资源描述：
第18章狭义相对论,specialrelativity,,爱因斯坦1879.3.14-1955.4.18现代时空的创始人,1905年提出了狭义相对论，建立了高速运动力学；1916年创建了广义相对论，论述了弯曲时空和引力理论。1922年获诺贝尔物理奖。后半生致力于统一场论的研究。,,本课主要内容1什么是经典力学的时空观2什么是相对论时空观3两者的区别何在,一伽利略的相对性原理和时空变换式经典力学相对性原理1、凡对惯性系作匀速直线运动的所有参照系均为惯性系。2、力学定律在所有惯性系中有相同的形式。一切惯性系等价。3、不能确定惯性系本身的运动,问题,车的a0时单摆和小球的状态符合牛顿定律,结论在有些参照系中牛顿定律成立，这些系称为惯性系。相对惯性系作加速运动的参照系是非惯性系。而相对惯性系作匀速直线运动的参照系也是惯性系。,a≠0时单摆和小球的状态为什麽不符合牛顿定律,惯性参考系,,惯性参照系（是关于参照系的一种理想模型）1惯性参照系牛顿定律严格成立的参照系。根据天文观察，以太阳系作为参照系研究行星运动时发现行星运动遵守牛顿定律，所以太阳系是一个惯性系。,地球有公转和自转，所以地球只能看作一个近似的惯性参照系。2爱因斯坦认为所有参照系在描述自然规律中是同样有效的。在惯性系内表述力学规律最简单。通常在研究物体运动时，仍将保留惯性系的特殊地位。,惯性参照系惯性定律在其中成立的参照系.,伽利略时空变换式,两个惯性系间的伽利略变换,相对已知惯性系做匀速直线运动的参照系仍为惯性系,惯性系Sx,y,z;t,惯性系S′x′,y′,z′;t′,惯性系S′相对S沿X方向以匀速u运动.,tt′0时,两坐标原点重合,1伽利略坐标变换,2速度变换与加速度变换,正,逆,,两个都是惯性系,是恒量,,,,,伽利略时空变换式，以数学的形式表述了经典力学的时空观。,1空间两点间的距离是一个不变量，与参照系的选择和观察者的运动无关，空间是永恒不变和绝对静止的。,由伽利略坐标变换,所以,这表明,在经典力学中认为时间间隔的测量与运动无关,是一个不变量。（3）经典力学认为空间和时间是相互独立的、互不相关的，并且独立于运动之外。,2时间间隔是绝对的,与运动无关。,,时间与物质的运动无关，而永恒地、均匀地流逝着。,如果把随参照系而变的物理量看成是“相对”的,那么经典力学中,时间、长度、质量、力等“同时性”和力学定律的形式,物体的坐标和速度“同一地点”,是相对的,是绝对的,把不随参照系而变的物理量看成是“绝对”的，,,总结经典力学绝对时空观用牛顿的话来说“绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变，绝对静止”。“绝对的真实的时间，就其本质而言，是绝对地永恒地均匀地流逝着，与任何外界事物无关。不同的惯性系可以用同一的时间来讨论。,2、电磁场方程组不服从伽利略变换3、真空中的光速,经典力学的困难,1、迈克耳逊-莫雷实验“0结果”,与参考系无关,最终导致了一场伟大的物理学革命,当历史的车轮转到19世纪末期，绝对时空观和经典理论遇到了无法克服的困难和挑战.,4、高速运动的粒子,1905年物理学发展史翻开了他崭新的一页。在莱比锡的物理学杂志上,第一篇讨论分子布朗运动的文章，爱因斯坦用统计的方法论证了悬浮颗粒的运动速度及粘滞系数等数量关系。第二篇发展谱朗克量子概念，提出光量子假设，成功的解释了光电效应现象。第三篇论动体的电动力学关于相对论的第一篇文第四篇“EmC2”涉及到了千百万人的命运和世界的未来。,1914年1918年完成论文30余篇把20世纪物理学研究推向了顶峰。,不仅完成了广义相对论的研究工作，还总结了量子论的发展，提出了受激辐射的概念，奠定了现代激光技术的理论基础。1919年英国天文学家爱丁顿勋发现了光线在太阳引力场中发生弯曲，证实了爱因斯坦1911年的预言。以后陆续证明了水星轨道近日点的进动，和星光谱线的引力红移。第二次世界大战，爱因斯坦投入了反法西斯和反核战争的斗争中，为维护世界和平作出了努力。