普通物理学上册第四章.ppt

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1、前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录1第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础1.1.牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观伽利略变换伽利略变换2.2.狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设相对性原理相对性原理光速不变原理光速不变原理第第4 4章章 相对论基础相对论基础前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录2第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础3.3.洛伦兹变换洛伦兹变换逆变换逆变换正变换正变换前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录3第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论

2、基础相对论基础3.3.洛伦兹速度变换洛伦兹速度变换前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录4第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础4.4.相对性时空观相对性时空观时间膨胀时间膨胀长度收缩长度收缩同时的相对性同时的相对性前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录5第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础5.5.相对论质量相对论质量6.6.相对论动量相对论动量前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录6第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础8.8.相对论动力学方程相对

3、论动力学方程相对论动能相对论动能相对论动量与能量关系相对论动量与能量关系本章完本章完7.7.相对论能量相对论能量前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录7第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础以太以太 充满宇宙的假想物质。充满宇宙的假想物质。迈克尔孙迈克尔孙莫雷实验莫雷实验 用于证明以太存在的实验。用于证明以太存在的实验。实验结果：干涉条纹没有移动，证明以太不实验结果：干涉条纹没有移动，证明以太不存在。存在。4.1 4.1 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理洛伦兹变换洛伦兹变换前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录8第第第第4 4

4、4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础一一.狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理（1 1）相对性原理）相对性原理 物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的数物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式。学表达形式。（2 2）光速不变原理）光速不变原理 一切惯性系中，光在真空中的速率都相等。一切惯性系中，光在真空中的速率都相等。例如：动量守恒定律例如：动量守恒定律K 系中系中K 系中系中前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录9第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础牛顿力学牛顿力学时间时间长度长度质量质量与参照系与参照系无关无关

5、速度、加速度与参照系有关速度、加速度与参照系有关狭义相对论狭义相对论 时间时间长度长度质量质量与参照系与参照系有关有关前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录10第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础两个坐标系两个坐标系坐标轴重合时，取坐标轴重合时，取t=t=0K 系相对系相对K系沿系沿x轴方向以轴方向以v匀速直线运动。匀速直线运动。两组时空坐标两组时空坐标之间的变换关系。之间的变换关系。二二.洛伦兹变换洛伦兹变换 对应的坐标轴对应的坐标轴都平行。都平行。前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录11第第第第4 4 4 4章章章章 相对论

6、基础相对论基础相对论基础相对论基础 某时刻，质点某时刻，质点P在两个坐标系中的描述在两个坐标系中的描述前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录12第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础假想实验：假想实验：t=t=0时时，o和和 o重重合合，此此时时此此地地发发出出一闪光。一闪光。因为因为oP oP 某某时时刻刻光光传传到到P点。时空坐标点。时空坐标，由光速不变原理，由光速不变原理，所以，所以 t t即即时间是相对的时间是相对的。前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录13第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对

7、论基础正变换正变换逆变换逆变换洛伦兹变换洛伦兹变换前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录14第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础讨论：讨论：1)1)t与与x、v、t 均有关均有关2)2)v c 变换无意义，变换无意义，v的极限为的极限为c本节完本节完前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录15第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础4.2 4.2 相对论速度变换相对论速度变换速度分量式速度分量式K 系中系中K系中系中前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录16第第第第4 4 4 4章章章章

8、 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础由洛伦兹坐标变换由洛伦兹坐标变换对对t求导求导两式相除两式相除前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录17第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础由洛仑兹坐标变换由洛仑兹坐标变换对对t求导求导x方向的速度变换方向的速度变换y方向的速度变换方向的速度变换z方向的速度变换方向的速度变换前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录18第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础洛伦兹速度变换洛伦兹速度变换正变换正变换逆变换逆变换(略略)前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录

9、目录目录19第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础讨论讨论1.1.vc时，洛伦兹变换成为伽利略变换。时，洛伦兹变换成为伽利略变换。2.2.在洛伦兹速度变换下，光速不变。在洛伦兹速度变换下，光速不变。前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录20第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础例例1 1 在在地地面面上上，测测得得两两只只飞飞船船A、B分分别别以以+0.9c和和-0.9c的的速速度度沿沿相相反反的的方方向向飞飞行行,如如图图所所示示。求求飞飞船船A相对于飞船相对于飞船B的速度有多大。的速度有多大。P148P148

