大学物理相对论复习提纲ppt课件.ppt

1 牛顿力学 麦克斯韦电磁场理论 热力学与经典统计物理 迈克耳孙 莫雷实验 黑体辐射实验 强调 近代物理不是对经典理论的简单否定 近代物理不是对经典理论的补充 而是全新的理论 狭义相对论 量子物理 近代物理学两大支柱 19世纪后期 物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟 第十四章相对论 本章内容 14 1伽利略变换式牛顿的绝对时空观14 2迈克耳孙 莫雷实验14 3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式14 4狭义相对论的时空观14 6相对论性动量和能量 大学物理 下册 2014年11月 2 3 经典力学时空观 绝对性 空间是绝对的 空间与运动无关 空间绝对静止 空间的度量与惯性系无关 绝对不变 时间是绝对的 时间均匀流逝 与物质运动无关 所有惯性系有统一的时间 同时是绝对的 时间间隔和空间间隔的测量值是绝对的 牛顿力学相对性原理 运动的描述是相对的 不同参照系下运动的描述不同 牛顿力学的相对性原理 在宏观 低速的范围内 是与实验结果相一致的 但在高速运动情况下则不适用 4 1 伽利略坐标变换式 上式可得 任意两点之间的距离和任意两事件之间的时间间隔 两个参考系下测量值相等 这是显然的 O和O 重合 系相对于S系以匀速沿x轴运动 5 2 伽利略速度变换式 对时间求一阶导数 3 伽利略加速度变换式 速度变换公式对时间求导 不同惯性系下 描写同一质点的加速度相同 对所有的惯性系 牛顿运动定律具有相同的形式 6 以太 参考系是绝对静止系 迈克耳孙 莫雷实验 寻找 以太 设 以太 参考系为S系实验室为系 光相对于 以太 的速度为C 实验结果 未观察到相对于 以太 的运动 结论 绝对参考系以太不存在 迈克耳孙 莫雷实验测到以太漂移速度为零 被称为笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云 光波的传播需要介质 以太 特殊惯性系 7 由经典电磁场理论可知 光在真空中的传播速度c是一常量 高速运动 与参考系的选择和传播方向无关 不符合伽利略变换 若伽利略速度变换正确 麦克斯韦方程组则不符合力学相对性原理 不同参考系有不同表达式 会导致特殊惯性系的存在 若麦克斯韦方程组正确 则伽利略速度变换 绝对时空观 不适用于电磁理论 高速现象 有待于修正 8 真空中的光速是常量 沿各个方向都等于c 与光源或观测者的运动状态无关 1相对性原理 物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式 2光速不变原理 狭义相对论的基本原理 关键概念 相对性和不变性 2 光速不变原理与伽利略变换是完全不相容的 1 狭义相对论相对性原理是牛顿力学相对性原理的发展 3 否定了绝对时空观 伽利略变换和经典力学规律有待修正 9 洛伦兹变换式 符合相对论理论的时空变换关系 O和O 重合 1 坐标变换2 速度变换 10 1洛伦兹坐标变换式 正变换 时 转换为伽利略变换式 11 时 空坐标不再独立 而且都与物体的运动有关 伽利略变换是洛伦兹变换在惯性系间作低速相对运动的近似 当v c时 是虚数 无任何物理意义 故真空中的光速c是一切物体运动速率的极限值 变换式是线性的 这是因为同一事件在两个参考系中的坐标是一一对应的 正变换 12 2洛伦兹速度变换式 正变换 逆变换 时 转换为伽利略变换式 13 S系 地面参考系 系 车厢参考系 事件2 事件1 洛伦兹变换 同时的相对性 14 不同时 不同时 2 同地不同时 1 同时不同地 S系 S 系 同时 不同时 15 结论同时性具有相对意义 沿两个惯性系运动方向 不同地点发生的两个事件 在其中一个惯性系中是同时的 在另一惯性系中观察则不同时 所以同时具有相对意义 只有在同一地点 同一时刻发生的两个事件 在其他惯性系中观察也是同时的 16 长度的测量和同时性概念密切相关 长度的收缩 动尺变短 棒沿轴对系静止放置 在系中同时测得两端坐标 则棒的固有长度为 固有长度 物体相对静止时测得的长度 最长 问在S系中测得细棒有多长 17 设在S系中某时刻t同时测得棒两端坐标为x1和x2 则S系中测得棒长l x2 x1 l与l0的关系为 洛伦兹变换 长度具有相对意义 讨论 2如将物体固定于S系 由系测量 同样出现长度收缩现象 物体在运动方向上长度收缩 1长度收缩l l0 18 时间的延缓 动钟变慢 发射光信号 接受光信号 时间间隔 系同一地点B发生两事件 问在S系中测得时间间隔为多少 