,狭义相对论的两条基本原理,1）一切物理规律在任何惯性系中形式相同，既所有惯性系对一切物理定律等价。无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态。--相对性原理2）光在真空中的传播速度与参考系无关，与发射体的运动状态无关，与观测者的运动无关，是一个常数。光速不变原理,二、狭义相对论基本原理洛仑兹变换式,光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对,观念上的变革,牛顿力学,与参考系无关,狭义相对论力学,长度时间质量与参考系有关,,相对性,,一系列违反“常识”的结论就此产生了,Einsteintrain,地面参考系,在火车上,分别放置信号接收器,发一光信号,中点,放置光信号发生器,,,（1）同时性的相对性,研究的问题两事件发生的时间间隔,发一光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,发出的闪光,,光速为,同时接收到光信号,事件1、事件2不同时发生,事件1先发生，事件2后发生。,处闪光,光速也为,系中的观察者又如何看呢,同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。,迎着光,比早接收到光,S’系的观测者测得光信号往返一次的时间,S系的观测者测得光信号往返一次的时间,2时间间隔的相对性,.洛仑兹变换式,重合,两个参考系中相应的坐标值之间的关系,,,,,S,S’,XX’,O,,u,,,p,x,,x’,,ut,,,一事件发生在P点,,坐标变换式,令,则,正变换,逆变换,,1.在洛伦兹变换中时间和空间,它们不再是相互独立的。,,3、,,,由洛仑兹变换看同时性的相对性,事件1,事件2,两事件同时发生,,,,,,,,,,,花开事件,花谢事件,,处发生两个事件,,系,在S系中观察者测量花的寿命是多少,一个物理过程用相对于它静止的惯性系上的标准时钟测量到的时间，称为固有时间（原时）。用表示。,一个物理过程用相对于它运动的惯性系上的标准时钟测量到的时间，称为观察时间（两地时）。用表示。,考察,两事件发生在同一地点,两地时,原时,由洛仑兹逆变换,,原时最短，时间延缓效应,考查S系两事件发生在不同地点,,,,,,,,,,对发生事件的地点做相对运动的惯性系S中度量的时间，比相对它静止的惯性系S’中度量的时间要长。,你太慢了,,你太慢了,实验于1971年完成，铯原子钟放在飞机上沿赤道向东和飞一周，比地面钟慢59纳秒。,,,,,,,,,,同样哥哥认为弟弟的时钟变慢了。－－（孪生子佯谬）,,你太慢了,解决该问题，超出了狭义相对论范围，要到广义相对论中去讨论。因为其中一个参照系已经不是惯性参照系了。,③几点结论,2两地时总是大于原时;,1对于所有的参照系,原时最短;,3S系静系中的观测者认为S’系动系的钟走慢了-----时间延缓或动钟变慢效应;,4时间延缓或动钟变慢效应是相对的.,5时间延缓或动钟变慢效应是光速不变原理的直接结果;,6当uc时,,相对论效应可以忽略.,二.长度收缩lengthcontraction,对运动长度的测量问题怎么测同时测,,1.原长,棒相对观察者静止时测得的它的长度（也称静长或固有长度）。,,静长,棒以极高的速度相对S系运动S系测得棒的长度值是什么呢,事件1测棒的左端事件2测棒的右端,原长最长，长度收缩效应,,由洛仑兹变换,,物体的长度沿运动方向收缩,1）原长最长，动尺变短；,2）长度收缩只发生在物体的运动方向；,5）长度收缩与时间延缓是等效的；都是光速不变的直接结果。