醫(yī)用物理學(xué)06相對論基礎(chǔ)ppt課件

1、第六章相對論根底第六章相對論根底學(xué)習(xí)目的：掌握狹義相對學(xué)習(xí)目的：掌握狹義相對論的根本假設(shè)、狹義相對論的根本假設(shè)、狹義相對論的時空觀。論的時空觀。 學(xué)習(xí)狹義相對性的正確態(tài)學(xué)習(xí)狹義相對性的正確態(tài)度：以現(xiàn)實為根據(jù)度：以現(xiàn)實為根據(jù)超越自我認(rèn)識的局限超越自我認(rèn)識的局限 牛頓相對性原理。牛頓相對性原理。自覺擺脫閱歷的束縛自覺擺脫閱歷的束縛 狹義相對性原理。狹義相對性原理。學(xué)習(xí)狹義相對性的方法：學(xué)習(xí)狹義相對性的方法：第六章相對論根底第六章相對論根底力學(xué)力學(xué)熱力學(xué)熱力學(xué)分子運動論分子運動論電磁學(xué)電磁學(xué)光學(xué)光學(xué)物物理理學(xué)學(xué)大大廈廈1895第六章相對論根底第六章相對論根底進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研討的領(lǐng)域開場深化到進(jìn)

2、入二十世紀(jì)，物理學(xué)研討的領(lǐng)域開場深化到了微觀、高速領(lǐng)域。了微觀、高速領(lǐng)域。高速高速光、電磁涉及粒子衰變，速度為光速或接近光速光、電磁涉及粒子衰變，速度為光速或接近光速smc/1038微觀微觀如原子、電子、粒子如原子、電子、粒子m1010 空間尺度空間尺度第六章相對論根底第六章相對論根底進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研討的領(lǐng)域開場深化到了進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研討的領(lǐng)域開場深化到了微觀、高速領(lǐng)域。微觀、高速領(lǐng)域。18951895，倫琴：發(fā)現(xiàn)，倫琴：發(fā)現(xiàn)x x射線射線18961896，貝克勒爾：發(fā)現(xiàn)放射性，貝克勒爾：發(fā)現(xiàn)放射性18961896，塞曼：發(fā)現(xiàn)磁場使光譜線分裂，塞曼：發(fā)現(xiàn)磁場使光譜線分裂189718

3、97，J.J.J.J.湯姆生：發(fā)現(xiàn)電子湯姆生：發(fā)現(xiàn)電子18981898，盧瑟福：發(fā)現(xiàn)，盧瑟福：發(fā)現(xiàn)射線射線,牛頓力學(xué)對牛頓力學(xué)對這些景象不這些景象不適用。適用。61伽利略變換伽利略變換一、經(jīng)典力學(xué)的絕對時一、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀和相對性原理空觀和相對性原理二、伽利略變換二、伽利略變換一、絕對時空觀和相對性原理一、絕對時空觀和相對性原理內(nèi)容：時間和空間是分別的，質(zhì)量和能量也是內(nèi)容：時間和空間是分別的，質(zhì)量和能量也是分別的，與物質(zhì)運動方式?jīng)]有關(guān)系。分別的，與物質(zhì)運動方式?jīng)]有關(guān)系。絕對的空間，就其本性而言，永遠(yuǎn)堅持不變和不動，絕對的空間，就其本性而言，永遠(yuǎn)堅持不變和不動，且與外界任何事物無關(guān)。且與外

4、界任何事物無關(guān)。絕對的、真正的數(shù)學(xué)時間，出于其本性而自行均勻絕對的、真正的數(shù)學(xué)時間，出于其本性而自行均勻地流逝著，與任何外在的情況無關(guān)。地流逝著，與任何外在的情況無關(guān)。1 1、絕對時空觀、絕對時空觀一、絕對時空觀和相對性原理一、絕對時空觀和相對性原理內(nèi)容：內(nèi)容： 一個對于慣性系作勻速直線運動的其他參一個對于慣性系作勻速直線運動的其他參考系，其內(nèi)部發(fā)生的一切力學(xué)過程，不受系統(tǒng)作考系，其內(nèi)部發(fā)生的一切力學(xué)過程，不受系統(tǒng)作為整體的勻速直線運動的影響。力學(xué)規(guī)律在一切為整體的勻速直線運動的影響。力學(xué)規(guī)律在一切慣性系中都是一樣的，因此一切慣性系都是平權(quán)慣性系中都是一樣的，因此一切慣性系都是平權(quán)的、等價的。

