狹義相對(duì)論-1ppt課件

1、愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦: Einstein現(xiàn)代時(shí)空的創(chuàng)始人現(xiàn)代時(shí)空的創(chuàng)始人二十世紀(jì)的哥白尼二十世紀(jì)的哥白尼第十五章第十五章 狹義相對(duì)論基礎(chǔ)狹義相對(duì)論基礎(chǔ) (Special Relativity) 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 牛頓的時(shí)空觀牛頓的時(shí)空觀 愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀 愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論 牛頓的相對(duì)性原理牛頓的相對(duì)性原理伽利略變換伽利略變換相對(duì)性原理、光速不變?cè)硐鄬?duì)性原理、光速不變?cè)砀锩缘母锩缘穆鍋銎澴儞Q洛侖茲變換運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)時(shí)間膨脹時(shí)間膨脹長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮本章：將對(duì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空有一嶄新的認(rèn)識(shí)本章：將對(duì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空有一嶄新的認(rèn)識(shí)l 經(jīng)典力學(xué)：宏觀經(jīng)典力學(xué)：宏

2、觀 ，低速，低速( v c)狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論 (Special Relativity) 研討：慣性系中的物理規(guī)律；研討：慣性系中的物理規(guī)律； 慣性系間物理規(guī)律的變換。慣性系間物理規(guī)律的變換。 提示：時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。提示：時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論(General Relativity) 研討：非慣性系中的物理規(guī)律及其變換。研討：非慣性系中的物理規(guī)律及其變換。 提示：時(shí)間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系。提示：時(shí)間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系。l 相對(duì)論：高速牛牛 頓頓 力力 學(xué)學(xué)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論麥克斯韋電磁場(chǎng)理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論兩朵小烏云兩朵小烏云l

3、邁克耳遜 莫雷“以太漂移實(shí)驗(yàn)l 黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)l 近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的簡(jiǎn)單否定。近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的簡(jiǎn)單否定。l 近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論。近代物理不是對(duì)經(jīng)典理論的補(bǔ)充，而是全新的理論。狹 義 相 對(duì) 論狹 義 相 對(duì) 論量 子 力 學(xué)量 子 力 學(xué)近代物理學(xué)的兩大支近代物理學(xué)的兩大支柱，逐步建立了新的柱，逐步建立了新的物理理論物理理論19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理學(xué)的三大理論體系使經(jīng)典物理學(xué)已趨于成熟絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)空間絕對(duì)空間15-1 經(jīng)典牛頓力學(xué)的時(shí)空觀經(jīng)典牛頓力學(xué)的時(shí)空觀 伽利略變換伽利略變換一一. 絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)空觀空間空間 獨(dú)立存在、永恒

4、不變、絕對(duì)靜止不變的獨(dú)立存在、永恒不變、絕對(duì)靜止不變的 “容容器器” 時(shí)間時(shí)間 絕對(duì)的、真正的、數(shù)學(xué)的絕對(duì)的、真正的、數(shù)學(xué)的 “流水流水” 自身在永恒地、均勻地流逝自身在永恒地、均勻地流逝l 空間和時(shí)間可以脫離物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)而獨(dú)立存在，時(shí)間空間和時(shí)間可以脫離物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)而獨(dú)立存在，時(shí)間 和空間沒(méi)有任何聯(lián)系，與參照系無(wú)關(guān)和空間沒(méi)有任何聯(lián)系，與參照系無(wú)關(guān) 絕對(duì)的、數(shù)學(xué)的、與物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)絕對(duì)的、數(shù)學(xué)的、與物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān) ( (參照系）參照系）在所有慣性系中，物體運(yùn)動(dòng)所遵循的力學(xué)規(guī)律是相同的，在所有慣性系中，物體運(yùn)動(dòng)所遵循的力學(xué)規(guī)律是相同的，具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。即：

5、一切力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中有相同的形式即：一切力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中有相同的形式 。 二二. 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理力學(xué)基本規(guī)律力學(xué)基本規(guī)律 牛頓定律牛頓定律 有關(guān)定理：動(dòng)量定理；角動(dòng)量定理；動(dòng)能定理、功能原理有關(guān)定理：動(dòng)量定理；角動(dòng)量定理；動(dòng)能定理、功能原理 守恒定律：動(dòng)量守恒；角動(dòng)量守恒；機(jī)械能守恒守恒定律：動(dòng)量守恒；角動(dòng)量守恒；機(jī)械能守恒 它們只在慣性系中成立；在任何慣性系中形式相同。它們只在慣性系中成立；在任何慣性系中形式相同。 l 經(jīng)典力學(xué)相對(duì)性原理與絕對(duì)時(shí)空觀密切相關(guān)經(jīng)典力學(xué)相對(duì)性原理與絕對(duì)時(shí)空觀密切相關(guān)時(shí)間和空間的測(cè)量不依賴于慣性參考系，時(shí)間和空間的測(cè)量不依

