相對論演講稿

1、列寧高度稱譽他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。列寧高度稱譽他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。 愛因斯坦愛因斯坦對于科學(xué)事業(yè)的偉大貢獻(xiàn)是多方面的。他的科學(xué)業(yè)績對于科學(xué)事業(yè)的偉大貢獻(xiàn)是多方面的。他的科學(xué)業(yè)績主要包括四個方面：主要包括四個方面：早期對布朗運動的研究；狹義相對論的創(chuàng)建；早期對布朗運動的研究；狹義相對論的創(chuàng)建；推動量子力學(xué)的發(fā)展；建立了廣義相對論。推動量子力學(xué)的發(fā)展；建立了廣義相對論。 1905年創(chuàng)建的年創(chuàng)建的狹義相對論狹義相對論和和1916年創(chuàng)建的年創(chuàng)建的廣義相對論廣義相對論是愛因斯是愛因斯坦的最重要的科學(xué)研究成果，而坦的最重要的科學(xué)研究成果，而1921年年的的諾貝爾物理學(xué)獎諾貝爾物理學(xué)獎則是

2、由于則是由于他提出了他提出了光的量子光的量子概念和發(fā)現(xiàn)了概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律光電效應(yīng)定律而獲得的。而獲得的。愛因斯坦愛因斯坦( A. Einstein ) 相對論給出了高速運動物體的力學(xué)規(guī)律，并從根本上改相對論給出了高速運動物體的力學(xué)規(guī)律，并從根本上改變了許多世紀(jì)以來所形成的有關(guān)時間、空間和運動的陳舊概變了許多世紀(jì)以來所形成的有關(guān)時間、空間和運動的陳舊概念，建立了新的時空觀，揭露了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系，開念，建立了新的時空觀，揭露了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系，開始了萬有引力本質(zhì)的探索?，F(xiàn)在，相對論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理始了萬有引力本質(zhì)的探索?，F(xiàn)在，相對論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)以及現(xiàn)代工程技術(shù)不可缺少的理論

3、基礎(chǔ)。學(xué)以及現(xiàn)代工程技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。近代物理學(xué)近代物理學(xué)相對論相對論量子力學(xué)量子力學(xué)19001900年年19301930年年 揭示了微觀世界的基本規(guī)律，使人揭示了微觀世界的基本規(guī)律，使人們對自然界的認(rèn)識產(chǎn)生了一個飛躍，為們對自然界的認(rèn)識產(chǎn)生了一個飛躍，為原子物理、固體物理和粒子物理學(xué)的發(fā)原子物理、固體物理和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。展奠定了理論基礎(chǔ)。長度、時間、質(zhì)量與參考系有關(guān)長度、時間、質(zhì)量與參考系有關(guān)“同時同時” ” 是相對的是相對的運動時鐘變慢運動時鐘變慢運動的尺變短運動的尺變短質(zhì)量與速度有關(guān)質(zhì)量與速度有關(guān)質(zhì)量與能量不可分質(zhì)量與能量不可分現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的兩塊理論

4、基石兩塊理論基石力學(xué)相對性原理力學(xué)相對性原理 mechanics relativity principle 經(jīng)典力學(xué)時空觀經(jīng)典力學(xué)時空觀 space-time view of classical mechanics狹義相對論的基本假設(shè)狹義相對論的基本假設(shè) postulates of special relativity 洛侖茲坐標(biāo)變換洛侖茲坐標(biāo)變換 Lorentz coordinate transformations 同時的相對性同時的相對性 relativity of simultaneity 狹義相對論的時空觀狹義相對論的時空觀 space-time view of special rel

5、ativity 相對論的動力學(xué)基礎(chǔ)相對論的動力學(xué)基礎(chǔ) dynamics foundation of special relativity 一、力學(xué)相對性原理（伽利略一、力學(xué)相對性原理（伽利略Galileo相對性原理）相對性原理） 在彼此作勻速直線運動的所有慣性系中，物體運動所遵在彼此作勻速直線運動的所有慣性系中，物體運動所遵循的力學(xué)規(guī)律是完全相同的，具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。循的力學(xué)規(guī)律是完全相同的，具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。即在研究力學(xué)規(guī)律時，即在研究力學(xué)規(guī)律時，一切慣性系是等價的一切慣性系是等價的。 5.1 5.1 力學(xué)相對性原理力學(xué)相對性原理relativity principle of

