第15章-狹義相對論課件

第15章狹義相對論

一、伽利略變換式經(jīng)典力學(xué)的相對性原理

對于任何慣性參照系,牛頓定律都成立.即對于不同的慣性系，力學(xué)的基本定律——牛頓定律具有相同的形式.因此，在任何慣性系中觀察，同一力學(xué)現(xiàn)象將按同樣的形式發(fā)生和演變.（力學(xué)相對性原理——伽利略不變性）

相對于不同的參考系,基本力學(xué)定律的形式是完全一樣的嗎？牛頓力學(xué)的回答:第一節(jié)伽利略變換伽利略變換*當(dāng)時(shí)重合位置坐標(biāo)變換公式

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1）空間的量度是絕對的，與參考系無關(guān)；2）時(shí)間的量度也是絕對的，與參考系無關(guān).加速度變換公式伽利略速度變換公式

在兩相互作勻速直線運(yùn)動的慣性系中，牛頓運(yùn)動定理具有相同的形式.*

相對于不同的參考系,長度和時(shí)間的測量結(jié)果是一樣的嗎?

絕對時(shí)空概念：時(shí)間和空間的量度和慣性系無關(guān),長度和時(shí)間的測量是絕對的.牛頓的絕對時(shí)空觀牛頓的相對性原理二、經(jīng)典力學(xué)的絕對時(shí)空觀注意

牛頓力學(xué)的相對性原理，在宏觀、低速的范圍內(nèi)，是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的.實(shí)踐已證明,絕對時(shí)空觀是不正確的.

對于不同的慣性系，電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎？真空中的光速

對于兩個不同的慣性參考系,光速滿足伽利略變換嗎？球投出前結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.

試計(jì)算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達(dá)到觀察者所需要的時(shí)間.(根據(jù)伽利略變換)球投出后

邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想

人們假設(shè)超新星發(fā)出的光，其傳播速度只與傳播介質(zhì)的運(yùn)動速度有關(guān)，而與爆發(fā)物的速度無關(guān).傳播光的介質(zhì)為“以太”,在“以太”絕對參考系中光向各個方向傳播速度均為.若把“以太”比喻作無處不在的大氣,在其中飛行的地球應(yīng)感到迎面吹來的以太風(fēng).

為了測量地球相對于“以太”的運(yùn)動,1881年邁克爾遜用他自制的干涉儀進(jìn)行測量,沒結(jié)果.1887年他與莫雷以更高的精度重新做了此類實(shí)驗(yàn),仍得到零結(jié)果,即未觀測到地球相對“以太”的運(yùn)動.尋找絕對參照系——

“以太”oMNNMOMOONOONNO

人們?yōu)榫S護(hù)“以太”觀念作了種種努力，提出了各種理論如1）發(fā)射理論；2）“以太”引曳理論；3）收縮理論等，這些理論均以失敗告終.儀器可測量精度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果未觀察到地球相對于“以太”的運(yùn)動.

愛因斯坦的哲學(xué)觀念：自然界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡單的.

理論特色：出于簡單而歸于深奧.AlbertEinstein(1879–1955)20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,于1905年和1915年先后創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論,并于1905年提出了光量子假設(shè),為此他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,他還在量子理論方面具有很多的重要的貢獻(xiàn).第二節(jié)狹義相對論基本原理1）愛因斯坦相對性原理：物理定律在所有的慣性系中都具有相同的表達(dá)形式.2）光速不變原理：真空中的光速是常量，它與光源或觀察者的運(yùn)動無關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇.

關(guān)健概念：相對性和不變性.

相對性原理是自然界的普遍規(guī)律.

伽利略變換與狹義相對論的基本原理不符.一、狹義相對論基本原理說明同時(shí)具有相對性，時(shí)間的量度是相對的.