6、賴于慣性參考系， 當(dāng)然力學(xué)規(guī)律也不依賴于慣性參考系。當(dāng)然力學(xué)規(guī)律也不依賴于慣性參考系。一切慣性系在力學(xué)上是等價(jià)一切慣性系在力學(xué)上是等價(jià)(平權(quán)平權(quán))的的 沒(méi)有誰(shuí)更優(yōu)越；沒(méi)有誰(shuí)更優(yōu)越； 不存在有特殊的、絕對(duì)的慣性系。不存在有特殊的、絕對(duì)的慣性系。 在一慣性系中作任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無(wú)法確定該慣性系是靜在一慣性系中作任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無(wú)法確定該慣性系是靜 止還是勻速直線運(yùn)動(dòng)。止還是勻速直線運(yùn)動(dòng)。 伽里略伽里略 通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法判定一個(gè)慣性系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法判定一個(gè)慣性系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。三三. 伽利略變換伽利略變換伽利伽利略變略變換式換式在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事件在兩個(gè)慣性系中分析描述同一物理事

7、件 t =t=0 時(shí)辰，物體在時(shí)辰，物體在 O (O)點(diǎn)點(diǎn), S , S系重合。系重合。 t 時(shí)辰，物體到達(dá)時(shí)辰，物體到達(dá) P 點(diǎn)點(diǎn)P(x, y, z; t )(x, y, z; t)uyOzSx (x )OzyS逆變換逆變換t uxxyyzztt正變換正變換 xxutyy zz ttStzyxr,vaS tzyxr,vau 速度變換速度變換xxyyzzvvuvvvvxxyyzzvvuvvvv正正逆逆坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換utxxyy zz tt rvtddrvtddttutxtxdddddd用用S S系的時(shí)間求導(dǎo)系的時(shí)間求導(dǎo)牛頓時(shí)空：牛頓時(shí)空：時(shí)間量度與參時(shí)間量度與參考系無(wú)關(guān)，考系無(wú)關(guān)，即即ttu

8、 加速度變換加速度變換zzyyxxaaaatuaaddzzyyxxaaaatuaaddzzyyxxaaaaaazzyyxxaaaaaa正正逆逆慣性系慣性系u 常數(shù)tt在兩個(gè)慣性系中在兩個(gè)慣性系中aaxxyyzzvvuvvvvxxyyzzvvuvvvv在牛頓力學(xué)中在牛頓力學(xué)中四四. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有伽利略變換的不變性牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有伽利略變換的不變性u(píng) 質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)u 力與參考系無(wú)關(guān)力與參考系無(wú)關(guān)FFm aSSmmaaFFm a宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同在任何慣性系中形式相同或或 牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下

9、形式不變或或 牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式S2021012211mmmmS如：動(dòng)量守恒定律以兩質(zhì)點(diǎn)碰撞為例）如：動(dòng)量守恒定律以兩質(zhì)點(diǎn)碰撞為例）利用伽利略變換利用伽利略變換2021012211mmmm牛頓的相牛頓的相對(duì)性原理對(duì)性原理動(dòng)量守恒定律在伽利略變換下形式不變動(dòng)量守恒定律在伽利略變換下形式不變15-2 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)一一. 伽利略變換的困難伽利略變換的困難麥克斯韋方程組不服從伽利略變換麥克斯韋方程組不服從伽利略變換 麥克斯韋預(yù)言了電磁波的麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并指出其速率各向均為存在，并指出其速率各向均為c (真空中真空中)，