6、 mechanics經(jīng)典力學(xué)時空觀經(jīng)典力學(xué)時空觀space-time view of classical mechanics 在一切慣性系內(nèi)的任何在一切慣性系內(nèi)的任何力學(xué)實驗都不能確定該慣性力學(xué)實驗都不能確定該慣性系是靜止的還是作勻速直線系是靜止的還是作勻速直線運動的，因此要確切知道某運動的，因此要確切知道某一慣性系本身是否一慣性系本身是否“絕對靜絕對靜止止”，則用任何力學(xué)實驗都，則用任何力學(xué)實驗都不可能辦到。不可能辦到。慣慣 性性 系系 inertia system ：牛頓：牛頓定律成立的參考系，叫慣性定律成立的參考系，叫慣性參考系，簡稱慣性系。（循參考系，簡稱慣性系。（循環(huán)定義？?。┉h(huán)定義

7、？?。?“一個遠(yuǎn)離其他一切物體，一個遠(yuǎn)離其他一切物體，而且沒有自轉(zhuǎn)的物體是慣性而且沒有自轉(zhuǎn)的物體是慣性參照系，一切相對于該物體參照系，一切相對于該物體做勻速直線運動的參照系也做勻速直線運動的參照系也是慣性參照系。牛頓定律就是慣性參照系。牛頓定律就是在這樣的參照系中成立。是在這樣的參照系中成立?！?你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠(yuǎn)你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠(yuǎn), 雖然你跳在空中時雖然你跳在空中時, 腳下的船底板向著你跳的反方向移動腳下的船底板向著你跳的反方向移動. 你把不論什么東西你把不論什么東西扔給你的同伴時扔給你的同伴時, 如果如果你的同伴在船頭而你在你的同伴在船頭而你在船尾船尾, 你所用

8、的力并不你所用的力并不比你們兩個站在相反位比你們兩個站在相反位置時所用的力更大置時所用的力更大 水滴將象先前一樣水滴將象先前一樣, 滴進(jìn)下面的罐子滴進(jìn)下面的罐子, 一滴一滴也不會滴向船尾也不會滴向船尾, 雖然雖然水滴在空中時水滴在空中時, 船已行船已行駛了相當(dāng)距離駛了相當(dāng)距離. 只要運動是勻速的，你就無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定只要運動是勻速的，你就無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定船是在運動還是停著不動船是在運動還是停著不動伽利略實驗伽利略實驗yxZoS 系系二、伽利略變換二、伽利略變換(Galilean transformation)1 、 坐標(biāo)系的建立坐標(biāo)系的建立xyzoS 系在兩個慣性系中考

9、察同一物理事件在兩個慣性系中考察同一物理事件v設(shè)慣性系設(shè)慣性系 相對慣性系相對慣性系S 以速度以速度u 作勻速直線運動作勻速直線運動s當(dāng)當(dāng) 時兩坐時兩坐標(biāo)系的原點標(biāo)系的原點O 與與 相重合。相重合。0tto2、實際觀測、實際觀測t 時刻在時刻在P點發(fā)點發(fā)生任一事件生任一事件 伽利略變換伽利略變換(Galilean transformation)ttzzyyt vxxyxZoS 系系xyzoS 系vP(x, y ,z ,t )tzyx,ttzzyyvtxx逆逆變變換換正正變變換換3、速度變換與加速度變換、速度變換與加速度變換ttzzyyvtxxttzzyyt vxxzzyyxxuuuuvuuzz

10、yyxxuuuuvuuzzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaav兩個都是慣性系，兩個都是慣性系，是恒量是恒量在兩個不同的慣性系中在兩個不同的慣性系中aa自不同的慣性系，所觀測到的同一質(zhì)自不同的慣性系，所觀測到的同一質(zhì)點運動的加速度是相同的，即物體的點運動的加速度是相同的，即物體的加速度具有加速度具有伽利略變換下的不變性。伽利略變換下的不變性。三、三、牛頓定律具有伽利略變換不變性牛頓定律具有伽利略變換不變性S慣性系FmaS慣性系F maamFamFFFmm 牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動量守恒定律、機械能牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動量守恒定律、機械能守恒定律等）在伽利略變換下形式不變守恒定律等）在伽利略變

11、換下形式不變。結(jié)論：結(jié)論：在牛頓力學(xué)中在牛頓力學(xué)中質(zhì)量與運動無關(guān)質(zhì)量與運動無關(guān)力與參考系無關(guān)力與參考系無關(guān)四、四、經(jīng)典力學(xué)的時空觀經(jīng)典力學(xué)的時空觀1、 事件所經(jīng)歷的時間與參照系的選擇無關(guān)事件所經(jīng)歷的時間與參照系的選擇無關(guān),2211tttt1212,tttttttt無論從哪個無論從哪個慣性系進(jìn)行觀測慣性系進(jìn)行觀測事件所經(jīng)歷的時間間隔都相同事件所經(jīng)歷的時間間隔都相同2、 空間兩點間的距離與參照系的選擇無關(guān)空間兩點間的距離與參照系的選擇無關(guān)在在S系，點系，點111,zyx222,zyx與點與點間的距離為：間的距離為：2/1212212212zzyyxxr2/1212212212zzyyxxr間的距離

