相对论jsp教学讲解课件

第十四章狭义相对论11879年3月，出生在德国的一个犹太家庭。父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋。1896年，第二次参加高考进入苏黎士工业大学。童年时的爱因斯坦一.爱因斯坦(1879-1955)简介21905年，狭义相对论光电效应布朗运动1916年，建立广义相对论。1933年，受德国纳粹迫害，移居美国，任普林斯顿研究所研究员。1955年4月18日去世。1921年，获诺贝尔物理奖。1902年，任瑞士伯尔尼联邦专利局的检验员。三篇文章31.对经典理论的大胆怀疑马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。——爱因斯坦二.爱因斯坦的研究特色42.博闻苦思，好学进取“如果我以速度c追随一条光线运动”，我应当看到什么现象呢？16岁时,爱因斯坦就思考：年轻时的爱因斯坦5

认为科学应当对称和谐,科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。晚年致力于大统一理论研究。3.追求科学理论的和谐与自然：61.普遍读不懂，不理解在法国，1910年几乎没有人提到爱因斯坦。J·J·汤姆逊1909年：“以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉1911年：“我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。”三.狭义相对论被承认的曲折经历72.普朗克：“如果相对论是正确的，爱因斯坦就是20世纪的哥白尼。”

作为《物理学年鉴》的主编发表了爱因斯坦的文章。81916年,爱因斯坦又完成了广义相对论，提出了三大天文效应。其中之一，引力场将使星光弯曲。太阳星3.实验验证91919年，英国人爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食,观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界!爱丁顿像爱因斯坦成为公众瞩目的人。101.使牛顿理论二百多年来第一次得到修正，牛顿力学成为相对论的特例。2.对质量、能量、时间、空间、速度等物理量有了一个全新的认识。3.E=mc2为核能的开发利用奠定了理论基础。四.相对论的意义11

“今天早上八点钟我在家里开始看书”什么是时间？什么是空间?

问题：应该从何角度去研究时间和空间？物理量：时间、空间位置（坐标）问题1：

牛顿与爱因斯坦时空观12

对时间和空间来说，重要的问题并不在于它们的“纯粹”定义，而是它们之间的关系，以及它们与物质运动的种种联系。

13

“早上八点”：以你的手表或家里的钟作为标准的。更正确地说，是采用北京时间。

如果有另外一个人，他说：“我今天也是从早上八点钟开始看书的”

结论：两个人同时在北京时间八点开始看书。14

对一个正在高速飞行（)的观察者来说，当他用他的钟来计时，发现这两个人并不是“同时”开始看书的。

这个“违背”习惯的结论就是爱因斯坦相对论时空观与牛顿经典力学时空观的一个重要区别。相对论的结论：“同时”具有相对性！

.a.15

牛顿的时空观：

空间延伸和时间流逝都是绝对的。空间、时间是相互独立的相对论时空观:

时间和空间是密不可分的。四维时空。问题I：我们到底生活在三维空间还是四维空间？问题II：生活在二维空间的生物是什么样子？问题III：如何去想象四维空间的事情？

16二维鱼二维狗结论：生命不能承受“低维”之简17三维空间万有引力定律：n维空间万有引力定律：类比在四维空间或高维空间里不存在稳定的原子结构。结论生命不能承受“高维”之变在四维空间或高维空间里不存在稳定的太阳系，不存在产生生命的环境。结论18

（1）在一个没有风的雨天，观测者K站在地面上没有走动。观测者K′在快步前进。他们看到雨点的运动轨迹一样吗？问题2：

经典速度合成规律是否具有普适性？

（2）标枪运动员在投掷时为何要作助跑动作？

19

（3）小船渡河问题：20问题：李四看到张三即将投球的时刻要比张三本身即将投球的时刻在时间上有什么差别？张三李四张三李四问题：经典速度合成公式是否也适合于光的传播？球在张三手中静止时，设球发出的光速是c。晚了:21

问题：李四看到球刚刚从张三手中投出的时刻要比张三作这个动作的时刻有何差别？

若光的运动满足经典速度合成律，会有何结果？张三张三李四李四晚了Δt′=d/(c+u)

李四会看到何现象？比较：晚了t=d/c。22

李四将先看到球飞出，后看到张三的投球动作!

