第六狹義相對論基礎(chǔ)

第六狹義相對論基礎(chǔ)第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時(shí)空的創(chuàng)始人二十世紀(jì)的哥白尼第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第六章狹義相對論基礎(chǔ)

specialrelativity主要內(nèi)容：狹義相對論的基本假設(shè)同時(shí)性的相對性洛侖茲變換式運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢和長度縮短洛侖茲速度變換相對論性質(zhì)量和動(dòng)量相對論性能量相對論性力和加速度間關(guān)系第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件一.伽利略變換Galileantransformation設(shè)慣性系S和相對S運(yùn)動(dòng)的慣性系t時(shí)刻，物體到達(dá)P點(diǎn)§1力學(xué)相對性原理和伽利略變換第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一正變換逆變換第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一速度變換與加速度變換正逆兩個(gè)都是慣性系是恒量第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一在兩個(gè)慣性系中二.牛頓的相對性原理

NewtonPrincipleofrelativity在牛頓力學(xué)中力與參考系無關(guān)質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同或牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變或牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式如：動(dòng)量守恒定律第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§2狹義相對論的基本假設(shè)一.伽利略變換的困難1)電磁場方程組不服從伽利略變換2)光速C邁克耳遜-莫雷的0結(jié)果3)高速運(yùn)動(dòng)的粒子第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二.愛因斯坦的狹義相對論基本假設(shè)1.一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同---相對性原理2.光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)

——光速不變原理

Einstein

的相對性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一光速不變與伽利略變換與伽利略的速度相加原理針鋒相對觀念上的變革牛頓力學(xué)革命性時(shí)間標(biāo)度長度標(biāo)度質(zhì)量的測量與參考系無關(guān)速度與參考系有關(guān)(相對性)狹義相對論力學(xué)長度時(shí)間質(zhì)量與參考系有關(guān)光速不變(相對性)第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§3同時(shí)性的相對性

relativityofsimultaneity一.時(shí)空坐標(biāo)1.事件時(shí)空坐標(biāo)2.同步鐘synchronizedclocks二.同時(shí)性的相對性--光速不變原理的直接結(jié)果以愛因斯坦火車為例Einsteintrain第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一Einsteintrain地面參考系在火車上分別放置信號接收器發(fā)一光信號中點(diǎn)放置光信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一研究的問題兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔發(fā)一光信號事件1接收到閃光事件2接收到閃光發(fā)出的閃光光速為同時(shí)接收到光信號？？事件1、事件2同時(shí)發(fā)生第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一事件1、事件2不同時(shí)發(fā)生事件1先發(fā)生處閃光光速也為系中的觀察者又如何看呢？同時(shí)性的相對性是光速不變原理的直接結(jié)果相對效應(yīng)當(dāng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c時(shí)，兩個(gè)慣性系結(jié)果相同隨運(yùn)動(dòng)迎著光比早接收到光討論第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§４洛侖茲變換Lorentztransformation同時(shí)發(fā)出閃光經(jīng)一段時(shí)間光傳到P點(diǎn)一.洛侖茲變換的導(dǎo)出尋找重合兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)值之間的關(guān)系第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一由光速不變原理：由發(fā)展的觀點(diǎn)：狹義牛頓力學(xué)有<<情況下第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一由客觀事實(shí)是確定的且空間均勻各向同性：與下面的任務(wù)是根據(jù)上述四式利用比較系數(shù)法確定系數(shù)的關(guān)系是第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二.結(jié)果坐標(biāo)變換式正變換第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一令則正變換逆變換第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一正變換與時(shí)空坐標(biāo)伽利略變換發(fā)展<<討論第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一變換無意義速度有極限由洛侖茲變換看同時(shí)性的相對性事件1事件2兩事件同時(shí)發(fā)生？>第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一若同時(shí)性的相對性時(shí)序因果關(guān)系已知第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§5時(shí)間膨脹長度縮短一.時(shí)間膨脹timedilation