12、為：間的距離為：在在 系觀測，點系觀測，點111,zyx222,zyx與點與點S1212xxxx1212yyyy1212zzzzrr無論從哪個無論從哪個慣性系進(jìn)行觀測慣性系進(jìn)行觀測兩點間的距離都相同兩點間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀 在狹義相對論建立之前，科學(xué)家們普遍認(rèn)為：在狹義相對論建立之前，科學(xué)家們普遍認(rèn)為：時間和時間和空間都是絕對的空間都是絕對的?？梢悦撾x物質(zhì)運動而存在，并且?？梢悦撾x物質(zhì)運動而存在，并且時間與時間與空間沒有任何聯(lián)系空間沒有任何聯(lián)系。 牛頓說牛頓說：“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間時間自身自身在流浙著，而且由于其本性，在均勻

13、地、與任何其在流浙著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其他外界事物無關(guān)地流浙著他外界事物無關(guān)地流浙著”； “絕對絕對空間空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無關(guān)、而且是永遠(yuǎn)相同和不動的。無關(guān)、而且是永遠(yuǎn)相同和不動的?！苯^對時空絕對時空觀觀 absolute space-time view 顯然，絕對時空觀符合人們?nèi)粘５慕?jīng)驗和習(xí)慣。顯然，絕對時空觀符合人們?nèi)粘５慕?jīng)驗和習(xí)慣。5.2 5.2 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理 postulate of special relativity 洛倫茲坐標(biāo)變換洛倫茲坐標(biāo)變換 Lorentz coordinate tran

14、sformations 不同慣性系中電磁規(guī)律是否相同不同慣性系中電磁規(guī)律是否相同? ?如果不同如果不同，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價應(yīng)存在一個應(yīng)存在一個特殊的慣性系（以太），特殊的慣性系（以太）， 沒找到！沒找到！如果相同如果相同，則坐標(biāo)變換后方程組的形式應(yīng)保持不變。，則坐標(biāo)變換后方程組的形式應(yīng)保持不變。兩種兩種可能：可能：伽利略變換是正確的，麥克斯韋方程組必予以修正伽利略變換是正確的，麥克斯韋方程組必予以修正麥克斯韋方程組是正確的，伽利略變換必予以修正麥克斯韋方程組是正確的，伽利略變換必予以修正一、伽利略變換的困難一、伽利略變換的困難1) 191) 19世紀(jì)成熟的電磁理

15、論表明真空中光速世紀(jì)成熟的電磁理論表明真空中光速c c 是常量。是常量。 伽利略變換伽利略變換：以：以u 速度運動光源發(fā)出的光速不再是速度運動光源發(fā)出的光速不再是 c 。2) 2) Maxwell 方程組對伽利略變換非協(xié)變方程組對伽利略變換非協(xié)變 通過電磁實驗通過電磁實驗可以找到可以找到“絕對參照系絕對參照系”, ,邁克耳遜邁克耳遜- -莫雷實驗的莫雷實驗的“零零”結(jié)果結(jié)果物理學(xué)界大為震驚物理學(xué)界大為震驚: : 實驗結(jié)果與伽利略變換乃實驗結(jié)果與伽利略變換乃至整個經(jīng)典力學(xué)不相容。至整個經(jīng)典力學(xué)不相容。 為了在絕對時空觀的基礎(chǔ)上統(tǒng)一說明這些實驗為了在絕對時空觀的基礎(chǔ)上統(tǒng)一說明這些實驗結(jié)果，洛倫茲等

16、人提出各種假設(shè)，但都沒有成功。結(jié)果，洛倫茲等人提出各種假設(shè)，但都沒有成功。 1905 1905年年2626歲的愛因斯坦，不固歲的愛因斯坦，不固守傳統(tǒng)的時空觀，和經(jīng)典力學(xué)的觀守傳統(tǒng)的時空觀，和經(jīng)典力學(xué)的觀念，在對實驗結(jié)果和前人工作進(jìn)行念，在對實驗結(jié)果和前人工作進(jìn)行仔細(xì)分析和研究的基礎(chǔ)上，另辟蹊仔細(xì)分析和研究的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑，從一個全新的角度考慮所有問徑，從一個全新的角度考慮所有問題，提出兩個基本假設(shè)。題，提出兩個基本假設(shè)。二、愛因斯坦狹義相對論的兩個二、愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè)基本假設(shè)Einsteins two basic postulates of special relativit

