狭义相对论解析

1、,大学物理,主讲：迟卓君,教材：物理学教程（第二版）下册,狭义相对论,QiqiharUniversity,2,引言,1、历史背景,3,经典物理的理论遇到了困难和挑战！,2、相对论：关于空间、时间和物质运动之间相互联系的现代物理理论。,导致了相对论和量子力学的诞生,相对论是二十世纪初物理学的伟大成就之一，它是在无法用经典理论解释高速物体运动规律的情况下诞生的，它的诞生源于人们对电磁学理论的研究。,4,教学要求：掌握狭义相对论两个基本假设，了解洛论兹变换；理解同时性的相对性、长度收缩和时间延缓；掌握质速关系、质能关系（共4学时）,第十五章狭义相对论,5,一伽利略变换式,经典力学认为：1）空间的量度

2、是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关.,6,对于所有的惯性系,牛顿力学的规律都具有相同的形式.,牛顿力学相对性原理。,7,绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.,二经典力学的绝对时空观,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.,实践已证明,绝对时空观是不正确的.,8,想一想：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？,真空中的光速,对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略速度变换吗？,三光速依赖于惯性参考系的选取吗,9,结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,试计算球被投出前后的瞬间，球所发

3、出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换),10,人们为维护“以太”观念作了种种努力，提出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验事实相矛盾，最后均以失败告终.,实验结果否定了“以太”的存在；肯定了光速不变.,11,真空中光速与参考系无关（即与光源的运动和观察者的运动无关），不服从伽利略变换。,电磁学理论与伽利略速度变换出现了不可调和的矛盾。修改电磁理论？放弃绝对时空观？,1983年国际规定：真空中的光速为物理常数,12,爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.理论特色：出于简单而归于深奥.,AlbertEinstein(18791955)20世纪最伟大的物理学家,于1

4、905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献.,13,1905年爱因斯坦论动体的电动力学给出相对论的物理基础。爱因斯坦的预言，其它人甚至都没想象过。,14,一狭义相对论的基本原理,1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式.,2）光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性参考系都是等价的.,伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符.,15,说明同时具有相对性，时间的量度

5、是相对的.,和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的.,16,二洛伦兹变换式,设：时，重合;事件P的时空坐标如图所示.,17,逆变换,光速在任何惯性系中均为同一常量，利用它将时间测量与长度测量联系起来.,18,意义：物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变.光速是一切实物的极限速度。,19,*三洛伦兹速度变换,光速不变,20,一同时的相对性,事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.,在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的.,21,

6、不同时发生,在S系：,若在一个惯性系中同时发生这两个事件，则在另一惯性系中观测，不一定同时发生。同时性的相对性。想一想：沿垂直于相对运动方向？总结一下结论？,先发生,后发生,？,（车）,（地）,结论：沿两个惯性系运动方向，同时、不同地点发生的两个事件，在另一惯性系中观察则不同时发生；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才是同时发生的.,22,二长度的收缩,标尺相对系静止,在S系中测量：,测量要求,在系中测量：,固有长度,运动长度,23,长度收缩:运动物体在运动方向上长度收缩.,长度收缩是一种相对效应,此结果反之亦然.,当时，.,相对观察者运动的长度变短；相对观察者静止的长

7、度最长。,伽利略变换,火车钻洞假象实验。P90:15-54,思考：在哪里测长最长，哪里测长会变短？,24,作业:1514,16；22；思考:15-14；7,12；15；,15-11（14、24）；27；58,25,运动的钟走得慢,三时间的延缓（timedilation）,26,在相对观察者运动的惯性系中观测的这两个事件的时间间隔为测时，或运动时间，用t代表。,在相对观察者静止的惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔称为原时，或同地时或固有时间，用t代表。,由洛仑兹变换：,原时,测时,测时比原时长,(时间延缓效应),27,狭义相对论的时空观1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的时空关系是

8、相对的.即时间与空间的测量是相对的。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.,2）时，.,1）时间延缓是一种相对效应.,在一个惯性系中观测，另一个做匀速直线运动的惯性系中同地发生的两个事件的时间间隔变长。这称为时间延缓效应。,28,时间延缓效应表明：在一个惯性系中观测，运动惯性系中的任何过程（包括物理、化学和生命过程）的节奏变慢。,【例】飞船以（32400km/h）的速率相对地面飞行。飞船上的钟走了5秒，问用地面上的钟测量经过了几秒？,原时,测时=?,定义事件,低速情况，时间延缓效应很难发现！,29,说明：,1、时间延缓效应的实验验证,子在高空大气顶

9、层形成，静止平均寿命为2.15106s，速率为0.995c.,若无时间膨胀效应，只能走640m就消失了，地面观测不到。,子的寿命实验（1941）,2、因果关系不变,15-6；15；37,30,【阅读】孪生子佯谬和孪生子效应,1961年，美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出，寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为50次，而分裂的周期大约是2.4年，照此计算，人的寿命应为120岁。因此，用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。,设想有一对孪生兄弟，哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。在各自的参考系中，哥哥和弟弟的细胞分裂周期都是2.4年。但由于时间延缓效应，在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比2.4年长，他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长，弟弟也比自己年轻。,假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁年轻就成了难以回答的问题。,31,问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬（twinparadox）。,如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就