10、例题例题2 2 0.9c0.9c解解：飞飞船船A为为研研究究对对象象。飞飞船船B为为K系系，地地面面为为K 系系。K 系系相相对对K系系的的速速度度v=+0.9c，飞飞船船A相相对对K 系系的的速速度度u x=+0.9c，飞飞船船A相相对对于于K系系的的速速度度ux就是要求的速度就是要求的速度。由洛伦兹速度逆变换由洛伦兹速度逆变换本节完本节完前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录21第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础一一.同时的相对性同时的相对性 两两个个异异地地事事件件在在一一惯惯性性系系中中是是同同时时的的，在在另另一惯性系中是不同时的。

11、一惯性系中是不同时的。假假想想实实验验4.3 4.3 狭义相对论时空观狭义相对论时空观前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录22第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础洛伦兹变换洛伦兹变换导出导出同时的相对性同时的相对性 设设K系系中中两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x1,0,0,t1)和和B(x2,0,0,t2)，在在K 系系中中两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x 1,0,0,t 1)和和B(x 2,0,0,t 2)，由洛伦兹逆变换，由洛伦兹逆变换同时是相对的同时是相对的前页前页前页前页 后页后页后页后页

12、目录目录目录目录23第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础二二.时间的相对性时间的相对性K 系的时空间隔系的时空间隔K 系的时空间隔系的时空间隔 t (t0)称为称为固有时间固有时间 同一地点发生的两个事件的时间间隔同一地点发生的两个事件的时间间隔。假想实验假想实验由前页洛伦兹变换，得由前页洛伦兹变换，得（时间膨胀时间膨胀或或时间延缓时间延缓）前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录24第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 狭义相对论中，时间狭义相对论中，时间(间隔间隔)是相对的。是相对的。固有时间最短。固有时间

13、最短。在运动参照系中时间变大，称为在运动参照系中时间变大，称为时间膨胀效时间膨胀效应应，或，或动钟变慢动钟变慢。“时间膨胀效应时间膨胀效应”被粒子物理实验所证实。被粒子物理实验所证实。“时间膨胀效应时间膨胀效应”是相对论的时空效应，是相对论的时空效应，与钟的具体结构和其他外界因素无关。与钟的具体结构和其他外界因素无关。或或假假想想实实验验二二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录25第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础a.动钟变慢是相对的动钟变慢是相对的慢慢a.慢慢前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录26第第第第4 4 4 4章

14、章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 以以0.91c高速直线运动的高速直线运动的 介子，其平均飞行距离介子，其平均飞行距离为为17.135m，介子的固有寿命的实验值为介子的固有寿命的实验值为(2.603 0.002)10-8s，以，以0.91c高速运动的高速运动的 介子在实介子在实验室参考系的平均寿命验室参考系的平均寿命 介子的固有寿命的相对论理论值介子的固有寿命的相对论理论值前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录27第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础三三.空间的相对性空间的相对性运动杆为运动杆为K 系系K系中杆的长度系中杆的长度

15、K 系中的长度系中的长度称为称为固有长度固有长度（长度收缩长度收缩）时时，K 系（杆）相对系（杆）相对K系的速度为系的速度为v前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录28第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础由洛伦兹变换由洛伦兹变换两式相减两式相减时时前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录29第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础固有长度最大固有长度最大空间的相对性：空间的相对性：相对物体运动的参照系中所测得的相对物体运动的参照系中所测得的沿速度方向沿速度方向的物体长度，总是比静止参照系中测得的物体长

16、度，总是比静止参照系中测得的长度要短。叫做的长度要短。叫做长度收缩效应长度收缩效应或或尺缩效应尺缩效应。尺缩效应是相对的尺缩效应是相对的a.短短短短.前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录30第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础四四.相对性和绝对性相对性和绝对性相对性：相对性：1.1.运动描述的相对性。运动描述的相对性。2.2.同时的相对性。同时的相对性。3.3.时间间隔的相对性。时间间隔的相对性。4.4.空间间隔的相对性。空间间隔的相对性。绝对性：绝对性：1.1.因果关系。因果关系。2.2.时序先后。时序先后。本节完本节完前页前页前页前页 后

