力狭义相对论精选PPT.ppt
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1、力狭义相对论1第1页,此课件共67页哦 相对论由相对论由爱因斯坦爱因斯坦(Albert Einstein)创立,创立,狭义相对论狭义相对论(Special Relativity)(1905)揭示了时间、空间与运动的关系。揭示了时间、空间与运动的关系。广义相对论广义相对论(general relativity)(1915-1916)揭示了时间、空间与引力的关系。揭示了时间、空间与引力的关系。重点是狭义相对论的时空观。重点是狭义相对论的时空观。它包括了两大部分:它包括了两大部分:2第2页,此课件共67页哦 爱因斯坦爱因斯坦(Albert Einstein)(18791955)美籍美籍 德国人德国人
2、 1921年获诺年获诺 贝尔物理奖贝尔物理奖3第3页,此课件共67页哦4第4页,此课件共67页哦 6.1 牛顿相对性原理和伽里略变换牛顿相对性原理和伽里略变换(principle of relativity in mechanics and Galilean transformation)牛顿牛顿相对性原理相对性原理(力学相对性原理):力学相对性原理):一切力学规律在不同的惯性系中应有相一切力学规律在不同的惯性系中应有相同的形式。同的形式。牛顿牛顿相对性原理源于相对性原理源于牛顿的时空观。牛顿的时空观。牛顿的时空观可通过以下坐标和时间变牛顿的时空观可通过以下坐标和时间变换来体现:换来体现:5第
3、5页,此课件共67页哦 y z xo.P(x,y,z,t)且且 与与 O 重合时,重合时,。由由时时空空间间隔隔的的绝绝对对性性,有:有:伽里略变换伽里略变换(Galilean transformation)对时间求导,得:对时间求导,得:6第6页,此课件共67页哦 伽里略速度变换伽里略速度变换牛顿力学中力和质量都与参考系的选择无关,牛顿力学中力和质量都与参考系的选择无关,所以在不同惯性系中所以在不同惯性系中 的形式不变。的形式不变。表明表明伽里略变换和力学相对性原理是一致的伽里略变换和力学相对性原理是一致的。用力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。用力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。这这
4、7第7页,此课件共67页哦电磁波(包括光)在真空中各方向速率都为电磁波(包括光)在真空中各方向速率都为 c。6.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变原理爱因斯坦相对性原理和光速不变原理 (Einstein s principle of relativity and principle of constant speed of light)企图找到企图找到“绝对静止绝对静止”参考系的参考系的思想思想实验:实验:当时人们认为这只对当时人们认为这只对“绝对静止绝对静止”参考系才成立。参考系才成立。c+ullLc-uuuAB设设 u c,19世纪下半叶,由世纪下半叶,由麦克斯韦麦克斯韦电磁场电磁场方程组方
5、程组得知:得知:8第8页,此课件共67页哦 1887年年,体体 现现 上上 面面 思思 想想 的的迈迈 克克 耳耳 孙孙莫莫 雷雷(Michelson-Morlay)实验实验却得到了却得到了“零零”结果结果!用用各各种种企企图图保保持持绝绝对对参参考考系系的的假假说说来来解解释该实验结果,均遭到失败。释该实验结果,均遭到失败。地球就是地球就是“绝对静止绝对静止”的参考系?的参考系?c+u1地球地球u2u1m1m2双双星星c u2不能同时不能同时到达地球到达地球 实际上观测不到双星实际上观测不到双星位置的扭曲,而是完全位置的扭曲,而是完全符合力学规律。符合力学规律。典型的有:典型的有:9第9页,