这就是把经典的速度合成公式应用到光传播问题上得到的一个混乱结果。为什么我们没有真正感觉到混乱的结果？23

在天体的大尺度上，光速不能被认为是无限大的，所以光传播中的矛盾就不可能避免。

值得思考的问题：从严格意义上讲，如何才能不出现这种混乱结果？24

若光线服从经典的速度合成公式，那么，A点向我们发出的光的速度是c+u，而B点向我们发来的光的速度仍是c。公元1054年5月一次超新星爆发，这次爆发的残骸形成了金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元1054年-1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见。25

也就是说，我们至少在25年里都可以看到开始爆发时所产生的强光。然而，这不符合事实。蟹状星云与地球的距离L大约是5千光年，爆发速度是每秒1500公里左右。用这些数据来计算，很容易得到t′-t≈25年。由A点发的光到达地球的时间：t=L/（c+u），由B点发的光到达地球的时间：t′=L/c。26投球游戏与本例的结论似乎应该是什么？

无论光源速度多大，发出光的速度都是一样的。光速并不遵从经典的速度合成律。

狭义相对论中基本假定：光速不变原理27问题III：怎样才算是严格意义上的同时对表？例如，整点对表问题。两个事件的同时性：两件事件的空间位置可以不同，但发生的时间是一样的。问题I：严格讲上述说法准确吗？

问题II：是否给我们日常生活带来了不便？

问题3两个事件的同时性2829AB狭义相对论：“同时”是相对的，有时候甚至事情的先后也是相对的。

一节长10米列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c速度通过站台时,站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。车上的乘客作证：B先开枪，过了10毫微秒，A才动手，

枪战是由B挑起的。站台上的人作证：枪战是由A挑起的。30AB到底是谁先动手的呢？没有绝对的答案！谁先谁后是相对的。在列车参考系中，B先A后，在车站参考系中则是A先B后。

31年轻小伙名杰克神行有术赛光子有朝一日学相对今朝出门昨夜归。问题：若事件的先后次序是相对的，是否会出现因果关系颠倒现象？（1）一个人的死亡早于他的诞生?（2）一列火车的到达早于它的出发？光速不变性保证了因果关系的成立！

32问题4运动的时钟变慢

运动的钟变慢！μ子：从产生到衰变，约百万分之二秒。即使μ子以光速运动也只能走过600米的距离。

宇宙线观测证明，高空中产生的μ子能达到地面，它们走的距离远远大于600米，为什么？

地球上的观察者与在粒子上“观察者”观测到的时间间隔不同！

33双生子佯谬真的会发生吗？Paradox：悖论，佯谬34

双生子佯谬实验

μ子从一点出发沿圆形轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。

实验结果：旅行后的μ子的确比未经旅行的同类年轻了（从它的衰变角度研究）。结论：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。

1966年用两个μ子作了“双生子”旅游实验，一劳永逸地结束了纯理论的争论。

35a..慢慢..时钟变慢是相对的若两个参考系均是惯性系，永远解决不了上述问题。

36问题5运动的尺子在运动方向变短

狭义相对论：一切物体都要在其运动方向上收缩。

以每秒11公里速度飞行的火箭，在运动方向只收缩十亿分之二左右。

一把1米长的尺当速度达到光速的一半时，收缩百分之十五！37伽莫夫：《物理世界奇遇记》，主人公：汤普金斯先生

尺缩和钟慢一样也是对称的。如果甲、乙之间有相对运动，甲看乙的尺缩短了，乙看甲的尺缩短了。尺长是相对的！38杰克小伙剑术精,出剑迅速似流星。由于空间相对论,长剑变成小铁钉。有一首无名作家写的打油诗,描写了这种高速运动物体的相对论性收缩效应:

39

由于照片是同时拍摄的，所以比较两张照片上空间坐标的差，就可以得到运动尺子的长度。

在给定时刻由两个人同时进行拍照，一个拍摄运动尺子的前端，一个拍摄其后端。

当尺子相对参考系运动，如何测尺的长度？若尺子相对某个参考系是静止的，尺子两端空间坐标的差就是尺子的长度。

问题6：如何测量尺子的长度？40问题：该结果与尺子相对某个参考系静止时的长度相等吗？

同时进行拍照！“同时”是相对的，是与参考系的选择有关的。

对不同参考系，要按各自的“同时”进行拍照，由此导致了不同的测量结果。

41概念经典力学狭义相对论光速相对的绝对的同时绝对的相对的不可能有物理联系的两事件的次序绝对的相对的可能有物理联系的两事件的次序绝对的绝对的42

狭义相对论的几个结论：

（1）运动的时钟变慢（2）运动的尺子变短（3）运动的物体质量变大（4）质能关系43牛顿错了？相对论牛顿力学牛顿力学相对论推广演绎法传承性释疑性理论预言44

“科学理论的发展，不是拆了旧房盖新房。它象登山一样。创立一个新的理论就象登上一座高峰。视野扩大了，原来隐藏着的东西被发现了。原来的理论仍然历历在目，只是显得小了，成了广阔视界中的一小部分。”

