高二物理競賽狹義相對論課件

狹義相對論第四章

當物體的運動速度遠小于光速時，準確地遵從牛頓力學的規(guī)律。而當物體的運動速度接近于光速時，牛頓力學不再適用。相對論是二十世紀初物理學的偉大成就之一，它建立了新的時空觀，并在此基礎上給出了高速運動物體的力學規(guī)律。在宇宙星體、基本粒子、原子能等研究領域中，都要用到相對論力學。本章主要內容有：狹義相對論的基本原理，洛倫茲變換，相對論時空觀及相對論動力學基礎。

愛因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)理論物理學家。他是自然科學的改革家，創(chuàng)立了狹義相對論和廣義相對論。他用光量子理論說明了光電效應。提出固體熱容量的量子理論以及玻色-愛因斯坦的量子統(tǒng)計法。晚年致力于宇宙學和統(tǒng)一場的研究。相對論狹義相對論廣義相對論1905年建立討論相互勻速直線運動的不同慣性參考系對物理現象所作的測量結果，其結論可用少量的數學導出，用于物理學和工程技術;1916年建立討論任意運動的非慣性參考系對物理現象所作的測量結果，其結論需要大量的數學，應用于宇宙學、天體物理、高能物理等。oxyzvtK為固定慣性系,坐標變換式：P(x,y,z)§4-0伽利略相對性原理經典力學時空觀一、伽利略相對性原理為運動慣性系，相對于K系速度為v。oˊ速度變換式：加速度變換式：伽利略相對性原理：

對于任何一個慣性參考系，任何力學規(guī)律都是等價的。

描述二：力學現象對于一切慣性參考系，規(guī)律相同；

描述三：在慣性參考系內通過一切力學實驗都不能判定該慣性參考系是靜止還是勻速直線運動?？偨Y：(1)坐標、速度、軌道具有相對性，與參照系選擇有關；(2)質量、時間、長度、加速度、力等是絕對的。oxyzvtM()N()絕對時空觀：時間和空間是絕對的，與參考系選擇無關?！?-1狹義相對論基本原理和洛侖茲變換絕對時空觀和伽利略變換長期被奉為絕對真理，對它們的沖擊最早來自麥克斯韋的電磁場理論。表現在兩方面：1.電磁場理論不滿足力學相對性原理，在伽利略變換下，電磁場方程形式發(fā)生變化；物理學家假設存在絕對靜止的參考系“以太”。2.按照電磁場理論，光是電磁波，并通過媒質以有限的速度傳遞，而實驗發(fā)現光可以在真空中傳播。一、產生狹義相對論的背景

十九世紀末，在光的電磁理論發(fā)展過程中，有人認為宇宙間充滿著一種叫做“以太”的媒質，光是靠“以太”來傳播的。并且把這種“以太”選作絕對靜止的參考系。凡是相對于這個絕對參考系的運動叫做絕對運動。根據這一觀點，歷史上一些物理學家設計出了各種實驗，希望通過運動參考系中所發(fā)生的物理現象，找出一種發(fā)現絕對運動并測出絕對速度的方法來。1881年，邁克耳孫-莫雷設計了一個實驗，企圖利用光干涉的方法，測量地球相對于“以太”的絕對速度，從而確定“以太”的存在。邁克耳遜-莫雷實驗否定了絕對參考系的存在。理論與實驗結果產生矛盾！狹義相對論基本原理：1.狹義相對論的相對性原理：在所有慣性系中，物理定律的表達形式都相同。2.光速不變原理：在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的量值c。說明：

(1)光在真空中傳播速度c具有各向同性；

(2)光的傳播速度與光源和觀察者相對運動無關。S觀察者（相對于光源靜止）接受到光速為cS接受到光速為c接受到光速為c觀察者（靜止）觀察者（相對于光源運動）S光源運動(1)通過這種變換，物理定律都應該保持自己的數學表

達形式不變；

(2)通過這種變換，真空中光的速率在一切慣性系中保

持不變；

(3)這種變換在適當的條件下(即在低速情況下)轉化為伽利略變換。尋找新的變換形式!能夠滿足狹義相對論基本原理的變換是洛倫茲變換：

洛倫茲(1853——1928)荷蘭物理學家。變換式原來是洛倫茲在1904年研究電磁場理論時提出來的，當時并未給予正確解釋。第二年愛因斯坦從新的觀點獨立地導出了這個變換式。通常以洛倫茲命名。二、洛侖茲坐標變換式oxyz.P(x,y,z,t)系相對于K系以勻速運動，在

時,O與重合。逆變換：K系相對于系以

勻速運動，在

時,O與重合。討論：1、在速度遠小于真空中光速c時，相對論結論與牛頓力學結論相同。真空中光速c為一切實際物體的速度極限，不存在超光速的客體。3、比較

伽利略變換洛侖茲變換反映力學相對性原理反映相對性原理適用于低速物體，

認為速度無極限，

時間空間互相獨立。適用于一切物體，

速度極限為c，

時間空間不可分隔。區(qū)別聯系低速時,洛侖茲變換伽利略變換§4-2相對論速度變換速度定義:K系系對坐標、時間變換微分:兩邊除以相對論速度變換相對論速度逆變換討論:1.2.體現物體速度極限為c。例1:一短跑運動員在地球上以10s時間跑完100m,在飛行速度為0.98c的飛船上看來,這名選手跑了多長距離?用了多長時間?解:地球為K系,選手起點(x1,0,0,t1)，終點(x2,0,0,t2)。x2-x1=100m，t2-t1=10s。飛船為

系例二:地球上一觀察者看見一飛船A

以速度從他身邊飛過，另一飛船B

以速度跟隨A

飛行。求：（1）A

上的乘客看到B

的相對速度；（2）B

上的乘客看到A

的相對速度。S（地球）飛船B飛船AS（地球K）飛船B解：（1）A

看B：如圖：由題意知代入公式得（2）B

看A：如圖：由題意知S（地球K）代入公式得飛船A飛船A例三:一空間站發(fā)射兩個飛船，它們的運動路程相互垂直。設一觀察者O

位于空間站內，他測得第一個飛船