6、此课件共67页哦“以太以太”(aether,ether)拖曳说:拖曳说:各向速度都是各向速度都是c,光在以太中光在以太中而以太又被地球拖着走。而以太又被地球拖着走。观测正上方的星体,望远镜必须向观测正上方的星体,望远镜必须向地球公转方向倾斜一个小角度地球公转方向倾斜一个小角度 ,这,这叫叫“光行差光行差”现象。现象。按以太拖曳说,光到地球附近按以太拖曳说,光到地球附近要附加速度要附加速度u,望远镜就不该,望远镜就不该倾斜了。倾斜了。c tu正上方的星体正上方的星体*c地面地面u t10第10页,此课件共67页哦 1922年,爱因斯坦访问日本时的即席演讲中有年,爱因斯坦访问日本时的即席演讲中有这
7、样一段话:这样一段话:“还在学生时代,我就在想这个问题了。当时,我知还在学生时代,我就在想这个问题了。当时,我知道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出结论。如果道迈克耳孙实验的奇怪结果。我很快得出结论。如果我们承认迈克耳孙的零结果是事实,那么地球相对以我们承认迈克耳孙的零结果是事实,那么地球相对以太运动的想法就是错误的,这是引导我走向狭义相对太运动的想法就是错误的,这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。论的最早的想法。”爱因斯坦爱因斯坦认为:认为:物质世界的规律应该是和谐物质世界的规律应该是和谐统一的,统一的,麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。在任何惯性系中光速
8、都是各向为在任何惯性系中光速都是各向为c,这样就自,这样就自然地解释了然地解释了迈克耳孙迈克耳孙莫雷莫雷实验实验的零结果。的零结果。11第11页,此课件共67页哦 1905年年爱因斯坦爱因斯坦在在论动体的电动力学论动体的电动力学一书中提出如下一书中提出如下两条基本原理:两条基本原理:1.物理规律对所有惯性系都是一样的。物理规律对所有惯性系都是一样的。这后来被称为这后来被称为爱因斯坦相对性原理。爱因斯坦相对性原理。2.任何惯性系中,真空中光的速率都为任何惯性系中,真空中光的速率都为 c。若保持光速不变原理就必须抛弃绝对的时空观。若保持光速不变原理就必须抛弃绝对的时空观。这一规律称为这一规律称为光
9、速不变原理。光速不变原理。光速不变原理与伽里略变换是彼此矛盾的,光速不变原理与伽里略变换是彼此矛盾的,12第12页,此课件共67页哦 6.3 同时性的相对性和时间延缓同时性的相对性和时间延缓(relativity of simultaneity and time dilation)一一.同时性的相对性同时性的相对性光速不变原理将导致光速不变原理将导致时间度量相对性。时间度量相对性。uccccu光在光在 相遇;相遇;光在光在 D 相遇,相遇,在站台上看,光先从车厢的尾部发出。在站台上看,光先从车厢的尾部发出。(早早)车厢车厢13第13页,此课件共67页哦uccucc反过来看:反过来看:S:光在光
10、在M相遇相遇;:光在光在 相遇,相遇,在车厢中看,光是先从车厢的头部发出。在车厢中看,光是先从车厢的头部发出。(早早)这就是这就是同时性的相对性原理。同时性的相对性原理。结论:结论:沿惯性系沿惯性系S和和S 相对运动方向发生的两个相对运动方向发生的两个事件,事件,若若 S 中是同时发生的,中是同时发生的,则则S 中就不是同中就不是同时发生的了,时发生的了,而是在而是在S系运动后方的事件先发生。系运动后方的事件先发生。14第14页,此课件共67页哦u 沿垂直于相对运动方向发生的两件事的同时沿垂直于相对运动方向发生的两件事的同时性并不具有相对性。性并不具有相对性。二二.时间延缓(时间膨胀)时间延缓
11、(时间膨胀)讨论一个匀速运动的钟和一系列讨论一个匀速运动的钟和一系列“静止静止”的的同步的钟的比较。同步的钟的比较。u 在在 S 和和 中两束中两束相遇的光走的路程相遇的光走的路程都分别是相同的。都分别是相同的。15第15页,此课件共67页哦u发出时刻发出时刻接收时刻接收时刻uuu发光发光光到光到:(1)S:光速不变:光速不变:(2)由由(1)、(2)解得:解得:16第16页,此课件共67页哦 原时原时(proper time)原时:原时:同一地点两事件的时间间隔同一地点两事件的时间间隔 原时最短原时最短。一个运动的钟一个运动的钟 和一系列静止的钟和一系列静止的钟C1、C2比较,运动的钟比较,
