相對(duì)論演講稿課件

列寧高度稱譽(yù)他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。

愛(ài)因斯坦對(duì)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(jī)主要包括四個(gè)方面：早期對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究；狹義相對(duì)論的創(chuàng)建；推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展；建立了廣義相對(duì)論。

1905年創(chuàng)建的狹義相對(duì)論和1916年創(chuàng)建的廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦的最重要的科學(xué)研究成果，而1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)則是由于他提出了光的量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的。愛(ài)因斯坦(A.Einstein)列寧高度稱譽(yù)他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。愛(ài)因1相對(duì)論給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，并從根本上改變了許多世紀(jì)以來(lái)所形成的有關(guān)時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的陳舊概念，建立了新的時(shí)空觀，揭露了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系，開(kāi)始了萬(wàn)有引力本質(zhì)的探索?，F(xiàn)在，相對(duì)論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)以及現(xiàn)代工程技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。近代物理學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)1900年—1930年揭示了微觀世界的基本規(guī)律，使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，為原子物理、固體物理和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量與參考系有關(guān)“同時(shí)”是相對(duì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢運(yùn)動(dòng)的尺變短質(zhì)量與速度有關(guān)質(zhì)量與能量不可分現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的兩塊理論基石“奇妙”的現(xiàn)象：相對(duì)論給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，并從根2建筑學(xué)館第五章相對(duì)論基礎(chǔ)Fundamentalsofrelativity力學(xué)相對(duì)性原理mechanicsrelativityprinciple經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀space-timeviewofclassicalmechanics狹義相對(duì)論的基本假設(shè)postulatesofspecialrelativity洛侖茲坐標(biāo)變換Lorentzcoordinatetransformations同時(shí)的相對(duì)性

relativityofsimultaneity狹義相對(duì)論的時(shí)空觀space-timeviewofspecialrelativity相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)dynamicsfoundationofspecialrelativity建筑學(xué)館第五章相對(duì)論基礎(chǔ)3一、力學(xué)相對(duì)性原理（伽利略Galileo相對(duì)性原理）

在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的所有慣性系中，物體運(yùn)動(dòng)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。即在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)，一切慣性系是等價(jià)的。

§5.1力學(xué)相對(duì)性原理

relativityprincipleofmechanics經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀

space-timeviewofclassicalmechanics在一切慣性系內(nèi)的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能確定該慣性系是靜止的還是作勻速直線運(yùn)動(dòng)的，因此要確切知道某一慣性系本身是否“絕對(duì)靜止”，則用任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不可能辦到。慣性系inertiasystem

：牛頓定律成立的參考系，叫慣性參考系，簡(jiǎn)稱慣性系。（循環(huán)定義？?。耙粋€(gè)遠(yuǎn)離其他一切物體，而且沒(méi)有自轉(zhuǎn)的物體是慣性參照系，一切相對(duì)于該物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。牛頓定律就是在這樣的參照系中成立?！币弧⒘W(xué)相對(duì)性原理（伽利略Galileo相對(duì)性原理）§5.4★你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來(lái)得遠(yuǎn),雖然你跳在空中時(shí),腳下的船底板向著你跳的反方向移動(dòng).★你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí),如果你的同伴在船頭而你在船尾,你所用的力并不比你們兩個(gè)站在相反位置時(shí)所用的力更大．★水滴將象先前一樣,滴進(jìn)下面的罐子,一滴也不會(huì)滴向船尾,雖然水滴在空中時(shí),船已行駛了相當(dāng)距離.

只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，你就無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)．伽利略實(shí)驗(yàn)★你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來(lái)得遠(yuǎn),雖然你跳在空中5yxZoS系二、伽利略變換(Galileantransformation)1、坐標(biāo)系的建立系在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件設(shè)慣性系相對(duì)慣性系S以速度u作勻速直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)時(shí)兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)O與相重合。yxZoS系二、伽利略變換(Galileantransf62、實(shí)際觀測(cè)t時(shí)刻在P點(diǎn)發(fā)生任一事件伽利略變換(Galileantransformation)yxZoS系系(x,y,z,t)逆變換正變換2、實(shí)際觀測(cè)t時(shí)刻在P點(diǎn)發(fā)生任一事件伽利略變換yxZ73、速度變換與加速度變換兩個(gè)都是慣性系，是恒量在兩個(gè)不同的慣性系中3、速度變換與加速度變換兩個(gè)都是慣性系，是恒量在兩個(gè)不同的慣8自不同的慣性系，所觀測(cè)到的同一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度是相同的，即物體的加速度具有伽利略變換下的不變性。三、牛頓定律具有伽利略變換不變性

牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等）在伽利略變換下形式不變。結(jié)論：在牛頓力學(xué)中質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)力與參考系無(wú)關(guān)自不同的慣性系，所觀測(cè)到的同一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度是相同的，即物9四、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀1、事件所經(jīng)歷的時(shí)間與參照系的選擇無(wú)關(guān)無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔都相同2、空間兩點(diǎn)間的距離與參照系的選擇無(wú)關(guān)在S系，點(diǎn)與點(diǎn)間的距離為：間的距離為：在系觀測(cè)，點(diǎn)與點(diǎn)四、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀1、事件所經(jīng)歷的時(shí)間與參照系的選擇無(wú)10無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)兩點(diǎn)間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀

在狹義相對(duì)論建立之前，科學(xué)家們普遍認(rèn)為：時(shí)間和空間都是絕對(duì)的。可以脫離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而存在，并且時(shí)間與空間沒(méi)有任何聯(lián)系。無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)兩點(diǎn)間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)11