45

苏轼《题西林壁》

横看成岭侧成峰，远近高低各不同。

不是庐山真面目，只缘身在此山中。

杜甫：《望岳》

岱宗夫如何？齐鲁青未了。

造化钟神秀，阴阳割昏晓。

荡胸生层云，决眦入归鸟。

会当凌绝顶，一览众山小。

46（１）为何会出现这些难以理解的结果？（２）理论上的突破点在哪里？

（３）如何学习相对论？四维时空的结果四维时空的洛仑兹变换要努力说服自己承认和接受相对论的结果，不要用通常的思维去理解四维空间结果。47牛顿时空观讲解思路伽利略相对性原理伽利略速度变换伽利略加速度变换伽利略坐标变换长度的绝对性时间间隔绝对性48一、伽利略变换当时与重合坐标变换公式*速度变换公式加速度变换公式49*加速度变换公式在不同的惯性系中牛顿方程具有相同的形式。伽利略相对性原理50时间间隔不变、长度不变二、时间间隔绝对性、长度的绝对性512.长度测量的绝对性小结：牛顿的绝对时空观3.时间间隔测量的绝对性4.“同时”的绝对性5.伽利略相对性原理

1.绝对时空观的数学描述—伽利略变换52相对论理论讲解思路洛仑兹速度变换时间的延缓长度的收缩同时的相对性洛仑兹坐标变换相对论的两个基本原理相对论产生的历史背景相对论力学53一、相对论产生的历史背景

相对论的产生与麦克斯韦电磁场理论有关。

当运用该理论处理与运动物体相关的电磁现象时遇到了尖锐的矛盾：（1）电磁规律似乎满足相对性原理。NSNS（2）电磁规律不满足伽利略相对性原理。显然（1）与（2）是矛盾的！54（3）按照电磁理论，光速c是常量—与伽利略速度变换矛盾。

按牛顿力学，对两个不同的惯性系,光速应该满足伽利略变换真空中的光速与参考系无关光速与发光物体速度有关55

难道电磁场理论不具有普遍性，而只对一个特定的绝对静止的参考系成立吗？这个特定的静止的绝对参考系：以太系问题：为何在电磁理论中光速不变呢？以太系是否真的存在？56寻找以太参考系的实验

以太系不存在！结论迈克耳孙—莫雷实验菲佐实验光程差现象双星实验57(1)电磁场理论不满足伽利略变换。（2）不存在以太系，无法解释光速不变。摆在当时物理学家面前的困惑：科学史上解决问题的正确方法（a）在原有理论的基础上,提出合理的假设,修正旧的理论。（b）提出新概念，建立新理论。58爱因斯坦是如何突破的呢？电磁场理论光速为何与参考系无关呢？坚信相对性原理应该具有普适性假定光速是常数！什么变换？伽利略变换牛顿力学59

二、狭义相对论两个基本原理在所有的惯性系中物理定律的形式都是相同的。真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。1.相对性原理：2.光速不变原理60费米太空望远镜61据大众科学最近报道，NASA的费米伽马射线太空望远镜观测到了上千个独立的伽马射线来源。绘制出一张迄今为止最完美的宇宙尽头的天空图，短期的伽马射线爆发证实了爱因斯坦的一个理论，也就是无线电波，红外线，可见光，X射线和伽马射线在太空中均以相同的速度传播。62真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。2.光速不变原理问题：用何变换可以保证电磁理论的不变性呢？63三、洛仑兹变换某一事件P在两惯性系中的时空坐标的关系为：正变换逆变换*64

但由于受到根深蒂固的绝对时空观的影响，面对已发现的相对时空表示式，他没有从中找到正确的物理含义。

1904年洛仑兹就给出了该变换，已经走到了相对论的边缘。他说t是真正时间，t’是辅助量，仅为数学方便而引入的。在他逝世前一年（1927年）他还肯定地说，对于他只有一个真正时间t。1902年获诺贝尔物理学奖

65由洛仑兹变换：66由洛仑兹坐标变换可推出洛仑兹速度变换(了解）：正变换逆变换671.在S’系中不同地点同时发生的两事件，由结论：在S系中这两个事件不是同时发生的。四、“同时”的相对性(早上八点同时看书例子）68在S系此结果反之亦然.注意2.在S’系中同时同地发生的两事件结论（1）在一个惯性系中不同地点、同时发生的事件，在其它惯性系中观察一定不同时。

（2）在一个惯性系中同一地点、

同一时刻发生的两个事件，在其它惯性系中观察也是同时的.69在S中：先开枪，后鸟死是否能发生先鸟死，后开枪？有因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的。开枪鸟死时序:两个事件发生的时间顺序。子弹v在S’中：70例.（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，在其它惯性系中它们不同时发生。（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，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)(1).(3)(B)(1).(2).(3)(C)(3)(D)(2).(3)[C]71五、长度收缩假设尺子和S’系以v向右运动，

S系中尺子的长度=？由S’系中尺子长度为：问题：在S系长度是,S’系长度是多少？72（3）长度的收缩只出现在运动方向。（4）长度收缩具有对称性。（2