10、與伽利略變換矛盾；，與伽利略變換矛盾；u地2G1G2M1M2) 2) 光速光速C C 邁克耳遜邁克耳遜- -莫雷的莫雷的 0 0 結(jié)果結(jié)果 麥?zhǔn)戏匠滩黄毡槌闪?，有局限；但?shí)驗(yàn)指出，麥?zhǔn)戏匠滩黄毡槌闪?，有局限；但?shí)驗(yàn)指出， 不同參照系中，方程又普遍正確；不同參照系中，方程又普遍正確； 在地球上及在任意一個(gè)慣在地球上及在任意一個(gè)慣性系中，光沿各個(gè)方向的傳播速性系中，光沿各個(gè)方向的傳播速度都相同，都等于同一個(gè)恒量。度都相同，都等于同一個(gè)恒量。1905年，A. Einstein 首次提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)首次提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)299 792 458 m /s c 1. 光速不變?cè)砉馑俨蛔?/p>

11、原理在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值在所有的慣性系中，光在真空中的傳播速率具有相同的值包括兩個(gè)意思：包括兩個(gè)意思：l 光速不隨觀察者的運(yùn)動(dòng)而變化光速不隨觀察者的運(yùn)動(dòng)而變化 l 光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化 所有慣性系都完全處于平等地位，沒(méi)有任何理由選某所有慣性系都完全處于平等地位，沒(méi)有任何理由選某一個(gè)參考系，把它置于特殊的地位。一個(gè)參考系，把它置于特殊的地位。二二. 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)2. 相對(duì)性原理相對(duì)性原理一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式l 在牛頓力學(xué)中，與參考系無(wú)關(guān)在牛頓力

12、學(xué)中，與參考系無(wú)關(guān)l 在狹義相對(duì)論力學(xué)中，與參考系有關(guān)在狹義相對(duì)論力學(xué)中，與參考系有關(guān)闡明闡明 :(2) 光速不變?cè)砼c伽利略的速度合成定理針?shù)h相對(duì)光速不變?cè)砼c伽利略的速度合成定理針?shù)h相對(duì)(3) 時(shí)間和長(zhǎng)度等的測(cè)量時(shí)間和長(zhǎng)度等的測(cè)量 (1) Einstein 的相對(duì)性理論的相對(duì)性理論 是是 Newton理論的發(fā)展理論的發(fā)展一切物一切物理規(guī)律理規(guī)律力學(xué)力學(xué)規(guī)律規(guī)律一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式一切物理規(guī)律在所有慣性系中具有相同的形式三三. 洛倫茲變換洛倫茲變換0 ttStzyxP,S tzyxP,尋覓尋覓oo重合重合oo y xx yuSS P兩個(gè)參考系中相應(yīng)的兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)

13、值之間的關(guān)系坐標(biāo)值之間的關(guān)系 若有某一事件在某點(diǎn)若有某一事件在某點(diǎn)P于某時(shí)客觀發(fā)生，對(duì)應(yīng)于兩于某時(shí)客觀發(fā)生，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的參照系，分別有不個(gè)不同的參照系，分別有不同的空間和時(shí)間坐標(biāo)值：同的空間和時(shí)間坐標(biāo)值：洛倫茲坐標(biāo)變換式的推導(dǎo)洛倫茲坐標(biāo)變換式的推導(dǎo)時(shí)空變換關(guān)系必須滿足：時(shí)空變換關(guān)系必須滿足：l 兩個(gè)基本假設(shè)兩個(gè)基本假設(shè)l 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)速率遠(yuǎn)小于真空中的光當(dāng)質(zhì)點(diǎn)速率遠(yuǎn)小于真空中的光速，新時(shí)空變換能退化到伽利速，新時(shí)空變換能退化到伽利略變換略變換對(duì)慣性系對(duì)慣性系 S ，根據(jù)光速不變?cè)?，有，根?jù)光速不變?cè)?，?22220 xyzc t xaxbt在兩個(gè)參考系中兩者形式完全相同在兩個(gè)參考系中兩者形式

14、完全相同變換關(guān)系變換關(guān)系(線性線性)tdxett 時(shí)辰，對(duì)慣性系 S 有2222 20 xyzc t其中其中a ,b ,d ,e 待定系數(shù)待定系數(shù)(x, y, z; t )Prru(x )OzySOzySx (x, y, z; t )d0 dxx,utdd0ddxxabaubtt ub a 常數(shù) ()/0(0)/ xa x b td xeb te 對(duì)對(duì) O O ：對(duì)對(duì)O :O :x (x)OOuddxbute ae ()xa xut td xa t 222222(1)2 ()0uac ta a ud cxtc222222 ac dxyz2222 20 xyzc t211ae/u c 221du