和光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個事件，在相對于此慣性系運(yùn)動的另一慣性系中觀察，并不是同時(shí)發(fā)生的。

長度的測量是和同時(shí)性概念密切相關(guān).測量運(yùn)動汽車的長度同時(shí)記錄和先記錄后記錄二、洛倫茲變換式*

設(shè)：時(shí)，重合;事件P的時(shí)空坐標(biāo)如圖所示.正變換逆變換

光速在任何慣性系中均為同一常量，利用它將時(shí)間測量與距離測量聯(lián)系起來.*1）與成線性關(guān)系，但比例系數(shù).2）時(shí)間不獨(dú)立，和變換相互交叉.3）時(shí)，洛倫茲變換伽利略變換。

洛倫茲變換特點(diǎn)

意義：基本的物理定律、包括電磁學(xué)和量子力學(xué)的基本定律、都在，而且應(yīng)該在洛倫茲變換下保持不變。這種不變顯示出物理定律對勻速直線運(yùn)動的對稱性——相對論對稱性

.一、同時(shí)的相對性事件1：車廂后壁接收器接收到光信號.事件2

：車廂前壁接收器接收到光信號.第三節(jié)狹義相對論時(shí)空觀事件

2

系(車廂參考系)S

系(地面參考系)事件

1

結(jié)論：沿兩個慣性系運(yùn)動方向，不同地點(diǎn)發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中是同時(shí)的，在另一慣性系中觀察則不同時(shí)，所以同時(shí)具有相對意義；只有在同一地點(diǎn)，同一時(shí)刻發(fā)生的兩個事件，在其他慣性系中觀察也是同時(shí)的.在S系在系同時(shí)同地發(fā)生的兩事件此結(jié)果反之亦然.注意

同時(shí)不同地說明①普遍的結(jié)論推論1：

在S’系中相同地點(diǎn)、同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件是相同地點(diǎn)、同時(shí)發(fā)生的。

在S’系中相同地點(diǎn)、不同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件不同時(shí)發(fā)生的，并且這兩個事件發(fā)生地點(diǎn)也不相同。推論2：

在S’系中不相同地點(diǎn)、同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件不同時(shí)發(fā)生的，并且這兩個事件發(fā)生地點(diǎn)也不同。推論3：

在S’系中不相同地點(diǎn)、不同時(shí)發(fā)生的兩事件，在S系中這兩個事件不一定同時(shí)發(fā)生的，并且這兩個事件發(fā)生地點(diǎn)也不一定相同。推論4：低速空間“同時(shí)性”與參照系無關(guān)。②v<<c時(shí)③所有參照系是平等的，各有各自的“同時(shí)性”。

----------相對性原理④有因果關(guān)系的事件，因果關(guān)系不因坐標(biāo)系變化而改變。無因果關(guān)系的事件無所謂誰先誰后。當(dāng)

時(shí)u稱為信號速度在S中：先開槍，后鳥死

由因果關(guān)系聯(lián)系著的兩事件的時(shí)序是永遠(yuǎn)不會顛倒過來的。時(shí)序:兩個事件發(fā)生的時(shí)間順序。前事件1后事件2開槍鳥死子彈u在S’中：是否能發(fā)生先鳥死，后開槍？在S中：在S’中根據(jù)例1.（1）某慣性系中一觀察者，測得兩事件同時(shí)刻、同地點(diǎn)發(fā)生，則在其它慣性系中，它們不同時(shí)發(fā)生。（3）在某慣性系中同時(shí)、不同地發(fā)生的兩件事，在其它慣性系中必不同時(shí)發(fā)生。

（2）在慣性系中同時(shí)刻、不同地點(diǎn)發(fā)生的兩件事，在其它慣性系中必同時(shí)發(fā)生。

正確的說法是：(A)(1).(3)(B)(1).(2).(3)(C)(3)(D)(2).(3)[C]二、長度的收縮標(biāo)尺相對系靜止在S系中測量測量為兩個事件要求在系中測量固有長度

當(dāng)

時(shí).

固有長度：物體相對靜止時(shí)所測得的長度.（最長）

洛倫茲收縮:運(yùn)動物體在運(yùn)動方向上長度收縮.

