大学物理2-5-第1章-狭义相对论时空观.ppt

2019/6/6,1,浙江大学城市学院 黄 敏,Tel:E-mail: ,大 学 物 理 University Physics,本章主要讲解四个方面问题： 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观 。 2）狭义相对论基本原理。 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。 4）狭义相对论时空观。,伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学时空观,1、伽利略坐标变换,设惯性系K/ (o x y z) 沿公共的X轴相对另一惯性系K (o x y z) 以速度 u 运动，t = t= 0 时，两个原点 O 和 O 重合。,2、伽利略相对性原理（力学相对性原理） 力学定律在所有惯性系中都相同。,力学定律在伽利略变换下不变,经典力学（牛顿力学）时空观是绝对的时空观,3、牛顿力学的时空观,本章主要讲解四个方面问题： 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观 。 2）狭义相对论基本原理。 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。 4）狭义相对论时空观。,相对性原理-任何物理定律在所有惯性系中都有相同的表示形式，即所有惯性系都是等价的；平权的。,爱因斯坦的相对性原理和伽利略相对性原理在思想上是基本一致的，是力学相对性原理的推广。,狭义相对论基本原理,光速不变原理-在所有惯性系，真空中的光速都相等，c = 3108 m/s 。,光速不变原理说明：真空中的光速与光源或观察者的运动无关，且在各个方向上都相同，与参照系也无关，是一个常量。 这是和经典的速度变换公式（伽利略变换）不相容的。若保持光速不变原理，就必须抛弃伽利略变换，也就是必须抛弃绝对的时空观。,爱因斯坦由上述两个基本假设出发，导出了狭义相对论中的坐标变换关系-洛仑兹变换。,本章主要讲解四个方面问题： 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观 。 2）狭义相对论基本原理。 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。 4）狭义相对论时空观。,洛仑兹坐标变换,相对论速度变换,由洛仑兹变换可得：,所以得:,或,(2) 洛伦兹速度变换近似为伽利略速度变换,时,(3) 洛伦兹速度变换与光速不变原理相符,讨论: (1) 物体相对不同参考系的速度不仅在相对运动方向上的分量不同,在垂直相对运动方向上的分量也不同。,【例题】地球上一观察者看见一飞船A以速度 2.5108 m/s 从他身边飞过，另一飞船B以速度 2 .0108 m/s 跟随A飞行。求：（1）A上的乘客看到B的相对速度；（2）B上的乘客看到A的相对速度。,解：(1)A看B (如图)：由题意知,代入公式得,（2）B 看A (如图)：由题意知,代入公式得,本章主要讲解四个方面问题： 1）伽利略坐标变换、力学相对性原理及牛顿力学的时空观 。 2）狭义相对论基本原理。 3）洛仑兹坐标变换和速度变换。 4）狭义相对论时空观。,狭义相对论时空观 (相对论运动学),“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”（苏轼题西林壁）,1、“同时”的相对性,按照经典力学的观点，在某一惯性系中“同时”发生的两个事件，在其它所有惯性系中都是“同时”发生的，即“同时”与参照系无关，是绝对的。 而狭义相对论指出：一个惯性系中不同地点“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是“同时”的，即“同时”与参照系有关，“同时”是相对的。,说明：,2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）,棒的长度: 测量两端坐标来确定,2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）,说明： 静长：杆在与杆相对静止的参照系中的长度。 长度收缩并非杆的内部材料结构发生了变化，而是空间间隔测量的相对性的反映。 在与相对运动垂直的方向上，无相对运动，故不发生长度收缩。,2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）,【例题】 马路边竖立着一块正方形广告牌，其面积为100 m2，以 0.80C 的速度行驶的“爱因斯坦”牌摩托车的驾驶员测得该广告牌的面积为多少？,Km,3、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）,时钟快慢: 记录两个事件的时间间隔,说明： 对于原时的理解，要特别强调两个事件在同一地点发生。 时间膨胀是相对原时t0 而言。若在K系和K系中，两个事件发生在不同地点，一般需用洛仑兹变换来求解。 解释“孪生子佯谬（法国物理学家郎之万首先提出）” ，“高速旅行可以长寿？”。,Time dilation-时间膨胀,【例题】一天体正以 0.80C 的速度离开地球，地球上测得该天体闪光的周期为 120h ，在与此天体相对静止的参照系中测量，该天体的闪光周期为多少？,【例题】 介子是一个不稳定系统，会自发衰变为 介子和中微子。已知静止的 介子平均寿命为2.610-8 秒。若从加速器中射出一个介子，相对实验室的速度为 0.80 c ，问：在实验室中，此介子的寿命多大？能飞行多少距离？,【例题】两个惯性系的观察者O和O以 0.60C（C表示真空中的光速）的相对速度互相接近。如果O测得两者的初始距离