5、有一樣的數(shù)學(xué)方式的、等價的。有一樣的數(shù)學(xué)方式景象：如景象：如F=maF=ma在不同的慣性系中，方式不變。在不同的慣性系中，方式不變。2 2、相對性原理、相對性原理二二 、伽利略變換、伽利略變換1 1、兩直角坐標(biāo)系、兩直角坐標(biāo)系),(zyxs相互平行；相互平行；),(zyxsSS沒沒x x軸正方向以速度軸正方向以速度u u運動。運動。x x和和xx軸重疊；軸重疊；二二 、伽利略變換、伽利略變換當(dāng)當(dāng)S S系中的一事件于系中的一事件于t t時辰在點時辰在點P(x,y,z)P(x,y,z)處發(fā)生處發(fā)生時，在時，在S S系中察看到該事件的位置和時間為：系中察看到該事件的位置和時間為：ttzzyyutxx

6、當(dāng)兩者的時鐘，當(dāng)兩者的時鐘，O O和重合。和重合。tto2 2、坐標(biāo)變換、坐標(biāo)變換二二 、伽利略變換、伽利略變換ttzzyyutxx3 3、速度和加速度變換、速度和加速度變換對伽利略變換中前三式對時間求導(dǎo)，可得對伽利略變換中前三式對時間求導(dǎo)，可得zzyyxxuzzyyxxaaaaaa(1)F=ma方式一樣;(2)F(2)F、m m、a a一樣一樣; ;(3)(3)動力學(xué)定律其他方式不變。動力學(xué)定律其他方式不變。62洛倫茲變換洛倫茲變換一、邁克耳遜莫雷實驗一、邁克耳遜莫雷實驗二、狹義相對論的根本假設(shè)二、狹義相對論的根本假設(shè)三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換一、邁克耳遜莫雷實驗一、邁克耳遜莫雷實驗一、邁

7、克耳遜莫雷實驗一、邁克耳遜莫雷實驗先讓光沿地球運先讓光沿地球運動方向傳播，察動方向傳播，察看干涉條紋。看干涉條紋。然后將干涉儀旋轉(zhuǎn)然后將干涉儀旋轉(zhuǎn) 9090 ，這時實際，這時實際上應(yīng)該察看到干涉上應(yīng)該察看到干涉條紋的挪動。條紋的挪動。1 1、實驗演示、實驗演示一、邁克耳遜莫雷實驗一、邁克耳遜莫雷實驗光波長為光波長為 ，地球相對于，地球相對于以太的速度以太的速度u u。根據(jù)以太假說，。根據(jù)以太假說，計算出干涉條紋挪動的數(shù)目為計算出干涉條紋挪動的數(shù)目為221)()(cullN2 2、實驗結(jié)果、實驗結(jié)果可是：實驗結(jié)果可是：實驗結(jié)果NN0 0。1 1：地球相對于以太的運動并不存在。：地球相對于以太的運

8、動并不存在。闡明闡明3 3：與伽利略變換和絕對時空觀相矛盾：與伽利略變換和絕對時空觀相矛盾2 2：作為絕對參考系的以太并不存在。：作為絕對參考系的以太并不存在。一、邁克耳遜莫雷實驗一、邁克耳遜莫雷實驗3 3、成為愛因斯坦相對論的重要支柱、成為愛因斯坦相對論的重要支柱愛因斯坦揚棄了以太愛因斯坦揚棄了以太假說和絕對參考系的想法，假說和絕對參考系的想法，在前人各種實驗的根底上，在前人各種實驗的根底上，另辟蹊徑，提出了下狹義另辟蹊徑，提出了下狹義相對論的兩條根本假設(shè)。相對論的兩條根本假設(shè)。二、狹義相對論的根本假設(shè)二、狹義相對論的根本假設(shè)19051905年，愛因斯坦提出了狹義相對論年，愛因斯坦提出了狹義

