第6章狭义相对论基础PPT讲稿.ppt

《第6章狭义相对论基础PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章狭义相对论基础PPT讲稿.ppt（58页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第6章狭义相对论基础章狭义相对论基础第1页，共58页，编辑于2022年，星期二第第 6 6 章章 狭义相对论基础狭义相对论基础q狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理q相对论的时空观相对论的时空观q相对论动力学相对论动力学第2页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理q伽利略变换与经典时空观伽利略变换与经典时空观q狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设q洛伦兹变换洛伦兹变换第3页，共58页，编辑于2022年，星期二伽利略变换与经典时空观伽利略变换与经典时空观1.力学相对性原理力学相对性原理 q经经典典力力学学认

2、认为为，所所有有惯惯性性系系都都是是等等价价的的,即即在在所所有有惯惯性性系系中中，同同一一力力学学现现象象将将按按同同样样的的形形势势发发生生和和演演变变，经经典典力力学学的的基基本本方方程程都都具具有有相相同同的的数数学学形形式式。这这个个结结论论称称为为力力学学相相对对性性原原理理，或或者者牛牛顿顿相相对对性性原原理理，又又称称为为伽伽利利略不变性略不变性。q这个原理将由这个原理将由伽利略变换伽利略变换来保证。来保证。第4页，共58页，编辑于2022年，星期二伽利略变换与经典时空观伽利略变换与经典时空观2.伽利略变换伽利略变换q初始条件初始条件重合重合时，时，与与q伽利略坐标变换伽利略坐

3、标变换第5页，共58页，编辑于2022年，星期二伽利略变换与经典时空观伽利略变换与经典时空观q由由伽伽利利略略变变换换可可知知，时时间间与与空空间间的的量量度度彼彼此此无无关关，与与参参照照系系的的运运动动状状态态无无关关，都都是是绝绝对对的的，并并且且与与物物质质的的质质量量（或或者者物物质质本本身身）也也无无关关。所所以以说说，经经典典时时空空观观又又称称绝绝对对时时空空观观，伽利略变换是经典时空观的集中体现。伽利略变换是经典时空观的集中体现。q由伽利略坐标变换不难验证力学相对性原理由伽利略坐标变换不难验证力学相对性原理第6页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对

4、论产生的背景q19世世纪纪末末，麦麦克克斯斯韦韦建建立立了了完完整整的的电电磁磁理理论论，预预言言了了电电磁磁波波的的存存在在，揭揭示示了了光光的的电电磁磁本本性性。热热学学，统统计计物物理理学学，分分子子运运动动论论等等经经典典物物理理学学理理论论也也已已基基本本形形成成体体系系并并在在各各个个科科学学领领域域出出现现了了所所向向披披靡靡的的形形式式。这这时时，很很多多人人认认为为物物理理学学已已发发展展到到顶顶，物物理理学学家家除除了了作作些些细细枝枝末节的工作外将无事可做。末节的工作外将无事可做。第7页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q但但是是

5、，这这样样的的物物理理大大厦厦是是建建立立在在以以牛牛顿顿经经典典力力学学为为代代表表的的机机械械论论基基础础之之上上的的，其其突突出出表表现现就就是是“以以太太假假说说”。这这个个假假说说认认为为，像像水水是是传传播播水水波波的的介介质质一一样样，以以太太是是传传递递包包括括光光波在内的波在内的电磁波电磁波的的介质介质。第8页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q由于光速很大，电磁波又是横波，所以，以由于光速很大，电磁波又是横波，所以，以太这种介质必须具有很高的剪切模量和杨氏太这种介质必须具有很高的剪切模量和杨氏模量，也即具有很大的粘性，同时又必须是模

6、量，也即具有很大的粘性，同时又必须是透明的，无处不在的，宇宙中大大小小的天透明的，无处不在的，宇宙中大大小小的天体浸在其中，在以太中穿行，又不会受到它体浸在其中，在以太中穿行，又不会受到它的任何拖曳力，这样的介质真是不可思议。的任何拖曳力，这样的介质真是不可思议。第9页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q同同时时，麦麦克克斯斯韦韦的的四四个个电电磁磁方方程程组组不不满满足足伽伽利利略略变变换换而而满满足足洛洛伦伦兹兹变变换换！因因此此人人们们认认为为存存在在一一个个相相对对于于以以太太静静止止的的绝绝对对参参考考系系，麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组只只在

