大物 相对论.ppt

第十七章狭义相对论基础 THESPECIALTHEORYOFRELATIVITY 本章基本要求1 理解伽里略变换及其绝对时空观 2 理解狭义相对论的两条基本原理 掌握洛伦兹变换及相对论的时空观 掌握狭义相对论动力学的几个重要结论 学会其应用 20世纪三大发现 相对论量子论DNA结构 20世纪初 相对论和量子力学的建立 是物理学史上一场惊天动地的革命 广义相对论指出 时空曲率将产生引力 薛定谔 1887 1961 奥地利人创立量子力学 用STM针尖移动的铁原子 E mc2 AlbertEinstein 1879 1955 摄于1905年 1921Nobel 2005国际物理年 100YearsofPhotoemission NobelPrizeinPhysics2005 forhiscontributiontothequantumtheoryofopticalcoherence RoyJ Glauber1 2oftheprizeHarvardUniversityUSA JohnL Hall1 4oftheprizeUniversityofColorado USA TheodorW H nsch1 4oftheprizeMax Planck Institute Germany fortherecontributionstothedevelopmentoflaser basedprecisionspectroscopy includingtheopticalfrequencycombtechnique 爱因斯坦的哲学观念 自然界应当是和谐而简单的 理论特色 出于简单而归于深奥 AlbertEinstein 1879 1955 20世纪最伟大的物理学家 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论 他于1905年提出了光量子假设 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖 他还在量子理论方面具有很多重要的贡献 千禧之年 加拿大的 环球邮报 请世界各国的读者评选 从公元1001年至今 1000年来对整个世界影响最大的100位名人 猜猜看是谁荣登榜首 NO 拿破仑 成吉思汗 NO 比尔 盖茨 莎士比亚 NO NO 爱因斯坦 杰出的物理学对人类社会进步的影响 被全世界公认 是 17 1伽利略变换经典时空观 一 伽利略变换设S 系相对于S惯性系以匀速v沿x轴运动 t t 0时 oo 重合 在两参照系观察同一事件的时空关系 1 伽利略坐标变换 2 速度变换 绝对速度 相对速度 牵连速度 3 加速度变换 二 经典时空观1 时间间隔的测量是绝对的 2 空间间隔的测量是绝对的 4 经典力学的绝对时空观绝对时空观认为 时间 空间彼此独立 互不相干 独立于物质和运动之外 与参照系的选取无关 3 力学 伽利略 相对性原理对一切惯性系 力学规律是等价的 具有相同的形式 实践证明 绝对时空观不适用于高速运动的情况 迈克尔逊 莫雷实验 Michelson MorleyExpt 1887年迈克尔逊 莫雷实验 否定了以太说 否定了绝对参考系的存在 证明了光速不变 17 2狭义相对论基本原理洛仑兹变换 光速不变原理 在所有惯性系中 光在真空中的速度都有相同的值C 一 狭义相对论基本原理 爱因斯坦假设 2 相对性原理 在所有惯性系中 物理学定律都相同 二 洛仑兹变换 Lorentztransformation 讨论 1 vc时不成立 逆变换 讨论 1 vc时不成立 讨论 光速不变 1 u v c时 回到伽利略速度变换式 2 如在S系中沿X方向发射一光信号 在S 系中观察 一 同时性的相对性 设 S系中发生两事件 时空坐标为 x1y1z1t1 x2y2z2t2 若两事件同时发生 时间间隔为 17 3狭义相对论的时空观 问 S 系中观察 这两事件是否同时发生 S 系中观察者测得 这两个事件发生时刻为 讨论 结论1 同时性具有相对意义 