14-1相对论时空观

Chapter14Relativity(SpecialTheoryofRelativity)狭义相对论一、绝对时空观与Galileo相对性原理（1）空间间隔（长度）、时间间隔、物体质量及相互作用力是与参考系无关的绝对量；（2）物体的位置、速度、动量和动能则是与参考系有关的相对量。对于两个相对作匀速直线运动的参考系，物体的位置、速度关系遵从伽利略变换；（3）在所有参考系中，惯性系占有特殊地位。牛顿运动定律、动量定理、角动量定理及其守恒定律等力学规律在Galileo变换下在不同惯性系中具有相同的形式。——Galileo相对性原理狭义相对论的基本假设3球投出前cdcdt=∆121tt∆∆v+=∆cdt2球投出后v+cv(根据伽利略变换)试计算球被投出前后的瞬间，所发出的光波达到观察者所需时间.例Galileo相对性原理得到的奇怪结论先看到球飞来，再看到球拿在手上！！！！二、电磁学发展及其与绝对时空观的矛盾（1）电磁学规律：Maxwell方程组光在真空中m/s10998.21800×==µεc（2）电磁学规律与绝对时空观的矛盾真空中光速与参考系无关和Galileo速度变换矛盾；电磁学规律不满足相对性原理。（3）矛盾的解决？相对性原理对电磁学规律也适用，需建立新的时空变换关系以保持光速不变。Galileo速度变换式正确，光速的数值只适用于一特殊的惯性系（以太），电磁学规律也只适用于此惯性系。AlbertEinstein19053.《关于光的产生和转化的一个试探性观点》；2.《热的分子动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》；4.《物质的质量同它所含的能量相关吗？》；光量子→光电效应布朗运动→原子真实存在E=mc2→核能的利用1879-19551.《论运动物体的电动力学》；狭义相对论→时空观的革命简单、和谐、统一＋批判思想狭义相对论研究内容事件何时发生？在哪里发生？事件之间相隔多远？相隔多久？时间和空间是否有关联？物体的质量与运动是否有关？时间和长度的测量与参考系是否有关？狭义相对论被接受的艰难过程在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。迈克耳逊至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”。在英国掀起了一场“保卫以太”的运动。J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少”。被爱因斯坦誉为相对论先驱的马赫，竟声明自己与相对论没有关系，“不承认相对论”。直到1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。爱因斯坦是1922年获诺贝尔物理学奖的。不过不是由于他建立了相对论，而是“为了他的理论物理学研究，特别是光电效应方程的发现”。大自然及其法则在黑夜中隐藏;上帝说:“派牛顿去吧!”于是,一切豁然开朗.——蒲柏拟“牛顿墓志铭”但这并不长久.魔鬼大喝一声:“派爱因斯坦去!”于是,一切恢复原样.——斯夸尔爵士三、两个基本假设（TwoPostulatesofSpecialTheoryofRelativity）（1）相对性原理（TheRelativityPostulate）物理规律在所有的惯性系中具有相同的表达形式．（Thelawsofphysicsarethesameforobserversinallinertialreferenceframes.）（2）光速不变原理（TheSpeedofLightPostulate）在一切惯性系中，真空中的光速是常量。（Thespeedoflightinvacuumhasthesamevaluecinalldirectionsandinallinertialreferenceframes.）1.同时的相对性（RelativityofSimultaneity）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.四、狭义相对论时空观结论：同时只具有相对意义在作相对运动的两个惯性系中，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义。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的.2.时间延缓（TimeDilation）'yx'xyvo'os'sdB12369)','(1tx发射光信号)','(2tx接受光信号cdttt2Δ12=′−′=′时间间隔s'系同一地点B发生两事件某参考系中同一地点发生的两事件间的时间间隔.固有时（ProperTime）0tt′∆=∆在S系中观测两事件),(),,(2211txtx021ttβ∆∆=−得：22222∆+==∆tvdccltxyosd12369123691x2xtv∆ll()()0222111tdtcvcvc∆∴∆==−−vcβ=令xyosd12369123691x2x12369'yx'xyvo'os'sdB12369021ttβ∆∆=−时间延缓：运动的钟走得慢.0ΔΔtt0t∆固有时:同一地点先后发生两事件的时间间隔。结论：时间间隔是相对的，与参考系有关固有时最小时间延缓（TimeDilation）021ttβ∆∆=−s1016.31'52−×=−=cvττm95001016.310994.258≈×××=−l例1：子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为，过后即衰变为一个电子和一个中微子。宇宙射线在大气上层产生子的速度极大，可达。如果没有时间延缓效应，它们从产生到衰变这段时间里平均走过的距离只有，这样，子就不可能到达地面。但实际上，子可穿透大气9000多米。这是为什么？s1026−×µcv998.0=m600µµµ3.长度收缩（LengthContraction）x'Al′'x'yv'o'z's'B棒沿轴对系静止放置，在系中测量的长度为（固有长度）。xO′S′S′0ll=′问:在S系中测，棒有多长?yozs1x设在S系中某时刻t，棒右端经过x1点，经过时间后，左端经过x1点，则在S系中测得棒长为。在系中来看，棒是静止的，S系向左运动，x1点相继经过棒的右端和左端，用时为，则在系中有：S′t′∆t∆tvl∆=S′tvl′∆=′固有时x'Al′'x'yv'o'z's'Byozs1x21β−∆=′∆tt21β−=′⇒ll021lllll=′⇒−′=β即:结论：运动的棒长度变短或收缩结论：长度或空间间隔是相对的，与参考系有关讨论201llβ=−(1)长度收缩ll0V(2)如将物体固定于系,在系测量,同样出现长度收缩现象.S′S物体对观察者向何处运动,观察者观测到在该方向上其长度发生收缩.解：S´Sθ´例2：一长为1米的棒，相对于S´系静止并与x´轴夹角θ´=45º角，S´系相对Ｓ系以沿x正向运动。问：在S系的观察者来看，此棒的长度以及它与x轴的夹角为多少？23cv=θ′′=′cosllxθ′′=′=sinlllyy221cvllxx−′=22yxlll+=())(79.0cos1222mcvl=′−′=θ21cossin22=−′′′′==cvlllltgxyθθθ'2763°=θv221coscvl−′′=θ