17、y1.1.狹義相對論的相對性原理狹義相對論的相對性原理 在任何慣性系中，一切物理規(guī)律都相同，即具有相同的數(shù)在任何慣性系中，一切物理規(guī)律都相同，即具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式?；颍核袘T性系對于描述物理現(xiàn)象都是等價的。學(xué)表達(dá)式?；颍核袘T性系對于描述物理現(xiàn)象都是等價的。2.2.光速不變原理光速不變原理 光在真空中的速度與發(fā)射體的運動狀態(tài)無關(guān)，即在彼此作光在真空中的速度與發(fā)射體的運動狀態(tài)無關(guān)，即在彼此作勻速直線運動的任一慣性系中，所測得的光在真空中沿各個方勻速直線運動的任一慣性系中，所測得的光在真空中沿各個方向的速率是相等的。向的速率是相等的。無須尋找特殊的慣性無須尋找特殊的慣性系（也無法尋找）系（也無法

18、尋找） 1 1、Einstein 的相對性原理的相對性原理 是是 Newton理論的發(fā)展理論的發(fā)展一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律2 2、光速不變原理、光速不變原理與伽利略的速度相加與伽利略的速度相加原理針鋒相對，否定了伽利略坐標(biāo)變原理針鋒相對，否定了伽利略坐標(biāo)變換，動搖了絕對時空觀和經(jīng)典力學(xué)體換，動搖了絕對時空觀和經(jīng)典力學(xué)體系。系。觀念上的變革觀念上的變革牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)時間時間標(biāo)度標(biāo)度長度長度標(biāo)度標(biāo)度質(zhì)量質(zhì)量的測量的測量與參考系與參考系無關(guān)無關(guān)速度與參考系有關(guān)速度與參考系有關(guān)( (相對性相對性) )狹義相對狹義相對論力學(xué)論力學(xué)長度長度 時間時間 質(zhì)量質(zhì)量與參考系與參考系有關(guān)有關(guān)光速

19、不變光速不變( (相對性相對性) )時空觀的革命時空觀的革命3 3、尊重事實，實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)、尊重事實，實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn) 光速不變是在實驗基礎(chǔ)上提出的，并不斷被實光速不變是在實驗基礎(chǔ)上提出的，并不斷被實驗證實。驗證實。 牛頓力學(xué)定律是經(jīng)過長期實踐檢驗的，它應(yīng)是新牛頓力學(xué)定律是經(jīng)過長期實踐檢驗的，它應(yīng)是新坐標(biāo)變換式和新的力學(xué)規(guī)律在一定條件下的近似。坐標(biāo)變換式和新的力學(xué)規(guī)律在一定條件下的近似。4 4、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的東西、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的東西三、洛侖茲變換三、洛侖茲變換 Lorentz transformation 愛因斯坦根據(jù)兩個基本假設(shè)，建立了新的坐標(biāo)變換公式愛因斯坦根據(jù)

20、兩個基本假設(shè)，建立了新的坐標(biāo)變換公式洛侖茲變換式洛侖茲變換式 洛倫茲為彌補經(jīng)典理論的缺陷提出洛倫茲為彌補經(jīng)典理論的缺陷提出但他不具有相對論但他不具有相對論思想思想愛因斯坦是給予正確解釋第一人。愛因斯坦是給予正確解釋第一人。某事件在某事件在 S 系中的時空坐標(biāo)為系中的時空坐標(biāo)為（x, y, z, t )同一事件在同一事件在 系中的時空坐標(biāo)為系中的時空坐標(biāo)為tzyx,SyxZoS 系系xyzoS 系系vP(x, y ,z ,t )tzyx,當(dāng)當(dāng) 時兩坐標(biāo)系的時兩坐標(biāo)系的原點原點O 與與 相重合相重合0tto222)(1)(1cvcvxttzzyycvvtxx逆逆變變換換正正變變換換222)(1)(

21、1cvcxvttzzyycvtvxx 洛侖茲變換洛侖茲變換 （Lorentz transformation）22211cvxttzzyyvtxx正變換正變換逆變換逆變換22211cxvttzzyytvxx當(dāng)當(dāng)v c 時，時， =(v /c) 0 , 可得：可得：ttzzyyvtxx正變換正變換逆變換逆變換ttzzyyt vxx伽利略變換伽利略變換令令: , : , 則則: :cv例例5-1 5-1 在在 K 系中觀察到兩個事件發(fā)生在空間同一地點，第二事系中觀察到兩個事件發(fā)生在空間同一地點，第二事 件發(fā)生在第一事件以后件發(fā)生在第一事件以后2s，在另一相對，在另一相對K 系運動的系運動的 K 系系