9、相對論的兩個根本假設(shè)。的兩個根本假設(shè)。1 1、狹義相對論的相對性原理：在一切慣性系中，、狹義相對論的相對性原理：在一切慣性系中，物理定律的表達(dá)方式都一樣。物理定律的表達(dá)方式都一樣。2 2、光速不變原理：在一切慣性系中，真空中的、光速不變原理：在一切慣性系中，真空中的光速具有一樣的量值光速具有一樣的量值c c否認(rèn)了伽利略變換，否認(rèn)了牛頓的絕對時空觀。否認(rèn)了伽利略變換，否認(rèn)了牛頓的絕對時空觀。選擇：洛倫茲變換。選擇：洛倫茲變換。三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換愛因斯坦把愛因斯坦把x x、y y、z z、t t聯(lián)絡(luò)在一同稱為四維聯(lián)絡(luò)在一同稱為四維時空坐標(biāo)時空坐標(biāo), ,以為時空

10、間隔在任何參考系中相等。以為時空間隔在任何參考系中相等。yzzxxyoout pss u1 1、四維時空、四維時空對于同一質(zhì)點對于同一質(zhì)點P P的運的運動，兩個慣性系中的時動，兩個慣性系中的時空坐標(biāo)的變換關(guān)系為：空坐標(biāo)的變換關(guān)系為：洛侖茲變換洛侖茲變換 三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換2 2、洛倫茲變換公式、洛倫茲變換公式)(1)(1222222xcutxcuttzzyyutxutxxcucu22/11cu三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換3 3、洛倫茲變換和伽利略變換、洛倫茲變換和伽利略變換)()(2xcuttzzyyutxx1/1122cu當(dāng)當(dāng)cu 時，時，ttzzyyutxx三、洛倫茲變換三、洛倫

11、茲變換4 4、洛倫茲逆變換、洛倫茲逆變換)(1)(1222222xcutxcuttzzyyt uxt uxxcucu洛侖茲正變換洛侖茲正變換洛侖茲逆變換洛侖茲逆變換)(1)(1222222xcutxcuttzzyyutxutxxcucu三、洛倫茲變換三、洛倫茲變換5 5、洛倫茲速度變換和逆變換、洛倫茲速度變換和逆變換正變換正變換逆變換逆變換222222222211111cuxcuzzcuxcuyyxcuxxu22222222211111cuxcuzzcuxcuyyxcuxxu例例5 5 例：想象一飛船以例：想象一飛船以0.80c 0.80c 的速度在地球上空飛的速度在地球上空飛行，假設(shè)這時從飛

12、船上沿速度方向拋出一物體，行，假設(shè)這時從飛船上沿速度方向拋出一物體，物體相對飛船速度為物體相對飛船速度為0.90c 0.90c 。 問：從地面上看，物體速度多大？問：從地面上看，物體速度多大？ 解：選地面為解：選地面為S S系，飛船為系，飛船為S S系。系。那么那么V V0.80c0.80c，uxux=0.90c=0.90cxxxucvvuu 219008001800900. ccc990. 63狹義相對論的時空觀狹義相對論的時空觀一、時間膨脹一、時間膨脹二、洛倫茲收縮二、洛倫茲收縮三、同時性的相對性三、同時性的相對性四、因果律和信號速度四、因果律和信號速度一、時間膨脹一、時間膨脹兩事件發(fā)生在

13、兩事件發(fā)生在SS系中系中的同一地點的同一地點xx，時間，時間分別為分別為t1t1和和t2t2。其時間間隔為其時間間隔為120ttS S系測得的時間：系測得的時間：t1t1和和t2t2)(211xcvtt)(222xcvtt0220012121)(cutttt二、洛倫茲收縮二、洛倫茲收縮尺相對尺相對SS系靜止固有系靜止固有長度：長度：120 xxlS S系測得尺的長度：系測得尺的長度：12xxl)(111utxx)(222utxxlxxxxl)(121200002211llllcu例例6 6解：解：cosllxsinlllyy22yxlll)m(79. 0cos1222cvl21cossin22

14、cvlllltgxy276322221cos1cvlcvllxx例例. .一長為一長為1 1米的棒，相對于米的棒，相對于S S系靜止系靜止并與并與x x 軸夾軸夾= 45= 45角。問：在角。問：在S S系系的察看者來看，此棒的長度以及它與的察看者來看，此棒的長度以及它與x x軸的夾角為多少？知軸的夾角為多少？知 23cu 三、同時性的相對性三、同時性的相對性設(shè)在設(shè)在S S系中同一地點先后發(fā)生了兩個事件，其系中同一地點先后發(fā)生了兩個事件，其時空分別為時空分別為(x1,t1)(x1,t1)和和(x2,t2)(x2,t2)，在，在S S系中的兩個事系中的兩個事件之間的時間間隔為件之間的時間間隔為0