牛頓說(shuō)：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流浙著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流浙著”；“絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)、而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的。”——絕對(duì)時(shí)空觀

absolutespace-timeview

顯然，絕對(duì)時(shí)空觀符合人們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)和習(xí)慣。牛頓說(shuō)：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流浙12§5.2狹義相對(duì)論的基本原理postulateofspecialrelativity

洛倫茲坐標(biāo)變換Lorentzcoordinatetransformations

不同慣性系中電磁規(guī)律是否相同?如果不同，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價(jià)——應(yīng)存在一個(gè)特殊的慣性系（以太），沒(méi)找到！如果相同，則坐標(biāo)變換后方程組的形式應(yīng)保持不變。兩種可能：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一、伽利略變換的困難1)19世紀(jì)成熟的電磁理論表明真空中光速c是常量。伽利略變換：以u(píng)

速度運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出的光速不再是c

。2)Maxwell方程組對(duì)伽利略變換非協(xié)變——通過(guò)電磁實(shí)驗(yàn)可以找到“絕對(duì)參照系”,邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果§5.2狹義相對(duì)論的基本原理postulateofs13物理學(xué)界大為震驚:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換乃至整個(gè)經(jīng)典力學(xué)不相容。

為了在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上統(tǒng)一說(shuō)明這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，洛倫茲等人提出各種假設(shè)，但都沒(méi)有成功。

1905年26歲的愛(ài)因斯坦，不固守傳統(tǒng)的時(shí)空觀，和經(jīng)典力學(xué)的觀念，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人工作進(jìn)行仔細(xì)分析和研究的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑，從一個(gè)全新的角度考慮所有問(wèn)題，提出兩個(gè)基本假設(shè)。物理學(xué)界大為震驚:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換乃至整個(gè)經(jīng)典力學(xué)不相14二、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)Einstein’stwobasicpostulatesofspecialrelativity

1.狹義相對(duì)論的相對(duì)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)學(xué)表達(dá)式?；颍核袘T性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的。2.光速不變?cè)?/p>

光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任一慣性系中，所測(cè)得的光在真空中沿各個(gè)方向的速率是相等的。無(wú)須尋找特殊的慣性系（也無(wú)法尋找）討論

1、Einstein

的相對(duì)性原理是Newton理論的發(fā)展一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律二、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)Einstein’st152、光速不變?cè)砼c伽利略的速度相加原理針?shù)h相對(duì)，否定了伽利略坐標(biāo)變換，動(dòng)搖了絕對(duì)時(shí)空觀和經(jīng)典力學(xué)體系。觀念上的變革牛頓力學(xué)時(shí)間標(biāo)度長(zhǎng)度標(biāo)度質(zhì)量的測(cè)量與參考系無(wú)關(guān)速度與參考系有關(guān)(相對(duì)性)狹義相對(duì)論力學(xué)長(zhǎng)度時(shí)間質(zhì)量與參考系有關(guān)光速不變(相對(duì)性)時(shí)空觀的革命2、光速不變?cè)砼c伽利略的速度相加原理針?shù)h相對(duì)，否定了伽利略163、尊重事實(shí)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)

光速不變是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，并不斷被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。牛頓力學(xué)定律是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)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。4、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的東西三、洛侖茲變換Lorentztransformation愛(ài)因斯坦根據(jù)兩個(gè)基本假設(shè)，建立了新的坐標(biāo)變換公式——洛侖茲變換式洛倫茲為彌補(bǔ)經(jīng)典理論的缺陷提出——但他不具有相對(duì)論思想——愛(ài)因斯坦是給予正確解釋第一人。3、尊重事實(shí)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)4、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的17某事件在S

系中的時(shí)空坐標(biāo)為（x,y,z,t)同一事件在系中的時(shí)空坐標(biāo)為yxZoS系

系(x,y,z,t)當(dāng)時(shí)兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)O與相重合逆變換正變換洛侖茲變換（Lorentztransformation）某事件在S系中的時(shí)空坐標(biāo)為（x,y,z,t)同一18正變換逆變換當(dāng)v<<c時(shí)，=(v/c)0,可得：正變換逆變換伽利略變換令:,則:正變換逆變換當(dāng)v<<c時(shí)，=(v/c)0,19例5-1在K系中觀察到兩個(gè)事件發(fā)生在空間同一地點(diǎn)，第二事件發(fā)生在第一事件以后2s，在另一相對(duì)K系運(yùn)動(dòng)的K`系中觀察到第二事件是在第一事件事件3s之后發(fā)生的，求在K`系中這兩個(gè)事件的空間間隔。解：正變換例5-1在K系中觀察到兩個(gè)事件發(fā)生在空間同一地點(diǎn)，第二20例5-2乙乘飛行器相對(duì)甲沿x軸作勻速直線運(yùn)動(dòng)。甲測(cè)得兩個(gè)事件的時(shí)空坐標(biāo)為x1=6104m，y1=z1=0，t1=210-4s；x2=12104m，y2=z2=0，t2=110-4

s，，如果乙測(cè)得這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生于t`時(shí)刻，求：1乙對(duì)于甲的運(yùn)動(dòng)速度是多少？2乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是多少？乙所測(cè)得這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔是解：1設(shè)乙對(duì)甲的運(yùn)動(dòng)速度為v，由洛侖茲變換例5-2乙乘飛行器相對(duì)甲沿x軸作勻速直線運(yùn)動(dòng)。甲測(cè)得兩個(gè)事212由洛侖茲變換乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的空間間隔:2由洛侖茲變換乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的空間間隔:22設(shè)一質(zhì)點(diǎn)P在空間的運(yùn)動(dòng)，由速度的定義，從S和系來(lái)看，其速度分別是：§5.3相對(duì)論速度變換公式

