狭义相对论基础-1.

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乌云迈克耳逊-莫雷寻找“以太”实验的零结果黑体辐射规律的紫外灾难理论物理学，经典物理学，主要是实验物理学，有生活体验，可以帮助理解和判断。不是对经典物理学的补充，而是全新的理论。20世纪发展起来的理论物理学19世纪末，这三大理论体系都已经成熟，统称为经典物理学狭义相对论量子力学历史上：20世纪初不是对经典物理学的否定，而是涵盖和包括。理论物理学，是以某些理论、观点为基础建立的，其结论许多与生活经验有差异，需要新的实验来验证、判断。15.1伽利略变换经典时空观15.2狭义相对论的基本原理相对论时空观15.3洛伦兹变换15.4相对论动力学基础第十五章狭义相对论基础oo'xyy'voprporooroopooprrr（1）位移：（2）速度：vuuoppo牵连相对绝对vuu即：（3）加速度：牵连相对绝对aaavudtdudtdoppo若v=常数，则a牵连=0，相对绝对aa1.牛顿的绝对时空观伽利略速度相加定律长度测量的绝对性时间测量的绝对性设两个参照系相对速度v：且vC15.1伽利略变换经典时空观结论：在所有惯性系中，力学规律都相同。--力学相对性原理FF2.伽利略坐标变换或：vtxxyyzztt设to=t´o=0时，S与S´重合。oxyy'vo'S´xx´vtyytvxxyyzzttS任意t时刻：结论(1)生活中，长度的量度是绝对的。S和S’系中，测量同一物体的长度是相同的.1212xxxxltxx11txx22'xx结论(2)生活中，时间的量度是绝对的。S和S’系中，时间量度相同。'tt'tt结论(3)生活中，同时性是绝对的。外推，在S系同时发生的两个事件，在S’系中也是同时发生的。0t0't牛顿力学中，时间是均匀流逝的，空间是各向同性的；时间、空间互不相干。'yoyzxS'z'x'o'S'1x1x'2x2xl称之为：绝对时空球投出前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.考察(1)根据伽利略变换，计算球被投出后的瞬间，球所发出的光波到达观察者所需要的时间.球投出后vcv光（电磁波）的运动不遵从伽利略变换！伽利略变换考察(2)1054年，一次超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。据记载，从1054年~1056年均能用肉眼观察,特别是开始的23天,白天也能看见。当宇宙中发生超新星爆发时，爆发的物质向四面八方飞散,有些抛射物向着地球运动,金牛座著名的蟹状星云研究超新星爆发过程中光线传播引起疑问据观察，实际持续时间约为22个月。ABttt理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约l=5000光年cvckm/s1500v物质飞散速度ABvcltAA点光线到达地球所需时间cltBB点光线到达地球所需时间光（电磁波）的运动不遵从伽利略变换！怎么办？为什么？005.1500015000年25伽利略变换有必要对绝对时空观作修改！15.2狭义相对论的基本原理相对论时空观1.狭义相对论的基本原理爱因斯坦，1905年，26岁，《论动体的电动力学》提出：(1)狭义相对性原理一切物理定律在所有相对作匀速直线运动的所有惯性系内有相同的形式。(2)光速不变原理真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c，并与光源的运动无关。这包括两个意思：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惯性系的等效性真空中光速的普适性爱因斯坦的光速不变思想几乎影响了每一个物理量：时间、空间、质量等。2狭义相对论的时空观光速不变，时空相关时间作为“第四维”洛伦兹变换，四个时空坐标“混合在一起”表征一个“点”事件狭义相对论的时空，可以认为是一个四维空间。1）同时的相对性光速不变，在S’系中不同地点同时发生的两个事件，在S系中不再是同时发生的。ABvxyo'x'y'o列车中部一光源发出光信号，列车中AB两个接收器同时收到光信号，光到达A、B这两个事件在S’系中是同时发生的。