15、21ttt那么在相對運動的那么在相對運動的S S系中，這兩個事件發(fā)生的時間為：系中，這兩個事件發(fā)生的時間為：2212122()1xx u ctttuc211221tux ctuc222221tuxctuc三、同時性的相對性三、同時性的相對性2212122()1xx u ctttuc討論：討論： 當(dāng)當(dāng) 時，時， 12xx21tt21tt12xx當(dāng)當(dāng) 時，時， 當(dāng)當(dāng)S S系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在S S系中系中就不一定同時，這就是同時性的相對性。就不一定同時，這就是同時性的相對性。同時的相對性否認(rèn)了各個慣性系具有一致時間的同時的相對性否認(rèn)了各個慣性系具有一

16、致時間的結(jié)論否認(rèn)了牛頓的時空觀。結(jié)論否認(rèn)了牛頓的時空觀。四、因果律和信號速度四、因果律和信號速度在慣性系在慣性系S S中，在中，在t1t1時辰有一事件時辰有一事件P P發(fā)生在發(fā)生在x1x1處，處，引起事件引起事件Q Q在在t2t2時辰發(fā)生在時辰發(fā)生在x2x2處，也就是說事件處，也就是說事件P(x1, t1)P(x1, t1)引起事件引起事件Q(x2, t2)Q(x2, t2)，它們之間有因果關(guān)，它們之間有因果關(guān)系，信息從系，信息從x1x1處傳到處傳到x2x2處的速度為處的速度為txttxxPQPQs)/(2111cuxtt)/(2222cuxtt在在S S系中系中)1 ()1 ()(222cu

17、txcutxcuttttsPQ2cus如如，那么時間順序?qū)⒏模敲磿r間順序?qū)⒏膭?。動?4相對論動力學(xué)相對論動力學(xué)一、動量和質(zhì)量一、動量和質(zhì)量二、力和動能二、力和動能三、質(zhì)能關(guān)系三、質(zhì)能關(guān)系一、動量和質(zhì)量一、動量和質(zhì)量動量定義不變：在相對論中，動量的定義動量定義不變：在相對論中，動量的定義m m改動：質(zhì)量改動：質(zhì)量m m已不是原來的意義上的質(zhì)量了，而是已不是原來的意義上的質(zhì)量了，而是相對論中的質(zhì)量相對論中的質(zhì)量mP 00221mmmcv質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系m0m0是物體靜止時的質(zhì)量是物體靜止時的質(zhì)量一、動量和質(zhì)量一、動量和質(zhì)量00221mmmcv就是經(jīng)典力學(xué)中的情況。就是經(jīng)典力學(xué)中的情況。0mm

18、c討討論論c接近質(zhì)量急劇增大。意味著越難加速，這就是質(zhì)量急劇增大。意味著越難加速，這就是任何物體都不能夠超越光速的緣由。任何物體都不能夠超越光速的緣由。00221mmmPcv那么動量的表達(dá)式為：那么動量的表達(dá)式為：二、力和動能二、力和動能dtdPF )()1(0022mdtdmdtdcv00)()(mdmdttkdrmdtddrFE00)(20200022221)1(cmcmmdcc202cmmcEk三、質(zhì)能關(guān)系三、質(zhì)能關(guān)系這就是著名的質(zhì)能方程這就是著名的質(zhì)能方程在左式中是一個恒量，稱在左式中是一個恒量，稱為靜能量。用為靜能量。用E0E0表示，即表示，即202cmmcEk20cm200cmE 因此，式中的在數(shù)值上就等于，我們用因此，式中的在數(shù)值上就等于，我們用E E表示。表示。2mc0EEk20202221cmcmmcEc例例7 7解：解：例例. . 子自發(fā)衰變的平均壽命為子自發(fā)衰變的平均壽命為2.152.1510-6s10-6s。假設(shè)。假設(shè)來自太空的宇宙射線，在離地面來自太空的宇宙射線，在離地面6000m6000m的高空所產(chǎn)的高空所產(chǎn)生的生的子，以相對于地球子，以相對于地球0.995c0.995c的速率垂直向地面的速率垂直向地面飛來，試問：飛來，試問：1 1在地面上看來，在地面上看來，子的平均壽命應(yīng)子的平均壽命應(yīng)為多少