《汕头大学《大学物理》课件-第14章 狭义相对论力学基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汕头大学《大学物理》课件-第14章 狭义相对论力学基础（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、14.1 力学相对性原理力学相对性原理 伽利略坐标变换伽利略坐标变换14.2 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设14.3 洛仑兹坐标变换式洛仑兹坐标变换式14.4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 14.5 狭义狭义 相对论质点动力学简介相对论质点动力学简介汕头大学大学物理 （一）（一）已经了解的相对性已经了解的相对性运动描述与参考系有关运动描述与参考系有关,运动规律与参考系无关。运动规律与参考系无关。对牛顿定律的认识对牛顿定律的认识(惯性系与非惯性系。惯性系与非惯性系。)从哥白尼到爱因斯坦从哥白尼到爱因斯坦 （二）（二）进一步认识相对性进一步认识相对性认识论方法论的问题，教
2、育人们要脱离自我认识论方法论的问题，教育人们要脱离自我,客观地客观地看问题。看问题。相对性问题的核心是：相对性问题的核心是：物理规律是物理规律是客观存在客观存在的，的，与参考系无关与参考系无关。即即参考系平权参考系平权 ，没有，没有特殊特殊的参考系。的参考系。A A君君A A君说：头朝上。君说：头朝上。B B君君但，但，A A 君君 看看 B B 君，君，大头朝下！大头朝下！如：什么是上？下？如：什么是上？下？科学的语言必须准确！必须用物理科学的语言必须准确！必须用物理规律来表述。规律来表述。应该用万有引力定律：即认为应该用万有引力定律：即认为 下：指向地心。下：指向地心。B B君也说：头朝上
3、。君也说：头朝上。Albert EinsteinAlbert Einstein(1879(18791955)1955)哥白尼哥白尼:抛弃地心说抛弃地心说 抛弃以我为中心抛弃以我为中心爱因斯坦爱因斯坦:EinsteinEinstein现代时空的创始人现代时空的创始人提出所有的参考系平权提出所有的参考系平权被誉为二十世纪的哥白尼被誉为二十世纪的哥白尼开开 篇篇物物理理领领域域拓拓展展宏观低速宏观低速经典物理经典物理微观低速微观低速经典量子论经典量子论微观高速微观高速相对论量子理论相对论量子理论宏观高速宏观高速相对论相对论狭义相对论狭义相对论S.R.广义相对论广义相对论G.R.微观：微观：l 10
4、7 ms-1观测角度不同，看到的现象不同，或者对事物的描述不同相对性。横看成岭侧成峰，横看成岭侧成峰，远近高低各不同远近高低各不同。苏轼题西林壁苏轼题西林壁人类认识宇宙：人类认识宇宙：地平在下地平在下天穹在上天穹在上地为球形地为球形静止在宇静止在宇宙中心宙中心日心说日心说亚里士多德亚里士多德直接观察直接观察哥白尼哥白尼望远镜望远镜行星三行星三定定 律律爱因斯坦爱因斯坦相对论相对论人类科学发展史让我们看到，人类科学发展史让我们看到，由于生活时空的狭小人们对时由于生活时空的狭小人们对时空的正确认识需要一个艰难的空的正确认识需要一个艰难的过程过程开普勒开普勒住在住在“下下”面的面的人会掉下去的！人会
5、掉下去的！上帝规定：地上帝规定：地球是宇宙中心球是宇宙中心牛顿牛顿万有万有引力引力返回返回314.1力学相对性原理和伽利略变换力学相对性原理和伽利略变换对于不同的惯性系基本力学定律的对于不同的惯性系基本力学定律的形式一样吗形式一样吗？牛顿力学：牛顿力学：对于任何对于任何惯性系，牛顿定律都成立惯性系，牛顿定律都成立！伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：在一切惯性系中在一切惯性系中力学力学定律定律形式相同。形式相同。返回返回3牛顿的绝牛顿的绝对时空观对时空观如何区别如何区别“普通时间普通时间”与绝对时间？如与绝对时间？如何从诸多的惯性系中找到何从诸多的惯性系中找到“绝对参照系绝对参照系”？一样！一
