高二物理競賽相對論速度變換課件

第四章相對論基礎(chǔ)§4-4相對論速度變換≈30萬公里/秒光線從地球到月球僅需約1.255秒陽光要花費(fèi)大約8分19秒才能到達(dá)地球2目錄第一章力和運(yùn)動(dòng)第二章運(yùn)動(dòng)的守恒量和守恒定律第三章剛體和流體的運(yùn)動(dòng)第四章相對論基礎(chǔ)第五章氣體動(dòng)理論第六章熱力學(xué)基礎(chǔ)第七章靜止電荷的電場第八章恒定電流的磁場第九章電磁感應(yīng)電磁場理論§4-1經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀伽利略相對性原理§4-2狹義相對論基本原理狹義相對論的時(shí)空觀§4-3洛侖茲變換§4-4相對論速度變換§4-5狹義相對論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)*§4-6廣義相對論簡介“我沒有什么特別的才能，不過喜歡窮根究底地追究問題罷了?！薄拔也贿^是保持了自然界表示“詫異”的能力。當(dāng)大多數(shù)物理學(xué)家沿著牛頓的道路繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，我卻試圖走另外的路?！?歲才開始說話，上學(xué)時(shí)回答問題要思考半天，校長甚至對愛因斯坦的父親說：您的孩子無前途可談。中年以后，愛因斯坦在給朋友的信中曾寫道：“為什么是我，而不是他人發(fā)現(xiàn)了相對論？我想可能是由于我童年時(shí)代是一個(gè)智力遲鈍的小孩。一般人對時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)大都在童年時(shí)代完成，而我發(fā)育較遲，到了成年才開始考慮時(shí)間與空間的問題。成年人思考孩童時(shí)的問題當(dāng)然要更深一些，更成熟一些?！?伽利略速度變換定理基本坐標(biāo)系：質(zhì)點(diǎn)：P運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系：在K系中：在K’系中：K’系相對于K系的速度：速度變換定理：加速度變換：絕對速度相對速度牽連速度在牛頓力學(xué)中力

和質(zhì)量

都與參考系的選擇無關(guān)，而在不同慣性系中加速度

又相同，所以在不同慣性系中

的形式不變。可見，伽利略變換和力學(xué)相對性原理是一致的。絕對時(shí)空觀=〉相對性原理若為常量。4速度變換S系中：S'系中：5速度變換1、若u<<c，則洛侖茲速度變換過渡到伽里略速度變換：

2、不可能通過參考系變換達(dá)到超光速！當(dāng)

時(shí)，

，

這與光速不變原理一致；當(dāng)

時(shí)，

，

即通過參考系變換不可能實(shí)現(xiàn)等于或超過光速。

3、加速度變換a'≠a。牛頓第二定律對洛侖茲變換不能保持形式不變。6速度逆變換正變換逆變換例題4-27

yyxxb

a

0.9c0.9cK系K'系如用伽利略速度變換進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為：解：K系：在飛船b上,

地面對K參考系以

v=0.9c的速度運(yùn)動(dòng)。K'系：地面，飛船a相對于K'系的速度u'x=0.9c則飛船a對K系的速度：例題4-2：能否超光速？8在地面上測到有兩個(gè)飛船a、b分別以+0.9c和-0.9c的速度沿相反的方向飛行。求飛船a相對于飛船b的速度有多大？但，就一個(gè)物體來講，它對任何其他物體或參考系，

其速度的大小是不能大于c的！討論：相對于地面來說，兩飛船的“相對速度”確是等于1.8c。即地面上的觀察者測量，兩飛船的距離是按2*0.9c的速率增加的?!yyxxb

a

0.9c0.9cK系K'系時(shí)間和空間可以合二為一變成一個(gè)整體：時(shí)空從地球觸發(fā)，經(jīng)過8分多鐘可以到達(dá)太陽，10萬年后能穿越我們所在的銀河系，超過200萬年后可到仙女座星系——我們在宇宙中最近的鄰居。當(dāng)然這是從地球的視角來看的。如果我們乘坐以99.99999999%光速行使的飛船，我們就能在短短50年的時(shí)間里沖出銀河系，到達(dá)仙女星座系。愛因斯坦：時(shí)間和空間的真面目并不是它們表面看上去的那樣！如果我們能超光速地移動(dòng)，那么人造時(shí)間機(jī)器就能回到歷史上的任意時(shí)刻。9

10追趕汽車的人感覺汽車的速度比實(shí)際速度慢，甚至?xí)杏X汽車停了下來。

K

光是電磁波，以光速前進(jìn)11電磁波：由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場，在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面。載體為光子，不需要依靠介質(zhì)傳播。麥克斯韋方程組的積分形式

根據(jù)電磁波方程可以推導(dǎo)出電磁波速度公式：12

在波動(dòng)方程中，即使從一條與波做相同運(yùn)動(dòng)的線上看，波的運(yùn)動(dòng)也沒有任何變化。波的速度由振動(dòng)決定，不管如何觀察都不會(huì)有變化。光是振動(dòng)傳播的，而且其振動(dòng)不因觀察角度的變化而變化，所以無論以何種速度觀察，光速都是一定的、恒定的。即，不管是靜止或與光一起跑，光本身的振動(dòng)都沒有變化。教材P148

光的速度與光源的速度沒有關(guān)系1955年，蘇聯(lián)的天文學(xué)家利用旋轉(zhuǎn)的太陽兩側(cè)的光做實(shí)驗(yàn)：太陽旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的一側(cè)永遠(yuǎn)向著我們轉(zhuǎn)，而另一側(cè)則永遠(yuǎn)背對著我們轉(zhuǎn)。證實(shí)從太陽兩側(cè)射向地球的光速是相等的。地球以每秒30公里的速度圍繞

太陽旋轉(zhuǎn)，太陽以每秒250公里

的速度帶著我們圍繞銀河系中

心旋轉(zhuǎn)，每年行程79億公里，

而銀河系又以每秒600公里的

速度帶著太陽系向長蛇星座奔

去，每年行程190億公里。

我們?nèi)祟惷繒r(shí)每刻都在走向

一個(gè)完全陌生的宇宙空間。13速度相加？

14A

究竟是哪個(gè)鐘變慢了？甲乙相對運(yùn)動(dòng)，甲看乙鐘變慢了；運(yùn)動(dòng)是相對的，乙看甲鐘也慢了？15AABB

白鐘都是可以對準(zhǔn)的，而黃色鐘卻無法對準(zhǔn)！

甲看乙鐘甲乙地球上看飛船的鐘變慢了。究竟是哪個(gè)鐘變慢了？甲乙相對運(yùn)動(dòng)，甲看乙鐘變慢了；

運(yùn)動(dòng)是相對的，乙看甲鐘也慢了？16甲乙ABAB

白鐘都是可以對準(zhǔn)的，而黃色鐘卻無法對準(zhǔn)！

乙看甲鐘飛船上看地球的鐘變慢了。到底是誰變老了？甲乙相對運(yùn)動(dòng)，甲看乙鐘變慢了，回來時(shí)乙更年輕；