長度收縮是一種相對效應(yīng),此結(jié)果反之亦然.注意

例1設(shè)想有一光子火箭，相對于地球以速率飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為15m

，問以地球?yàn)閰⒖枷担嘶鸺卸嚅L？火箭參照系地面參照系解：固有長度在S系

例2一長為1m的棒靜止地放在平面內(nèi)，在系的觀察者測得此棒與軸成角，試問從S系的觀察者來看，此棒的長度以及棒與

Ox

軸的夾角是多少？設(shè)想系相對S系的運(yùn)動速度.解：在

系三、時(shí)間的延緩系同一地點(diǎn)B

發(fā)生兩事件在S

系中觀測兩事件時(shí)間間隔固有時(shí)間：同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間間隔.時(shí)間延緩：運(yùn)動的鐘走的慢

.固有時(shí)間

3）時(shí)，

.1）時(shí)間延緩是一種相對效應(yīng).2）時(shí)間的流逝不是絕對的，運(yùn)動將改變時(shí)間的進(jìn)程.（例如新陳代謝、放射性的衰變、壽命等.）注意例2.宇宙飛船相對于地面以速度v作勻速直線飛行，某一時(shí)刻飛船頭部的宇航員向飛船尾部發(fā)出一個光訊號，經(jīng)過Dt

（飛船上的鐘）時(shí)間后，被尾部的接收器收到，則由此可知飛船的固有長度為[A]

牛頓定律與光速極限的矛盾C物體在恒力作用下的運(yùn)動經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量與運(yùn)動無關(guān)

根據(jù)相對論的速度變換關(guān)系可知任何物體的運(yùn)動速度均不可超過光的速度.

經(jīng)典動量守恒和質(zhì)量守恒定律遇到的困難

經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量與運(yùn)動無關(guān),即在不同的慣性參考系中質(zhì)量相同.第四節(jié)相對論能量與動量1）相對論動量當(dāng)時(shí)一、動量與速度的關(guān)系2）相對論質(zhì)量靜質(zhì)量：物體相對于慣性系靜止時(shí)的質(zhì)量.

在不同慣性系中大小不同.當(dāng)時(shí)C二、狹義相對論力學(xué)的基本方程

相對論動量守恒定律

當(dāng)時(shí)，增加,而，所以光速C為物體的極限速度.當(dāng)時(shí)不變.當(dāng)時(shí)三、質(zhì)量與能量的關(guān)系動能定理設(shè)

積分得利用和得相對論動能

靜能

：物體靜止時(shí)所具有的能量.

當(dāng)時(shí),相對論質(zhì)能關(guān)系

1932年英國物理學(xué)家(J.D.Cockcroft)和愛爾蘭物理學(xué)家(E.T.Walton)利用質(zhì)子加速器進(jìn)行了人工核蛻變，第一次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了質(zhì)能關(guān)系，為此他們于19５１年獲諾貝爾物理學(xué)獎．物理意義相對論質(zhì)能關(guān)系3.明確幾點(diǎn)①.E稱為物體的總能量，包括動能和靜止能量兩部分。②.物體靜止時(shí)，v=0，③.物體動能④.原子核反應(yīng)能量可以轉(zhuǎn)變成質(zhì)量能量質(zhì)量能量質(zhì)量核反應(yīng)堆1克鈾裂變釋放的能量是1克煤的250萬倍。1克氘聚變釋放能量是鈾的4倍，煤的1000萬倍。

鋰原子的核反應(yīng)兩粒子所具有的總動能兩粒子質(zhì)量比靜質(zhì)量增加理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符．實(shí)驗(yàn)測量四、質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中的應(yīng)用質(zhì)量虧損原子質(zhì)量單位放出的能量1g

鈾—235的原子裂變所釋放的能量質(zhì)能關(guān)系預(yù)言：物質(zhì)的質(zhì)量就是能量的一種儲藏.1

核裂變我國于1958年建成的首座重水反應(yīng)堆2

輕核聚變釋放能量質(zhì)量虧損

輕核聚變條件溫度要達(dá)到時(shí)，使具有的動