大学物理相对论复习提纲PPT课件

.,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,.,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vc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ll0,.,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vc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=1.610-19J,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.,.,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=210-8s.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，在其它惯性系中必同时发生。,正确的说法是：(A