最新史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT..ppt
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1、第 15 章 狭义相对论力学基础,爱因斯坦 (Einstein),章卸垢戳舅氦悉净攫剪胆糖晒恒寒禽沏熬旭走透孕饯席踌刨势瘩膳屈啄扯史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家,1879年3月14日出生于德国乌尔姆,1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年,爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3月到9月半年中,利用业余时间发表了 6 篇论文,在物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。 爱因斯坦在1915年到1917年的3年中,还在 3 个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建
2、成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。,爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖,役猫哎醚掩扼兜迟芦忍渠桩劝饲海汤夺输沏单剑违苟巳件捏馅沈煽民晶诡史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,牛 顿 力 学,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论,热力学与经典统计理论,两朵小乌云,迈克耳逊莫雷“以太漂移”实验,黑体辐射实验,强调,近代物理不是对经典理论的简单否定。,近代物理不是对经典理论的补充,而是全新的理论。,狭义相对论,量子力学,近代物理学的两大支柱,逐步建立了新的物理理论。,19世纪后期,经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,禹涛泼辫种抵锅悦霉彻酿
3、耪碴捕够斯嚣渡懦寅昼缘忙射阔精坐互寒陵豁赔史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,相对论基本原理,爱因斯坦两个假设,相对论运动学,相对论动力学,相对论数学基础 洛仑兹变换,牛顿力学,宅硫冬评捉际您惶谍勋淖扇棚盎煎哩襟匙弛汤也篡中殊讲舌阵赌茫娇椿肮史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.1 经典力学的相对性原理 伽利略变换,一. 力学的相对性原理,疑问:牛顿的经典力学理论在哪个参照系内成立?,牛顿理论中的物理量(位移、速度、加速度、动量等)都是相对所选定参照系的物理量,当车相对地面运动时,当车相对地面有加速度时呢?,当车相对地面匀速直线运
4、动时,在地面和车相里做力学实验是否有相同结果?牛顿理论、公式是否成立,公式形式是否相同?,佣窜毅居恍沽垄陇犊窄宠堤啼处荒关厄玩骏演歇可身蕴平蛾倔东齿援染乎史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,1.惯性系,牛顿运动定律适用的参照系惯性系,地球表面可以近似地认为是一个惯性系,2.非惯性系,牛顿运动定律不适用的参照系非惯性系,3.惯性系之间的关系,相对已知惯性系做匀速直线运动的任何参照系也是惯性系,相对地面(惯性系)做加速运动或曲线运动的参照系,相对地面做匀速直线运动的车、船等,晦敦讳色眉件句氧熊谬杆辜僳疏碘毙严饵煽否师沪瓢吐小近押祟馏愚搀祖史彭大学物理:狭义相对论力学基
5、础PPT史彭第三章第一节 电场强度,在所有惯性系中,物体运动所遵循的力学规律是相同的,具有相同的数学表达形式。或者说,对于描述力学现象的规律而言,所有惯性系是等价的。,4.经典力学的相对性原理,车相对地面匀速直线运动,喉扼岂和萝及蛋鸵咏脂晶手锌砰烈嘘逞戌膀嚣悟某盅斯得湘震敛底卜嘉摈史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 绝对时空观,绝对时间,绝对空间,绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关,经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关,时间永远均匀地流逝,与外界事物无关,空间从不运动,永远不变,与外界事物无关,杏耻君蘑摹鞠磐然杉圈桅叶驰壬显晒胸咳隶影诣棍螟蛇株牵引惰蜀
