大学物理课件狭义相对论基础.ppt

第四章第四章 狭义相对论基础狭义相对论基础(1)(1) 关于相对论，你第一印象通常是关于相对论，你第一印象通常是 ？ 有点难！ 抽象 ，费解， 与现实的距离多远？ 重要意义：重要意义：狭义相对论建立了新的时空观！ 时空对称性；同时的相对性，长度收缩，时间膨胀 E=mc2 狭义相对论 博士论文 获诺贝尔奖之作 导致Perrin获诺贝尔奖 1905 776次 121次 423次 1625次 1672次 4-1 伽利略相对性原理 经典力学的时空观 事件：某一时刻发生在某一空间位置的客观现象。 （参考系S，空间 r，时间 t ） 方案: 该事件在两组时空坐标之间的坐标变换关系 不同观察者对于同一事件的观察结果。 问题: 在两个惯性系中考察 同一物理事件 的运动 规律之联系？(实验室参考系 S 与运动参考系 S） 1. 伽利略相对性原理 两个参考系（S, S）or （K, K） 重合时，计时开始； 伽利略相对性原理 S与S 分量平行，且 S 沿 x 正方向运动。 事件： t 时刻，物体到达 P 点 伽利略变换 伽利略相对性原理 变换分量式 速度变换？ 按定义计算 正变换 逆变换？(左+)(右-) 伽利略相对性原理 加速度变换 ？ 正变换下 伽利略相对性原理 从而，在两个惯性系中: 问题: 牛顿力学中力及质量与参考系是否有关系? 伽利略相对性原理 伽利略相对性原理: 宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同. 答: 力的相互作用是客观的，应与参考系无关。 根据伽利略变换，加速度在不同的惯性系相等。 从而，质量的测量也与运动无关。 （1）同时的绝对性 在某一参照系中， 在另一参照系中，两个事件也一定同时发生 因此，同时性与参考系选择无关。 2. 经典力学时空观 （2）时间间隔的测量是绝对的 经典力学时空观 因此，事件的时间间隔的测量与参考系选择无关。 经典力学时空观 当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端点 的坐标差。 （3）长度测量的绝对性 问：两端点可以不同时测量吗？ S Yes; S No！ 运动系中同时测量 伽利略变换: 经典力学时空观 运动系中不同时测 X 绝对性！ (A) 速度合成中的困难 （1）如果抛球的速度大于 光速，观察者O将看到： 因果关系被破坏 1、经 典 力 学 面 临 的 困 难：（光速） 4-2 狭义相对论基本原理 （2）1000余年前的一次非常著名超新星爆炸，前后历时 22个月。其残骸形成金牛座中的蟹状星云。 若光速符合经 典的速度合成律， 则地面将持续25年 可观察到超新星爆 发所发出的强光。 (B) 寻找“以太”的尝试 1861年Maxwell理论预言了电磁波的存在，并导出电磁波 在真空中的传播速度c，却没有指明相对哪个参考系。 人们认为，电磁波在“以太”中传播，在相对于“以太”静止 的参照系中传播速度是 c . 迈克尔逊-莫雷 实验和它的零结果。 预期的“干涉条 纹”移动没有被观察 到。表明了“以太” 不存在。 (C) 电磁学定律不满足伽利略相对性原理 (D) 能量来自何方 ? （1）相对性原理只适用于力学定律，不适用于电磁学定律 通过测光速来寻找绝对参考系。 （2）相对性原理应当适用于电磁学定律，若伽利略变换式 仍然正确，则电磁学定律要修改。 （3）相对性原理应当适用于电磁学定律，且电磁学定律是 正确的，故必须修改伽利略变换。 解决困难的几种可能 爱因斯坦认为： 必须修改伽利略变换！ 2. 狭义相对论的基本原理 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 3. 洛仑兹坐标变换 问题起点： 寻找 对同一客观事件， 两个参考系的 坐标值变换关系 重合，且在此发出闪光。 经一段时间光传到 P 点（事件） 在约定的系统中， 洛仑兹变换的一个推导 由光速不变原理: 由坐标“零点”变换关系导出： k代入(1)式得到 (x,x) 变换关系； 再(1)代(2)中得到(t,t) 变换关系。 (1)乘以(2)，并代入(3)、(4)。可以得到系数: 正变换 洛仑兹变换 洛仑兹坐标变换式 令 则有 正变换: 逆变换： 洛仑兹变换 正变换 讨论 伽利略变换 2) u c , 1 变换无意义，速度有极限! 洛仑兹变换 1) 时间 t与 x,t 和u均有关，- - 即时空坐标对称性； 新理论体系 旧理论体系 例题4-1: 甲乙两人分别乘飞行器沿X轴作相对运动。甲测得 两个事件的时空坐标为 x1=6104m，y1=z1=0，t1=210-4 s； x2=12104m， y2=z2=0， t2=110-4 s。若是乙测得这两个事件 同时发生于t 时刻，问： 洛仑兹变换 解：（1） 设乙对甲的速度为 u ，由洛仑兹变换 （1）乙相对于甲的运动速度是多少？ （2）乙所测得的两个事件的空间间隔是多少？ 可知, 乙所测得的时间间隔: 按题意, 代入数据，有 洛仑兹变换 hp