15、 / cu c bua S系u 洛侖茲變換洛侖茲變換 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換式式2222211xutxucyyzzutxctuc2222211cuxcuttzzyycuutxx正變換正變換逆變換逆變換211cu1（ 經(jīng) 典 情 形 )xxuttt 2）cu闡明闡明1 1洛侖茲變換是同一個(gè)事件洛侖茲變換是同一個(gè)事件 在兩個(gè)參照系中時(shí)空坐標(biāo)之間的關(guān)系在兩個(gè)參照系中時(shí)空坐標(biāo)之間的關(guān)系洛倫茲變換洛倫茲變換伽利略變換伽利略變換2222211xutxucutxctuc 2222211cuxcuttzzyycuutxx洛倫茲變換表示一個(gè)真實(shí)事件洛倫茲變換表示一個(gè)真實(shí)事件在兩個(gè)慣性系中的變換，所以在兩個(gè)慣性系中的變

16、換，所以變換式中不應(yīng)該出現(xiàn)虛數(shù)。變換式中不應(yīng)該出現(xiàn)虛數(shù)。說(shuō)明速度有極限說(shuō)明速度有極限 實(shí)際信號(hào)實(shí)際信號(hào)傳遞速度都不可能超過(guò)光速傳遞速度都不可能超過(guò)光速真空光速是一切物體運(yùn)動(dòng)速度的上限真空光速是一切物體運(yùn)動(dòng)速度的上限 變換無(wú)意義變換無(wú)意義uc3）4在兩個(gè)不同的慣性系中，在兩個(gè)不同的慣性系中，t是是 x 和和 t 的函數(shù)，而的函數(shù)，而 t 又是又是 x 和和 t的函數(shù)。說(shuō)明時(shí)間不再是與坐標(biāo)無(wú)關(guān)的量。的函數(shù)。說(shuō)明時(shí)間不再是與坐標(biāo)無(wú)關(guān)的量。 時(shí)間、空間是統(tǒng)一的整體，時(shí)空是有關(guān)聯(lián)的，不是獨(dú)立的。時(shí)間、空間是統(tǒng)一的整體，時(shí)空是有關(guān)聯(lián)的，不是獨(dú)立的。5 5不同慣性系中，兩事件間的時(shí)間間隔和空間間隔的變換關(guān)系

17、：不同慣性系中，兩事件間的時(shí)間間隔和空間間隔的變換關(guān)系：2222211xutxucutxctuc2222211xutxucutxctuc時(shí)間間隔和空間間隔與坐標(biāo)有關(guān)，因不同慣性系的不同而不同。時(shí)間間隔和空間間隔與坐標(biāo)有關(guān)，因不同慣性系的不同而不同。Smx6100 . 10.02ts例例1 1 地面參照系地面參照系中，在中，在處，于處，于時(shí)刻爆炸了一顆炸彈。一飛船沿時(shí)刻爆炸了一顆炸彈。一飛船沿x0.75uc軸正向運(yùn)動(dòng)，速率軸正向運(yùn)動(dòng)，速率求：飛船參照系求：飛船參照系S中的觀察者測(cè)得炸彈爆炸的地點(diǎn)和時(shí)間中的觀察者測(cè)得炸彈爆炸的地點(diǎn)和時(shí)間682221.0 100.75 3 100.021(0.75)

18、1/xutxuc 解：解：65.29 10 m 6822220.750.021.0103 101(0.75)1/utxctuc 0.0265smutxx6105 . 3stt02. 0若按照伽利略變換若按照伽利略變換例例2 2 地面上甲乙兩地相距地面上甲乙兩地相距 8.08.0106 m106 m，一火車做勻直運(yùn)動(dòng)，一火車做勻直運(yùn)動(dòng)，從甲地到乙地，歷時(shí)從甲地到乙地，歷時(shí)2 s2 s。一飛船與火車同向，以。一飛船與火車同向，以u(píng)=0.6c u=0.6c 勻直勻直運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。求：在飛船上觀測(cè)，火車從甲地到乙地運(yùn)行的路程、時(shí)間。求：在飛船上觀測(cè)，火車從甲地到乙地運(yùn)行的路程、時(shí)間。解：因?yàn)樵诮猓阂驗(yàn)樵赟中，中，621218 102xxxmttts 所以在所以在S中，中，68228 100.624.4 100.81cmxu txuc 62220.628100.