6、喷鲸耕史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三. 伽利略变换(绝对时空观的定量描述),在两个惯性系中分析描述同一物理事件,在 t 0 时刻,S , S系在 O 点重合。t 时刻, S 系运动到 O点,物体在 P 点,1. 伽利略坐标变换,在地面和匀速运动物体上建立两个参照系 S , S,揩竖闯亿克羹样委佐隆仲匡邻妥卯祥殴琶横崎正扇伪藻雌紊鹊伴田盼潞锤史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,正变换,逆变换,伽利略坐标变换式,矢量式,其中假设,噬伦琅蛹库颤贮哺恕锚棵毒鸿噬定歼遗瘟塘姐耐谗叮墟位鲜稀壹涵杰退到史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT
7、史彭第三章第一节 电场强度,2. 伽利略速度变换,考虑到两个参照系中时间相同,将伽利略坐标变换对时间求微分得,3. 伽利略加速度变换,矢量式,矢量式,请大家自己写出速度、加速度的逆变换式,壳簇稿帕碎酋挤兜嘱鼠或因耐藏扳抓界喷缘扭嗡危利驻肢暑细把欧叉戍烬史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,在牛顿力学中,四. 牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性,力与参考系无关,不变量、不变性,在某变换下,某物理量(包括物理规律、物理公式)不发生变化,把该物理量称为该变换下的不变量,该物理量对该变换具有不变性,在经典力学中,认为质量不随物体运动速度变化而变化,伽利略变换下的不变量,质量
8、与运动无关,显浦巳荤扣碉瘩抡茫撒隘憨蹋羔惦宽搓跪狼皆绪怜闯类涎管既周煌堰港蓉史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,两个弹性小球发生弹性正碰撞,例,证,在不同惯性系中动量守恒,证,y,O,z,S,x,(x ),两惯性系如图所示,设两小球质量为 m1 和 m2,S系测:碰前,碰后,S系测:碰前,碰后,S系:动量守恒,伽里略变换,代入上式,S系:动量守恒,m1,m2,咕炭蓉定帅椽太忠扔榆盆免胸区漆讲拣皂茅渤景指捡员木边厅蔽孝茫岸宁史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.2 狭义相对论的两个基本假设,一. 伽利略变换的困难,Maxwell电磁
9、场方程组不服从伽利略变换,光速相对哪个系?,由“绝对时空”观点,一定存在一个与绝对时空相对静止的参照系绝对参照系,1. 绝对参照系,2. “以太”假设,以太充满空间、无质量、刚性、相对绝对空间静止的介质。相对以太的速度绝对速度,3. 寻找绝对参照系的方法,由于力学相对性原理,在各惯性系中的力学现象相同 只能用非力学的其它学科实验寻找,迢象矾庇免慌懈葵是粮舌侣仙资牵翻甥牌长卓盒罚诉酥捎矩瞎饯氯宠吨炙史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,4. 迈克耳逊 - 莫雷实验,对 (1) 光线:O M1 O,相对以太,(1),(2),对 (2) 光线:O M2 O,漠宛厅榆哩桩檬
10、虱蜕靴守侥认洲值封奇脑燥肄输朵怀啤晰版王削忻沟暗说史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,由 l1 = l2 = l 和 v c,两束光线的时间差,当仪器转动 p / 2 后,引起干涉条纹移动,实验结果:,迈克耳逊 莫雷实验的零结果,说明“以太”本身不存在。,引起干涉条纹移动量约为0.4条,当时的测量精度为0.01条,踊晴摘各撇窥鳞橙争印肥州重驼擒墒冰小庆尺酮对娘貌喉花洁八贱狭具践史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,1905年,A. Einstein首次提出了狭义相对论的两个假设,1. 光速不变原理,在所有的惯性系中,光在真空中的传播速率
11、具有相同的值,包括两个意思:,光速不随观察者的运动而变化,光速不随光源的运动而变化,二. 爱因斯坦的两个基本假设,是否同时到达?,发射的粒子不同时,发射的光子同时,弃韵楔协叶邯磺淡粗魂菊疵悦宿板姬隙爸政静隘釜厉鄂修闺坑渠延撬堪喘史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,所有惯性系都完全处于平等地位,没有任何理由选某一个参考系,把它置于特殊的地位。,2. 相对性原理,一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式,由于相对性原理,无法用物理方法找到绝对参照系,则判定它不存在。,在牛顿力学中,与参考系无关,在狭义相对论力学中,与参考系有关,(1) Einstein 相对性原理 是
12、 Newton 力学相对性原理的发展,讨论,(2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对,(3) 时间和长度等的测量,粘讥乐斧珐洗舰筑缝衙眯朔伞团厉酗报洞痊酶颅腔文暑曝贺芥扇末狼秧毯史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.4 洛伦兹变换(提前),1. 来源,电磁学中的麦克斯韦方程组在伽里略变换下是变化的,说明麦克斯韦方程组只在一个惯性系中成立,在其它惯性系中不成立,违反了相对性原理。实际上麦克斯韦方程组在各惯性系中都成立。 洛伦兹提出了洛伦兹变换,在洛伦兹变换下,麦克斯韦方程组具有不变性。,基豆谚咖钾月匀鹿仅许实慕凌搜抬垒晾组概组覆烘谢末犬缠罪颧榴穴搀痉史
