大学基础物理电子教案：B24狭义相对论

1、第24章 狭义相对论,第24章 狭义相对论,24.5 相对论动力学,24.4 相对论时空观,24.3 洛仑兹变换,24.2 实验基础和基本假设,24.1 牛顿力学的相对性原理,卷首页,习题课,24.6 电磁场的相对性,大学基础物理（3）电子教案,24.0 引言,24.0 引言,24.0.1 近代物理学,1.近代物理学的研究对象,1) 高速、低速微观物理现象,2) 高速宏观物理现象,3) 各种凝聚态物质，各个层次的内部结构和它们,相互作用、运动及转化的规律等,章首页,3.近代物理学的研究内容,内容及其丰富。本课程只对狭义相对论、光的量,简介,子性、原子的量子理论、固体的能带结构等内容作一,2.近

2、代物理学的理论支柱,1)相对论,2)量子力学,章首页,24.0 引言,1.能量传递和粒子运动的极限速度真空中的光速c,2.在uc内，牛顿力学完美无缺,1).人造地球卫星的环绕速度,2).声波在空气中的速度(室温,24.0.2 相对论引言,章首页,24.0 引言,3.在uc内，牛顿力学千疮百孔,1).电子的能量由10MeV 40MeV，其速度由0.9988c,4.相对论产生背景、研究对象和内容,2).10MeV的电子垂直于B=2.0T的磁场运动，所测电子,所预言的0.53cm,的轨道半径为1.8cm，而不是牛顿理论,所期望的20.9988c,0.9999c，而不是牛顿公式,章首页,24.0 引言

3、,24.1 牛顿力学的相对性原理,1.物理事件的描写方法,1)事件：指某种事物或一个现象。不依,2).描写方法:惯性参照系、坐标系,2.伽利略变换,24.1.1 伽利略变换,赖用来描写它的参照系,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,24.1.2 牛顿的绝对时空观,1.两个事件时间间隔的绝对性,设某人静止在K中生于P，死于Q，此人的寿命为,该人对于K系中的观察者来说是运动的,测量结果表明该人的寿命与该人的运动无关,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,2.两个事件空间间隔的绝对性,结论：发生两事件的时空间隔与测量者,3.速度变换式,的相对运动无关，按伽氏变换为绝对量,测量结果表明该杆的长度

4、与该杆的运动无关,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,例24.1：如图，在实验室K中，观察到,解：在e1上建立K系，则K 相,速度变换在高速情况下不成立,实验测得ux2=0.92c，表明伽氏,对于K的速度V=0.67c,反向射出，问由e1看来，e2的速度为多少,射性物质样品中以同样的速度0.67c,两个电子在静止于K 中 O处的放,章首页,链接返回,24.1 牛顿力学的相对性原理,24.1.3 牛顿的相对性原理,1.加速度公式,2.经典力学假定,3.经典力学变换式,结论：对质点受力的量度与测量者的相对运动无关,推论：对于所有的惯性系,力学定律的数学形式相同,的惯性系，牛顿第二定律的数学形式

5、相同,即牛顿第二定律在伽氏变换下是不变量，或对于所有,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,4.牛顿的相对性原理,不变量的表述,2).牛顿的相对性原理,1).牛顿时空观认为:空间存在一个绝对静止的参照系,5.牛顿时空观与牛顿相对性原理的对立性,2).牛顿相对性原理认为:用任何力学方法都找不到绝,1).相对性原理：说明哪些量是,不变量：在一个变换下保持不变的量,对静止的参照系,在伽氏变换下,力学定律是不变量,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,24.1.4 对电磁定律的变换,1.对光速的测量,2.正确理论的三种可能性,A:伽氏变换,力学定律；B:麦氏电磁理论；C:以太,1).A、B正确,从

6、而可断定C存在以太理论,2).A正确，C不存在，B错误发射理论,3).B正确，C不存在，A错误狭义相对论,章首页,24.1 牛顿力学的相对性原理,24.2 实验基础和基本假设,24.2.1 以太理论寻找以太的尝试,1.实验目的,寻找以太和测定地球,2.迈克尔逊莫雷实验装置,对以太的绝对运动速度,章首页,24.2 实验基础和基本假设,3.两条结论,a.以太不存在,b.在所有惯性系中，光速率不变,24.2.2 发射理论,1.三个典型的发射理论,原始光源理论、弹射理论、新光源理论,对双星的观察实验,2.所有发射理论直接违背两类实验,使用地球外部光源的迈莫实验,理论的共同点：假设光相对于发光的光源具有