運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢考察一只鐘在研究一個(gè)物理過程的時(shí)間間隔中在某系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔(同一只鐘測量)，與另一系中，在兩個(gè)地點(diǎn)的這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔(兩只鐘分別測量)的關(guān)系。研究的問題是：如幽靈的壽命？第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一1.原時(shí)Propertime兩地時(shí)2.原時(shí)最短時(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)間間隔叫原時(shí)?？疾熘械囊恢荤妰墒录l(fā)生在同一地點(diǎn)兩地時(shí)原時(shí)第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一由洛侖茲逆變換原時(shí)最短<1第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢效應(yīng)是時(shí)間本身的客觀特征原時(shí)固有時(shí)雙生子效應(yīng)討論第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二.長度收縮lengthcontraction對運(yùn)動(dòng)長度的測量問題怎么測？同時(shí)測1.原長棒靜止時(shí)測得的它的長度也稱靜長棒靜止在系中靜長第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一棒靜止在系中靜長棒以極高的速度相對S系運(yùn)動(dòng)S系測得棒的長度值是什么呢？事件1：測棒的左端事件2：測棒的右端同時(shí)測的條件是必要的相應(yīng)的時(shí)空坐標(biāo)第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一事件1：測棒的左端事件2：測棒的右端2.原長最長由洛侖茲變換第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一

相對效應(yīng)

縱向效應(yīng)

在低速下伽利略變換

同時(shí)性的相對性的直接結(jié)果討論三.時(shí)空不變量空間間隔洛侖茲不變量第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§6相對論速度變換由洛侖茲坐標(biāo)變換上面兩式之比定義第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一由洛侖茲變換知由上兩式得同樣得第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一洛侖茲速度變換式逆變換正變換第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一例：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，物體相對飛船速度為0.90c。問：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第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一狹義相對論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)概念如何？基本出發(fā)點(diǎn)：基本規(guī)律在洛侖茲變換下形式不變；低速時(shí)回到牛力第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§7相對論的質(zhì)量和動(dòng)量一.質(zhì)量和動(dòng)量1.力與動(dòng)量狀態(tài)量合理合理2.質(zhì)量的表達(dá)猜想形式？持續(xù)作用持續(xù)但的上限是c隨速率增大而增大要求第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一實(shí)驗(yàn)證明討論合理性特殊情況下，理論證明最終由實(shí)驗(yàn)證明(即將說明)由于空間的各向同性與速度方向無關(guān)<<相對論動(dòng)量數(shù)據(jù)第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二.狹義相對論運(yùn)動(dòng)方程由得兩是聯(lián)立得第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一討論不僅取決于還取決于若與牛力形式相同慣性的量度但一般情況下不是慣性的量度第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一例分析垂直進(jìn)入均勻磁場中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)情況已知:磁感強(qiáng)度為>0分析：圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與關(guān)系的理論基礎(chǔ)1908年德國布歇勒做出了質(zhì)量與速度的關(guān)系有力地支持了相對論第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一產(chǎn)生均勻磁場的線圈---鐳源產(chǎn)生均勻電場的平行板電容器---感光底片實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家是偉大的實(shí)驗(yàn)裝置第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一§8相對論性能量一.相對論動(dòng)能

動(dòng)能定理應(yīng)該是合理的設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)從靜止，通過力作功，使動(dòng)能增加。由第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一討論合理否？<<與經(jīng)典動(dòng)能形式完全不同若電子速度為第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二.相對論能量運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量靜止時(shí)的能量除動(dòng)能以外的能量討論任何宏觀靜止的物體具有能量相對論質(zhì)量是能量的量度第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一重要的實(shí)際應(yīng)用孤立系統(tǒng)中即例太陽由于熱核反應(yīng)而輻射能量質(zhì)量虧損第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一例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)量解：設(shè)復(fù)合粒子質(zhì)量為M速度為碰撞過程，動(dòng)量守恒由能量守恒>損失的能量轉(zhuǎn)換成靜能第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一三.相對論的動(dòng)量能量關(guān)系式由兩邊平方得光子