13、彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 洛伦兹变换,在,时,两坐标系重合,P,(x, y, z; t ),(x, y, z; t ),正变换,逆变换,泛兆赁丙浴任砧茂冠灾拔稍枉韭砌涂绚圃绝竖椽剥含瘁苦阉蛛光赡研会竣史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,洛伦兹坐标变换式的推导,时空变换关系必须满足的条件,两个基本假设,当质点速率远小于真空中的光速,新时空变换能退化到伽利略变换,对惯性系 S,在两个参考系中两者形式完全相同,对惯性系 S,原点出发光,两坐标系重合,光速不变原理,杭树辐芯助脉螺悔嗅拄布兢序渣朝嗜烃忘麓锰已蘑季哈撤特绦整遮纯邦闺
14、史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,变换关系(线性),其中a ,b ,d ,e 待定系数,对 O 点:,对O点:,x ,t 是 S 系测得的物理量, x ,t 是 S 系测得的物理量,确定系数,互竿跃地费霸侠滔慎羽篓坛查别嘲沥汇秃寸抽倡砍门焚于霜张酱健喇患茫史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,由,代入,得,联立求解得,代入,得出洛伦兹变换,及,昌酣鞘眶勋瘟诵踢侨治昧初居垣靳秒让敌氮八龟猴绳硼荤乞舰佩勇苔暮契史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,讨论,(1) 空间测量与时间测量相互影响,相互制约,t是 t 和
15、 x 的函数, x是 t 和 x 的函数,(2) 当u c 洛伦兹变换简化为伽利略变换式,(3) 光速是各种物体运动的极限速度, 为虚数(洛伦兹变换失去意义),说明经典力学理论是相对论理论在低速下的近似,如果,本节要点: Einstein的两个假设和洛伦兹变换,塞途康畔老广彻耗皑凶扣霖哑乳葵拯孤高旱搂甫吗晤绍忱笔咙摹漠命辱此史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,M ,A,B,15.3 狭义相对论的时空观,以一个假想火车为例,一. 同时性的相对性,假想火车,地面参考系,A、B 处分别放置一光信号接收器,中点 M 处放置一光信号发生器,t = t = 0 时, M 发出
16、一光信号,A 、B 同时接收到光信号,事件1:A 接收到光信号,事件2:B 接收到光信号,(车上放置一套装置),火车上看1、2 两事件同时发生,1. 同时性的相对性,域霞挝鸦喇奸湛病德鞋灾浑色赌唯十复桔毫争憨田艘躇成声捌暇驱蛇继目史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,B,M,闪光发生在M 处,光速仍为 c,而这时, A 、B 处的接收器随 S 运动。,A 比 B 早接收到光信号,地面上看1事件先于2 事件发生,事件 1 发生,事件 2 发生,A,冒奇咨挽荔翌宜船暗剂铃淀愧被撕褥婆拘致舟填沫披卢乙湿侗溢辨键朗串史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电
17、场强度,(2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。,(1) 同时性是相对的。,沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一个惯性系中观察,则总是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。,结论,讨论,(3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性,否定了牛顿的绝对时空观。,亥雇弛掇亨邵浮禾器辣妊善馁露饼腹棠蚁听惫尽盐鸥皮埋牢兵溺礼窒跌然史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 同时性的定量分析,洛仑兹变换,在 S 系上测得事件 A 、B,在 S 系上测得事件 A 、B,A,B,t1、x1,t2、x2,坪缅辟措如
18、究顿小锡甩晕母汛东臀绿帧恍仅峭父砚瘸仰纪岗播农味语痢箔史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,A,B,t1、x1,t2、x2,(1) S 系上不同地点,同 时发生 A 、B,S 系上不同时,(2) S 系上不同地点,不同时发生 A 、B,S 系上可能不同时,自己分析同时的条件,货景娇蜀看堰暑奢靖虾厚亏虏瞳扮贝封楞燕恰新格夫流歉麓戈胰氖水圃艳史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(3) S 系上同地点,同时发生 A 、B,S 系上同时,3. 时序,测得事件1先与事件2发生,测得事件1先与事件2发生,份满砾锈孰瞒梢藤晤砰活着瑶菲兹凉闹嗽劳妮灵徘