19 在S系中观测两事件 洛伦兹变换 时间间隔 20 固有时间 同一地点发生的两事件的时间间隔 时间延缓 运动的钟走得慢 21 1 时间的流逝不是绝对的 给定两事件时间间隔的测量值与惯性系的选择有关 所有测量值中以固有时间最短 2 两惯性系等价 任何一个惯性系中的观察者按各自的时间标准 都认为另一惯性系中的时钟比自己的走得慢 时钟变慢是相对的 3 低速情况下相对论效应可忽略 22 狭义相对论的时空观 1 两个事件在不同的惯性系看来 它们的空间关系是相对的 时间关系也是相对的 只有将空间和时间联系在一起才有意义 2 时 空不互相独立 而是不可分割的整体 3 光速C是建立不同惯性系间时空变换的纽带 23 动量与速度的关系 1 相对论动量遵循洛伦兹变换 当时 2 相对论质量 静止质量 m0 物体相对于惯性系静止时的质量 24 相对论质量 说明质量与速度有关 即 质量具有相对意义 可以认为质点的质量是一个常量 牛顿力学仍然适用 当时 25 狭义相对论力学的基本方程 26 质量与能量的关系 相对论动能 1 注意相对论动能与经典力学动能的区别和联系 讨论 当v c时 0 有 静止质量 m0 运动质量 m 2 总能量与动能 总能量 静止能量 任何宏观物体具有静止能量 质点运动时的总能量 相对论质量是能量的量度 1eV 1 6 10 19J 单位 焦耳 J 38 例如1kg水由0度加热到100度 所增加的能量为 相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律 惯性质量的增加和能量的增加相联系 能量的改变必然导致质量的相应变化 这是相对论的又一极其重要的推论 27 28 质能公式在原子物理中的应用 质量亏损 原子质量单位 放出的能量 1核裂变 1g铀 235的原子裂变释放的能量 1克铀裂变释放的能量是1克煤的250万倍 碳12元素原子质量的1 12 29 2轻核聚变 轻核聚变条件 温度达到时 使具有的动能 足以克服两之间的库仑排斥力 1克氘聚变释放能量是铀的4倍 煤的1000万倍 30 动量与能量的关系 光子 光的波粒二象性 粒子性 波动性 h 普朗克常数v 光的频率 举例 31 例1 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 飞船上的钟 时间后 被尾部的接收器收到 则由此可知飞船的长度为 A 光速不变原理 相对于飞船坐标系 长度等于光速乘上时间 32 例2 观察者甲 乙分别静止在惯性系S S 中 S 相对S以速度u沿水平运动 S 中一个固定光源发出一束光 沿与u相同的方向传播 则 B 光速不变 正确的答案是 A 1 2 3 B 1 4 C 2 3 D 1 3 4 1 乙测得光速为c 2 甲测得光速为c u 3 甲测得光速为c u 4 甲测得光相对于乙的速度为c u 33 例3 介子是一种不稳定的粒子 从它产生到它衰变经历的时间即为它的寿命 已测得静止 介子的平均寿命 0 2 10 8s 某加速器产生的 介子以速率u 0 98c相对实验室运动 求 介子衰变前在实验室中通过的平均距离 解 对实验室中的观察者来说 运动的 介子的寿命 为 因此 介子衰变前在实验室中通过的距离d 为 34 例4 观测者甲和乙分别静止在两个惯性参照系S和S 中 甲测得在同一地点发生的两个事件间隔为4s 而乙测得这两个事件的时间间隔为5s 求 S 相对于S的运动速度 则根据时间延缓公式 有 解 甲测量的是固有时间 0 4s 乙测量的是相对论时间 5s 35 例5 一固有长度为l0 90m的飞船 沿船长方向相对地球以v 0 80c的速度在一观测站的上空飞过 该站测得飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少 船中宇航员测前述时间间隔又是多少 36 例6 一短跑选手在地面上以10s的时间跑完100m 一飞船沿同一方向以速率u 0 6c飞行 求 1 飞船参考系上的观测者测得选手跑过的路程 2 飞船参考系上测得选手的平均速度 解 设地面参考系为S系 飞船参考系为S 选手起跑为事件1 到终点为事件2 依题意有 1 选手从起点到终点 这一过程在S 系中对应的空间间隔为 x 根据空间间隔变换式得 37 2 S 系中测得选手从起点到终点的时间间隔为 t 由洛伦兹变换得 S 系中测得选手的平均速度为 38 例7 1 某惯性系中一观察者 测得两事件同时刻 同地点发生 则在其它惯性系中 它们不同时发生 3 在某惯性系中同时 不同地发生的两件 在其它惯性系中必不同时发生 2 在惯性系中同时刻 不同地点发生的两件事 在其它