7、在绝绝对对参参考考系系中中成成立立，在在这这个个参参考考系系中中电电磁磁波波在在真真空空中中沿沿各各个个方方向向的的传传播播速速度度都都是是恒恒量量 c。而而在在相相对对于于以以太太运运动动的的惯惯性性系系中中则则一一般般不不等等于于恒恒量量 c。地地球球在在以以太太中中穿穿行行，测测量量地地球球相相对对于于以以太太的的绝绝对对运运动动，自然就成了当时人们首先关心的问题。自然就成了当时人们首先关心的问题。第10页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q迈克耳孙迈克耳孙 莫雷莫雷在在1887年利用设计年利用设计精巧的精巧的迈克耳孙干迈克耳孙干涉仪涉仪，在沿着

8、地球，在沿着地球运动方向和垂直地运动方向和垂直地球运动方向上所做球运动方向上所做实验的结果，无可实验的结果，无可争辩的否定了地球相对以太的绝对运动，也即争辩的否定了地球相对以太的绝对运动，也即是说，作为绝对参考系的以太并不存在。是说，作为绝对参考系的以太并不存在。第11页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q迈迈克克耳耳孙孙 莫莫雷雷否否定定以以太太存存在在的的实实验验结结果果被被当当时时的的人人们们称称为为物物理理学学晴晴朗朗天天空空中中的的一一朵朵“乌乌云云”。正正是是这这朵朵“乌乌云云”对对20世世纪纪初初的的物理革命起了重要的先导作用。物理革命起

9、了重要的先导作用。q问题：问题：麦克斯韦的四个电磁方程组麦克斯韦的四个电磁方程组错了错了？或者是伽利略变换或者是伽利略变换错了错了？第12页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论产生的背景狭义相对论产生的背景q爱因斯坦用了十年的时间，在他头脑中做着爱因斯坦用了十年的时间，在他头脑中做着一个理想实验：如果电梯以光速运动，人们一个理想实验：如果电梯以光速运动，人们看到的世界将是什麽样子的？看到的世界将是什麽样子的？q1905年，爱因斯坦用了一周的时间，将其研年，爱因斯坦用了一周的时间，将其研究结果写成究结果写成论动体的电动力学论动体的电动力学一文，发一文，发表在当时的德国表在当时的德国物理

10、年鉴物理年鉴上，这就是上，这就是狭狭义相对论义相对论。第13页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设1.爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理q所所有有的的物物理理规规律律（包包括括力力学学规规律律）对对所所有有的的惯惯性性系系都都是是等等价价的的,不不存存在在任任何何一一个个特特殊殊的的惯惯性性系系（如如绝绝对对参参考考系系），所所有有的的物物理理基基本本方方程程在在所所有有的的惯惯性性系系中中都都具具有有相相同同的的数数学学形形式。这个结论称为式。这个结论称为爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理。q这个原理将由这个原理将由洛伦兹变换洛伦兹变换来保证。来保

11、证。第14页，共58页，编辑于2022年，星期二狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设2.光速不变原理光速不变原理q在在任任一一惯惯性性系系中中测测得得的的光光在在真真空空中中的的速速度度都都是是 c，与光源的运动状态无关。，与光源的运动状态无关。q根根据据这这两两个个基基本本原原理理，不不需需要要“以以太太”的的概概念念就就可可以推导出洛伦兹变换。以推导出洛伦兹变换。第15页，共58页，编辑于2022年，星期二洛伦兹变换洛伦兹变换q麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组在在不不同同惯惯性性坐坐标标系系中中变变换换时时，只只有有用用洛洛伦伦兹兹变变换换才才能能保保证证其其公公式式的的数数学学形形式不变

12、。式不变。第16页，共58页，编辑于2022年，星期二洛伦兹变换洛伦兹变换q洛伦兹逆变换：洛伦兹逆变换：q从洛伦兹变换可知：从洛伦兹变换可知：q 即一切物体的运动速度都即一切物体的运动速度都不能超过真空中的光速不能超过真空中的光速。第17页，共58页，编辑于2022年，星期二洛伦兹变换洛伦兹变换q光光在在真真空空中中的的速速度度是是物物质质运运动动或或信信息息传传递递速速度的极限，而不是速度的极限。度的极限，而不是速度的极限。第18页，共58页，编辑于2022年，星期二洛伦兹变换洛伦兹变换q设设棒棒无无限限长长，当当棒棒以以速速度度 v 沿沿 y 轴轴方方向向运运动动时时,棒棒与与 x 轴轴的