Velocitytransformofrelativity設(shè)一質(zhì)點(diǎn)P在空間的運(yùn)動(dòng)，由速度的定義，從S和23同樣可得同樣可得24洛侖茲速度變換式逆變換正變換洛侖茲速度變換式逆變換正變換25例5-3設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c。求：從地面上看，物體速度多大？解：選飛船參考系為系地面參考系為系例5-3設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如26由洛倫茲變換，兩個(gè)事件在不同慣性系中的時(shí)間與空間間隔的變換關(guān)系為：兩個(gè)事件中的時(shí)間間隔和空間間隔在不同慣性系中觀測(cè)，所得結(jié)果一般并不相同?？臻g間隔時(shí)間間隔S系

系一、同時(shí)的相對(duì)性§5.4狹義相對(duì)論時(shí)空觀space-timeviewofspecialrelativity由洛倫茲變換，兩個(gè)事件在不同慣性系中的時(shí)間與空間間隔的271、同時(shí)不同地“同時(shí)”的相對(duì)性2、同時(shí)同地“同時(shí)”是絕對(duì)的設(shè)在慣性系S中，不同地點(diǎn)x1和x2同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件:1、同時(shí)不同地“同時(shí)”的相對(duì)性2、同時(shí)同地“同時(shí)”是絕對(duì)的283、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）,時(shí)間次序不會(huì)顛倒u為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于S系的速度;u≯c,v≯c;∴t′必與t同號(hào)在某個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的慣性系中，并不一定同時(shí)發(fā)生--------同時(shí)的相對(duì)性例如：在某處先發(fā)射一枚導(dǎo)彈，后擊中目標(biāo)，否則會(huì)違背因果關(guān)系，也與相對(duì)性原理相矛盾。3、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）,時(shí)間次序不會(huì)顛倒u為質(zhì)點(diǎn)相29二、時(shí)間的膨脹timedilation

(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢）在相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系

S′中的時(shí)間間隔：時(shí)間膨脹在某一參考系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔------固有時(shí)(原時(shí))0二、時(shí)間的膨脹timedilation(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢30例5-4設(shè)想有一光子火箭以v=0.95c的速率相對(duì)地球作直線運(yùn)動(dòng)，若火箭上宇航員的計(jì)時(shí)器記錄他觀測(cè)星云用去10min，則地球上的觀察者測(cè)得此事用去了多少時(shí)間？即地球上的計(jì)時(shí)器記錄宇航員觀測(cè)星云用去了32.01min，似乎是運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢了。解：由下式可得例5-4設(shè)想有一光子火箭以v=0.95c的速率相對(duì)地31例5-5

+介子靜止時(shí)平均壽命（衰變?yōu)樽优c中微子）。若使用高能加速器把+介子加速到。求：+介子平均一生最長(zhǎng)行程。解：按經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)室測(cè)得相對(duì)論考慮時(shí)間膨脹

為原時(shí)運(yùn)動(dòng)的+介子平均壽命：可得：例5-5+介子靜止時(shí)平均壽命解：按經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)室測(cè)32三、長(zhǎng)度收縮lengthcontraction(動(dòng)尺變短)1.原長(zhǎng)(固有長(zhǎng)度)棒靜止時(shí)測(cè)得它的長(zhǎng)度設(shè)棒靜止在系中固有長(zhǎng)度

同時(shí)測(cè)量不要求同時(shí)測(cè)事件1：測(cè)棒的左端事件2：測(cè)棒的右端測(cè)得長(zhǎng)度2.當(dāng)S′以速度v相對(duì)S系運(yùn)動(dòng)，棒沿運(yùn)動(dòng)方向放置，S′系測(cè)得棒的長(zhǎng)度為l′三、長(zhǎng)度收縮lengthcontraction(動(dòng)尺33由洛侖茲變換這一現(xiàn)象稱為物體沿運(yùn)動(dòng)方向的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”所以垂直于運(yùn)動(dòng)方向（v方向）的長(zhǎng)度是不變的由洛侖茲變換這一現(xiàn)象稱為物體沿運(yùn)動(dòng)方向的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”所以34

（1）只沿運(yùn)動(dòng)方向有“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”（2）僅當(dāng)v與c可以比擬時(shí)此二效應(yīng)才明顯.在低速下伽利略變換（3）“時(shí)鐘變慢”和“長(zhǎng)度收縮”都是相對(duì)論效應(yīng)，并不是事物內(nèi)部機(jī)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，“時(shí)鐘變慢”意味著一切時(shí)鐘、一切物理過(guò)程，化學(xué)過(guò)程甚至生命過(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這不符合相對(duì)性原理。（4）運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，S′系中觀察者看S系中的尺縮短了，鐘變慢了；同時(shí)，S系的觀察者看S′系中的尺也縮短了，鐘也變慢了。討論（1）只沿運(yùn)動(dòng)方向有“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”討論35（6）“觀察者”與“觀看者”（5）時(shí)間與長(zhǎng)度隨慣性系的運(yùn)動(dòng)速率v而變化，這與牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀是不相容的。直到1959年才注意到應(yīng)區(qū)別二者相對(duì)論效應(yīng):長(zhǎng)度縮短,立方變長(zhǎng)方,圓變橢圓,這是在同一時(shí)刻測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的“真實(shí)”圖像——觀察者（測(cè)量者）當(dāng)我們看到或拍攝一物體時(shí)，記錄的是同時(shí)到達(dá)視網(wǎng)膜或底片的光子，這些光子并不是物體上各點(diǎn)同時(shí)發(fā)出的，較遠(yuǎn)的點(diǎn)較早發(fā)出的光與較近的點(diǎn)較遲發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)，這是光學(xué)效應(yīng)引起的畸變——觀看者。討論（6）“觀察者”與“觀看者”（5）時(shí)間與長(zhǎng)度隨慣性系的運(yùn)動(dòng)36（7）雙生子佯謬twinparadox（時(shí)鐘佯謬）一雙生子Jim和Tim20歲生日那天，Tim坐上u=0.9998c的飛船相對(duì)于地球作勻速直線運(yùn)動(dòng)一去一回整一年，在飛船上一年，在地球上經(jīng)過(guò)50年，21歲的Tim歸來(lái)時(shí)，迎接他的是70歲的Jim。（7）雙生子佯謬twinparadox（時(shí)鐘佯謬）37又，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，可以看成地球運(yùn)動(dòng)，飛船不動(dòng)，結(jié)果，地球上一年，在靜止的飛船上是50年，21歲的Jim迎來(lái)的是70歲的Tim，到底誰(shuí)年輕？這是一個(gè)佯謬——似乎是謬論，其實(shí)不是相對(duì)論有什么毛病，而是不適當(dāng)?shù)貋y用了狹義相對(duì)論，飛船不是慣性系。加速系中發(fā)生時(shí)鐘延緩效應(yīng)是絕對(duì)的——廣義相對(duì)論討論一定是Tim年輕!×又，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，可以看成地球運(yùn)動(dòng)，飛船不動(dòng)，結(jié)果，38例5-6