,3）当uc时,,相对论效应可以忽略.,4）长度收缩效应是相对的；,例1,边长为a的正方形薄板静止于惯性系K的XOY平面内,且两边分别与X,Y轴平行,今有惯性系K以0.8cc为真空中光速的速度相对于K系沿X轴作匀速直线运动,则从K’系测的薄板的面积为,,分析,从K’系测的薄板的y方向边长不变,x方向边长缩短为,（B）,横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中,横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中,例2,分析,设该尺的静长为L,在K’系中Lx’Ly’,由于K’沿X轴运动,在K系的观察者看到,LyLy’,LxLx’,（A）,例3,两个惯性系S和S,沿X轴方向作相对运动,相对速度为u设在S’系中某点先后发生的两个事件,用固定与该系的钟测出两事件的时间间隔为0，而用固定在S系的钟测出这两个事件的时间间隔为.由在S系X’轴上放一固有长度为lo的细杆,从S系测的此杆的长度为l则,时间膨胀效应,长度收缩效应,（D）,例题4在万米高空有宇宙射线产生的介子，其速度高达0.998c。在实验室产生的介子的静止寿命是2.210-6s。试用相对论说明为什么产生于万米高空的介子可以来到地面附近。,解按照经典物理的观点,在万米高空的介子即使以光速运动,也无法在其衰变前到达地面.,但是,按照爱因斯坦狭义相对论观点,在万米高空的介子却可以在其衰变前到达地面.,首先从时间延缓的角度来考虑.地面参照系的观察者测得介子的寿命为,也可以从长度收缩的角度解释.介子参照系的观察者测得地面参照系中万米的长度为,而地面则以0.998c的速度向介子飞来.到达介子处需时为,这段时间内介子走过的路程为,例5,一列火车长0.30km火车上观察者测得,以100km.h-1的速度行驶,地面上观察者发现有两个闪电同时击中火车前后两端.问火车上的观察者测的两闪电击中火车前后两端的时间间隔为多少,,,X’,X,Y’,Y,O,O’,V,地,,分析,1把两闪电击中火车前后端视为两个事件,2地面观察者看到两闪电同时击中火车前后端,两个事件在S系中的时间间隔tt2-t10.,3两事件在S系中的空间间隔xx2-x10.30km原长）,4S系相对S的速度v为火车的速度.,负号说明火车上的观察者测得闪电先击中车头x2处.,,,为什么不用公式,因为,注意因果关系不能变。,例6,分析,由洛伦兹时空变换式,解,S‘系A事件先发生。,相对论速度变换,由洛仑兹变换知,,洛仑兹速度变换式,,逆变换,解决狭义相对论问题的基本步骤,1。确定被研究的物体或物理事件；,2。确定两个惯性系S与S‘；,3。确定被研究事物在两个惯性系S与S‘中的时空坐标和速度，搞清楚已知和未知；,4。利用洛仑兹变换建立S与S‘中时空坐标和速度之间的相互关系，求得未知量。,特别注意在使用时间延缓与长度收缩公式时，必须搞清楚原时和静长。,例7在地面一运动员以10m/s的平均速度沿东向西的跑道跑完百米。问在相对地面以0.8c的速度向西飞行的火箭上观测1。跑道多长2。运动员跑了多长的距离3.用了多长的时间4速度如何,1。由长度收缩可知，飞船测得地面上跑道的长度为,2。设在飞船上观测，运动员起跑在x1’处，撞线在x2’处。则由洛仑兹时空间隔的变换有,在飞船上观测，运动员跑过的距离并不是跑道的长度，并且，此距离远远大于跑道的长度，为什么,负号什么意思,3在飞船上观测，运动员起跑在t1’时，撞线在t2’时处。则由洛仑兹时空间隔的变换有,4在飞船上观测,运动员的速度,或者利用洛仑兹速度变换,例8设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体相对飞船速度为0.90c。问从地面上观测，物体速度多大,解,,,没有超光速,请讨论爱因斯坦的思维法则1、时空、物质和运动的统一性原则（过去认为物质消失了，就剩下空间和时间了，爱因斯坦却认为，物质消失了，空间和时间都随着消失了。。2、自然规律不依赖于观察者的立场，是一种永恒和绝对的实在，在前进的道路上一切系统的表述都是相对的。（哥白尼的伟大就在于将坐标系从地球搬到了太阳上）3、两面神思维原则4、科学理论的简单性与大自然的和谐性原则5、公理化方法的思维原则6、追求真善美的和谐统一原则,作业18-118-4练习册p16p17p18p19全部,再见,
展开阅读全文