13、的交交点点 A 以以速速度度vx 沿沿 x 轴轴方方向向运运动动。显然显然vx与与 v 和和有关。有关。oAAvxxBv第19页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的时空观相对论的时空观 洛伦兹逆变换：洛伦兹逆变换：u 换成换成-u q从从洛洛伦伦兹兹变变换换可可知知：时时间间、空空间间的的量量度度与与参参照照系系的的运运动动状状态态有有关关，并并且且与与物物质质有有关关。洛洛伦伦兹兹变变换换是是相相对对时时空空观观的的集集中体现。中体现。第20页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的时空观相对论的时空观q相对时空观相对时空观四维世界四维世界x,y,z,t宇宙的外面是什么？宇宙的外

14、面是什么？问题问题 第21页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的时空观相对论的时空观q同时的相对性同时的相对性q时间延缓效应时间延缓效应q长度收缩效应长度收缩效应q速度变换法则速度变换法则第22页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q理想试验理想试验在火车上在火车上分别放置信号接收器分别放置信号接收器放置光信号发生器放置光信号发生器中点中点Einstein trainEinstein train地面参考系地面参考系第23页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性某时某时M 发一光信号发一光信号M 发出的闪光发出的闪光光速为光速为A A B B

15、 同时接收到光信号同时接收到光信号在在 S S中看中看在在 S S 中看，中看，处闪光处闪光 光速也为光速也为AA迎着光，比迎着光，比 B B早接收到光早接收到光第24页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q讨论讨论同时性的相对性是光速不变原理的直接结同时性的相对性是光速不变原理的直接结果果当速度远远小于当速度远远小于 c 时，两个惯性系得到相同时，两个惯性系得到相同结果结果同时性的相对性具有相对效应同时性的相对性具有相对效应第25页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q装置固定在装置固定在 S S 系中系中S S 系中：系中：两事件同时发生两事

16、件同时发生S S 系认为：系认为：B B 迎着光，比迎着光，比 A A 早接收到光。早接收到光。q时间的度量是相对的时间的度量是相对的第26页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q由洛仑兹变换讨论同时性的相对性由洛仑兹变换讨论同时性的相对性事件事件1 1事件事件2 2第27页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q讨论讨论q两两个个事事件件发发生生的的时时间间顺顺序序，在在不不同同的的参参考考系系中中观观察，有可能颠倒。察，有可能颠倒。第28页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q举例举例事件事件1 1：子弹出膛子弹出膛事件

17、事件2 2：中靶中靶子弹子弹在实验室参考系中，应先开枪后中靶。在实验室参考系中，应先开枪后中靶。在高速运动的参考系中，是否能先中靶，后开枪？在高速运动的参考系中，是否能先中靶，后开枪？第29页，共58页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性q有因果关系的两事件的时序不会颠倒有因果关系的两事件的时序不会颠倒子弹速度子弹速度信号传递速度信号传递速度q例题例题P.315 第30页，共58页，编辑于2022年，星期二时间延缓效应时间延缓效应q讨论讨论q同同一一地地点点先先后后发发生生的的两两个个事事件件之之间间的的时时间间间隔称为固有时。间隔称为固有时。q固有时最短固有时最短。第31页，共

18、58页，编辑于2022年，星期二时间延缓效应时间延缓效应q时间延缓也具有相对效应时间延缓也具有相对效应q固有时最短固有时最短。q同同一一地地点点先先后后发发生生的的两两个个事事件件之之间间的的时时间间间隔称为固有时。间隔称为固有时。q即即在在静静止止参参考考系系中中同同一一地地点点先先后后发发生生的的两两事事件件的时间间隔，由运动参考系观察是延长了。的时间间隔，由运动参考系观察是延长了。第32页，共58页，编辑于2022年，星期二时间延缓效应时间延缓效应q运动时钟变慢运动时钟变慢 实验表明相对于浩瀚宇宙做运动的时钟变慢。实验表明相对于浩瀚宇宙做运动的时钟变慢。a.慢慢qP.302-305自己看

19、自己看 q例题例题P.305 第33页，共58页，编辑于2022年，星期二长度收缩效应长度收缩效应q设一长杆沿设一长杆沿 x 轴放置轴放置 S 系系中，杆静止不动，杆长中，杆静止不动，杆长 l=x2 x1 S系系中，同时测得杆两端坐标为中，同时测得杆两端坐标为 （x1,t）和（）和（x2,t）则杆长则杆长 l=x2 x1第34页，共58页，编辑于2022年，星期二长度收缩效应长度收缩效应因为因为故故q固有长度最长固有长度最长。q杆静止时测得的长度称为固有长度。杆静止时测得的长度称为固有长度。第35页，共58页，编辑于2022年，星期二长度收缩效应长度收缩效应因为因为故故q这种这种长度收缩效应长

