醫(yī)用物理學(xué)06相對(duì)論基礎(chǔ)

1、1,第六章相對(duì)論基礎(chǔ),學(xué)習(xí)目的：掌握狹義相對(duì)論的基本假設(shè)、狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。,學(xué)習(xí)狹義相對(duì)性的正確態(tài)度：以事實(shí)為依據(jù),自覺擺脫經(jīng)驗(yàn)的束縛 狹義相對(duì)性原理。,學(xué)習(xí)狹義相對(duì)性的方法：,2,第六章相對(duì)論基礎(chǔ),物 理 學(xué) 大 廈 1895,牛頓,3,第六章相對(duì)論基礎(chǔ),進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀、高速領(lǐng)域。,4,第六章相對(duì)論基礎(chǔ),進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀、高速領(lǐng)域。,1895，倫琴：發(fā)現(xiàn)x射線 1896，貝克勒爾：發(fā)現(xiàn)放射性 1896，塞曼：發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)使光譜線分裂 1897，J.J.湯姆生：發(fā)現(xiàn)電子,牛頓力學(xué)對(duì)這些現(xiàn)象不適用。,5,61伽利略變換,一、經(jīng)典力學(xué)的

2、絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理 二、伽利略變換,6,一、絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理,內(nèi)容：時(shí)間和空間是分離的，質(zhì)量和能量也是分離的，與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有關(guān)系。,絕對(duì)的空間，就其本性而言，永遠(yuǎn)保持不變和不動(dòng)，且與外界任何事物無關(guān)。,絕對(duì)的、真正的數(shù)學(xué)時(shí)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)。,1、絕對(duì)時(shí)空觀,7,一、絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理,內(nèi)容： 一個(gè)對(duì)于慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)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)作為整體的勻速直線運(yùn)動(dòng)的影響。力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中都是相同的，因此所有慣性系都是平權(quán)的、等價(jià)的。（有相同的數(shù)學(xué)形式）,現(xiàn)象：如F=ma在不同的慣性系中，形式不變。,2、相對(duì)

3、性原理,8,二 、伽利略變換,1、兩直角坐標(biāo)系,相互平行；,S沒x軸正方向以速度u運(yùn)動(dòng)。,x和x軸重疊；,9,二 、伽利略變換,當(dāng)S系中的一事件于t時(shí)刻在點(diǎn)P(x,y,z)處發(fā)生時(shí)，在S系中觀察到該事件的位置和時(shí)間為：,當(dāng)兩者的時(shí)鐘，O和重合。,2、坐標(biāo)變換,10,二 、伽利略變換,3、速度和加速度變換,對(duì)伽利略變換中前三式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得,(1)F=ma形式相同;,(2)F、m、a相同;,(3)動(dòng)力學(xué)定律其他形式不變。,11,62洛倫茲變換,一、邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn) 二、狹義相對(duì)論的基本假設(shè) 三、洛倫茲變換,12,一、邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn),13,一、邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn),先讓光沿地球運(yùn)動(dòng)方向傳播，觀察干

4、涉條紋。,然后將干涉儀旋轉(zhuǎn) 90 ，這時(shí)理論上應(yīng)該觀察到干涉條紋的移動(dòng)。,1、實(shí)驗(yàn)演示,14,一、邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn),光波長(zhǎng)為 ，地球相對(duì)于以太的速度u。根據(jù)以太假說，計(jì)算出干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目為,2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可是：實(shí)驗(yàn)結(jié)果N0。,1）：地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)并不存在。,表明,3）：與伽利略變換和絕對(duì)時(shí)空觀相矛盾,2）：作為絕對(duì)參考系的以太并不存在。,15,一、邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn),3、成為愛因斯坦相對(duì)論的重要支柱,愛因斯坦揚(yáng)棄了以太假說和絕對(duì)參考系的想法，在前人各種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑，提出了下狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)。,16,二、狹義相對(duì)論的基本假設(shè),1905年，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)基