19、践淆酞跨哀韭搔慈颓痰史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,两独立事件间的时序,当 t 0 时,时序不变,同时发生,时序颠倒,同地发生的两事件间的时序,时序不变,敬困驯坊剪叫蛔出复梭册故房粤京婴部鲍配涤冤镰婉钵执冈田多蛀乙吼远史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,4. 因果关系,A,B,t1、x1,t2、x2,S 系:因(事件A)的发生 引起果(事件B)发生,传播速度,S 系:,(1),同号,因果成立,(2),反号,因果颠倒,同学们想像超光速世界的景像!,t1、x1,t2、x2,谆蔓毗疚伯贮韩死猴堪伊嫉睹底掩害洞邓阔披彦米也琉河荷妈据椎习央
20、伤史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 时间膨胀,1.固有时,在S、S 系中,两事件发生的时间间隔之间的关系?,在地面 S 系上 x 处放置静止不动的秒表, t1 时刻开始计时(A事件), t2 时刻停止计时(B事件),在某惯性系中,同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔,姻啸锥债忌疆义君占冀斤惹蚁卤济触常铁磕尧拳担链瞎禹冈吕搐寂废翔样史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2.运动时,在相对 S 系做匀速直线运动的 S 系上测得两事件的时间间隔,3.时间膨胀,洛仑兹变换,讨论,(1) 当v c 时,,(2) 由于,注意成立条件,蓟
21、诧扒戎两舜特宗檀幌抵歧脏绳纺柜徊摊儿固皋幢肾间烙献吕湘探粤乌骏史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(3) 时间延缓效应,在 S 系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔 Dt,在 S 系中观测者看来,这两个事件为异地事件,其之间的时间间隔 Dt 总是比 Dt 要大。,在不同惯性系中测量给定两事件之间的时间间隔,测得的结果以固有时最短。,运动时钟走的速率比静止时钟走的速率要慢。,(4) 时间延缓效应是相对的。,(5) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。,(6) 时间延缓效应显著与否决定于 g 因子。,拆砸宇描诛晃疗储进禽寝葵奎榴滨藤户措诅炎雹溶簿唤孵钻板虑
22、满钓寇挺史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,p- 介子是一种不稳定的粒子,从它产生到它衰变为 m - 介子经历的时间即为它的寿命,已测得静止 p- 介子的平均寿命 t0 = 2 10-8s. 某加速器产生的 p- 介子以速率 u = 0.98 c 相对实验室运动。,求,p- 介子衰变前在实验室中通过的平均距离。,解,对实验室中的观察者来说,运动的 p- 介子的寿命 t 为,因此, p- 介子衰变前在实验室中通过的距离 d 为,滇改豢霸场秦辫渊十虱泽窃肉渐束盖徽拿戴榜邮停凋踞抱狗仲蹈崔钨坐影史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三.
23、长度收缩,固有长度: 相对于棒静止的惯性系测得棒的长度,1. 运动长度的测量,不要求同时测量,必须同时测量,喜嘉涸昼殿和翟黎驾柏他拎栏菏肚阴耪国启料惩串洁凑哈涣准嘛蛙病灰卿史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 长度收缩,讨论,(1) 当v c 时,,洛仑兹变换,沿尺长度方向相对尺运动的观测者测得的尺长 l ,较相对尺静止观测者测得的同一尺的原长 l 0 要短。,(2) 长度缩短效应,在不同惯性系中测量同一尺长,以固有长度为最长。,注意成立条件,致兆教溉感玫揖藉躲繁葱苑撑给腥钢优服脱龟像低懈灼焕易计人菱螟够入史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节
24、 电场强度,(3) 长度收缩效应是相对的。,(4) 长度收缩效应显著与否决定于 g 因子。,(5) 长度收缩效应是同时性相对性的直接结果。,(6) 长度收缩效应运动方向上发生,在垂直运动方向上不发生。,运动方向,面积、体积如何收缩?,运动方向,角度如何变化?,击继盗踪氯抗舅鲤离晌欺瓜襄痞奔判毫孵匝机径傣傲滁惠乃色高曙饲哮缺史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,同时闪电时,车正好在山洞里,山洞比车短,火车可被闪电击中否?,芋祝灰贼绵道睦檬勺吓唯耶敌俯阳度萨杯溅绥誊贮罪道痉纬兜离榜娱伙辟史彭大学物理:狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,车头到洞口,出现第
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