15-1、2、3 狭义相对论解析

大学物理主讲：迟卓君教材：物理学教程（第二版）下册狭义相对论QiqiharUniversity15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论2引言1、历史背景开尔文在迎接20世纪的新年献词：“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰完善这所大厦”“在物理学晴朗的天空远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”量子力学相对论近代物理学麦克斯韦电磁理论论热力学和统计物理学理牛顿力学理论经典物理学物理学15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论3经典物理的理论遇到了困难和挑战！2、相对论：关于空间、时间和物质运动之间相互联系的现代物理理论。狭义相对论：研究惯性系中的时空关系广义相对论：研究非惯性系中的时空关系——导致了相对论和量子力学的诞生相对论是二十世纪初物理学的伟大成就之一，它是在无法用经典理论解释高速物体运动规律的情况下诞生的，它的诞生源于人们对电磁学理论的研究。15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论4教学要求：掌握狭义相对论两个基本假设，了解洛论兹变换；理解同时性的相对性、长度收缩和时间延缓；掌握质速关系、质能关系（共4学时）第十五章狭义相对论15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论5一伽利略变换式当时0'tt'oo与重合txxv'yy'zz'tt'位置坐标变换公式经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关.x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yy1212xxxx15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论6zzaa'yyaa'xxaa'加速度变换公式'aaamF'amFvxxuu'yyuu'zzuu'伽利略速度变换公式对于所有的惯性系,牛顿力学的规律都具有相同的形式.txxv'yy'zz'tt'伽利略坐标变换公式——牛顿力学相对性原理。15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论7绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关,长度和时间的测量是绝对的.二经典力学的绝对时空观注意牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的.绝对时间:所有惯性系有统一的时间.绝对空间：空间与运动无关，空间是绝对静止的.实践已证明,绝对时空观是不正确的.15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论8想一想：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？真空中的光速m/s10998.21800c对于两个不同的惯性参考系,光速满足伽利略速度变换吗？?vcc'x'xy'yvo'oz'z'ssc三光速依赖于惯性参考系的选取吗矛盾15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论9球投出前cdcdt121ttvcdt2结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后vcv15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论10迈克尔孙—莫雷实验为了测量地球相对于“以太”的运动,1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量,没有结果.1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验,仍得到零结果,即未观测到地球相对“以太”的运动.人们为维护“以太”观念作了种种努力，提出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验事实相矛盾，最后均以失败告终.实验结果否定了“以太”的存在；肯定了光速不变.0N仪器可测量精度01.0N4.0N理论预测15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论11真空中光速与参考系无关（即与光源的运动和观察者的运动无关），不服从伽利略变换。电磁学理论与伽利略速度变换出现了不可调和的矛盾。修改电磁理论？放弃绝对时空观？1983年国际规定：真空中的光速为物理常数1ms458792299c15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论12爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.理论特色：出于简单而归于深奥.AlbertEinstein(1879–1955)20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献.15–2狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论131905年爱因斯坦«论动体的电动力学»给出相对论的物理基础。爱因斯坦的预言，其它人甚至都没想象过。15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论14一狭义相对论的基本原理1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式.2）光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.相对性原理是自然界的普遍规律.所有的惯性参考系都是等价的.伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符.15–2狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论15说明同时具有相对性，时间的量度是相对的.和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的.15–2狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论16cv211二洛伦兹变换式z'z'yx'xyvo'o'ss*)',',','(tzyx),,,(tzyxP)(1'2txtxxvvyy'zz')(1'222xctxcttvv设：时，重合;事件P的时空坐标如图所示.0'tt',oo15–2狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论172222211cxcttzzyyctxx//vvvv2222211cxcttzzyyctxx//vvvv或写成正变换逆变换光速在任何惯性系中均为同一常量，利用它将时间测量与长度测量联系起来.15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论18洛伦兹变换特点意义：物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变.光速是一切实物的极限速度。1）满足狭义相对论两个基本原理2）因，则,时间与空间的测量互不分离，时空坐标与惯性系选择有关。时间与空间的测量是相对的。3）时，洛伦兹变换伽利略变换。tt),,(txtt),(txttxxcv15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论19*三洛伦兹速度变换xxxucuu21vv)1(2xyyucuuv)1(2xzzucuuv正变换xxxucuu21vvxyyucuu21vxzzucuu21v逆变换光速不变cuxccccux)1((2vv)15–2狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论20一同时的相对性事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.15–3狭义相对论的时空观在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的.第十四章波动光学210111221222212222212cuxxcucuxcutcuxcuttt)()()(tx,1tx,211,tx22,txSuSxxOO同时发生21tt不同时发生在S系：若在一个惯性系中同时发生这两个事件，则在另一惯性系中观测，不一定同时发生。——同时性的相对性。想一想：沿垂直于相对运动方向？总结一下结论？先发生后发生21tt？15–3狭义相对论的时空观（车）（地）结论：沿两个惯性系运动方向，同时、不同地点发生的两个事件，在另一惯性系中观察则不同时发生；只有在同一地点，同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察才是同时发生的.15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论22二长度的收缩xyozs标尺相对系静止s'212121)(''cxxxxv12xxl在S系中测量：测量要求21tt1'x2'x0l'y'xv'o'z's1x2x'''120lxxl在系中测量：s'15–3狭义相对论的时空观固有长度运动长度2201cllv动15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论23长度收缩:运动物体在运动方向上长度收缩.长度收缩是一种相对效应,此结果反之亦然.注意15–3狭义相对论的时空观0ll动2201cllv动当时，.0llcv相对观察者运动的长度变短；相对观察者静止的长度最长。伽利略变换火车钻洞假象实验。P90:15-54思考：在哪里测长最长，哪里测长会变短？15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论2415–3狭义相对论的时空观作业:15–14,16；22；思考:15-1~4；7,12；15；15-11（14、24）；27；5815-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论25运动的钟走得慢三时间的延缓（timedilation）15–3狭义相对论的时空观15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论26在相对观察者运动的惯性系中观测的这两个事件的时间间隔为测时，或运动时间，用t代表。在相对观察者静止的惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔称为原时，或同地时或固有时间，用t'代表。由洛仑兹变换：零221ctt/v原时测时—测时比原时长(时间延缓效应)22122221212222212111cxxctcxctcxcttttvvvvvv)()()(15–3狭义相对论的时空观15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论27狭义相对论的时空观1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的时空关系是相对的.即时间与空间的测量是相对的。2）时—空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速C是建立不同惯性系间时空变换的纽带.2）时，.cv'tt1）时间延缓是一种相对效应.注意15–3狭义相对论的时空观221ctt/v在一个惯性系中观测，另一个做匀速直线运动的惯性系中同地发生的两个事件的时间间隔变长。这称为时间延缓效应。15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论28时间延缓效应表明：在一个惯性系中观测，运动惯性系中的任何过程（包括物理、化学和生命过程）的节奏变慢。【例】飞船以（32400km/h）的速率相对地面飞行。飞船上的钟走了5秒，问用地面上的钟测量经过了几秒？13ms109u原时s5tscutt000000002.510310915128322测时=?定义事件15–3狭义相对论的时空观低速情况，时间延缓效应很难发现！15-1伽利略变换式牛顿力学相对性原理遇到的困难第十五章狭义相对论29说明：1、时间延缓效应的实验验证子在高空大气顶层形成，静止平均寿命为2.1510－6s，速率为0.995c.若无时间膨胀效应，只能走640m就消失了，地面观测不到。实际上可到达地面。15-2610995.0112