高二物理竞赛狭义相对论基本原理 狭义相对论的时空观课件.pptx

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1、第四章 相对论基础,4-2 狭义相对论基本原理 狭义相对论的时空观,爱因斯坦,“像我这类型的人，当我们不再只关心个人或暂时的事情，而把全部精力投注到对事物的知性理解时，人生旅程就产生了决定性的转变。我们这类人生命中最重要的事，在于思考什么和如何思考，而不是做什么和感受什么。”,2,目 录,第一章 力和运动第二章 运动的守恒量和守恒定律第三章 刚体和流体的运动第四章 相对论基础第五章 气体动理论第六章 热力学基础第七章 静止电荷的电场第八章 恒定电流的磁场第九章 电磁感应 电磁场理论,4-1 经典力学的时空观 伽利略相对性原理4-2 狭义相对论基本原理 狭义相对论的时空观4-3 洛伦兹变换4-4

2、 相对论速度变换4-5 狭义相对论动力学基础*4-6 广义相对论简介,3,光速？,例：在系中测得光在真空中速率 在系中测得光在真空中速率 为相对于的速度,与参考系无关,伽利略坐标变换：,麦克斯韦电磁场理论：,与参考系有关,矛盾？,4,假设1：光速不变原理, 光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速率都是相等.,1905年爱因斯坦发表了论文论动体的电动力学，提出了两个假设，并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学。,说明：不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的。,光速不变原理是由联立求解麦克斯韦方程组得到的，并为迈克耳孙-莫雷实验所证实。,5

3、,假设2：爱因斯坦相对性原理,问题2： 对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？, 爱因斯坦相对性原理：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。,两个基本问题,狭义相对论的回答：,爱因斯坦相对性原理是伽利略相对性原理的推广、发展；不但适用于力学规律，而且适用于所有物理规律。,讨论1,6,爱因斯坦的两条基本假设和伽利略变换是相矛盾的;伽利略变换是牛顿绝对时空观的直接反映。狭义相对论导出新的时空变换公式：洛仑兹变换。,光速不变与伽利略的速度变换公式针锋相对。, 光速不变原理 与 伽利略变换,讨论2,7, 观念上的变革,牛顿力学,与参考系无关,狭

4、义相对论力学,长度 时间 质量与参考系有关,光速不变,(相对性),8,目 录,第一章 力和运动第二章 运动的守恒量和守恒定律第三章 刚体和流体的运动第四章 相对论基础第五章 气体动理论第六章 热力学基础第七章 静止电荷的电场第八章 恒定电流的磁场第九章 电磁感应 电磁场理论,4-1 经典力学的时空观 伽利略相对性原理4-2 狭义相对论基本原理 狭义相对论的时空观4-3 洛伦兹变换4-4 相对论速度变换4-5 狭义相对论动力学基础*4-6 广义相对论简介,“同时”的相对性时间的膨胀长度的缩短,9, 相对论时间：“同时”的相对性,爱因斯坦： 时间的度量是相对的！对于不同的参考系，同样的先后两个事件

5、之间的时间间隔是不同的。 “同时的相对性”,理想实验：,v,A,B,C,A,B,C,接受光,在C看来同时发生，在C看来不同时：,接受光,“同时”的相对性,10,分析以上情况得结果可以得出以下结论：,沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件:在其中一个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中表现为不同时的。,“同时”的相对性,“同时”的相对性是光速不变原理的直接结果。, 相对论时间：时间膨胀,11,另外， S系相对 S 系运动的速度 u 越大，在S 系测得两个事件的时间间隔就越长，这就是说，对不同的参照系，同样的两个事件之间的时间间隔是不同的。即时间的量度是相对的。,狭义相对论关于时间测量的观点：时

6、间不再是绝对的、与参照系无关的；而是相对的，与参照系有关的。,相对论时间：时间膨胀,12,运动的钟走得慢,时间膨胀：讨论,13,不同参照系测得的同样两个事件的时间间隔: 与参照系的相对运动速度u 和光速C 有关。,时间膨胀是相对运动的效应，并不是事件内部机制或钟的内部结构有什么变化，实际上是时间量度具有相对性的客观反映。,原时(固有时)在某一参照系中同一地点(A)先后 发生的两个事件之间的时间相隔。 t,原时最短。而在其它参照系中测得的同样两个事件之间的时间相隔要长，这个效应运动的时间膨胀。,例题 4-1,14,一飞船以的速率,匀速飞行，飞船上的钟走了5s 的时间。求：用地面上的钟测量经过了多

7、长时间？,相对于地面（假定为惯性系）,例题 4-2,15,带正电的 介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为 ,过后衰变为一个 介子和一个中微子.今产生一束 介子，在实验室测得的速率为求：在实验室测得衰变前 介子通过的距离。,解：,静止时平均寿命为,在实验室测得的速率,衰变前通过的距离,理论计算结果与实验结果(54米)差别很大，为什么？,例题 4-2,16,带正电的 介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为 ，过后衰变为一个 介子和一个中微子。今产生一束 介子，在实验室测得的速率为求：在实验室测得衰变前 介子通过的距离。,解：,静止的 出生、死亡两事件都发生在同一地点，为原时。,当

8、 介子运动时，出生和死亡发生在不同地点，寿命要长些：,衰变前通过的距离：,理论计算结果与实验结果符合的非常好。,17,生命在于运动？,相对论效应真的会产生长寿吗？,18,例题,你的星际飞船以相对速率0.999c经过地球。10年后(你的时间)后，你掉头以相同速率飞向地球，回程又用10年(你的时间)。问：在地球测量来回的时间有多长？(忽略掉头停顿及加速的影响),双生子佯谬,在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P朗之万用双生子实验来质疑狭义相对论的时间膨胀效应，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎中的一人回到地球时只不