22、 中觀察到第二事件是在第一事件事件中觀察到第二事件是在第一事件事件3s之后發(fā)生的，之后發(fā)生的， 求在求在 K 系中這兩個事件的空間間隔。系中這兩個事件的空間間隔。解：解：22211cvxttzzyyvtxx正變換正變換21vtxx21212121)()(ttvxxxx3522211xctxcvtt21212121)()(xxctttt21023cmcxx82121053120例例5-25-2 乙乘飛行器相對甲沿乙乘飛行器相對甲沿x軸作勻速直線運動。甲測得兩個事軸作勻速直線運動。甲測得兩個事件的時空坐標(biāo)為件的時空坐標(biāo)為x1=6 104m ， y1=z1=0 ， t1=2 10-4 s ； x2=

23、12 104m， y2=z2=0， t2=1 10-4 s，如果乙測得這兩個事件同時，如果乙測得這兩個事件同時發(fā)生于發(fā)生于t 時刻，時刻，求：求：1 乙對于甲的運動速度是多少？乙對于甲的運動速度是多少？ 2 乙所測得的兩個事件的空間間隔是多少？乙所測得的兩個事件的空間間隔是多少？乙所測得這兩個事件的時間間隔是乙所測得這兩個事件的時間間隔是 xcvtt2211 212212121 xxcvtttt解解：1 設(shè)乙對甲的運動速度為設(shè)乙對甲的運動速度為v ，由洛侖茲變換，由洛侖茲變換乙x甲xv012 tt22442441)1061012()102101 (cvcv2cv2 由洛侖茲變換由洛侖茲變換 v

24、txx 211 乙所測得的這兩個事件的空間間隔乙所測得的這兩個事件的空間間隔:21212121ttvxxxxm41020. 5,dtdxux,dtdyuydtdzuz,tdxdux,t dyduytdzduz22211cvxttvtxx),(112vdtdxxd),(1122dxcvdttddxcvdtvdtdxt dxdux2xxxucvvuu21 系S系S 設(shè)一質(zhì)點設(shè)一質(zhì)點 P P 在空間的運動，在空間的運動，由由速度的定義，速度的定義，從從 S S 和和 系來看，系來看，其速度分別是：其速度分別是：S5.3 5.3 相對論速度變換公式相對論速度變換公式 Velocity transfor

25、m of relativity2211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu21 同樣可得同樣可得洛侖茲速度變換式洛侖茲速度變換式逆變換逆變換正變換正變換2211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu21 2211xyyucvuu2211xzzucvuuxxxucvvuu21例例5-3 5-3 設(shè)想一飛船以設(shè)想一飛船以0.800.80c 的速度在地球上空飛行，的速度在地球上空飛行， 如果這時從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相如果這時從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對飛船速度為對飛船速度為0.900.90c 。求：從地面上看，物體速度多大？求：從地面

26、上看，物體速度多大？解：解：選飛船參考系為選飛船參考系為系系S 地面參考系為地面參考系為系系SxuvSxcv80.0cux90. 0 xxxucvvuu2190.080.0180.090.0ccc99.0Sx 由洛倫茲變換，兩個事件在不同慣性由洛倫茲變換，兩個事件在不同慣性系中的時間與空間間隔的變換關(guān)系為：系中的時間與空間間隔的變換關(guān)系為：22121xcvtttt2121tvxxxx兩個事件中的兩個事件中的時間間隔時間間隔和和空間間隔空間間隔在不同慣在不同慣性系中觀測，所得結(jié)果一般并不相同。性系中觀測，所得結(jié)果一般并不相同。12xxx12ttt空間間隔空間間隔時間間隔時間間隔S系系S 系系一、

27、同時的相對性一、同時的相對性22211cvxttzzyyvtxx5.4 5.4 狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀space-time view of special relativity 212212121)()(xxcvtttt21212121)()(ttvxxxx1 1、同時不同地、同時不同地0,01212xxxttt“同時同時”的相對性的相對性012ttt2 2、同時同地、同時同地001212xxxttt012ttt“同時同時”是絕對的是絕對的 設(shè)在慣性系設(shè)在慣性系S S中，不同地點中，不同地點x1 1和和x2 2同同時發(fā)生兩個事件時發(fā)生兩個事件: :22211cvxttvtxx3 3、