17、页后页后页后页 目录目录目录目录31第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础火车参照系火车参照系假想实验二假想实验二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录32第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录33第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录34第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础一一.同时的相对性同时的相对

18、性 两两个个异异地地事事件件在在一一惯惯性性系系中中是是同同时时的的，在在另另一惯性系中是不同时的。一惯性系中是不同时的。假假想想实实验验4.3 4.3 狭义相对论时空观狭义相对论时空观前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录35第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础洛伦兹变换洛伦兹变换导出导出同时的相对性同时的相对性 设设K系系中中两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x1,0,0,t1)和和B(x2,0,0,t2)，在在K 系系中中两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x 1,0,0,t 1)和和B(x 2,0,0,

19、t 2)，由洛伦兹逆变换，由洛伦兹逆变换同时是相对的同时是相对的前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录36第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础二二.时间的相对性时间的相对性K 系的时空间隔系的时空间隔K 系的时空间隔系的时空间隔 t (t0)称为称为固有时间固有时间 同一地点发生的两个事件的时间间隔同一地点发生的两个事件的时间间隔。假想实验假想实验由前页洛伦兹变换，得由前页洛伦兹变换，得（时间膨胀时间膨胀或或时间延缓时间延缓）前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录37第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相

20、对论基础 狭义相对论中，时间狭义相对论中，时间(间隔间隔)是相对的。是相对的。固有时间最短。固有时间最短。在运动参照系中时间变大，称为在运动参照系中时间变大，称为时间膨胀效时间膨胀效应应，或，或动钟变慢动钟变慢。“时间膨胀效应时间膨胀效应”被粒子物理实验所证实。被粒子物理实验所证实。“时间膨胀效应时间膨胀效应”是相对论的时空效应，是相对论的时空效应，与钟的具体结构和其他外界因素无关。与钟的具体结构和其他外界因素无关。或或假假想想实实验验二二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录38第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础a.动钟变慢是相对的动钟变慢

21、是相对的慢慢a.慢慢前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录39第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 以以0.91c高速直线运动的高速直线运动的 介子，其平均飞行距离介子，其平均飞行距离为为17.135m，介子的固有寿命的实验值为介子的固有寿命的实验值为(2.603 0.002)10-8s，以，以0.91c高速运动的高速运动的 介子在实介子在实验室参考系的平均寿命验室参考系的平均寿命 介子的固有寿命的相对论理论值介子的固有寿命的相对论理论值前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录40第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础

22、相对论基础相对论基础三三.空间的相对性空间的相对性运动杆为运动杆为K 系系K系中杆的长度系中杆的长度K 系中的长度系中的长度称为称为固有长度固有长度（长度收缩长度收缩）时时，K 系（杆）相对系（杆）相对K系的速度为系的速度为v前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录41第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础由洛伦兹变换由洛伦兹变换两式相减两式相减时时前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录42第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础固有长度最大固有长度最大空间的相对性：空间的相对性：相对物体运动的参照系中

23、所测得的相对物体运动的参照系中所测得的沿速度方向沿速度方向的物体长度，总是比静止参照系中测得的物体长度，总是比静止参照系中测得的长度要短。叫做的长度要短。叫做长度收缩效应长度收缩效应或或尺缩效应尺缩效应。尺缩效应是相对的尺缩效应是相对的a.短短短短.前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录43第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础四四.相对性和绝对性相对性和绝对性相对性：相对性：1.1.运动描述的相对性。运动描述的相对性。2.2.同时的相对性。同时的相对性。3.3.时间间隔的相对性。时间间隔的相对性。4.4.空间间隔的相对性。空间间隔的相对性。绝对

24、性：绝对性：1.1.因果关系。因果关系。2.2.时序先后。时序先后。本节完本节完前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录44第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础火车参照系火车参照系假想实验二假想实验二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录45第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录46第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录47