20、度收缩效应也是一种也是一种相对效应相对效应。q固有长度最长固有长度最长。q杆静止时测得的长度称为固有长度。杆静止时测得的长度称为固有长度。第36页，共58页，编辑于2022年，星期二长度收缩效应长度收缩效应q例题例题P.309 q垂直于相对运动方向的长度测量与运动无关。垂直于相对运动方向的长度测量与运动无关。第37页，共58页，编辑于2022年，星期二速度变换法则速度变换法则 洛伦兹变换：洛伦兹变换：第38页，共58页，编辑于2022年，星期二速度变换法则速度变换法则 洛伦兹变换：洛伦兹变换：第39页，共58页，编辑于2022年，星期二速度变换法则速度变换法则 洛伦兹变换：洛伦兹变换：第40页

21、，共58页，编辑于2022年，星期二速度变换法则速度变换法则q相对论速度变换相对论速度变换q伽利略速度变换伽利略速度变换第41页，共58页，编辑于2022年，星期二速度变换法则速度变换法则q相对论速度相对论速度逆逆变换变换将带撇的量和不带将带撇的量和不带撇的量相互交换，撇的量相互交换，同时把同时把 u 换成换成-u 即可。即可。q例题例题P.317 第42页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论动力学相对论动力学q相对论的动量和质量相对论的动量和质量q相对论动力学基本方程相对论动力学基本方程q质能关系质能关系q能量能量 动量关系动量关系第43页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的动

22、量和质量相对论的动量和质量q动动量量守守恒恒定定律律在在任任何何惯惯性性系系都都符符合合不不变变式式的的要求时，动量要求时，动量 P 应写成：应写成：式式中中 m0 是是质质点点在在静静止止参参考考系系中中的的质质量量，称称为为静静止止质量质量。第44页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的动量和质量相对论的动量和质量q称为质点的称为质点的相对论质量相对论质量。与牛力形式相同与牛力形式相同qP.320自己看自己看 第45页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论的动量和质量相对论的动量和质量q举例举例地球公转地球公转 v=3104 m/s 则则而电子加速到而电子加速到 v=0.98c，

23、则，则第46页，共58页，编辑于2022年，星期二相对论动力学基本方程相对论动力学基本方程q而不能再写成而不能再写成q因因为为质质量量 m 是是速速度度的的函函数数，则则牛牛顿顿第第二二定定律律为为第47页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q相对论动能相对论动能q设设质质点点受受力力沿沿 x 轴轴方方向向，且且 t=0 时时 v=0，则力则力 F 做功即为质点动能的增量做功即为质点动能的增量第48页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q两边求微分两边求微分第49页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q称为相对论动能公式称为相对论动能公式q令令称

24、为物体的称为物体的静止能量静止能量。是物体的总能量，即是物体的总能量，即相对相对论质能关系论质能关系。q则则第50页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q原子弹原子弹 第51页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q核电站核电站第52页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q例题例题 1 千克千克 100 0C的水，冷至的水，冷至 0 0C时放热多时放热多少？水的质量减少多少？少？水的质量减少多少？q解解：水的能量减少量：水的能量减少量E=1千克千克4.21000(焦耳焦耳/千克千克 0C)100 0C =4.2105 焦耳焦耳 与此相对应的质量减少

25、为与此相对应的质量减少为第53页，共58页，编辑于2022年，星期二质能关系质能关系q例题例题P.328第54页，共58页，编辑于2022年，星期二能量能量 动量关系动量关系q由由q这就是这就是相对论能量相对论能量-动量关系动量关系得得代入代入得得第55页，共58页，编辑于2022年，星期二能量能量 动量关系动量关系q当粒子具有动能时当粒子具有动能时代入代入时时得得第56页，共58页，编辑于2022年，星期二能量能量 动量关系动量关系q对光子对光子 m0=0 E=pcq即即:静止质量为零的粒子总是以光速静止质量为零的粒子总是以光速 c 运动。运动。q动量能量在不同参考系之间的变换自己看动量能量在不同参考系之间的变换自己看q例题例题P.332第57页，共58页，编辑于2022年，星期二第58页，共58页，编辑于2022年，星期二