若火箭天線長(zhǎng)，與箭體夾角為設(shè)火箭沿水平方向飛行速。求地面上的觀察者測(cè)得的天線長(zhǎng)度及其與箭體的夾角。解：取火箭飛行方向?yàn)榧拜S的方向。和例5-6若火箭天線長(zhǎng)，與箭體夾角為解：39設(shè)光源相對(duì)接受器的運(yùn)動(dòng)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'。在參考系S'中，光的頻率和周期為在參考系S中，光源的時(shí)鐘變慢觀測(cè)到的波長(zhǎng)因光源的運(yùn)動(dòng)而改變觀測(cè)到的光波頻率相對(duì)論多普勒效應(yīng)S'系S系設(shè)光源相對(duì)接受器的運(yùn)動(dòng)速度為v，接受器所在的參考系為S，在參40相對(duì)論演講稿41多普勒效應(yīng)為宇宙膨脹學(xué)說(shuō)提供了依據(jù)。1917年M.Slipher拍攝到15個(gè)渦旋星云的光譜，發(fā)現(xiàn)其中13個(gè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)，這意味著越遠(yuǎn)的星系退行速度越大，整個(gè)宇宙在膨脹。多普勒效應(yīng)為宇宙膨脹學(xué)說(shuō)提供了依據(jù)。1917年M.Slip42例星光的紅移

氫原子巴爾末線系的最大波長(zhǎng)λ0=656nm，在觀測(cè)來(lái)自一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的光譜中，這條譜線的波長(zhǎng)的測(cè)量值為λ=1458nm。求星系相對(duì)地球的退行速度。退行速度就是多普勒公式中的v例星光的紅移

氫原子巴爾末線系的最大波長(zhǎng)λ0=656nm43多普勒效應(yīng)在氣象中的應(yīng)用多普勒效應(yīng)在氣象中的應(yīng)用44經(jīng)典力學(xué)的基本方程、動(dòng)量守恒和能量守恒等都是在舊時(shí)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(duì)論的相對(duì)性原理，要求質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程要滿足洛倫茲變換不變性。一、質(zhì)量和動(dòng)量massandmomentum1.牛頓第二定律與洛倫茲變換相矛盾只要時(shí)間t足夠長(zhǎng)，速度v總會(huì)達(dá)到并超過(guò)光速c，這與相對(duì)論結(jié)論不符，也與高能物理實(shí)驗(yàn)相矛盾?！?.5狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)dynamicsfoundationofspecialrelativity經(jīng)典力學(xué)的基本方程、動(dòng)量守恒和能量守恒等都是在舊時(shí)空45——質(zhì)速關(guān)系式２.動(dòng)量守恒與能量守恒應(yīng)具有洛倫茲變換不變性動(dòng)量定義：要?jiǎng)恿渴睾愣稍诼鍌惼澴儞Q下保持不變，質(zhì)量不能再是常量，而應(yīng)為：可見(jiàn)的上限是c由于空間的各向同性，質(zhì)量與速度方向無(wú)關(guān)

m0——靜止質(zhì)量（不變質(zhì)量）任何運(yùn)動(dòng)學(xué)方法都不能使物體獲得超光速的運(yùn)動(dòng)?！|(zhì)速關(guān)系式２.動(dòng)量守恒與能量守恒應(yīng)具有洛倫茲變換不變性動(dòng)46相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)基本方程二、相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程相對(duì)論動(dòng)量相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)基本方程二、相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程相對(duì)論動(dòng)量47三、相對(duì)論能量relativisticenergy１.相對(duì)論動(dòng)能relativistickineticenergy