7、速度c,3.结论,光的速率在所有惯性系中相同，跟光源与观察者的,相对运动无关,章首页,24.2 实验基础和基本假设,24.2.3 狭义相对论的基本假设,1.爱因斯坦相对性原理,2.光速不变原理,在所有惯性系内，自由空间中,光的速率具有相同的值c,物理学定律在所有惯性系中是相同,的，不存在一种特殊的惯性系,13个古老实验（点击,章首页,24.2 实验基础和基本假设,24.3 洛仑兹变换,24.3.1 推导的依据,求出满足两个基本假设时空坐标变换式的具体形式,24.3 洛仑兹变换,己知物理量：c, V,1,章首页,洛仑兹变换式,章首页,24.3 洛仑兹变换,24.3.2 推导步骤(略,24.3.3

8、 对变换式的讨论,1.逆变换式,2.vc的情形,3.Vc的情形 洛仑兹变换没有物理意义,章首页,24.3 洛仑兹变换,例24.2：假定一个粒子在oxy平面内以c/4的恒定速度相对,解,按洛仑兹变换,v=0.8c，试求K中所确定的粒子运动方程,于K运动(t=0时，粒子在o处)，它的轨道同x轴成600角。若,章首页,24.3 洛仑兹变换,24.4 相对论时空观,1.时空间隔变换式,24.4.1 时序的相对性和因果律,2.同时的相对性,例24.3：用“爱因斯坦”火车说明同时的相对性p134,作业（2） 习题:16,19,23,26 预习:24.5,章首页,24.4 相对论时空观,同时中弹， K(高速

9、摩托)相对,于K的速度为V=20m/s。求在K中的t,例24.4：在K(地面)中x=25m的两人,章首页,24.4 相对论时空观,4.时序的因果律,t与t反号的条件,1).关联事件(包括间接关联事件,为因果关系传输速度或信号速度时序不会颠倒,3.时序的相对性,章首页,24.4 相对论时空观,2).非关联事件,例24.5：若两事件在K中不同地点同时发生，试证明这,反证法：设x1为因，x2为果，信号速度为u，两事件,时空间隔为,两事件不能存在因果关系,章首页,24.4 相对论时空观,24.4.2 时间膨胀与长度收缩,1.时间膨胀效应(动钟变慢,结论：运动的钟变慢 （请点击动画,例24.6,章首页,

10、24.4 相对论时空观,3.本征参照系、本征时间t0、本征长度x0,2.长度收缩效应(动杆缩短,例24.7,章首页,24.4 相对论时空观,例24.8：已知宇宙射线在高空产生介子(平均寿命,1).按经典力学的时空观计算,介子在t0时间内所走的距离,度为V= 0.998c实际测得产生介子的,t0=210-6s),因此有大量的介子到达地面, 其速,高空与地面的距离y0=9500m, 计算,2).按相对论的时空观计算,章首页,24.4 相对论时空观,解,章首页,24.4 相对论时空观,24.4.3 速度变换法则,1.速度变换法则,2.当VC时，洛氏速度变换变为伽氏速度变换,3.例题请点击链接,章首页

11、,24.4 相对论时空观,24.5 相对论动力学,24.5.1 质速函数关系,1.为什么要修改质量和动量的概念,2.考察一个碰撞实验,设想在平行的直线轨道上，有A、B两,辆平板车相互接近，相对地面的速度均为,两车上的人各有一个相同的球a、b，两球静止在地面上,比较时，质量都是,当两人以相同的速率,动方向掷球。要求a、b被掷出后能在D点相碰并返回,若A、B,垂直于运,章首页,24.5 相对论动力学,2).A车上的人看到的碰撞(K系)(动画,3)B车上的人看到的碰撞(K系)(动画,1).静止在D点附近的人看到的碰撞（动画,以地面为参照系碰撞前后动量守恒,均为0,a,b,章首页,24.5 相对论动力

12、学,洛氏变换,3.碰撞前后动量关系的讨论,以A车为参照系y方向,章首页,24.5 相对论动力学,伽氏变换,承认洛氏变换法则和动量守恒,必须修改经典的,质量和动量概念,5.相对论动量,章首页,24.5 相对论动力学,4.质速函数关系,24.5.2 质能当量关系,1.相对论力学基本方程,2.动能定理,章首页,24.5 相对论动力学,又可写为,3.质能当量关系,此式显示了物质与运动的 不可分割性,章首页,24.5 相对论动力学,例24.9：已知,解,相当于2.0106吨汽油释放出的能量,求其储存的能量,4.理解要点,物质与运动的不可分割性,静能可视为物质的内能,只有当物体同外界没有相互作用而处于封闭系统时,物体的静能才是不变的常数,章首页,24.5 相对论动力学,例24.10：氢元素的原子核发