狭义相对论的基本原理.ppt

SpecialRelativity 第5章狭义相对论基础 相对论是关于时间 空间和物质运动关系的理论 狭义相对论 又称特殊相对论 不考虑物质质量对时空的影响 是相对论的特殊情况 1905年 广义相对论 考虑物质质量对时空的影响 是关于引力的理论 1915年 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的重要的贡献 17世纪以前 物理学的研究集中于宏观低速领域 17世纪 经典力学理论体系形成 17 19世纪末 经典力学对科学和技术的发展起到了很大的推动作用 而其自身也得到了极大的发展 20世纪初 物理学开始扩展到微观 高速领域 牛顿力学在这些领域不再适用 寻找以太实验的0结果 以及电磁场理论的发展 得出光速不变的结论 与伽利略变换相左 要求从根本上变革经典力学中的一些不言自明的基本概念 时间 质量等 相对论的诞生 20世纪初相对论和量子力学的建立实现了这种变革 相对论自建立以来 已超百年 经历了大量实验的检验 至今还没有发现什么实验结果与其相违背 5 1狭义相对论基本原理 狭义相对论运动学 一经典力学的理论体系 伽利略变换绝对时空观经典相对性原理牛顿运动定律 在物质低速运动情况下对客观世界的一种近似模写 1伽利略 坐标 变换 设当t t 0时 两个坐标系的原点OO 重合 b坐标变换公式 S S 逆变换公式 S S a作用 把同一时刻 同一物体 事件 的坐标从一个坐标系变换到另一个坐标系 伽利略变换是经典时空观的集中体现 时间的绝对性 时间是均匀的 时间间隔是绝对的 空间的绝对性 空间是各向同性的 长度是绝对的 即 L L 时间在一切惯性系中是相同的 t t t t 似乎宇宙间存在着一个永远走动的大钟 在任何情况下 它的速率永远都是相同的 世界上的一切运动在时间上都是以它为度量的标准 2经典力学的绝对时空观 时间和空间是相互独立的 彼此之间没有任何直接联系 王德云 狭义相对论的建立及其意义 我们日常生活在一个运动速度远小于光速的宏观世界里 在这种有局限性的宏观低速环境中 直觉经验告诉我们 关于空间间隔和时间间隔的度量与运动无关 这种时空观是怎样形成的呢 十七世纪的物理学家在建立经典力学的理论体系时 正是基于这种直觉经验 以默认 实际上是假定 时钟和量尺不受运动状态的影响为前提的 根据伽利略变换 求一阶 二阶导数 可得 速度变换 加速度变换 在所有作匀速直线运动的惯性系中 牛顿运动定律都有同样的形式 经典 伽利略 相对性原理 牛顿力学中还假定质量也是不变量 所以 即 F ma ma F 这表明 力学规律在伽利略变换下是不变的 3经典相对性原理 二狭义相对论的基本原理 1 狭义相对性原理 在所有惯性系中 物理定律都具有相同的数学形式 2 光速不变原理 在所有惯性系中 光在真空中的的传播速度都是c 与光源或观察者的运动状态无关 相对性原理是自然界的普遍规律 所有的惯性系都是等价的 伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 长度的测量和同时性概念密切相关 若光源相对于地以u运动 则伽氏变换结果 光速v u c c或v c u c 说明同时具有相对性 时间的量度是相对的 和光速不变紧密联系在一起的是 在某一惯性系中同时发生的两个事件 在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察 并不一定是同时发生的 三洛仑兹变换 设 时 重合 事件P的时空坐标如图所示 相对论因子 S S S S 1 与成线性关系 比例系数 2 时 空不独立 和变换相互交叉 3 时 洛仑兹变换伽利略变换 2洛仑兹变换特点 意义 基本的物理定律在洛仑兹变换下保持不变 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性 相对论对称性 一短跑选手 在地球上以10s的时间跑完100m 在飞行速率为0 98c的飞船中的观测者看来 他跑了多长时间和多长距离 解 例题1 设地面为S系 飞船为S 系 例2在惯性系S中 相距 x 5 106m的两个地方发生两个事件 时间间隔 t 10 2s 而在相对于S系沿x轴正向匀速运动的S 系中观测到这两事件却是同时发生的 试求 S 系中发生这两事件的地点间的距离 x 解 设S 系相对于S系的速度大小为u 例题3北京和长沙直线相距1200km 在某一时刻从两地同时向对方飞出直航班机 现有一艘飞船从北京到长沙方向在高空掠过 速率恒为u 0 999c 求宇航员测得 1 两班机发出的时间间隔 2 哪一班机先启航 解 S系 地面 正方向北京 长沙S 系 飞船 x 1200 103m t 0 u 0 999c t 由洛仑兹变换得 t t长沙 t北京 0 所以长沙先起飞 1下列几种说法 1 所有惯性系对物理基本规律都是等价的 2 在真空中 光的速度与光的频率 光源的运动状态无关 3 在任何惯性系中 光在真空中沿任何方向的传播速度都相同 其中哪些说法是正确的 A 只有 1 2 正确 B 只有 1 3 正确 C 只有 2 3 正确 D 三种说法都正确 D 课堂练习 2宇宙飞船相对于地面以速度v作匀速直线飞行 某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号 经过 t时间 飞船上的钟 后 被尾部的接收器收到 则由此可知飞船的固有长度为 即飞船上的人测量的飞船长度 A 3两事件在S系中的时空坐标分别为x1 x0 t1 x0 c和x2 2x0 t2 x0 2c 若两事