6、样！绝对时空不能观测，也不能用任何实验证绝对时空不能观测，也不能用任何实验证明。但是，它在理解牛顿定律中所起的巨大明。但是，它在理解牛顿定律中所起的巨大作用，迫使牛顿引进这一概念。作用，迫使牛顿引进这一概念。这是牛顿天才这是牛顿天才的一个标志的一个标志！相对不同的参照系，长度和相对不同的参照系，长度和时间的测量结果都一样吗时间的测量结果都一样吗？人类无能为力，人类无能为力，只有上帝知道！只有上帝知道！伽利略变换伽利略变换变换变换 不同参照系对同一运动不同参照系对同一运动的描述之间的数学对应关系。的描述之间的数学对应关系。在两个惯性系中考察同一物理事件：在两个惯性系中考察同一物理事件：t t 时
7、刻，物体到达时刻，物体到达P P点点约约定定重合时重合时任意时刻任意时刻伽伽利利略略变变换换 牛顿力学规律牛顿力学规律（包括动量包括动量守恒定律、机械能守恒定律守恒定律、机械能守恒定律等）等）在伽利略变换下形式不在伽利略变换下形式不变（变（协变、对称）。协变、对称）。返回返回32)2)MaxwellMaxwell 方程组对伽利略变换非协变方程组对伽利略变换非协变 通过电磁实验可以找到通过电磁实验可以找到“绝对参照系绝对参照系”但是实验一直没有找到。但是实验一直没有找到。伽利略变换伽利略变换：以以u 速度运动光源发出的光速不再是速度运动光源发出的光速不再是 c。1)191)19世纪成熟的电磁理论
8、表明真空中光速世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c 是常量。是常量。一、光速的伽利略变换未能被证实一、光速的伽利略变换未能被证实球先动，球先动，手后击？手后击？击球时间击球时间增大增大L 可能实现！可能实现！静止球上静止球上光信号传光信号传到乙处到乙处被击后球上光被击后球上光 信号传到乙处。信号传到乙处。甲甲乙乙返回返回3 14.2狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设二、迈克耳孙二、迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验结果：所有惯性系中真空结果：所有惯性系中真空中光速各向同性中光速各向同性 c c绝对坐标系绝对坐标系中的光速中的光速沿地球运动方向沿地球运动方向 垂直地球运动方向垂直地球运动方向
9、c c理理论论计计算算，实实验验装装置置旋旋转转9090o o，干干涉涉条条纹纹将将有有3/43/4条条纹纹宽宽度度的的移移动动，应应当当能能观观察察到到，但但是是，没没有有“零零”的结果！的结果！物理学天空的乌云物理学天空的乌云!迈克尔逊迈克尔逊干涉仪干涉仪返回返回3三、三、S.R.基本假设基本假设1、S.R.相对性原理相对性原理在所有惯在所有惯性系中一切性系中一切物理物理定律形式相同定律形式相同。2、光速不变原理、光速不变原理在所有的在所有的惯性系中，惯性系中，真空中的光沿各个方向真空中的光沿各个方向传播的速传播的速 率都等于率都等于c，与光源和观与光源和观察者的运动状态无关察者的运动状态
10、无关。S.R.：不不同同的的观观察察者者看看来来，空空间间、时时间间必必定定不不一一样样运运动动的的钟钟变变慢慢，运运动动的的尺尺变变短短；质质量量随随速度而变化，能量的释放带走了质量。速度而变化，能量的释放带走了质量。经典力学经典力学定律必须定律必须修改！修改！返回返回31)1)爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展讨论讨论一切物一切物理规律理规律力学力学规律规律2)2)光速不变与伽利略变换光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对与伽利略的速度相加原理针锋相对经经 典典与参考系无关与参考系无关S.R.S.R.与参考系有关与参考系有关比比 较较时空观的革命时空观
11、的革命3）观念上的改变观念上的改变14.3 洛伦兹变换洛伦兹变换 uPxutx正正变变换换反反变变换换返回返回3变换说明真空中的光速变换说明真空中的光速C 是一切是一切物体运动速率的的极限。物体运动速率的的极限。例例 地面参照系地面参照系 S 中，在中，在 x=1.0106 m 处，于处，于 t=0.02s时刻爆炸一颗炸弹。一沿时刻爆炸一颗炸弹。一沿 x 轴正方向一速率轴正方向一速率 u=0.75 c 运动运动 飞船上的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点和时间飞船上的观察者测得这颗炸弹爆炸的地点和时间解：解：设飞船为设飞船为系，则可求出炸弹爆炸的空间、时间坐标系，则可求出炸弹爆炸的空间、时间坐标按伽