28、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）, ,時間次序不會顛倒時間次序不會顛倒)1(1)1(11222222cvuttxcvtxcvttu為質(zhì)點相對于為質(zhì)點相對于S系的速度系的速度; u c , v c ; t必與必與 t 同號同號在某個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一相對它運在某個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一相對它運動的慣性系中，并不一定同時發(fā)生動的慣性系中，并不一定同時發(fā)生-同時的相對性同時的相對性例如：在某處先發(fā)射一枚導(dǎo)彈，后擊中目標(biāo)，否則例如：在某處先發(fā)射一枚導(dǎo)彈，后擊中目標(biāo)，否則會違背因果關(guān)系，也與相對性原理相矛盾。會違背因果關(guān)系，也與相對性原理相矛盾。二、

29、時間的膨脹二、時間的膨脹 time dilation ( (運動時鐘變慢運動時鐘變慢 ） 在相對于在相對于S 以速度以速度v v 運動的慣性系運動的慣性系 S中的時間間隔：中的時間間隔：222122121211)()(xcvtxxcvttttt12xx 012ttt20211t時間膨脹時間膨脹0 在某一參考系中，同一地點先后發(fā)生的兩個事件的時間在某一參考系中，同一地點先后發(fā)生的兩個事件的時間間隔間隔 -固有時固有時( (原時原時) ) 0221cvxtt例例5-4 5-4 設(shè)想有一光子火箭以設(shè)想有一光子火箭以v = 0.95c 的速率相對地球作直線的速率相對地球作直線運動，若火箭上宇航員的計時

30、器記錄他觀測星云用去運動，若火箭上宇航員的計時器記錄他觀測星云用去10min，則地球上的觀察者測得此事用去了多少時間？則地球上的觀察者測得此事用去了多少時間？min01.32min95. 0110122tt即地球上的計時器記錄宇航員觀測星云用去了即地球上的計時器記錄宇航員觀測星云用去了32.01min，似乎是運動的鐘走得慢了。似乎是運動的鐘走得慢了。解：解：由下式可得由下式可得20211t 例例5-55-5 + 介子靜止時平均壽命介子靜止時平均壽命 （衰變?yōu)椋ㄋプ優(yōu)?子與中微子）。若使用高能加速器把子與中微子）。若使用高能加速器把 +介子加速到介子加速到 。 求：求： +介子平均一生最長介子平

31、均一生最長行程行程 。 s8106.2 cv75. 0解解：按經(jīng)典理論：按經(jīng)典理論m85.5 vl實驗室測得實驗室測得m6 . 05 . 8 l相對論考慮相對論考慮時間膨脹時間膨脹 為原時為原時運動的運動的 +介子平均壽命：介子平均壽命： 51. 175. 01122可得：可得：m83.8vl201三、長度收縮三、長度收縮 length contraction (動尺變短動尺變短) )1.1.原長原長( (固有長度固有長度) )棒靜止時測得它的長度棒靜止時測得它的長度lvSS設(shè)棒靜止在設(shè)棒靜止在 系中系中 固有長度固有長度 Sl同時測量同時測量0t不要求同時測不要求同時測0 不一定t事件事件1

32、 1：測棒的左端：測棒的左端11, tx122,ttx12xxl12xxl系系S系系S11, tx22, tx事件事件2 2：測棒的右端：測棒的右端測得長度測得長度2.2.當(dāng)當(dāng) SS以速度以速度 v v 相對相對S S系運動，棒沿系運動，棒沿 運動方向放置，運動方向放置， SS系測得棒的長度為系測得棒的長度為 l21tt由洛侖茲變換由洛侖茲變換21ll212121xxxxl這一現(xiàn)象稱為物體沿運動方向的這一現(xiàn)象稱為物體沿運動方向的“長度收縮效應(yīng)長度收縮效應(yīng)”, ll 22211cxvttzzyytvxx222221111,1t vxxt vxx21lzzyy,所以垂直于運動方向（所以垂直于運動方

33、向（v v 方向）的長度是不變的方向）的長度是不變的 （1 1）只）只沿運動方向有沿運動方向有“長度收縮效應(yīng)長度收縮效應(yīng)” （2 2）僅當(dāng)）僅當(dāng)v v與與c c可以比擬時此二效應(yīng)才明顯可以比擬時此二效應(yīng)才明顯. . 在低速下在低速下 伽利略變換伽利略變換（3 3）“時鐘變慢時鐘變慢”和和“長度收縮長度收縮”都是相對論效應(yīng)，都是相對論效應(yīng)，并不是事物內(nèi)部機制或鐘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有什么變化，不能并不是事物內(nèi)部機制或鐘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有什么變化，不能歸之于某種物理的、化學(xué)的或其他什么原因，歸之于某種物理的、化學(xué)的或其他什么原因， “時鐘時鐘變慢變慢” 意味著一切時鐘、一切物理過程，化學(xué)過程甚意味著一切時鐘、一切