動(dòng)能定理應(yīng)該是合理的設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)從靜止，通過(guò)力作功，使動(dòng)能增加。①②由三、相對(duì)論能量relativisticenergy①②由48合理否？<<與經(jīng)典動(dòng)能形式完全不同利用泰勒展開(kāi)式：由討論合理否？<<與經(jīng)典動(dòng)能形式完全不同利用泰勒展開(kāi)式：由討49２.相對(duì)論能量運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量靜止時(shí)的能量restenergy除動(dòng)能以外的能量任何宏觀靜止的物體具有能量相對(duì)論質(zhì)量是能量的量度總能量totalenergy相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系討論２.相對(duì)論能量運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量靜止時(shí)的能量除動(dòng)能以外的能量任何503.質(zhì)量虧損massdefect孤立系統(tǒng)中即例1：太陽(yáng)由于熱核反應(yīng)而輻射能量重核裂變、輕核聚變，發(fā)生靜止質(zhì)量減少的現(xiàn)象——“質(zhì)量虧損”3.質(zhì)量虧損massdefect即例1：太陽(yáng)由于熱核反應(yīng)51例5-7兩全同粒子以相同的速率相向運(yùn)動(dòng)，碰后復(fù)合。求：復(fù)合粒子的速度和質(zhì)量由能量守恒>損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜能解：設(shè)復(fù)合粒子質(zhì)量為M速度為碰撞過(guò)程，動(dòng)量守恒例5-7兩全同粒子以相同的速率相向運(yùn)動(dòng)，碰后復(fù)合。求：521、能量守恒conversationofenergy能量守恒（孤立系統(tǒng)）是總能量守恒：而系統(tǒng)或物體的靜能與動(dòng)能在過(guò)程前后都可以發(fā)生變化。質(zhì)量和能量之間存在一定的當(dāng)量關(guān)系，這意味著哪里有質(zhì)量，哪里就有能量，反之亦然，質(zhì)能關(guān)系的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)、不可分割的辯證唯物主義的結(jié)論。2、質(zhì)能不可分impartibilityofmassandenergy

討論1、能量守恒conversationofenergy而53四、相對(duì)論的動(dòng)量與能量的關(guān)系由兩邊平方后乘c2得動(dòng)量相對(duì)論動(dòng)量和能量關(guān)系式靜能動(dòng)量四、相對(duì)論的動(dòng)量與能量的關(guān)系兩邊平方后乘c2得動(dòng)量相對(duì)論動(dòng)量54光子:photon光子動(dòng)量又只有靜止質(zhì)量為零的粒子,才能以光速運(yùn)動(dòng)光子:光子動(dòng)量又只有靜止質(zhì)量為零的粒子,才能以光速運(yùn)動(dòng)55一、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)相對(duì)性原理光速不變?cè)矶?、洛倫茲坐?biāo)變換式本章

小結(jié)小結(jié)正變換逆變換yxZoS系

系(x,y,z,t)一、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)相對(duì)性原理光速不變?cè)矶?、?6三、洛侖茲速度變換式逆變換正變換三、洛侖茲速度變換式逆變換正變換57五、“同時(shí)”的相對(duì)性六、“時(shí)間膨脹效應(yīng)”七、“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”四、時(shí)間間隔與空間間隔五、“同時(shí)”的相對(duì)性六、“時(shí)間膨脹效應(yīng)”七、“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)58八、質(zhì)速關(guān)系式九、相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系靜能總能量

m0——靜止質(zhì)量十、相對(duì)論動(dòng)能八、質(zhì)速關(guān)系式九、相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系靜能總能量m0——靜止59十二、相對(duì)論動(dòng)量和能量關(guān)系式動(dòng)量十一、質(zhì)量虧損十二、相對(duì)論動(dòng)量和能量關(guān)系式動(dòng)量十一、質(zhì)量虧損60列寧高度稱譽(yù)他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。

愛(ài)因斯坦對(duì)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(jī)主要包括四個(gè)方面：早期對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究；狹義相對(duì)論的創(chuàng)建；推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展；建立了廣義相對(duì)論。

1905年創(chuàng)建的狹義相對(duì)論和1916年創(chuàng)建的廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦的最重要的科學(xué)研究成果，而1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)則是由于他提出了光的量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的。愛(ài)因斯坦(A.Einstein)列寧高度稱譽(yù)他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。愛(ài)因61相對(duì)論給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，并從根本上改變了許多世紀(jì)以來(lái)所形成的有關(guān)時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的陳舊概念，建立了新的時(shí)空觀，揭露了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系，開(kāi)始了萬(wàn)有引力本質(zhì)的探索?，F(xiàn)在，相對(duì)論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)以及現(xiàn)代工程技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。近代物理學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)1900年—1930年揭示了微觀世界的基本規(guī)律，使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，為原子物理、固體物理和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量與參考系有關(guān)“同時(shí)”是相對(duì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢運(yùn)動(dòng)的尺變短質(zhì)量與速度有關(guān)質(zhì)量與能量不可分現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的兩塊理論基石“奇妙”的現(xiàn)象：相對(duì)論給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，并從根62建筑學(xué)館第五章相對(duì)論基礎(chǔ)Fundamentalsofrelativity力學(xué)相對(duì)性原理mechanicsrelativityprinciple經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀space-timeviewofclassicalmechanics狹義相對(duì)論的基本假設(shè)postulatesofspecialrelativity洛侖茲坐標(biāo)變換Lorentzcoordinatetransformations同時(shí)的相對(duì)性

relativityofsimultaneity狹義相對(duì)論的時(shí)空觀space-timeviewofspecialrelativity相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)dynamicsfoundationofspecialrelativity建筑學(xué)館第五章相對(duì)論基礎(chǔ)63一、力學(xué)相對(duì)性原理（伽利略Galileo相對(duì)性原理）

在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的所有慣性系中，物體運(yùn)動(dòng)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。即在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)，一切慣性系是等價(jià)的。

§5.1力學(xué)相對(duì)性原理

relativityprincipleofmechanics經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀

space-timeviewofclassicalmechanics在一切慣性系內(nèi)的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能確定該慣性系是靜止的還是作勻速直線運(yùn)動(dòng)的，因此要確切知道某一慣性系本身是否“絕對(duì)靜止”，則用任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不可能辦到。慣性系inertiasystem

：牛頓定律成立的參考系，叫慣性參考系，簡(jiǎn)稱慣性系。（循環(huán)定義？?。耙粋€(gè)遠(yuǎn)離其他一切物體，而且沒(méi)有自轉(zhuǎn)的物體是慣性參照系，一切相對(duì)于該物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。牛頓定律就是在這樣的參照系中成立。”一、力學(xué)相對(duì)性原理（伽利略Galileo相對(duì)性原理）§5.64★你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來(lái)得遠(yuǎn),雖然你跳在空中時(shí),腳下的船底板向著你跳的反方向移動(dòng).★你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí),如果你的同伴在船頭而你在船尾,你所用的力并不比你們兩個(gè)站在相反位置時(shí)所用的力更大．★水滴將象先前一樣,滴進(jìn)下面的罐子,一滴也不會(huì)滴向船尾,雖然水滴在空中時(shí),船已行駛了相當(dāng)距離.