12、利略变换按伽利略变换由洛仑兹变换可以得到两个事件在不同惯性系中的时间间隔，由洛仑兹变换可以得到两个事件在不同惯性系中的时间间隔，空间间隔之间的变换关系。空间间隔之间的变换关系。正正变变换换反反变变换换对于两个事件的时间对于两个事件的时间间隔和空间间隔在不间隔和空间间隔在不同的惯性系中是不同同的惯性系中是不同的，既是相对的。罗的，既是相对的。罗仑兹变换得到了实验仑兹变换得到了实验的证实。的证实。例例 地面观察者测得地面上甲、乙两地相距地面观察者测得地面上甲、乙两地相距8.0106 m，一列火车一列火车 由甲到乙作匀速运动历时由甲到乙作匀速运动历时 2.0 秒。秒。求在与列车同向对地运行且求在与列
13、车同向对地运行且u=0.6 c 的宇宙飞船中观测，该列车由甲到乙的路程、时间和速率。的宇宙飞船中观测，该列车由甲到乙的路程、时间和速率。解解取地面参照系为取地面参照系为S系，飞船为系，飞船为S 系飞船运动方向为正方向系飞船运动方向为正方向对于已知在一个惯性系中某物体的一个对于已知在一个惯性系中某物体的一个运动过程所经历的位移和时间，而要求运动过程所经历的位移和时间，而要求在另一个惯性系观测到的位移、时间和在另一个惯性系观测到的位移、时间和速率这一类问题，应根据具体问题设定速率这一类问题，应根据具体问题设定两个事件，按所取坐标系写出已知量。两个事件，按所取坐标系写出已知量。再应用洛仑兹变换，即可
14、求出未知量。再应用洛仑兹变换，即可求出未知量。S在在 S 系系 测：测：光信号到达光信号到达A、B 的事件同时发生的事件同时发生。SAB一、一、“同时同时”的相对性的相对性在在S 系测：系测：光信号传播过程中，车又往前开了光信号传播过程中，车又往前开了 u t 先到先到A，后到后到B。14.4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观返回返回3BA1 1、上式说明两个事件的时间间隔在不同的坐标系、上式说明两个事件的时间间隔在不同的坐标系 中观测的结果一般是不同的。同时性的相对性是中观测的结果一般是不同的。同时性的相对性是 光速不变原理的直接结果。光速不变原理的直接结果。2 2、在、在S S 系中不
15、同地点同时发生的两个时间，在系中不同地点同时发生的两个时间，在 S S 系系 中观测并不同时，这一结论称为中观测并不同时，这一结论称为同时的相对性同时的相对性。3 3、当速度远远小于、当速度远远小于 c c 时，两个惯性系结果相同。时，两个惯性系结果相同。应用洛仑兹变换讨论，若有两个事件，在应用洛仑兹变换讨论，若有两个事件，在 S 系中的坐标分别为系中的坐标分别为（x1,y1,z1,t1)和和(x2,y2,z2,t2),在在S中的坐标分别为中的坐标分别为(x1,y1,z1,t1)和和 (x2,y2,z2,t2)则有则有:二、长度收缩二、长度收缩-运动尺子变短运动尺子变短 对运动长度的测量问题。
16、对运动长度的测量问题。怎么测？两端的坐标必须同时测。怎么测？两端的坐标必须同时测。1 1、原长、原长棒静止时测得的它的长度棒静止时测得的它的长度,也称静长、固有长度。也称静长、固有长度。棒静止在棒静止在系中，系中，静长静长棒以接近光速的速度相对棒以接近光速的速度相对S S系运动，系运动，S S系测得棒的长度系测得棒的长度值是什么呢？值是什么呢？2 2、原长最长、原长最长 长度收缩长度收缩 事件事件1 1：测棒的左端：测棒的左端事件事件2 2：测棒的右端：测棒的右端S S系中必须同时测量两端坐标：系中必须同时测量两端坐标：由洛仑兹变换由洛仑兹变换原长最长原长最长讨论讨论讨论讨论1)1)相对效应相对效应2)2)在低速下在低速下 伽利略变换伽利略变换3)3)同时性的相对性的直接结果同时性的相对性的直接结果例例1 1、原长为、原长为5 5m m的飞船以的飞船以u u9 910103 3m/sm/s的速率相对于地的速率相对于地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？解：解：差别很难测出。差别很难测出。考察一只钟。考察一只钟。在研究一个物理过程的时间
