狭义相对论基础.ppt

第 6 章 狭义相对论基础,Einstein 的相对论分为:,1.狭义相对论 1905 special relativity “论动体的电动力学”论文,2 .广义相对论 1915 general relativity,爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人,二十世纪的哥白尼,一.伽利略变换 Galilean transformation,6-1 力学相对性原理、伽利略变换、牛顿绝对时空间观,在不同的惯性系中， 考察同一物理事件。,问题：,t时刻，物体到达P点,分量式,（牛顿绝对时空间观）,前题：时空的测量与参照系无关,速度变换 与加速度变换,正,逆,惯性系,牛顿力学中：,相互作用是客观的， 分析力与参考系无关。,质量的测量与 运动无关。,二.牛顿的相对性原理 (Newton Principle of relativity),宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。,或 牛顿力学规律是伽利略不变式。,如：动量守恒定律,按麦克斯韦的电磁理论,电磁波在真空中波动方程为:,式中,可计算得:,对于一维的方程,若按伽利略变换,将变为,显然波动方程呈现不同的形式,3.从一惯性系S到另一惯性系S,运动质点P的位置 和速度的变换遵从伽利略变换式.,经典力学的基本观点:,1.四个与参照系无关的绝对量:空间间隔、时间间隔、质量、相互作用力.牛顿绝对时空间观;,2.在一切惯性系中， 描写力学规律的形式在 伽利略变换下， 保持不变.力学相对性原理;, 6-2狭义相对论的基本假设,一. 绝对运动和迈克耳孙-莫雷实验,按麦克斯韦的电磁理论,S为以太 参照系,以太,从S参照系看：,若上述光学实验成功,可断言:,(1)有绝对参照系与绝对运动,(2)可利用光学实验测出惯性系的绝对运动速度,(3)一切惯性系等价的相对性原理对光学不成立,迈克耳孙-莫雷实验,若实验装置旋转90度,时间差又为:,那么:,零结果,否定以太存在,否定伽利略变换,二. 狭义相对论的基本假设:,1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同 相对性原理 2、 光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理,1) Einsein的理论是Newton的理论的发展,2) 光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理针锋相对,3) 观念上的变革,牛顿力学,速度与参考系有关,(相对性),狭义相对论力学,长度、时间测量 的相对性,一.“同时”的相对性 relativity of simultaneity,以爱因斯坦火车为例 Einstein train 说明, 6-3 时空相对性,光速不变原理,Einstein train,地面参考系,实验装置,发一光信号,发一光信号,研究的问题： 两事件发生的时间间隔,处闪光,光速为C,同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生。,事件1、事件2 不同时发生。,事件1先发生,处闪光,光速也为C,系中的观察者又如何看呢？,1、同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,2、相对效应 3、当速度远远小于 C 时，两个惯性系结果相同。,二. 时间延缓和动钟减慢,设相对S系静止有一光脉冲仪,称之为固有时或本征时,常用,发射光信号与接受光信号时间差,发射与接受在同一地点,在S系中观察,光脉冲仪以 u 向右运动,光脉冲走的是一个三角形的两边,每边长为,解得:,显然,由相对性原理可推知:,对S系静止的脉冲仪测得时间也为固有时,在S系中测得时间间隔,结论:运动的钟变慢了,或称之为时间延缓效应,三. 长度收缩,在A处有一光脉冲, 在B处有一反射镜,那么在S系中测得时间为:,设在S中有一杆尺 AB 长度为 ,静止在S,现在,即:,为静长或称之为 固有长或本征长,并用,表示,按相对性原理,静止在S系中的一杆尺长度为静长以,表示,那么在S系中去测量,其长度为,结论:在运动的方向上测量的长度总是收缩的,在与 介子一起运动的观测者看来，结果如何？,两个观测者对同一现象的解释不同！, 6-4 洛仑兹变换 Lorentz transformation,同时发出闪光,经一段时间 光传到 P点,一.洛仑兹变换的导出,重合,ut,与,那么,-ut,从两式消去x,有,移项可得,从以上两式消去 x , 又有,令,则,正变换,逆变换,正变换,讨论,时空坐标,伽利略变换,发展,变换无意义,速度有极限,4) 由洛仑兹变换看同时性的相对性,事件1,事件2,两事件同时发生,？,若,同时性的相对性,5) 时序，因果关系,6) 由洛仑兹变换看时间膨胀 长度缩短,在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间 间隔(同一只钟测量) ，与另一系中，两个地点发 生的两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。,研究的问题是：,时间膨胀,由洛仑兹逆变换,原时最短, 1,对运动长度的测量问题。 怎么测？ 同时测。,原长：,棒静止时测得的它的长度 也称静长,静长,长度缩短,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,由洛仑兹变换,事件1：测棒的左端 事件2：测棒的右端,由洛仑兹变换,例6-2 一飞船静长 相对于恒星系以速度 作匀速直线飞行，飞船内一小球从尾部运动到 头部，宇航员测得小球运动速度为 。 试算出恒星系观察者测得小球的运动时间。,解：,二. 相对论速度变换,由洛仑兹变换知,例6-3 设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体 相对飞船速度为0.90c 。 问：从地面上看，物体速度多大？,解：, 6-5 相对论质量和动量,一 相对论质量.,S系：,S系中分裂前后动量守恒,分裂前总质量,（分裂前后总质量守恒）,（静质量）,讨论:,1.,2.,二.相对论力学的运动方程,对于一维运动, 所施力为一恒力,则:,得到,可见, 6-6 相对论能量 质能关系,一 相对论动能.,根据功能原理,对两边求微分,即,则,质点静止时,质量为,动能应为零,若,运动时的能量,静止时的能量,除动能以外的能量,任何宏观静止的物体具有能量,相对论质量是能量的量度,二 静能、总能和质能关系, 重要的实际应用,例太阳由于热核反应而辐射能量 质量亏损,即,孤立系统中,例6-4 两全同粒子以相同的速率