只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，你就無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)．伽利略實(shí)驗(yàn)★你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來(lái)得遠(yuǎn),雖然你跳在空中65yxZoS系二、伽利略變換(Galileantransformation)1、坐標(biāo)系的建立系在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件設(shè)慣性系相對(duì)慣性系S以速度u作勻速直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)時(shí)兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)O與相重合。yxZoS系二、伽利略變換(Galileantransf662、實(shí)際觀測(cè)t時(shí)刻在P點(diǎn)發(fā)生任一事件伽利略變換(Galileantransformation)yxZoS系系(x,y,z,t)逆變換正變換2、實(shí)際觀測(cè)t時(shí)刻在P點(diǎn)發(fā)生任一事件伽利略變換yxZ673、速度變換與加速度變換兩個(gè)都是慣性系，是恒量在兩個(gè)不同的慣性系中3、速度變換與加速度變換兩個(gè)都是慣性系，是恒量在兩個(gè)不同的慣68自不同的慣性系，所觀測(cè)到的同一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度是相同的，即物體的加速度具有伽利略變換下的不變性。三、牛頓定律具有伽利略變換不變性

牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等）在伽利略變換下形式不變。結(jié)論：在牛頓力學(xué)中質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)力與參考系無(wú)關(guān)自不同的慣性系，所觀測(cè)到的同一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度是相同的，即物69四、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀1、事件所經(jīng)歷的時(shí)間與參照系的選擇無(wú)關(guān)無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔都相同2、空間兩點(diǎn)間的距離與參照系的選擇無(wú)關(guān)在S系，點(diǎn)與點(diǎn)間的距離為：間的距離為：在系觀測(cè)，點(diǎn)與點(diǎn)四、經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀1、事件所經(jīng)歷的時(shí)間與參照系的選擇無(wú)70無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)兩點(diǎn)間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀

在狹義相對(duì)論建立之前，科學(xué)家們普遍認(rèn)為：時(shí)間和空間都是絕對(duì)的?？梢悦撾x物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而存在，并且時(shí)間與空間沒(méi)有任何聯(lián)系。無(wú)論從哪個(gè)慣性系進(jìn)行觀測(cè)兩點(diǎn)間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)71

牛頓說(shuō)：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流浙著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流浙著”；“絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)、而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的?！薄^對(duì)時(shí)空觀

absolutespace-timeview

顯然，絕對(duì)時(shí)空觀符合人們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)和習(xí)慣。牛頓說(shuō)：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流浙72§5.2狹義相對(duì)論的基本原理postulateofspecialrelativity

洛倫茲坐標(biāo)變換Lorentzcoordinatetransformations

不同慣性系中電磁規(guī)律是否相同?如果不同，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價(jià)——應(yīng)存在一個(gè)特殊的慣性系（以太），沒(méi)找到！如果相同，則坐標(biāo)變換后方程組的形式應(yīng)保持不變。兩種可能：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一、伽利略變換的困難1)19世紀(jì)成熟的電磁理論表明真空中光速c是常量。伽利略變換：以u(píng)

速度運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出的光速不再是c

。2)Maxwell方程組對(duì)伽利略變換非協(xié)變——通過(guò)電磁實(shí)驗(yàn)可以找到“絕對(duì)參照系”,邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果§5.2狹義相對(duì)論的基本原理postulateofs73物理學(xué)界大為震驚:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換乃至整個(gè)經(jīng)典力學(xué)不相容。

為了在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上統(tǒng)一說(shuō)明這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，洛倫茲等人提出各種假設(shè)，但都沒(méi)有成功。

1905年26歲的愛(ài)因斯坦，不固守傳統(tǒng)的時(shí)空觀，和經(jīng)典力學(xué)的觀念，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人工作進(jìn)行仔細(xì)分析和研究的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑，從一個(gè)全新的角度考慮所有問(wèn)題，提出兩個(gè)基本假設(shè)。物理學(xué)界大為震驚:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換乃至整個(gè)經(jīng)典力學(xué)不相74二、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)Einstein’stwobasicpostulatesofspecialrelativity

1.狹義相對(duì)論的相對(duì)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)學(xué)表達(dá)式?；颍核袘T性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的。2.光速不變?cè)?/p>

光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任一慣性系中，所測(cè)得的光在真空中沿各個(gè)方向的速率是相等的。無(wú)須尋找特殊的慣性系（也無(wú)法尋找）討論

1、Einstein

的相對(duì)性原理是Newton理論的發(fā)展一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律二、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)Einstein’st752、光速不變?cè)砼c伽利略的速度相加原理針?shù)h相對(duì)，否定了伽利略坐標(biāo)變換，動(dòng)搖了絕對(duì)時(shí)空觀和經(jīng)典力學(xué)體系。觀念上的變革牛頓力學(xué)時(shí)間標(biāo)度長(zhǎng)度標(biāo)度質(zhì)量的測(cè)量與參考系無(wú)關(guān)速度與參考系有關(guān)(相對(duì)性)狹義相對(duì)論力學(xué)長(zhǎng)度時(shí)間質(zhì)量與參考系有關(guān)光速不變(相對(duì)性)時(shí)空觀的革命2、光速不變?cè)砼c伽利略的速度相加原理針?shù)h相對(duì)，否定了伽利略763、尊重事實(shí)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)