34、物理過程，化學(xué)過程甚至生命過程都必須按同一因子變慢，否則就可以依據(jù)這至生命過程都必須按同一因子變慢，否則就可以依據(jù)這里的差別判斷本系統(tǒng)的運動狀態(tài)，這不符合相對性原理里的差別判斷本系統(tǒng)的運動狀態(tài)，這不符合相對性原理。（4 4）運動是相對的，）運動是相對的，SS系中觀察者看系中觀察者看S S系中的尺縮短系中的尺縮短了，鐘變慢了；同時，了，鐘變慢了；同時，S S系的觀察者看系的觀察者看SS系中的尺也縮系中的尺也縮短了，鐘也變慢了。短了，鐘也變慢了。（6 6）“觀察者觀察者”與與“觀看者觀看者” ” （5 5）時間與長度隨慣性系的運動速率）時間與長度隨慣性系的運動速率v v而變化，而變化，這與牛頓的絕

35、對時空觀是不相容的。這與牛頓的絕對時空觀是不相容的。vo20190LL棒長20190LL棒長20190LL棒長 直到直到19591959年才注意到應(yīng)區(qū)別二者年才注意到應(yīng)區(qū)別二者相對論效應(yīng)相對論效應(yīng): :長度縮短長度縮短, ,立方變長方立方變長方, ,圓變橢圓圓變橢圓, ,這是在同一時刻這是在同一時刻測量運動物體的測量運動物體的“真實真實”圖像圖像觀察者（測量者）觀察者（測量者）當(dāng)我們看到或拍攝一物體時，記錄的是當(dāng)我們看到或拍攝一物體時，記錄的是同時到達(dá)同時到達(dá)視網(wǎng)膜或底片視網(wǎng)膜或底片的光子，這些光子并不是物體上各點的光子，這些光子并不是物體上各點同時發(fā)出同時發(fā)出的，較遠(yuǎn)的點較的，較遠(yuǎn)的點較早發(fā)

36、出的光與較近的點較遲發(fā)出的光同時到達(dá)，這是光學(xué)效應(yīng)早發(fā)出的光與較近的點較遲發(fā)出的光同時到達(dá)，這是光學(xué)效應(yīng)引起的畸變引起的畸變觀看者觀看者。 的情況可能存在棒長時當(dāng)0,90Lyxo（7 7）雙生子佯謬）雙生子佯謬 twin paradox（時鐘佯謬）（時鐘佯謬） 一雙生子一雙生子Jim Jim 和和 Tim 20Tim 20歲生日那天，歲生日那天，Tim Tim 坐上坐上u=0.9998cu=0.9998c的飛船相對于地球作勻速直線運動一去一回整一年，在飛船上的飛船相對于地球作勻速直線運動一去一回整一年，在飛船上一年，在地球上經(jīng)過一年，在地球上經(jīng)過5050年，年，年年50)9998. 0(111

37、22tt2121歲的歲的 Tim Tim 歸來時，迎接他的是歸來時，迎接他的是7070歲的歲的 JimJim。 又，運動是相對的，可以看成地球運又，運動是相對的，可以看成地球運動，飛船不動，結(jié)果，地球上一年，在靜動，飛船不動，結(jié)果，地球上一年，在靜止的飛船上是止的飛船上是5050年，年，2121歲的歲的 Jim Jim 迎來的迎來的是是7070歲的歲的 TimTim，到底誰年輕？，到底誰年輕？ 這是一個佯謬這是一個佯謬似乎是謬論似乎是謬論，其實不是相對論有什么毛病，而，其實不是相對論有什么毛病，而是不適當(dāng)?shù)貋y用了狹義相對論，飛是不適當(dāng)?shù)貋y用了狹義相對論，飛船不是慣性系。船不是慣性系。 加速系中

38、發(fā)生時鐘延緩效應(yīng)是加速系中發(fā)生時鐘延緩效應(yīng)是絕對的絕對的廣義相對論討論廣義相對論討論 一定是一定是 Tim Tim 年輕年輕! !mlllyx625.022220tglltgxy72630例例5-65-6 若火箭天線長若火箭天線長 ，與箭體夾角為，與箭體夾角為 設(shè)火箭沿水平方向飛行速設(shè)火箭沿水平方向飛行速 。求地面上的觀察者測得的天線長度及其與箭體的夾角。求地面上的觀察者測得的天線長度及其與箭體的夾角。ml100045cu)2/3(解：解：取火箭飛行方向為取火箭飛行方向為 及及 軸的方向。軸的方向。XX cos120lllxxsinsin000llllyy000cosllx000sinlly和