9、过两岁，而他的兄弟早已逝去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子佯谬。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是狭义相对论无法处理的。广义相对论表明，这个实验的结果是符合事实的，没有逻辑上的问题。双胞胎中的星际旅行者经历的时间比地球上的同胞兄弟经历的时间短。因此返航会面时B将比A年轻。双生子佯谬是真实的效应，它可以使宇航员在有生之年到达非常遥远的星系。,19,yng mi, 相对论空间：长度收缩,20,根据爱因斯坦的观点，既然“同时”是相对的，那么长度的测量也必定是相对的。长度测量和参照系的运动有关，其关系如何？,长度收

10、缩：理想实验,21,假设两个参照系 S 和 S.,有一根细棒 固定在X 轴上,设：在S系测得它的长度为 ,问：在S 系测得它的长度 为多长？,长度收缩：理想实验,22,在S 系中的X 轴上取一点,设想在S 系中某一时刻 棒的 端经过 ，,在其后的时刻 棒的 端经过 。,由于棒的运动速度为u ，所以在S 系测得它的长度应该是,在S 系中,S,长度收缩：理想实验,23,这两个事件之间的时间间隔：,由于棒长为 ，所以在S系测量,从S系来看，棒是静止的， S 系向左运动，,这一点相继经过棒的 和 端。,在S系中,经过棒的 和 端,S,长度收缩：理想实验,24,和 都是指同样两个事件之间的时间间隔,由于

11、 是S 系一固定点，所以 是这两个事件之间的固有时。,S,长度收缩：讨论,25,原长（静止长） 在棒静止的参照系中测得的长度。,从上面的关系式可以看出原长最长，而在其它参照系中测得的长度要短， 这个效应运动的长度缩短,原长是静止在此参照系中的观测者测得的结果。,例如上面例中的l,问题？,有一枚以接近于光速相对于地球飞行的宇宙火箭，在地球上的观察者将测得火箭上的物体长度缩短，过程的时间延长，有人因此得出结论说：火箭上观察者将测得地球上的物体比火箭上同类物体更长，而同一过程的时间缩短这个结论对吗？,26,答: 在狭义相对论中，“长度收缩”和“时间膨胀”都是相对的。若以火箭和地球为相对运动的惯性参考

12、系，则火箭上的观察者同样会测得相对地球静止物体的长度缩短，而地球上同一地点先后发生两事件的时问间隔变长。,狭义相对论时空观的观点,时间和空间不可分割，与物质运动密切相关。时间是相对的，时间间隔随惯性系不同而异；空间是相对的，在不同的惯性系中，相同两点的空间间隔不同。,27,小 结,28,运动的长度缩短效应,运动的时间膨胀效应,爱因斯坦狭义相对论时空观可以概括为下面两个效应：,在这里时间和长度的测量是相对的，和参照系有关。,另外，当 时，,因子,在这种情况下，两参照系测得的时间间隔和长度结果都一样，即时间和长度的测量与参照系无关，这就是牛顿时空观。,可见牛顿时空观是爱因斯坦狭义相对论时空观的近似

13、。,小 结,29,特别注意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的 X 轴方向上，在Y 轴方向上无长度缩短效应！,假想实验：火车钻洞,30,问题：在山洞外停一列火车，车厢高度与洞顶高度相同。现使车厢匀速地向山洞开去，这时它的高度是否和洞顶高相等？,例题 4-3,31,一艘原长为5m 的飞船以 的速率相对于地面（假定为惯性系）匀速飞行。,求：从地面上测量飞船的长度为多少？,例题 5-4,32,地球与牛郎星相距为 = 光年，一艘宇宙飞船应以多大的速度飞行才可用 1 年的时间到达牛郎星？,例题 5-4,33,解：,注意分清参考系：,1年的时间,地球（牛郎星）参考系S,飞船参考系S ,方法2：

14、在S 系中考虑问题,但因钟慢效应：,应有：,仍得：,注意： 与钟一起运动的 观测者是感受不 到钟变慢效应的.,地球与牛郎星相距为 = 光年，一艘宇宙飞船应以多大的速度飞行才可用 1 年的时间到达牛郎星？,34,长度,若物体相对观察者处于静止状态 它的长度可由测量该物体两端点之间的空间坐标来确定，这种测量可在任何时刻进行，结果为：固有长度。对于运动物体沿运动方向的长度 （动尺变短） 必须在同一时刻测量物体两端点的空间坐标，这两个坐标的间隔就是运动物体的长度，其值小于固有长度。,若两事件发生于相对观测者静止的同一地点 观察者用一个时钟测得的两事件的时间间隔为：固有时。若两个事件发生在两个不同的地点

15、 （动钟变慢） （相对于另一个相对运动的惯性系中的观察者而言） 其时间间隔由该两处完全同步的时钟测定，比固有时膨胀了.,小 结,时间,35,微观物质运动&宏观物体运动有质的区别,宏观物体的运动状态：可同时指出它在某一时刻的位置和速度(或动量) 牛顿运动方程微观物质不可能同时具有确定的位置和动量。,不确定性,作业,36,习题（P162）： 4-4、4-5、4-7、4-10,爱因斯坦在 1918 年 4 月普朗克60岁生日庆祝会上的一段讲话：“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱好科学是为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的目的。而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，这是他无穷的毅力和耐心的源泉。 他成了一个以伟大的创造性观念造福于世界的人。”,