6-1-狭义相对论的产生-两个基本原理(2014)解析.ppt

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1、第十四章相第十四章相第十四章相第十四章相对论对论NO.6-1Relativity2014年年3月月8日，马航客机日，马航客机MH370失联；失联；很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌很久未确定飞机位置的原因：依靠地面雷达的空管技术难以掌握飞机实际位置。握飞机实际位置。NAVSTAR permits locations and speeds any where on Earth to be determined to within about 16 m and 2 cm/s.However,if relativity effects were not taken into ac

2、count,speeds could not be determined any closer than about 20 cm/s,which is unacceptable for modern navigation systems.相对论包括相对论包括:狭义相对论（狭义相对论（1905）广义相对论（广义相对论（1915）l只适用于惯性系；只适用于惯性系；l是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的础上创立的“时空理论时空理论”，是对牛顿时空观的，是对牛顿时空观的拓展和修正。拓展和修正。l 包括惯性系、非惯性系；包括惯性系、非惯性系；l 以几

3、何语言建立而成的引力理论，将引力以几何语言建立而成的引力理论，将引力 改改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空。描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空。一、狭义相对论研究：一、狭义相对论研究：事件何时发生？在哪里发生？事件何时发生？在哪里发生？事件之间相隔多远？相隔多久？事件之间相隔多远？相隔多久？时间时间和和空间的关系？空间的关系？物体物体的质量与运动是否有关？的质量与运动是否有关？时间时间和长度的测量与参考系是否有关？和长度的测量与参考系是否有关？长度收缩长度收缩（Length Contraction）二、狭义相对论的一些结论：二、狭义相对论的一些结论：时间延缓时间延缓（Time Dil

4、ation）二、狭义相对论的一些结论：二、狭义相对论的一些结论：相对质量相对质量12340.20.41.000.60.8电电子子子子质质量随速度的量随速度的量随速度的量随速度的变变化化化化二、狭义相对论的一些结论：二、狭义相对论的一些结论：回旋加速器回旋加速器回旋加速器回旋加速器 （CyclotronCyclotron）相对论多普勒效应（相对论多普勒效应（Relativistic Doppler Effect）二、狭义相对论的一些结论：二、狭义相对论的一些结论：三、狭义相对论的重要性：三、狭义相对论的重要性：建立了适用于高速运动的建立了适用于高速运动的 促进了原子能的利用；促进了原子能的利用；

5、导致了广义相对论的建立，导致了广义相对论的建立，更加精确的时空观；更加精确的时空观；在天体观测中有重要应用。在天体观测中有重要应用。四、四、从三个方面讨论狭义相对论：从三个方面讨论狭义相对论：基本原理基本原理（假设（假设)时空观时空观 动力学动力学教学目标教学目标1.了解狭了解狭义相相对论的的产生生过程过程4.理解理解相对论时空观相对论时空观3.掌握掌握洛伦兹变换洛伦兹变换关系关系5.理解理解同时的相对性同时的相对性2.理解两个理解两个基本原理基本原理1.1.绝对时空观绝对时空观 与与 力学相对性原理力学相对性原理（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质

6、量及（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系（3）在所有参考系中，）在所有参考系中，惯性系惯性系占有特殊地位。占有特殊地位。力学相对性原理力学相对性原理一一.狭狭义相相对论的的产生生相互作用力是与参考系无关的相互作用力是与参考系无关的绝对量绝对量；参考系，物体的位置、速度关系遵从参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换伽利略变换；有关的有关的相对量相对量。对于两个相对作匀速直线运动的。对于两个相对作匀速直线运动的保持数学形式不变。保持数学形式不变。牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定牛顿运动定律，能量、动量、角动量定理及其守恒定律只在

7、惯性系中成立。这些力学规律在律只在惯性系中成立。这些力学规律在Galileo变换下变换下2.2.电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾（1）电磁学规律：）电磁学规律：Maxwell 方程方程组在在真空中真空中（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾）电磁学规律与绝对时空观的矛盾真空中光速不真空中光速不变与与Galileo速度速度变换式；式；Maxwell 方程方程组不不满足相足相对性原理。性原理。（3）矛盾的解决）矛盾的解决电磁学磁学规律正确，需建立新的律正确，需建立新的时空空变换关系；关系；对性原理。光速只在一特殊参考系（性原理。光速只在一特殊参考系（绝对参考参考系）系）

8、以太以太以太以太中保持不中保持不变。Galileo速度速度变换式正确，式正确，电磁学磁学规律不符合相律不符合相（追光实验）（追光实验）一一.狭狭义相相对论的的产生生.爱因斯坦建立狭义相对论爱因斯坦建立狭义相对论（1 1）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判；）了解到马赫、彭加勒对绝对时空观的批判；（2 2）了解到迈克尔孙莫雷实验的零结果；）了解到迈克尔孙莫雷实验的零结果；（3 3）了解到洛伦兹在提出收缩公式和）了解到洛伦兹在提出收缩公式和LorentzLorentz变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果；变换式，但坚持绝对时空观，无法解释零结果；抛弃以太，光速是常量，与惯性系的选取抛弃以太，

