《狭义相对论》PPT课件.ppt

爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人,生平：,1879年，出生于德国小镇乌尔姆 1896年-1900年，求学于瑞士苏黎士工业大学，毕业后在专利局工作 1905年，在一个月内在德国最有声望的杂志物理学年鉴上发表四篇论文： 1、通过溶液的扩散和内摩擦测定原子的大小 2、悬浮微粒的布朗运动 3、光电效应 4、论运动物体的电动力学 1916年，发表广义相对论和引力理论 1955年，逝世于美国普林斯顿,第五章 狭义相对论基础 special relativity,5.1 牛顿相对性原理和伽利略变换 5.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变 5.3 相对论时空理论 洛仑兹变换 5.4 相对论动力学基础,在两个惯性系中观察同一事件,一.伽利略变换（Galilean transformation）,5.1 牛顿相对性原理和伽利略变换,正变换,逆变换,速度变换与加速度变换,正,逆,二.牛顿的相对性原理 （Newton Principle of relativity）,在牛顿力学中力与参考系无关，质量与运动无关,力学规律在任何惯性系中形式相同,牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,两个惯性系中,或,通过力学现象不能判断这艘船是否在运动,5.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变,一、经典力学的困难,伽利略速度变换在光的传播中的问题,光传播的速度与光源的运动状态有关？,击球前：经过 ，看到球,有可能,-先看到球飞出，再看到击球,超新星爆发形成的膨胀星云，抛射物向四面八方运动,抛射物发出的光线到达地球的时间差为：,史书记载有观测到超新星爆发在1054年-1056年间，但是按上述推断得到的时间是25年,结论：光传播的速度与光源的运动状态无关,迈克尔逊-莫雷实验的零结果,光的传播介质以太,绝对静止参考系,迈克耳逊干涉仪,光传播的速度与介质的运动状态有关？,光速不变和伽利略变换，我们接受哪一个？,伽利略速度变换在电磁现象中的问题,麦克斯韦电磁学方程组,通过电磁现象可以判断这艘船在运动么？,相对性原理只对力学现象成立么？,二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设,一切物理规律在任何惯性系中形式相同,相对性原理,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,观念上的变革,狭义相对论力学,光速不变,一.事件的时空坐标（x,y,z,t) 二.同时性的相对性relativity of simultaneity,5.3 相对论时空观,Einstein train,事件1,接收到光信号,事件2,接收到光信号,系，事件1、事件2 同时发生,系，事件1先发生、事件2 后发生,同时性的 相对性,vc时，相同,三、时间延缓,相对论因子,例1 一飞船以0.8C 相对地面匀速飞行, 飞船上的钟走了5秒, 用地面上的钟测量, 经过多少时间?,例2 介子的寿命为2.5 x10-8, 随后衰变, 实验室测得它的速率为0.99C ,衰变前通过的平均路程是52 m, 这些测量结果是否 一致?,例3 一宇航员乘速度为1000km/s的飞船（相对地面）经过40小时飞到火星,宇航员与地面观量者测量的飞行时间差是多少？,例4 一宇航员乘速度为0.99c的飞船（相对地面）飞向宇宙,宇航员在有生之年飞过的距离？,四、长度收缩 length contraction,2.怎么测运动的火车长度？,1.火车静止时测得的长度是固有长度,固有时, 两事件发生在同一地点A,火车长度,因此：,固有时最短,固有长度,运动长度,例5 跑道长100m, 一飞船以0.6C 沿跑道方向飞行, 从飞船上 测量, 跑道的长度是多少?,例6 运动员跑100m用了10s, , 一飞船以0.6C 沿跑道方向飞行, 从飞船上 测量, 运动员跑的距离是多少?,例2 介子的寿命为2.5 x10-8, 随后衰变, 实验室测得它的速率为0.99C ,衰变前通过的平均路程是52 m, 这些测量结果是否 一致?,设 时刻， 重合,洛仑兹变换 Lorentz transformation,同时,将 代入 可得：,将 代入 可得：,正变换,逆变换,洛仑兹变换,两事件的时间间隔,两事件的空间间隔,正变换,逆变换,两事件同时发生,仅当,2、因果关系,u,3、由洛仑兹变换看时间延缓,4、由洛仑兹变换看长度收缩,固有时最短,系中两事件发生在同一地点固有时,即,火车参考系中火车的长度是固有长度； 地面参考系中如何测量运动火车的长度？,即,固有长度最长,例4.北京和上海直线距离1000km，在某一时刻从两地同时各开出一列火车。现有一飞船沿从北京到上海的方向在高空掠过，速率恒为u=9km/s。求宇航员测得的两列火车开出的时间间隔，哪一列先开出。,解：,上海先发出,？,飞船沿从上海到北京的方向，结果又如何,例5.列车静止时的长度为L，列车以速度u沿x轴匀速运动，当列车上的中点O与地面上的点O重合时，在O（即O）位置有一光源发出闪光，试求地面坐标系观测到的列车首尾两端的接收器接到闪光的时间差。,解:,例6. 在惯性S系中，有两个事件同时发生在x轴上相距1000米的两点，而在另一惯性S系（沿x 轴方向相对于S系运动）中测得这两个事件发生的地点相距2000米，求在S系中测得这两个事件的时间间隔？哪个事件先发生？,在S系中测量,解：,在S系中测量,(1)代入(2),解得,将u值代入(1),5.4 相对论动力学基础,相对论速度 相对论质量 相对论动量 相对论动能 相对论能量 相对论能量与动量关系,一、 相对论速度变换,洛仑兹坐标变换,逆变换,例7.在地面上测得两个飞船分别以0.9c和0.9c的速度向相反方向飞行。求一个飞船相对于另一个飞船的速度为多大？,A,B,飞船B相对于飞船A的速度即飞船B相对于S系的速度,解：,就一个物体而言，它对于任何参考系的速度不可能大于光速，光速是物体运动速度的极限。,?,在地面上测得两个飞船分别以0.9c和0.6c的速度同向飞行。求一个飞船相对于另一个飞船的速度为多大？,u与vx的乘积远小于C2时，洛伦兹速度变换过渡到伽利略速度变换，u与vx的乘积和C2可比拟时，伽利略速度变换不适用,二、相对论质量,牛顿力学认为：物体的质量和参考系无关,和相对论有矛盾,牛二定律,如果力的作用时间足够长，物体运动速度会超过光速,S,S,碰撞前,碰撞后瞬间,S,S,S系下动量守恒,设A、B两球对同一坐标系静止时，它们的质量相同,质量是恒量吗？,完全非弹性碰撞,对于静止于S系的观测者，S系下动量守恒,B球静止,质速关系式,静止质量,当 时，,与速度方向无关,与参考系(观测者）有关,当,一切物体（实物粒子）在任何参考系下的速度都不能超过光速,三、相对论动量,问题：质点初态为静止，在外力作用下速率增加到v，此刻动能为多少？,四、相对论动能,与经典动能形式完全不同,当 时，,回到牛顿力学动能形式,静止时的能量,动能,总能,一定的质量相应于一定的能量,光速是物体运动速度的极限,五、相对论能量,相对论能量守恒,能量守恒与质量守恒统一,注意：质量守恒，非静质量守恒,如：核反应,若系统总静质量减少，这个系统必然会释放能量,在一个与外界无能量交换的系统中,原子能时代随着这一关系的发现到来,解：,反应中的质量亏损为,释放的能量为,1kg燃料释放的能量为,2.93X107 煤,例9.在参