大学物理相对论 (2)ppt课件.ppt

背景 一是19世纪末经典物理学趋于完善 二是出现两朵乌云 热辐射紫外灾难 以太否定性结果 主体是 相对论 量子力学 应用 学科 原子与分子物理学 凝聚态物理 材料技术 技术 天体物理 电子技术 激光技术 原子能技术 近代物理学基础 内容 1 相对论 狭义相对论 广义相对论 1905年爱因斯坦提出的 是一种仅适用于惯性系 从时间和空间的基本概念出发将力学和电磁学统一起来的概念 1916年爱因斯坦等人提出的 适用于非惯性系 是包含引力的相对性理论 是相对论天体物理学 高能天体物理学和宇宙学的理论基础 第十七章狭义相对论 2 一 力学的相对性原理 力学规律在所有惯性系中都是等价的 具有相同形式 二 伽利略变换 相对性原理的数学表达式 是建立在经典时空观基础上的不同参照系之间的时空变换关系 伽利略航船现象 1632年 表述1 在任何一个惯性参照系中 不可能通过 任何力学实验判定这个参照系是处于静止或匀速直线运动状态 表述2 3 S与S 关系如下 伽利略坐标变换式 伽利略速度和加速度变换式 力学定律形式不变 4 1 同时性是绝对的 S中同时 S 中 2 时间间隔是绝对的 S中不同时 S 中 三 经典力学的时空观 5 3 两地之间的距离是绝对的 S系 S 系 经典时空观综述 绝对的真实的数学时间 就其本质而言 是永远均匀的流逝着 与任何外界事物无关 绝对的空间就其本质而言 是与任何外界事物无关 它从不运动 并且永远不变 绝对时间和绝对空间的概念加上伽利略相对性原理 便构成了经典的时空观 6 一 绝对参照系的探寻 必要性 牛顿运动定律只有相对于绝对参照系 绝对空间上建立的参照系 成立 这个参照系的存在是牛顿力学的基础 以太 电磁理论确定真空中光速是常数 与方向无关 依据伽利略变换 这个结论只能相对绝对参照系成立 即绝对静止以太物质是其体现 探寻方法 通过探测地球相对以太的运动 证明以太的存在 二 迈克尔逊 莫雷实验 迈克尔逊 莫雷1887年设计测量以太漂移实验 7 原理 如图 光路1沿地球公转方向 光程差 转动90o后 光程差 条纹移动量是 预计0 37个条纹 实验 0 01 迈克尔逊获得1907年的诺贝尔物理奖 没有运动 8 以太不存在 光的传播不需任何媒质 可在真空中传播 以太不能作绝对参照系 地球上各方向光速相同 与地球运动状态无关 1852 1931美国科学促进协会主席 美国科学院院长 9 一 狭义相对论的基本原理 物理定律在所有惯性系中都是相同的 或者说 所有惯性系都是等价的 不存在绝对参照系 1 狭义相对性原理 2 光速不变原理 在一切惯性系中 光在真空中沿各个方向传播速度都是C 跟光源与观察者相对速度无关 基点 经典力学对天体运动描述的准确性 电磁场的物质性与以太的否定 基点 电磁理论和迈克尔逊实验结果 10 二 洛仑兹变换 前提 满足光速不变原理和狭义相对性原理 当u c时 换原为伽利略变换 表示 取如下线性变换 计算整理得出洛仑兹变换式 11 其中 注意 当u C时 转换为伽利略变换 式中 12 一 同时的相对性 13 1o若 则 在S系中同一地点同时发生两件事 在S 系中也是同时发生 2o若 称为同时的相对性 则 例 爱因斯坦列车 列车 地面 A先 B后 同时收到 14 3o时序的相对性 保证相对论与因果律不矛盾 应满足运动速度小于光速 以子弹击中小鸟为例 S系 发射 击中 S 系 若要满足 式中 u是S 系速度 是子弹速度 则要满足 15 二 运动的时钟变慢 事件E1 C3 C1 事件E2 C3 C2 由洛仑兹变换 16 三 运动的杆缩短 静止长度 运动长度 由洛仑兹变换 17 一 质量与速度关系 mo 静止质量 m 运动质量 二 相对论动力学方程 相对论动量表示为 相对论动力学方程是 18 一 相对论的能量 由质速关系 两边求导得 1 2 联立得 设 物体沿x轴运动 合外力为F 19 1omoc2称为静止能量 表明质量与能量之间有着固定的 内在关系 2o注意到 物质存在和运动形式变化 不能说物质转化为能量 物体吸收或放出能量时 伴随质量增加或减少 3o注意到如下展开式 在时 E mc2是相对论总能量 20 二 能量与动量关系 比较能量与动量表达式 三 两个极端情况 这时相对论能量与动量表达式简化为 21 这时非相对论情况 动 静能之比有 22 例17 1 1s之后同时被P1和P2接收到 设S 相对S的运动速度为0 8c 求 P1和P2接收到讯号时在S 上的时刻和位置 解 P1 在S 上观察时 闪光从O点出发 在S上观察光讯号于 S系 P2 S 系 P1 P2 23 例17 2 相距1000m的两点 而在另一惯性系S 中 测得这两个事件发生的地点相距2000m 求 在S 系中测得这两个事件的时间间隔 解 由洛仑兹变换 惯性系S中 两事件同时发生在x轴上 24 25 地球 火箭发射后 火箭上钟 火箭向地面发射一导弹 其速度相对于地面u1 0 3c 求 火箭发射后多长时间 导弹到达地面 地球上的钟 假设地面不动 例17 3 解 按地球上的钟计算 导弹发射的时间是火箭发射后 火箭相对于地面以u 0 6c速度向上飞离 26 这段时间火箭在地面上飞行的距离 导弹飞到地球的时间 火箭发射后到导弹到达地面的时间 27 例17 4 方向平行 在车厢中测得杆长为1 0m 车厢以41 7ms 1的速度行驶 求在地面上测得的杆长 2 设想人类实现了恒星际航行 将火箭发射到临近恒星上去 火箭相对于日心 恒星坐标系的速度为u 0 8c 火箭中静止放置长度为1 0m的杆 杆与火箭航行方向平行 求在日心 恒星坐标系中测得的杆长 1 一长杆