设 棒沿X轴对S系静止放置 在S系中测得两端坐标则棒的固有长度为 问 在S 系中测得棒有多长 二 长度的收缩 动尺缩短 设在S 系中某时刻t 同时测得棒两端坐标为x 1 x 2 则S 系中测得棒长L x 2 x 1 L 与L的关系为 缩短 设 棒沿X 轴对S 系静止放置 在S 系中测得两端坐标 则棒的长度为 问 在S系中测得棒有多长 那么 静止在S 系中的棒 在S系中测量 伸长还是缩短呢 设在S系中某时刻t同时测得棒两端坐标为x1 x2 则S系中测得棒长L x2 x1 L与L 的关系为 缩短 结论 从对物体有相对速度v的坐标系中测得的沿速度方向的物体长度L 总比在与物体相对静止的坐标系中测得的长度 固有长度 L0短 动尺缩短 注 垂直速度v方向的长度不变 结论2 空间间隔具有相对意义 三 时间的膨胀 动钟变慢 设 S 系中固定地点X 处发生某个事件 在S 系中测得此事件开始于t1 时刻 结束于t2 时刻 其时间间隔为称为固有时间 在S系中观测 该过程所经历的时间为 在相对于过程发生的地点为静止的参照系中测得的时间间隔为称为固有时间 讨论 1 时间膨胀 2 运动的钟变慢了 高速飞行的介子寿命延长 为时间的膨胀提供了有力的证据 如 3 S 系中的观测者 同样会观测到S系中的钟走慢的现象 结论3 时间间隔具有相对意义 结论 从对于发生事件的地点作相对运动的坐标系中所测得的时间 总比从相对静止的坐标系中测得的时间 固有时间 0要长 动钟变慢 2 绝对性 时空次序不会颠倒 1 相对性 物质运动的描述和时空的量度具有相对性 四 相对性与绝对性 例 S 系以速度v 0 6C相对S系沿x轴正方向运动 S系中有一根米尺 固定在x轴上 其两端各装一手枪 固定于S 系中的x 轴上有另一根很长的刻度尺 当后者从前者旁边经过时 S系的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 求在S 系尺上两记号之间的刻度值 在S 系中观察者将如何解释此结果 二事件 S系 x1 0 0 t1 x2 0 0 t2 t1 t2 t S 系 x 1 0 0 t 1 x 2 0 0 t2 t 1 t 2 S 系中认为 2端开枪事件先发生 在S 系再向前运动了一段时间后 1端才开枪 故记号的间隔大于1米 解释 17 4狭义相对论动力学基础 一 相对论质量和动量 经典力学 质量与运动 参考系选择 无关 狭义相对论 质量与运动 参考系选择 有关 1 质量 质速关系 Einstein srelativitytheoryteachesusthatanobjectmovingattheSpeedoflightshouldhaveaninfiniteenergy m0静 止 质量 物体相对参考系静止时的质量 m 运 动质量 物体相对参考系运动时的质量 v物体相对参考系 观测者 的速度 质速关系 结论4 质量具有相对意义 特例 光子v cm0 0 加速器中的质子 2 动量 经典力学 狭义相对论 二 相对论动力学基本方程 三 相对论能量 动能表达式 总能量 1 动能 经典力学 狭义相对论 静止能量 经典力学 狭义相对论 在v C的极限情况下 故经典力学的动能表达式是相对论力学动能表达式在物体的运动速度远小于光速的情形下的近似 2 质能关系 说明 四 能量与动量的关系 可证得 由 光子 为便于记忆 动量与能量的关系可用下面的直角三角形表示出来 例 计算原子核的结合能 质量亏损 质子 mp 1 00728u 中子mn 1 00866u 粒子 mHe 4 00150u 原子质量单位 能量释放 100T煤 核能 质能公式在原子核裂变和聚变中的应用 1 核裂变 放出能量 1g铀 235原子核数 典型例子 2 核聚变 典型例子 1g原子核数 放出能量 太阳因不断辐射能量而质量不断减小 1 静止时边长为50cm的立方体 当沿着与它的一个棱边平行的方向相对于地面以匀速度2 4x108ms 1运动时 在地面上测得它的体积为多少 解 练习题 2 下列说法哪种 些 正