这两个事件在惯性系狭义相对论则认为:这两个事件在惯性系S S中观察是同时的,中观察是同时的,而在惯性系而在惯性系S S观察就不会再是同时的了。这就是狭义相对论同时观察就不会再是同时的了。这就是狭义相对论同时性的相对性。性的相对性。爱因斯坦:爱因斯坦:忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析,不可能绝对地确定时间,在时间和
8、信号速度自对时间概念的分析,不可能绝对地确定时间,在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念,我第一次彻底地解决之间有着不可分割的联系。利用这一新概念,我第一次彻底地解决了这个难题。了这个难题。本讲稿第九页,共五十二页M xOyS系系uyS系系ox xOyx oyS系系S系系闪光光源闪光光源MABuAB光先到光先到A后到后到B。这两个事件不具有同时性。这两个事件不具有同时性。从从S系看,系看,由车厢中间发出的光同时到达由车厢中间发出的光同时到达A和和B点。点。从从S系看,系看,本讲稿第十页,共五十二页 沿两个惯性系运动方向发生的两个事件,在其中一个惯性系中沿两个惯性系运动方向发生的
9、两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一个惯性系观察,则不同时。在前一惯性系运表现为同时的,在另一个惯性系观察,则不同时。在前一惯性系运动后方那一事件先发生。动后方那一事件先发生。说明同时性具有相对性。即时间的量度是相对的。说明同时性具有相对性。即时间的量度是相对的。x y 2、时间延缓时间延缓S S系:闪光光源(系:闪光光源(A A)M:反射镜:反射镜在在S S系:系:光速不变原理光速不变原理yxMAdCC本讲稿第十一页,共五十二页xy od 在在S系:系:MCCut固有时最短!固有时最短!在某一参考系中同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫固在某一参考系中同一地点先后发生的两个
10、事件之间的时间间隔叫固有时。有时。t:在某一参考系中不同地点先后发生的两个事件之间的在某一参考系中不同地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫两地时。时间间隔叫两地时。t:时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应!yxAud本讲稿第十二页,共五十二页A君君以我为标准:以我为标准:A君说:头朝上。君说:头朝上。B君也说:头朝上。君也说:头朝上。问题是问题是:A 君君 看看 B 君,君,大头朝下!大头朝下!B君君如:什么是上?下?如:什么是上?下?时间的测量与参考系无关。时间的测量与参考系无关。牛顿的绝对时间概念是相对论时间概念在参考系牛顿的绝对时间概念是相对论时间概念在参考系的相对速度很小时的
11、近似。的相对速度很小时的近似。本讲稿第十三页,共五十二页例例6.2 带正电子的带正电子的介子是一种不稳定的粒子。当它静止时平均寿命为介子是一种不稳定的粒子。当它静止时平均寿命为2.510-8s,过后即衰变为一个,过后即衰变为一个介子和一个中微子。今产生一束介子和一个中微子。今产生一束介介子,在实验室测得它的速率为子,在实验室测得它的速率为u=0.99c,并测得它在衰变前通过的平,并测得它在衰变前通过的平均距离为均距离为52m。这些测量结果是否一致?。这些测量结果是否一致?解:解:取实验室为取实验室为S系,系,介子在其中静止的一参考系为介子在其中静止的一参考系为S系系 从从S系看:系看:介子从产
12、生到衰变通过的距离除以其速率介子从产生到衰变通过的距离除以其速率u,应为,应为它在它在S系中的寿命。系中的寿命。是是介子在介子在S系的寿命。为固有时。系的寿命。为固有时。本讲稿第十四页,共五十二页x yxy 6.4 长度缩短长度缩短 在某一参考系中测量物体的长度,就是测量它的两个端点在在某一参考系中测量物体的长度,就是测量它的两个端点在同一同一同一同一时刻时刻时刻时刻的位置之间的距离。的位置之间的距离。当棒的方向沿轴方向时,长度是棒的两端的坐标差,但必须当棒的方向沿轴方向时,长度是棒的两端的坐标差,但必须同时测量。同时测量。1 1、静止时可不同时测、静止时可不同时测2、运动时同时测量、运动时同
13、时测量本讲稿第十五页,共五十二页o ox xy yA AB Bx xo oy yx y运动时不同时测,则坐标之差不等于棒的长度。运动时不同时测,则坐标之差不等于棒的长度。3、长度收缩、长度收缩在在S S系中如何测棒的长度?系中如何测棒的长度?S S系:系:t t1 1时刻时刻B B端经过端经过x x1 1t t1 1+t+t时刻时刻B B端经过端经过x x2 2t t1 1+t+t时刻时刻A A端经过端经过x x1 1y yx x x1 1x y yA AB Bx x2 2ututututx x1 1本讲稿第十六页,共五十二页tt是是B B、A A相继通过相继通过 x x1 1这两个事件之间的
14、固有时。这两个事件之间的固有时。在在S S系,棒静止,由于系,棒静止,由于S S系向左运动,系向左运动,x x1 1这一点相继经过这一点相继经过B B和和A A端。端。之间有什么关系呢?之间有什么关系呢?x x1 1经过经过A A和和B B两事件之间的时间间隔,两事件之间的时间间隔,在在S S系中测量为:系中测量为:tt是是 x x1 1相继通相继通过过B B和和A A这两个这两个事件的两地时。事件的两地时。y yo oxAABBx xo oy yx x1 1x xy yo oxy yA AB Bo ox x1 1本讲稿第十七页,共五十二页相对棒静止时的参考系测得长度叫固有长度,固有长度最长。
15、相对棒静止时的参考系测得长度叫固有长度,固有长度最长。在不同参考系对同一长度进行测量在不同参考系对同一长度进行测量运动方向的长度收缩。运动方向的长度收缩。由时间延缓关系由时间延缓关系长度收缩与时间延缓一样都是一种相对效应。长度收缩与时间延缓一样都是一种相对效应。牛顿的绝对空间概念是相对论空间概念在参考系的牛顿的绝对空间概念是相对论空间概念在参考系的相对速度很小时的近似。相对速度很小时的近似。t:两地时两地时t:固有时固有时本讲稿第十八页,共五十二页 在两个惯性系中考察同一物理事件,在两个惯性系中考察同一物理事件,在相对时空观下,在相对时空观下,两组时空坐标两组时空坐标之间的关系称为洛仑兹之间的
16、关系称为洛仑兹变换式。变换式。P(x,y,z,t)utxzoyxozxy当当t=t=0时,时,O、O重合重合开始计时开始计时 6.5洛仑兹变换式洛仑兹变换式P(x,y,z,t)在在S S系测量:系测量:解得:解得:本讲稿第十九页,共五十二页在在S S系系测量:测量:与在与在S系所得公系所得公式一起消去式一起消去x得得因为垂直于运动方向的长度测量与参考系无关。因为垂直于运动方向的长度测量与参考系无关。所以所以zoyxozxyP(x,y,z,t)xut本讲稿第二十页,共五十二页洛仑兹坐标变换式洛仑兹坐标变换式正变换正变换逆变换逆变换本讲稿第二十一页,共五十二页令令正变换正变换逆变换逆变换洛仑兹变换
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