39、和214/31)/(1122cuxxll021設(shè)光源相對接受器的運動速度為v，接受器所在的參考系為S，在光源上建立參考系S。v在參考系S中，光的頻率和周期為00 ,TT 21TT在參考系S中，光源的時鐘變慢觀測到的波長因光源的運動而改變TvcT)cos(觀測到的光波頻率02cos11c相對論多普勒效應(yīng)相對論多普勒效應(yīng)S系S系藍(lán)移頻率變大光源靠近接受器一級多普勒效應(yīng)當(dāng),11, 00v紅移頻率變小光源遠(yuǎn)離接受器一級多普勒效應(yīng)當(dāng),11,0v紅移頻率變小純相對論效應(yīng)二級多普勒效應(yīng)當(dāng),1,202v多普勒效應(yīng)為宇宙膨脹學(xué)說提供了依據(jù)。1917年M. Slipher拍攝到15個渦旋星云的光譜，發(fā)現(xiàn)其中13個

40、星云的吸收譜線移向紅端。這表明這些星系正在遠(yuǎn)離我們而去。1929年E. P. Hubble在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己測定的距離資料，總結(jié)出哈勃定律：星系的紅移量與距離成正比。以后哈勃定律被更多的觀測數(shù)據(jù)所證實，這意味著越遠(yuǎn)的星系退行速度越大，整個宇宙在膨脹。例 星光的紅移氫原子巴爾末線系的最大波長0=656nm，在觀測來自一個遙遠(yuǎn)星系的光譜中，這條譜線的波長的測量值為=1458nm。求星系相對地球的退行速度。退行速度就是多普勒公式中的v011v0011v664. 0ccv664. 0多普勒效應(yīng)在氣象中的應(yīng)用 經(jīng)典力學(xué)的基本方程、動量守恒和能量守恒等都是在舊經(jīng)典力學(xué)的基本方程、動量守恒和能量守恒等都是在

41、舊時空觀下建立的，它們不具有洛倫茲變換不變性。時空觀下建立的，它們不具有洛倫茲變換不變性。 根據(jù)狹義相對論的相對性原理，要求質(zhì)點動力學(xué)方程要根據(jù)狹義相對論的相對性原理，要求質(zhì)點動力學(xué)方程要滿足洛倫茲變換不變性。滿足洛倫茲變換不變性。方向一致時與當(dāng)是常量vFm,一、質(zhì)量和動量一、質(zhì)量和動量 mass and momentum1.1.牛頓第二定律與洛倫茲變換相矛盾牛頓第二定律與洛倫茲變換相矛盾amF 只要時間只要時間t t足夠長，速度足夠長，速度v v總會達(dá)到并超過光速總會達(dá)到并超過光速c c，這與相，這與相對論結(jié)論不符，也與高能物理實驗相矛盾。對論結(jié)論不符，也與高能物理實驗相矛盾。5.5 5.5

42、 狹義相對論動力學(xué)基礎(chǔ)狹義相對論動力學(xué)基礎(chǔ)dynamics foundation of special relativitymcv,時當(dāng)質(zhì)速關(guān)系式質(zhì)速關(guān)系式. .動量守恒與能量守恒應(yīng)具有洛倫茲變換不變性動量守恒與能量守恒應(yīng)具有洛倫茲變換不變性vmP動量定義：動量定義：要動量守恒定律在洛倫茲變換下保持不變，要動量守恒定律在洛倫茲變換下保持不變，質(zhì)量質(zhì)量不能再是常不能再是常量，而應(yīng)為：量，而應(yīng)為：2201cvmm可見可見 的上限是的上限是 cv由于空間的各向同性，質(zhì)量與速度方向無關(guān)由于空間的各向同性，質(zhì)量與速度方向無關(guān)m m0 0靜止質(zhì)量（不變質(zhì)量）靜止質(zhì)量（不變質(zhì)量）任何運動學(xué)方法都不能使物體獲得超光速的運動。任何運動學(xué)方法都不能使物體獲得超光速的運動。amFamamF恒定有限大恒定)(0,mmcv 時當(dāng),)(dtvmddtPdFvmP201vmdtdF201相對論質(zhì)點動力學(xué)基本方程相對論質(zhì)點動力學(xué)基本方程dtvdmFcv0,時當(dāng)二、相對論質(zhì)點動力學(xué)方程二、相對論質(zhì)點動力學(xué)方程相對論動量相對論動量220/1cvvmvmP三、相對論能量三、相對論能量 relativistic energy. .相對論動能相對論動能 relativistic kinetic energy 動能定理應(yīng)該是合理的動能定理應(yīng)該是合理的設(shè)計質(zhì)點從靜止，通過力作功，使動