但在地面来看，由于光速不变，A先收到，B后收到。车厢：车厢前、后壁同时接收到光信号.这是沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件规律：沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在一个惯性系中表现为同时，在另一个惯性系中观察则为不同时，且沿惯性系运动方向相反一侧的事件先发生。地面：车厢后壁先接收到光信号.同时性不是绝对的，同时是有条件的注意结论比喻爱因斯坦列车2）时间膨胀（运动的时钟变慢）设S'系中,A'点有一闪光光源,在Y'轴放一反射镜。YY'A'd在S’'系看：C'两事件时间间隔：YCCLLX'XX'X在S系看：cdt2cLt2222tvdLtt显然：212cvcdY'dA'在S系同一地点发生的两个事件的时间间隔为t,在S系测同样两事件的时间间隔总是要长一些：tt定义：在某一参照系同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫作固有时间。2)(12cvcdt显然：为固有时间。t固有时间最短Δt是在S系中测量的结果，即相对于事件做惯性运动的参考系中测量的结果，称为测量时间，简称测量时。结论YCCLLX'XY'dA'2)(1cvtcdt2运动的钟走得慢例1.一宇宙飞船以v=9103m/s的速率相对地面匀速飞行，飞船上的钟走了5s，地面上的钟测量经过了多少时间？解：st521cvtttt则：固有时s000000002.528310310915当vc时，由知与参照系无关。2)(1cvttttμ子（μ介子）是一种带负电，质量为电子206.6倍的基本粒子，寿命約2.20微秒，因宇宙射线与地球大气碰撞而形成的。vve正电子或负电子中微子反中微子例2子静止时寿命为2.1510–6s，进入大气后子衰变前速度为0.998c，从高空到地面约10Km。子能否到达地面？用绝对时空观计算子所走路程0998.0cy681015.2103998.0y)m(644子还没到达地面，就已经衰变了。解：用相对论时空观计算地面S系测量20)/(1cvs100.34626)/998.0(11015.2cc子运动距离cy998.086103998.01034)m(10190完全能够到达地面。实际上，不仅在地面，甚至在地下3km深的矿井中也测到了介子。3）长度收缩（运动的尺变短）例如：在地面测正在以速度v行驶的汽车的长度。L'A'B'x1XX'yy'oo'垂直运动方向不受影响：在S'系测车的长度为：在S系测量:t+t时刻，vLt在S'系看：而:2)(1cvtt车的长度：21cvtv21cvLvt车的长度：L'y=y'L=x2–x1L=vtz=z'车头B'经过x2=x1+vt点=vt固有时当车尾经过x1点时，x1点走过的距离为L'，所用时间：t时刻，车头B'经过x1点；L'车尾A'经过x1点，相对某一参照系静止的棒长度为L',在另一参照系看要短一些即：LL'定义：物体相对参照系静止时，测得物体的长度为固有长度L0。显然：固有长度最长。结论2)(1cvLLL'A'B'x1XX'yy'oo'vL'20)(1cvLL例3.5m长的宇宙飞船，以v=9103m/s相对地面飞行,在地面上测其长度为：21CvLL当vC时，LL'，回到牛顿时空观。28310310915m5=4.999999998m20)(1cvLL例4.S系与S'系是坐标轴相互平行的两个惯性系，S'系相对S系沿X轴正向匀速运动。一根刚性尺静止在S'系中与X'轴成30o角，今在S系中观察得该尺与X轴成45o角，则S'系相对S系的速度是多少？解：在S系：xytgo45yy21cvxx在S'系：xytgo30cv32解得：21cvxy2145cvtgo光速不变原理得到结论同时性的相对性运动的时钟变慢运动的尺子缩短0,0tt2)(1cvtt2)(1cvLL狭义相对论时空观小结:10.牛顿时空观在高速运动领域不成立20.爱因斯坦相对性原理30.光速不变原理40.由光速不变原理得出的有关结论固有时最短固有长最长显然这些结论与牛顿时空及伽利略变换相矛盾!作业：选择题15-5、7、11、12计算题15-17，15-20