12、运动的钟 变慢了。变慢了。一个运动时钟的一个运动时钟的“1秒秒”比一系列静止时钟的比一系列静止时钟的“1秒秒”长,这称为运动时钟的长,这称为运动时钟的“时间延缓时间延缓”。17第17页,此课件共67页哦例例1:一飞船以:一飞船以u=9000m/s的速率相对于地面匀的速率相对于地面匀速飞行。飞船上的钟走了速飞行。飞船上的钟走了5s的时间,用地面上的的时间,用地面上的钟测量是经过了多少时间?钟测量是经过了多少时间?S系中的观察者会发现静止于系中的观察者会发现静止于S系中而相对于自系中而相对于自己运动的钟比自己参考系中的一系列同步的钟己运动的钟比自己参考系中的一系列同步的钟走得慢!走得慢!时间时间延
13、缓延缓完全是一种完全是一种相对相对效应。效应。18第18页,此课件共67页哦运动寿命:运动寿命:u=0.99 c 时,时,测得径迹长为多少?测得径迹长为多少?例例2:有人这样做,对吗?有人这样做,对吗?正确解法:正确解法:19第19页,此课件共67页哦 应该注意,应该注意,与钟一起运动的观测者是感受不与钟一起运动的观测者是感受不到钟变慢的效应的。到钟变慢的效应的。当时当时 u c 时,时,这就回到了牛顿,这就回到了牛顿的绝对时间了。的绝对时间了。运动时钟变慢纯粹是一种相对论效应,并非运动时钟变慢纯粹是一种相对论效应,并非运动使钟的结构发生什么改变。运动使钟的结构发生什么改变。1秒秒=135Cs
14、发出的一个特征频率发出的一个特征频率光波周期的光波周期的9192631770倍倍在任何惯性系中的在任何惯性系中的1秒都是这样定义的。秒都是这样定义的。(以前定为平均太阳日的(以前定为平均太阳日的1/86400)。20第20页,此课件共67页哦6.4 长度缩短长度缩短(length contraction)运动尺长度的测量:运动尺长度的测量:事件事件1:与与 x1 对齐;对齐;事件事件2:与与 x1 对齐;对齐;:动长动长:(原时)(原时)静长(静长(原长)原长)运动尺运动尺21第21页,此课件共67页哦 原长最长原长最长 运动尺的缩短是相对论的效应,并不是运动运动尺的缩短是相对论的效应,并不是
15、运动尺的结构发生了改变。尺的结构发生了改变。由于时间膨胀,所以运动尺要缩短。由于时间膨胀,所以运动尺要缩短。与尺一起运动的观测者感受不到尺的变短。与尺一起运动的观测者感受不到尺的变短。牛顿的绝对空间牛顿的绝对空间22第22页,此课件共67页哦要寻找适合光速不变原理的新的时空变换关系。要寻找适合光速不变原理的新的时空变换关系。x y zo x设设 S,皆为惯性系,皆为惯性系,且且 与与 O 重合时,重合时,S 系中测量:系中测量:(1).P(x,y,z,t)x6.5 洛仑兹变换洛仑兹变换(Lorentz transformation)23第23页,此课件共67页哦 y zo x.P x 系中测量
16、:系中测量:(2)(1)、(2)联立,得:联立,得:24第24页,此课件共67页哦 垂直运动方向上长度测量与参考系无关,垂直运动方向上长度测量与参考系无关,于是有:于是有:25第25页,此课件共67页哦 则有:则有:令令正正变变换换逆逆变变换换26第26页,此课件共67页哦例例3:用洛伦兹变换说明固有长度最长。:用洛伦兹变换说明固有长度最长。例例4:用洛伦兹变换说明固有时最短。:用洛伦兹变换说明固有时最短。27第27页,此课件共67页哦 几点讨论与说明:几点讨论与说明:1.u c时,洛仑兹变换过渡到伽里略变换。时,洛仑兹变换过渡到伽里略变换。2.c 为一切可作为参考系的物体的极限速率,为一切可
17、作为参考系的物体的极限速率,3.时序变换与因果律:时序变换与因果律:时空测量的相对性是否会改变因果律呢?时空测量的相对性是否会改变因果律呢?即即两个物体之间的两个物体之间的相对速度相对速度只能小于只能小于c。设两事件设两事件P1、P2 在在 S 和和 S 系中的时空坐标为系中的时空坐标为28第28页,此课件共67页哦由洛仑兹变换有:由洛仑兹变换有:若若P1为因,为因,P2是果,是果,则则 又又 u c,但这并不违背因果律。但这并不违背因果律。30第30页,此课件共67页哦用光信号联系的两个事件用光信号联系的两个事件对有因果关系的事件:对有因果关系的事件:该时空域称该时空域称类时区;类时区;ct
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