光速不變是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，并不斷被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。牛頓力學(xué)定律是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)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。4、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的東西三、洛侖茲變換Lorentztransformation愛(ài)因斯坦根據(jù)兩個(gè)基本假設(shè)，建立了新的坐標(biāo)變換公式——洛侖茲變換式洛倫茲為彌補(bǔ)經(jīng)典理論的缺陷提出——但他不具有相對(duì)論思想——愛(ài)因斯坦是給予正確解釋第一人。3、尊重事實(shí)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)4、創(chuàng)新就要勇于摒棄原有的77某事件在S

系中的時(shí)空坐標(biāo)為（x,y,z,t)同一事件在系中的時(shí)空坐標(biāo)為yxZoS系

系(x,y,z,t)當(dāng)時(shí)兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)O與相重合逆變換正變換洛侖茲變換（Lorentztransformation）某事件在S系中的時(shí)空坐標(biāo)為（x,y,z,t)同一78正變換逆變換當(dāng)v<<c時(shí)，=(v/c)0,可得：正變換逆變換伽利略變換令:,則:正變換逆變換當(dāng)v<<c時(shí)，=(v/c)0,79例5-1在K系中觀察到兩個(gè)事件發(fā)生在空間同一地點(diǎn)，第二事件發(fā)生在第一事件以后2s，在另一相對(duì)K系運(yùn)動(dòng)的K`系中觀察到第二事件是在第一事件事件3s之后發(fā)生的，求在K`系中這兩個(gè)事件的空間間隔。解：正變換例5-1在K系中觀察到兩個(gè)事件發(fā)生在空間同一地點(diǎn)，第二80例5-2乙乘飛行器相對(duì)甲沿x軸作勻速直線運(yùn)動(dòng)。甲測(cè)得兩個(gè)事件的時(shí)空坐標(biāo)為x1=6104m，y1=z1=0，t1=210-4s；x2=12104m，y2=z2=0，t2=110-4

s，，如果乙測(cè)得這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生于t`時(shí)刻，求：1乙對(duì)于甲的運(yùn)動(dòng)速度是多少？2乙所測(cè)得的兩個(gè)事件的空間間隔是多少？乙所測(cè)得這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔是解：1設(shè)乙對(duì)甲的運(yùn)動(dòng)速度為v，由洛侖茲變換例5-2乙乘飛行器相對(duì)甲沿x軸作勻速直線運(yùn)動(dòng)。甲測(cè)得兩個(gè)事812由洛侖茲變換乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的空間間隔:2由洛侖茲變換乙所測(cè)得的這兩個(gè)事件的空間間隔:82設(shè)一質(zhì)點(diǎn)P在空間的運(yùn)動(dòng)，由速度的定義，從S和系來(lái)看，其速度分別是：§5.3相對(duì)論速度變換公式

Velocitytransformofrelativity設(shè)一質(zhì)點(diǎn)P在空間的運(yùn)動(dòng)，由速度的定義，從S和83同樣可得同樣可得84洛侖茲速度變換式逆變換正變換洛侖茲速度變換式逆變換正變換85例5-3設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c。求：從地面上看，物體速度多大？解：選飛船參考系為系地面參考系為系例5-3設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如86由洛倫茲變換，兩個(gè)事件在不同慣性系中的時(shí)間與空間間隔的變換關(guān)系為：兩個(gè)事件中的時(shí)間間隔和空間間隔在不同慣性系中觀測(cè)，所得結(jié)果一般并不相同。空間間隔時(shí)間間隔S系

系一、同時(shí)的相對(duì)性§5.4狹義相對(duì)論時(shí)空觀space-timeviewofspecialrelativity由洛倫茲變換，兩個(gè)事件在不同慣性系中的時(shí)間與空間間隔的871、同時(shí)不同地“同時(shí)”的相對(duì)性2、同時(shí)同地“同時(shí)”是絕對(duì)的設(shè)在慣性系S中，不同地點(diǎn)x1和x2同時(shí)發(fā)生兩個(gè)事件:1、同時(shí)不同地“同時(shí)”的相對(duì)性2、同時(shí)同地“同時(shí)”是絕對(duì)的883、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）,時(shí)間次序不會(huì)顛倒u為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于S系的速度;u≯c,v≯c;∴t′必與t同號(hào)在某個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的慣性系中，并不一定同時(shí)發(fā)生--------同時(shí)的相對(duì)性例如：在某處先發(fā)射一枚導(dǎo)彈，后擊中目標(biāo)，否則會(huì)違背因果關(guān)系，也與相對(duì)性原理相矛盾。3、有因果關(guān)系的事件（關(guān)連事件）,時(shí)間次序不會(huì)顛倒u為質(zhì)點(diǎn)相89二、時(shí)間的膨脹timedilation

(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢）在相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng)的慣性系

S′中的時(shí)間間隔：時(shí)間膨脹在某一參考系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔------固有時(shí)(原時(shí))0二、時(shí)間的膨脹timedilation(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢90例5-4設(shè)想有一光子火箭以v=0.95c的速率相對(duì)地球作直線運(yùn)動(dòng)，若火箭上宇航員的計(jì)時(shí)器記錄他觀測(cè)星云用去10min，則地球上的觀察者測(cè)得此事用去了多少時(shí)間？即地球上的計(jì)時(shí)器記錄宇航員觀測(cè)星云用去了32.01min，似乎是運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢了。解：由下式可得例5-4設(shè)想有一光子火箭以v=0.95c的速率相對(duì)地91例5-5

