清华大学物理学概论第2章运动与时空1(原理和变换).ppt

1,爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人,二十世纪的哥白尼,2,第2章 运动与时空 2.1 相对性原理和变换 2.2 狭义相对论的运动学效应 2.3 相对论速度变换 2.4 狭义相对论的质量能量 2.5 广义相对论简介,3,主要内容： 牛顿的时空观 爱因斯坦的时空观 爱因斯坦的狭义相对论,牛顿的相对性原理,伽利略变换,相对性原理、光速不变原理,洛伦兹变换,运动学效应,时间膨胀 长度收缩,本章：将对运动与时空有一崭新的认识,4,相对性问题的核心是： 物理规律是客观存在的 与参考系无关 即参考系平权 没有特殊的参考系 归根结底是： 认识论方法论的问题 教育人们要脱离自我 客观地看问题,5,A君,以我为标准： A君说：头朝上 B君也说：头朝上,B君,问题是： A 君 看 B 君， 大头朝下！,6,从哥白尼到爱因斯坦 - 参考系的选择,从哥白尼的日心说到爱因斯坦的广义相对论的过程 是人们逐步摆脱以我为核心的过程 没有特殊参考系的观点 就是以客观规律为准的观点 没有特殊参考系就是各参考系平权 平权就是各向同性 就是对称性,纪念哥白尼诞辰500周年学术会的标题,7,学习本章的正确态度 1) 超越自我认识的局限 2) 自觉摆脱经验的束缚 -以事实为依据,牛顿的相对性原理 狭义相对性原理 广义相对性原理,适用 规律 惯性系 力学 惯性系 物理 所有参考系 物理,8,明确本章研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件,通常： 实验室参考系 定为S系 运动参考系 定为S系,9,相对论问题包括两个方面： 1.物理规律与参考系无关相对性原理 2.在两个参考系中对同一事件的描述形式不同 之间存在一个变换关系变换式 变换式与相应的相对性原理相对应 牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换 狭义相对性原理对应洛伦兹变换 在基本观点明确的前提下 重要的是变换式,10,研究的问题是：t 时刻质点运动到P点,坐标系如图,S系描述的物理量是:,S系描述的物理量是:,11,一.力学相对性原理和伽利略变换 1.伽利略变换, 2.1相对性原理和变换,12,正变换,逆变换,伽利略变换的分量变换式,13,速度变换与加速度变换,正,逆,用S系的时间求导,牛顿时空： 时间量度与参考系无关 即,14,正,逆,加速度变换,惯性系,15,在两个惯性系中,2.牛顿的相对性原理与伽利略变换自洽,在牛顿力学中 力与参考系无关,质量与运动无关,16,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（以两质点碰撞为例）,动量守恒定律在伽利略变换下形式不变,17,二. 狭义相对论的基本原理 1.牛顿力学遇到的问题 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 高速运动的粒子 3) 光速C 迈克耳逊-莫雷的 0 结果,18,2.爱因斯坦的狭义相对论基本假设,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,Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展,大小,19,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,观念上的变革,牛顿力学,狭义相对论力学,20,2）同步钟 synchronized clocks 物理过程的时间间隔？ 在确定的参考系中存在一系列的同步钟,3.同时性的相对性 1）事件 时空坐标 事件：研究的物理现象 时空坐标：确定事件位置的坐标,空间 时间,t是坐标 x,y,z 处的时钟测出的,当地钟测当地时,时空坐标,21,3）同时性的相对性 - 光速不变原理的直接结果 以爱因斯坦火车为例 Einstein train 说明,22,在火车上,分别放置信号接收器,中点,放置光信号发生器,23,研究的问题 两事件发生的时间间隔,某时M发一光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,M发出的闪光,光速为,A B同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生,24,事件1、事件2 不同时发生,事件1先发生,S系中的观察者又如何看呢？,同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,相对效应,A B随 S运动,A迎着光，比B 早接收到光,25,事件1、事件2 不同时发生,事件2 先发生,当速度远远小于 c 时， 两个惯性系得到相同结果,相对效应,如果装置固定在S系中 事件1 A接收到信号 事件2 B接收到信号 S系中：两事件同时发生 但，S系认为：,26,4.洛伦兹坐标变换,27,洛伦兹坐标变换,时空坐标,当,与 有关,28,变换无意义,速度有极限 实际信号传递速度都不可能超过光速,当,29,解题的一般思路,例1( P.35例2） 已知：,求：,系中测量闪光到达两接收器的时间,系中测量闪光到达两接收器的时间,30,事件1,事件2,求：,事件0,解：,M发光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,事件0,31,闪光同时到达两个接收器 两事件同时发生,32,由洛伦兹变换,33,由洛伦兹变换,两事件不同时发生,34,从上述式子，可产生一个疑问：,时序: 两个事件发生的时间顺序,时序: 两个事件发生的时间顺序,在实验室参考系中 应先开枪后中靶 在高速运动的参考系中 是否能先中靶 后开枪？,结论： 有因果律联系的两事件的时序不会颠倒！,有因果联系的两事件的时序不会颠倒,因为,37,1.知道爱因斯坦的狭义相对论基本原理,1）相对性原理：一切物理规律在任何惯性系中形式相同 2）光速不变原理：光在真空中的速度与发射体的运动状态无关， 或说，在任何惯性系中光在真空中的速度相等,教学要求：,知道：正确叙述，表述清楚,38,2.会使用洛伦兹坐标变换做题,39,例1 (指导P.47.3) 一宇宙飞船长为L 以速度u相对于地面作匀速直线运动 有个小球从飞船的尾部运动到头部 宇航员测得小球的速度为 试求： 1)宇航员测得小球由尾部至头部所需的时间 2)地面观察者测得小球由尾部至头部所需的时间,40,解： 建坐标：飞船上建S系 地面上建S系,事件1：小球从飞船尾部飞出 事件2: 小球飞到飞船头部,在飞船参考系中有,由已知可知,41,在地面参考系中： 由洛伦兹变换,得：,42,例2 S系中有一根米尺固定在x轴上 其两端各装一把手枪 固定于S系中的x轴上有另一根长刻度尺 当后者从前者旁边经过时 S系观察者同时扳动两枪 使子弹在S系中的刻度尺上打出两个记号 求:S系的刻度尺上两记号之间的刻度值差,4