高二物理竞赛狭义相对论的时空观课件.pptx

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1、狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观2狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观( (1) ) 两个事件在不同的惯性系看来，它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相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义才有意义.( (2) )时时空不互相独立，而是不可分割的空不互相独立，而是不可分割的整体整体.( (3) )光速光速 C 是建立不同惯性系间时空变是建立不同惯性系间时空变换的纽带换的纽带.u u- - u uu uv vA A（碰前）（碰前）（碰后）（碰后）S系系S 系系m mA Am mB BBA Am

2、 mA AB Bx xxxB BS S 系相于系相于S S系以速度系以速度u u沿沿x x轴正向作匀速直线运动，轴正向作匀速直线运动，S S系看来，系看来，m mB B是静止的，此时若保持质量不变，在是静止的，此时若保持质量不变，在洛伦兹变换下洛伦兹变换下则动量则动量不守恒，即不守恒，即mmm2BA=+02BBAA=+mmmvvvvmmm2BA=+mumm20BAA+vv4 反映运动参考系中时间节奏的一切物理过程、反映运动参考系中时间节奏的一切物理过程、化学过程、生物过程化学过程、生物过程都变慢了。而都变慢了。而 在在 这这 运动参考系中的运动参考系中的 人毫无察觉、认为一切正常！人毫无察觉、

3、认为一切正常！（各个惯性系都是平权的）（各个惯性系都是平权的）钟慢效应或时间延缓，完全是时间本身钟慢效应或时间延缓，完全是时间本身 与参考系的运动有关的与参考系的运动有关的 一种客观性质。一种客观性质。实际上到底有没有时间延缓效应？实际上到底有没有时间延缓效应？时间延缓早已被高能粒子的许多实验所证实。时间延缓早已被高能粒子的许多实验所证实。5 e 例例. 在大气上层九千米处在大气上层九千米处,宇宙射线中有宇宙射线中有 - 介子介子,速度约为速度约为 u = 2.99108 m/s= 0.998c， - 介子在静止的参考系中介子在静止的参考系中,平均寿命为平均寿命为 210-6s，它会衰变为电子

4、和中微子，它会衰变为电子和中微子，若没有时间延缓效应若没有时间延缓效应,它们从产生到衰变掉它们从产生到衰变掉的时间里，是根本不可能到达地面的实验室的：的时间里，是根本不可能到达地面的实验室的：我们记 （原时） t = 210-6s因为，它走过的距离只有 ut=2.99108210-6 = 600 m！但事实是, 介子到达了地面实验室！ 6这可用时间延缓效应来解释：在地面参考系S上看, -的寿命是两地时,记作t scutt5262210163998011021 .它比原时 210-6 s 约长16倍！将运动参考系S建立在 -上,按此寿命计算,它在这段时间里，在地面系走的距离为 ut =2.994

5、1083.1610-5 = 9461 m （所以能到地面，与实验一致）xx 7在高能物理的领域里,相对论得到了大量实验的证实。我们设想:某人在 u = 0.998c的高速宇宙飞船中渡过了一天（他是在惯性系中,并没有感到什么不舒服）,那么用地面惯性系中的一系列钟来测量,同样道理,一定会发现他经历了16天！孪生子效应哥哥坐高速飞船，回来时会比弟弟年轻。能否用实验验证？tt0 tt uu8 实验值： 绕地球一周的 运动钟变慢： 203 10ns理论值： 运动钟变慢： 184 23 ns实验值和理论值在误差范围内是一致的。 1971年，美空军用两组Cs（铯）原子钟作实验。 实验验证了孪生子效应确实是存

6、在的。9钟慢效应或时间延缓是一种相对效应:？“到底哪个参考系的钟走慢了？到底哪个参考系的钟走慢了？”反过来, S系也相对于S系运动，S系中一个静止的钟 C , 与 S系中一系列钟相比，它也是变慢了呀！S系相对于S系运动, S系的钟变慢了，？弟弟与哥哥的地位是完全相对的， 弟弟看到哥哥年轻； 哥哥也应看到弟弟年轻呀！10答：弟弟是惯性系。？哥哥有加速度，反过来弟弟也有加速度呀！答：有没有加速度（是不是惯性系）， 完全是可以由实验来测定的。哥哥要绕回来与弟弟见面，哥哥有加速度，是非惯性系。哥俩地位不是完全相对的。应该用广义相对论来证明，结论是：应该用广义相对论来证明，结论是： 确实确实“哥哥更年轻

7、哥哥更年轻”。孪生子效应孪生子效应11 例例 设想一光子火箭以设想一光子火箭以 速率相对地球作直线运动速率相对地球作直线运动 ，火箭上宇航，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去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此事用去多少时间则地球上的观察者测此事用去多少时间 ？c.950 vmin01.32min95. 0110122tt运动的钟似乎走慢了运动的钟似乎走慢了.min10t解解 设火箭为设火箭为 系、地球为系、地球为 S 系系S 综合题综合题 一艘飞船和一颗彗星分别相对地面以一艘飞船和一颗彗星分别相对地面以0.6c和和0.8c的速率相向的速率相向而行而行,在地

8、面上观测在地面上观测,再有再有5秒钟二者就要相撞秒钟二者就要相撞. 问问: (1) 飞船上看彗星的速度是多少飞船上看彗星的速度是多少? (2) 从飞船上的钟看从飞船上的钟看,经过多少时间二者经过多少时间二者 相撞相撞?1.1.力与动量力与动量vmP 状态量状态量合理合理dtPdF 合理合理持续作用持续作用FP持续持续但但 的上限是的上限是 cv随速率增大而增大随速率增大而增大m)(vmm 要求要求牛顿力学牛顿力学绝对质量绝对质量速度应无限增大速度应无限增大?矛盾出现矛盾出现! !问题出在哪里问题出在哪里?如何解决如何解决?4.5 动量与速度的关系动量与速度的关系v vA A可由洛伦兹变换公式得

9、出可由洛伦兹变换公式得出要保持动量守恒定律成立，质量应是与速度有关的相对量。要保持动量守恒定律成立，质量应是与速度有关的相对量。式中式中m mT T( (u u) )为碰撞后复合粒子的质量，为碰撞后复合粒子的质量，u u为其速度，所以为其速度，所以定义：定义： m m= =m m( (v) )；v =0=0时，时，m m0 0= =m m(0),(0), 静止质量。静止质量。质量守恒质量守恒动量守恒动量守恒22222AAA1211cuucuuucuu+=+=+=vvv)()(T0ummm=+vummuumm+=)()()(0Tvvv1)(00-=-=umuummvvv由洛伦兹速度变换公式有由洛伦兹速度变换公式有故故或或方程两边同乘方程两边同乘v/u，可解得，可解得取正号代入取正号代入m m( (v): ): 相对论质量相对论质量; ;m m0 0 : : 静止质量静止质量2201)(cmmvv-=1)(00-=-=umuummvvv2211cuvv-=2222221212vvvuccuu+=+=0222=-+vvvucu22A12cuu+=vv