9、光速是常量，与惯性系的选取无关；无关；坚持自然界规律坚持自然界规律简单、和谐、统一简单、和谐、统一、一一.狭狭义相相对论的的产生生 坚持坚持批判思想批判思想.两个基本原理两个基本原理（Two Principles of Special Theory of Relativity）（1）相对性原理）相对性原理（The Relativity Principle）物理规律在所有的惯性系中具有相同的物理规律在所有的惯性系中具有相同的（2）光速不变原理）光速不变原理（The Speed of Light Principle）真空中的光速是常量，与光源或观测者的真空中的光速是常量，与光源或观测者的表达形式表

10、达形式运动无关运动无关.一一.狭狭义相相对论的的产生生1.洛伦兹变换洛伦兹变换(The Lorentz Transformation)详见详见：卢德馨：卢德馨 University Physics(second Edition)P160 线性变换线性变换 1.1.运动方程线性（惯性系）；运动方程线性（惯性系）；2.2.时间、空间均匀且各向同性时间、空间均匀且各向同性 相对性原理相对性原理 光速不变原理光速不变原理二二.洛洛伦兹变换关系关系*逆逆变换洛洛伦兹变换1.洛伦兹变换洛伦兹变换(The Lorentz Transformation)伽伽利利略略变换二二.洛洛伦兹变换关系关系*2.速度相对

11、性速度相对性(The Relativity of Velocities)速度速度变换二二.洛洛伦兹变换关系关系 2 2.时间时间空间不互相独立，空间不互相独立，1 1.空间空间、时间的测量是、时间的测量是相对相对的，与参考系的，与参考系 3 3.光光速速 c c 是建立不同惯性系间时空变换的是建立不同惯性系间时空变换的的选择有关的选择有关.而是而是不可分割不可分割的整体的整体.纽带纽带.三三.狭狭义相相对论时空空观Albert Einstein 19053.3.关于光的产生和转化的一关于光的产生和转化的一个试探性观点个试探性观点；2.2.热的分子动理论所要求的静热的分子动理论所要求的静止液体中

12、悬浮粒子的运动止液体中悬浮粒子的运动；4.4.物质的质量同它所含的能量相关吗？物质的质量同它所含的能量相关吗？；光量子光量子 光电效应光电效应布朗运动布朗运动 原子真实存在原子真实存在E=mcE=mc2 2 核能的利用核能的利用1879-1955 1.1.论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学；狭义相对论狭义相对论 时空观的革命时空观的革命2005 爱因斯坦年因斯坦年例例1 设有两个参考系和，它有两个参考系和，它们的原点在的原点在和和时重合在一起。有一事件，在重合在一起。有一事件，在系中系中发生在生在处，若系相若系相对于系以速率沿于系以速率沿 轴运运动，问该事件在系中的事件在系中的时空坐空坐

13、标为多少？多少？讨论狭义相对论问题的三个步骤：讨论狭义相对论问题的三个步骤：Step1:确定坐确定坐标系系Step2:明确事件明确事件Step3:根据已知条件和所求量确定根据已知条件和所求量确定变换关系关系例例 在地面上在地面上测得两个得两个飞船分船分别以以和和的速度向相反方向的速度向相反方向飞行。求其中一行。求其中一飞船船相相对于另一于另一飞船的速度船的速度为多大？多大？甲甲乙乙讨论狭义相对论问题的三个步骤：讨论狭义相对论问题的三个步骤：Step1:确定坐确定坐标系系Step2:明确事件明确事件Step3:根据已知条件和所求量确定根据已知条件和所求量确定变换关系关系例例 在地面上在地面上测得

14、两个得两个飞船分船分别以以和和的速度向相反方向的速度向相反方向飞行。求其中一行。求其中一飞船船相相对于另一于另一飞船的速度船的速度为多大？多大？甲甲乙乙若在其中一若在其中一飞船中船中水平向右水平向右发射射一束光，一束光，则这束光在另一束光在另一飞船中船中测量速度量速度为多大？多大？例例 在地面上在地面上测得两个得两个飞船分船分别以以和和的速度向相反方向的速度向相反方向飞行。求其中一行。求其中一飞船船相相对于另一于另一飞船的速度船的速度为多大？多大？甲甲乙乙若在其中一若在其中一飞船船中中垂直向上垂直向上发射射一束光，一束光，则这束光在另一束光在另一飞船中船中测量速度量速度为多大？多大？1.同时的相对性同时的相对性(The Relativity of Simultaneity)（1）同时）同时（Simultaneity）：在某一在某一惯性系中性系中同同时发生的两个事件，在另一生的两个事件，在另一说“那列火车7点钟到达这里”，其意思是说“我1905年论文中写道：比如我们（2）同时的相对性）同时的相对性个个相相对它运它运动的的惯性系中，并性系中，并不一定同不一定同时发生生的表的短针指在7和火车到达是同时事件”三三.狭狭义相相对论时空空观今日作今日作业145，1410，1411