5、本假設(shè)。,1、狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理：在所有慣性系中， 物理定律的表達(dá)形式都相同。,2、光速不變?cè)恚涸谒袘T性系中，真空中的光速具有相同的量值c,否定了伽利略變換，否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。 選擇：洛倫茲變換。,17,三、洛倫茲變換,18,三、洛倫茲變換,愛因斯坦把x、y、z、t聯(lián)系在一起稱為四維時(shí)空坐標(biāo),認(rèn)為時(shí)空間隔在任何參考系中相等。,1、四維時(shí)空,對(duì)于同一質(zhì)點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)慣性系中的時(shí)空坐標(biāo)的變換關(guān)系為：（洛侖茲變換）,19,三、洛倫茲變換,2、洛倫茲變換公式,20,三、洛倫茲變換,3、洛倫茲變換和伽利略變換,21,三、洛倫茲變換,4、洛倫茲逆變換,洛侖茲正變換,洛侖茲逆變換,22,三、

6、洛倫茲變換,5、洛倫茲速度變換和逆變換,正變換,逆變換,23,例5,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拋出一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c 。 問：從地面上看，物體速度多大？,解：選地面為S系，飛船為S系。 則V0.80c，ux=0.90c,24,63狹義相對(duì)論的時(shí)空觀,一、時(shí)間膨脹 二、洛倫茲收縮 三、同時(shí)性的相對(duì)性 四、因果律和信號(hào)速度,25,一、時(shí)間膨脹,兩事件發(fā)生在S系中的同一地點(diǎn)x，時(shí)間分別為t1和t2。其時(shí)間間隔為,S系測(cè)得的時(shí)間：t1和t2,26,二、洛倫茲收縮,尺相對(duì)S系靜止固有長(zhǎng)度：,S系測(cè)得尺的長(zhǎng)度：,27,例6,解：,例.一長(zhǎng)

7、為1米的棒，相對(duì)于S系靜止并與x 軸夾= 45角。問：在S系的觀察者來看，此棒的長(zhǎng)度以及它與x軸的夾角為多少？已知,28,三、同時(shí)性的相對(duì)性,設(shè)在S系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生了兩個(gè)事件，其時(shí)空分別為(x1,t1)和(x2,t2)，在S系中的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔為,則在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的S系中，這兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間為：,29,三、同時(shí)性的相對(duì)性,討論：,當(dāng) 時(shí)，,當(dāng) 時(shí)，,當(dāng)S系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在S系中就不一定同時(shí)，這就是同時(shí)性的相對(duì)性。 同時(shí)的相對(duì)性否定了各個(gè)慣性系具有統(tǒng)一時(shí)間的結(jié)論否定了牛頓的時(shí)空觀。,30,四、因果律和信號(hào)速度,在慣性系S中，在t1時(shí)刻有一事件P發(fā)生在x1處，引起事件Q在

8、t2時(shí)刻發(fā)生在x2處，也就是說事件P(x1, t1)引起事件Q(x2, t2)，它們之間有因果關(guān)系，信息從x1處傳到x2處的速度為,在S系中,31,64相對(duì)論動(dòng)力學(xué),一、動(dòng)量和質(zhì)量 二、力和動(dòng)能 三、質(zhì)能關(guān)系,32,一、動(dòng)量和質(zhì)量,動(dòng)量定義不變：在相對(duì)論中，動(dòng)量的定義,m改變：質(zhì)量m已不是原來的意義上的質(zhì)量了，而是相對(duì)論中的質(zhì)量,33,一、動(dòng)量和質(zhì)量,就是經(jīng)典力學(xué)中的情況。,討論,質(zhì)量急劇增大。意味著越難加速，這就是任何物體都不可能超過光速的原因。,則動(dòng)量的表達(dá)式為：,34,二、力和動(dòng)能,35,三、質(zhì)能關(guān)系,這就是著名的質(zhì)能方程,在左式中是一個(gè)恒量，稱為靜能量。用E0表示，即,因此，式中的在數(shù)值上就等于，我們用E表示。,36,例7,解：,例. 子自發(fā)衰變的平均壽命為2.1510-6s。假設(shè)來自太空的宇宙射線，在離地面6000m的高空所產(chǎn)生的子，以相對(duì)于地球0.995c的速率垂直向地面飛來，試問：1）在地面上看來，子的平均壽命應(yīng)為多少？2）它能否在衰變前到達(dá)