25、第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础一一.同时的相对性同时的相对性 两两个个异异地地事事件件在在一一惯惯性性系系中中是是同同时时的的，在在另另一惯性系中是不同时的。一惯性系中是不同时的。假假想想实实验验4.3 4.3 狭义相对论时空观狭义相对论时空观前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录48第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础洛伦兹变换洛伦兹变换导出导出同时的相对性同时的相对性 设设K系系中中两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x1,0,0,t1)和和B(x2,0,0,t2)，在在K 系系中中

26、两两个个事事件件的的时时空空坐坐标标分分别别为为A(x 1,0,0,t 1)和和B(x 2,0,0,t 2)，由洛伦兹逆变换，由洛伦兹逆变换同时是相对的同时是相对的前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录49第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础二二.时间的相对性时间的相对性K 系的时空间隔系的时空间隔K 系的时空间隔系的时空间隔 t (t0)称为称为固有时间固有时间 同一地点发生的两个事件的时间间隔同一地点发生的两个事件的时间间隔。假想实验假想实验由前页洛伦兹变换，得由前页洛伦兹变换，得（时间膨胀时间膨胀或或时间延缓时间延缓）前页前页前页前页 后

27、页后页后页后页 目录目录目录目录50第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 狭义相对论中，时间狭义相对论中，时间(间隔间隔)是相对的。是相对的。固有时间最短。固有时间最短。在运动参照系中时间变大，称为在运动参照系中时间变大，称为时间膨胀效时间膨胀效应应，或，或动钟变慢动钟变慢。“时间膨胀效应时间膨胀效应”被粒子物理实验所证实。被粒子物理实验所证实。“时间膨胀效应时间膨胀效应”是相对论的时空效应，是相对论的时空效应，与钟的具体结构和其他外界因素无关。与钟的具体结构和其他外界因素无关。或或假假想想实实验验二二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录51

28、第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础a.动钟变慢是相对的动钟变慢是相对的慢慢a.慢慢前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录52第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础 以以0.91c高速直线运动的高速直线运动的 介子，其平均飞行距离介子，其平均飞行距离为为17.135m，介子的固有寿命的实验值为介子的固有寿命的实验值为(2.603 0.002)10-8s，以，以0.91c高速运动的高速运动的 介子在实介子在实验室参考系的平均寿命验室参考系的平均寿命 介子的固有寿命的相对论理论值介子的固有寿命的相对论理论值前页前页

29、前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录53第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础三三.空间的相对性空间的相对性运动杆为运动杆为K 系系K系中杆的长度系中杆的长度K 系中的长度系中的长度称为称为固有长度固有长度（长度收缩长度收缩）时时，K 系（杆）相对系（杆）相对K系的速度为系的速度为v前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录54第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础由洛伦兹变换由洛伦兹变换两式相减两式相减时时前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录55第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对

30、论基础相对论基础相对论基础固有长度最大固有长度最大空间的相对性：空间的相对性：相对物体运动的参照系中所测得的相对物体运动的参照系中所测得的沿速度方向沿速度方向的物体长度，总是比静止参照系中测得的物体长度，总是比静止参照系中测得的长度要短。叫做的长度要短。叫做长度收缩效应长度收缩效应或或尺缩效应尺缩效应。尺缩效应是相对的尺缩效应是相对的a.短短短短.前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录56第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础四四.相对性和绝对性相对性和绝对性相对性：相对性：1.1.运动描述的相对性。运动描述的相对性。2.2.同时的相对性。同时的

31、相对性。3.3.时间间隔的相对性。时间间隔的相对性。4.4.空间间隔的相对性。空间间隔的相对性。绝对性：绝对性：1.1.因果关系。因果关系。2.2.时序先后。时序先后。本节完本节完前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录57第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础火车参照系火车参照系假想实验二假想实验二前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录58第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系前页前页前页前页 后页后页后页后页 目录目录目录目录59第第第第4 4 4 4章章章章 相对论基础相对论基础相对论基础相对论基础地面参照系地面参照系