高二物理竞赛狭义相对论基础课件.ppt

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1、1,爱因斯坦: Albert . Einstein (1879年3月14日 1955年4月18日) 现代时空观的创始人，二十世纪最伟大的科学家,相对论基础,special relativity,2,横 看 成 岭 侧 成 峰，远 近 高 低 各 不 同。（苏轼题西林壁） 我们看到的现象和对事物的描述，随观测的角度而异。 现代物理学不是被动地去协调不同参考糸中的观测数据，而是自觉地去探索不同参考系中物理量、物理规律之问的变换关系（相对性原理）以及变换中的不变量（对称性），以便超越自我认识上的局限性，去把握物理世界中更深层次的奥秘。超越从个别角度（参考系）的局限性，寻求不同参考系内各观测量之间的变

2、换关系，以及变换过程中那些不变性.,3,1900年,著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：,4,一 伽利略变换式- 经典力学的相对性原理,对于任何惯性参照系 , 牛顿力学的规律都具有相同的形式 . 这就是经典力学的相对性原理 .即:,相对于不同的参考系 , 经典力学定律的形式是完全一样的吗 ？,复习惯性参考系,运动描述的相对性(举例),在两个惯性系中考察同一物理事件？,（绝对运动或绝对静止的参考系是无意义的。), 14.1 经典时空观,5, 伽利略变换,经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .,6,在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动

3、定律具有相同的形式.,7,相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗?,绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关 , 长度和时间的测量是绝对的.,二 经典力学的绝对时空观,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 .,实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.,8,对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗 ？,真空中的光速,对于两个不同的惯性参考系 , 光速满足伽利略变换吗 ？,9,结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换),10,1060年左右的超新星爆发留

4、下的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .,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 .,宋会要记载：“嘉佑元年三月（公元1056年），司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年（公元1054年）五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四射，色赤白，凡见二十三日。”,超新星爆发和蟹状星云：,11,强光的持续时间约,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,结论：在25年持续看到超新星爆发时发

5、出的强光，和历史记载的不符合。(实际持续时间约为 22 个月),12,爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥.,Albert Einstein ( 1879 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 .,14.2 狭义相对论的基本原理,13,一、狭义相对论的基本原理,1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 .,2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它与光

6、源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.,关键概念：相对性和不变性 .,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性参考系都是等价的 .,伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 .,14,线性变换,相对性原理,对任一事件，变换式均应满足:,二.洛仑兹变换式,15,对 系：,对 系：,相乘,16,17,意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性 相对论对称性 .,变换无意义.,18,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.,三. 狭义相对论的时空观,1 同时的相对性,19,在一个惯性系同时发生的两个事

7、件，在另一个惯性系是否同时?,20,-不同时,-不同时,不同时！,-同时,-不同时,21,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 .,结论 : 同时性具有相对意义,22,二、长度的收缩(动尺变短),在 S 系中测量,在 系中测量,-固有长度,长度的测量和同时性概念密切相关,23,（固有长度）,24,结论： 长度具有相对意义,当 时 .,洛伦兹收缩: 运动物体在运动方向上长度收缩 .,长度收缩是一种相对效应, 此结果反之亦然 .,25,S

8、系中的观察者有一根米尺固定在x轴上，其两端各装一手枪。在S系中的x轴上固定另一根长尺，当后者从前者旁边经过时，S系中的观察者同时扳动两手枪，使子弹在S系中的尺上打出两个记号。试问在S系中这两个记号之间的距离是小于、等于、还是大于1 m?,S,S,26,解,1 一门宽为a,今有一固有长度为L0 (L0a)的水平细杆,在门外贴近门的平面内沿其长度方向匀速运动,若站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进此门,则该杆相对于门的运动速度 至少为多少?,27,2 宇宙飞船相对于地面以速度 作匀速直线运动，某时刻飞船头部的宇航员向尾部发出一个光信号，经过t（飞船上的钟）后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞

9、船的固有长度为: (A)c t (B) (C) (D),28,运 动 的 钟 走 得 慢,3、时间的延缓(动钟变慢),29,系同一地点 B 发生两事件,在 S 系中观测两事件,时间间隔,30,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 .,固有时间,31,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.,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

10、变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等 . ）,32,例3 设想有一光子火箭以 速率相对地球作直线运动 ，若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得此事用去多少时间 ？,运动的钟似乎走慢了.,解: 设火箭为 系、地球为 S 系,33,4 一短跑选手，在地球上以10 s的时间跑完100 m.在飞行速度为0.98c 的飞船中的观测者来看，这选手跑了多长时间和多长距离？,解 首先要明确，起跑是一个事件，到终点是另一个事件，这是在不同地点发生的两个事件所以不能套用时间膨胀公式，应用洛伦兹坐标变换式来计算时间间隔,34,从这里可以看出，运用时间膨胀公式得

11、到相同的结果，其原因是在本题中:,解,35,这一条件不是任何时候都能满足的！但在地球这一有限空间内，是可以满足的，虽然这两事件并不同地，但可近似地套用时间膨胀公式.本题求距离，所以可以套用长度缩短公式：,36,但如果本题要计算起跑和到达终点两个事件的空间间隔,空间间隔是负的！,则,37,爱因斯坦想“追光”。当16岁的爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学上学时，就曾设想过以光的速度c随同光线运动时光的电磁场该是怎样呢？那是一个在空间振荡而停滞不前的电磁场，还是与静止在地球上的观察者所看到的一样？他为此沉思了10年。现在要问，假设能造出光子火箭，在以光速c飞行的飞船上测定的光速该是多少？,在以光速运动飞船上

12、观察者看到的电磁场与地球上的观察者所观察的一样，测得的光速仍然是c，按爱因斯坦速度变换也是c .,38,1）相对论动量,当 时,一动量与速度的关系,2）相对论质量,静质量 ：物体相对于惯性系静止时的质量 .,在不同惯性系中大小不同 .,当 时,14.3 狭义相对论的动力学基础,（遵循洛伦兹变换）,39,二狭义相对论力学的基本方程,相对论动量守恒定律,当 时， 急剧增加 , 而 ，所以光速 C 为物体的极限速度.,当 时,40,三质量与能量的关系,动能定理,设,积分:,利用 和,相对论动能,41,当 时,相对论动能,质能关系预言：物质的质量就是能量的一种储藏 ., 相对论能量和质量守恒是一个统一

13、的物理规律。,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的意义的理论公式 .,相对论质能关系,42,例：,现有 100 座楼，每楼 200 套房，每套房用电功率 10k W ，总功率 ，每天用电 10 小时 ，年耗电量 ，可用约 33 年。,1千克汽油的燃烧值为 焦耳 .,43,五. 动量与能量的关系,极端相对论近似,光子,光的波粒二象性,44,有一粒子静止质量为m0，现以速度v=0.8c运动，有人在计算它的动能时，用了以下方法：,再根据动能公式，有,正确吗？,首先计算粒子质量:,错误!,相对论动能公式为,45,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,也可如此计算,46,m=M0-MHe=0.03038u由E=(m)c2 得:,=4.539 10-12J,结合成1mol氦核时(4.002g)放出热能,Emol=1.602 1023 E=2.733 1012J,原子核的结合能,质子,中子质量分别为mp=1.00728u,mn=1.00866u,实验测得两质子与两中子结合成一氦核时的质量为MHe=4.00150u,试计算形成一氦核时放出的热量.(1u=1.660 10-27kg),解:两质子与两中子结合前总质量为M0=2(mp+ mn)=4.03188u结合成一个氦核时的质量亏损为:,