+介子靜止時(shí)平均壽命（衰變?yōu)樽优c中微子）。若使用高能加速器把+介子加速到。求：+介子平均一生最長(zhǎng)行程。解：按經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)室測(cè)得相對(duì)論考慮時(shí)間膨脹

為原時(shí)運(yùn)動(dòng)的+介子平均壽命：可得：例5-5+介子靜止時(shí)平均壽命解：按經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)室測(cè)92三、長(zhǎng)度收縮lengthcontraction(動(dòng)尺變短)1.原長(zhǎng)(固有長(zhǎng)度)棒靜止時(shí)測(cè)得它的長(zhǎng)度設(shè)棒靜止在系中固有長(zhǎng)度

同時(shí)測(cè)量不要求同時(shí)測(cè)事件1：測(cè)棒的左端事件2：測(cè)棒的右端測(cè)得長(zhǎng)度2.當(dāng)S′以速度v相對(duì)S系運(yùn)動(dòng)，棒沿運(yùn)動(dòng)方向放置，S′系測(cè)得棒的長(zhǎng)度為l′三、長(zhǎng)度收縮lengthcontraction(動(dòng)尺93由洛侖茲變換這一現(xiàn)象稱為物體沿運(yùn)動(dòng)方向的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”所以垂直于運(yùn)動(dòng)方向（v方向）的長(zhǎng)度是不變的由洛侖茲變換這一現(xiàn)象稱為物體沿運(yùn)動(dòng)方向的“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”所以94

（1）只沿運(yùn)動(dòng)方向有“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”（2）僅當(dāng)v與c可以比擬時(shí)此二效應(yīng)才明顯.在低速下伽利略變換（3）“時(shí)鐘變慢”和“長(zhǎng)度收縮”都是相對(duì)論效應(yīng)，并不是事物內(nèi)部機(jī)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，“時(shí)鐘變慢”意味著一切時(shí)鐘、一切物理過(guò)程，化學(xué)過(guò)程甚至生命過(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這不符合相對(duì)性原理。（4）運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，S′系中觀察者看S系中的尺縮短了，鐘變慢了；同時(shí)，S系的觀察者看S′系中的尺也縮短了，鐘也變慢了。討論（1）只沿運(yùn)動(dòng)方向有“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”討論95（6）“觀察者”與“觀看者”（5）時(shí)間與長(zhǎng)度隨慣性系的運(yùn)動(dòng)速率v而變化，這與牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀是不相容的。直到1959年才注意到應(yīng)區(qū)別二者相對(duì)論效應(yīng):長(zhǎng)度縮短,立方變長(zhǎng)方,圓變橢圓,這是在同一時(shí)刻測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的“真實(shí)”圖像——觀察者（測(cè)量者）當(dāng)我們看到或拍攝一物體時(shí)，記錄的是同時(shí)到達(dá)視網(wǎng)膜或底片的光子，這些光子并不是物體上各點(diǎn)同時(shí)發(fā)出的，較遠(yuǎn)的點(diǎn)較早發(fā)出的光與較近的點(diǎn)較遲發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)，這是光學(xué)效應(yīng)引起的畸變——觀看者。討論（6）“觀察者”與“觀看者”（5）時(shí)間與長(zhǎng)度隨慣性系的運(yùn)動(dòng)96（7）雙生子佯謬twinparadox（時(shí)鐘佯謬）一雙生子Jim和Tim20歲生日那天，Tim坐上u=0.9998c的飛船相對(duì)于地球作勻速直線運(yùn)動(dòng)一去一回整一年，在飛船上一年，在地球上經(jīng)過(guò)50年，21歲的Tim歸來(lái)時(shí)，迎接他的是70歲的Jim。（7）雙生子佯謬twinparadox（時(shí)鐘佯謬）97又，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，可以看成地球運(yùn)動(dòng)，飛船不動(dòng)，結(jié)果，地球上一年，在靜止的飛船上是50年，21歲的Jim迎來(lái)的是70歲的Tim，到底誰(shuí)年輕？這是一個(gè)佯謬——似乎是謬論，其實(shí)不是相對(duì)論有什么毛病，而是不適當(dāng)?shù)貋y用了狹義相對(duì)論，飛船不是慣性系。加速系中發(fā)生時(shí)鐘延緩效應(yīng)是絕對(duì)的——廣義相對(duì)論討論一定是Tim年輕!×又，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，可以看成地球運(yùn)動(dòng)，飛船不動(dòng)，結(jié)果，98例5-6

若火箭天線長(zhǎng)，與箭體夾角為設(shè)火箭沿水平方向飛行速。求地面上的觀察者測(cè)得的天線長(zhǎng)度及其與箭體的夾角。解：取火箭飛行方向?yàn)榧拜S的方向。和例5-6若火箭天線長(zhǎng)，與箭體夾角為解：99設(shè)光源相對(duì)接受器的運(yùn)動(dòng)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'。在參考系S'中，光的頻率和周期為在參考系S中，光源的時(shí)鐘變慢觀測(cè)到的波長(zhǎng)因光源的運(yùn)動(dòng)而改變觀測(cè)到的光波頻率相對(duì)論多普勒效應(yīng)S'系S系設(shè)光源相對(duì)接受器的運(yùn)動(dòng)速度為v，接受器所在的參考系為S，在參100相對(duì)論演講稿101多普勒效應(yīng)為宇宙膨脹學(xué)說(shuō)提供了依據(jù)。1917年M.Slipher拍攝到15個(gè)渦旋星云的光譜，發(fā)現(xiàn)其中13個(gè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)，這意味著越遠(yuǎn)的星系退行速度越大，整個(gè)宇宙在膨脹。多普勒效應(yīng)為宇宙膨脹學(xué)說(shuō)提供了依據(jù)。1917年M.Sli