高二物理競賽狹義相對(duì)論課件

狹義相對(duì)論第四章

當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，準(zhǔn)確地遵從牛頓力學(xué)的規(guī)律。而當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近于光速時(shí)，牛頓力學(xué)不再適用。相對(duì)論是二十世紀(jì)初物理學(xué)的偉大成就之一，它建立了新的時(shí)空觀，并在此基礎(chǔ)上給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律。在宇宙星體、基本粒子、原子能等研究領(lǐng)域中，都要用到相對(duì)論力學(xué)。本章主要內(nèi)容有：狹義相對(duì)論的基本原理，洛倫茲變換，相對(duì)論時(shí)空觀及相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

愛因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)理論物理學(xué)家。他是自然科學(xué)的改革家，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。他用光量子理論說明了光電效應(yīng)。提出固體熱容量的量子理論以及玻色-愛因斯坦的量子統(tǒng)計(jì)法。晚年致力于宇宙學(xué)和統(tǒng)一場的研究。相對(duì)論狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論1905年建立討論相互勻速直線運(yùn)動(dòng)的不同慣性參考系對(duì)物理現(xiàn)象所作的測量結(jié)果，其結(jié)論可用少量的數(shù)學(xué)導(dǎo)出，用于物理學(xué)和工程技術(shù);1916年建立討論任意運(yùn)動(dòng)的非慣性參考系對(duì)物理現(xiàn)象所作的測量結(jié)果，其結(jié)論需要大量的數(shù)學(xué)，應(yīng)用于宇宙學(xué)、天體物理、高能物理等。oxyzvtK為固定慣性系,坐標(biāo)變換式：P(x,y,z)§4-0伽利略相對(duì)性原理經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀一、伽利略相對(duì)性原理為運(yùn)動(dòng)慣性系，相對(duì)于K系速度為v。oˊ速度變換式：加速度變換式：伽利略相對(duì)性原理：

對(duì)于任何一個(gè)慣性參考系，任何力學(xué)規(guī)律都是等價(jià)的。

描述二：力學(xué)現(xiàn)象對(duì)于一切慣性參考系，規(guī)律相同；

描述三：在慣性參考系內(nèi)通過一切力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判定該慣性參考系是靜止還是勻速直線運(yùn)動(dòng)?？偨Y(jié)：(1)坐標(biāo)、速度、軌道具有相對(duì)性，與參照系選擇有關(guān)；(2)質(zhì)量、時(shí)間、長度、加速度、力等是絕對(duì)的。oxyzvtM()N()絕對(duì)時(shí)空觀：時(shí)間和空間是絕對(duì)的，與參考系選擇無關(guān)。§4-1狹義相對(duì)論基本原理和洛侖茲變換絕對(duì)時(shí)空觀和伽利略變換長期被奉為絕對(duì)真理，對(duì)它們的沖擊最早來自麥克斯韋的電磁場理論。表現(xiàn)在兩方面：1.電磁場理論不滿足力學(xué)相對(duì)性原理，在伽利略變換下，電磁場方程形式發(fā)生變化；物理學(xué)家假設(shè)存在絕對(duì)靜止的參考系“以太”。2.按照電磁場理論，光是電磁波，并通過媒質(zhì)以有限的速度傳遞，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光可以在真空中傳播。一、產(chǎn)生狹義相對(duì)論的背景

十九世紀(jì)末，在光的電磁理論發(fā)展過程中，有人認(rèn)為宇宙間充滿著一種叫做“以太”的媒質(zhì)，光是靠“以太”來傳播的。并且把這種“以太”選作絕對(duì)靜止的參考系。凡是相對(duì)于這個(gè)絕對(duì)參考系的運(yùn)動(dòng)叫做絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一觀點(diǎn)，歷史上一些物理學(xué)家設(shè)計(jì)出了各種實(shí)驗(yàn)，希望通過運(yùn)動(dòng)參考系中所發(fā)生的物理現(xiàn)象，找出一種發(fā)現(xiàn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)并測出絕對(duì)速度的方法來。1881年，邁克耳孫-莫雷設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，企圖利用光干涉的方法，測量地球相對(duì)于“以太”的絕對(duì)速度，從而確定“以太”的存在。邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)否定了絕對(duì)參考系的存在。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生矛盾！狹義相對(duì)論基本原理：1.狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理：在所有慣性系中，物理定律的表達(dá)形式都相同。2.光速不變?cè)恚涸谒袘T性系中，真空中的光速具有相同的量值c。說明：

(1)光在真空中傳播速度c具有各向同性；

(2)光的傳播速度與光源和觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)。S觀察者（相對(duì)于光源靜止）接受到光速為cS接受到光速為c接受到光速為c觀察者（靜止）觀察者（相對(duì)于光源運(yùn)動(dòng)）S光源運(yùn)動(dòng)(1)通過這種變換，物理定律都應(yīng)該保持自己的數(shù)學(xué)表

達(dá)形式不變；

(2)通過這種變換，真空中光的速率在一切慣性系中保

持不變；

(3)這種變換在適當(dāng)?shù)臈l件下(即在低速情況下)轉(zhuǎn)化為伽利略變換。尋找新的變換形式!能夠滿足狹義相對(duì)論基本原理的變換是洛倫茲變換：

洛倫茲(1853——1928)荷蘭物理學(xué)家。變換式原來是洛倫茲在1904年研究電磁場理論時(shí)提出來的，當(dāng)時(shí)并未給予正確解釋。第二年愛因斯坦從新的觀點(diǎn)獨(dú)立地導(dǎo)出了這個(gè)變換式。通常以洛倫茲命名。二、洛侖茲坐標(biāo)變換式oxyz.P(x,y,z,t)系相對(duì)于K系以勻速運(yùn)動(dòng)，在

時(shí),O與重合。逆變換：K系相對(duì)于系以

勻速運(yùn)動(dòng)，在

時(shí),O與重合。討論：1、在速度遠(yuǎn)小于真空中光速c時(shí)，相對(duì)論結(jié)論與牛頓力學(xué)結(jié)論相同。真空中光速c為一切實(shí)際物體的速度極限，不存在超光速的客體。3、比較

伽利略變換洛侖茲變換反映力學(xué)相對(duì)性原理反映相對(duì)性原理適用于低速物體，

認(rèn)為速度無極限，

時(shí)間空間互相獨(dú)立。適用于一切物體，

速度極限為c，

時(shí)間空間不可分隔。區(qū)別聯(lián)系低速時(shí),洛侖茲變換伽利略變換§4-2相對(duì)論速度變換速度定義:K系系對(duì)坐標(biāo)、時(shí)間變換微分:兩邊除以相對(duì)論速度變換相對(duì)論速度逆變換討論:1.2.體現(xiàn)物體速度極限為c。例1:一短跑運(yùn)動(dòng)員在地球上以10s時(shí)間跑完100m,在飛行速度為0.98c的飛船上看來,這名選手跑了多長距離?用了多長時(shí)間?解:地球?yàn)镵系,選手起點(diǎn)(x1,0,0,t1)，終點(diǎn)(x2,0,0,t2)。x2-x1=100m，t2-t1=10s。飛船為

系例二:地球上一觀察者看見一飛船A

以速度從他身邊飛過，另一飛船B

以速度跟隨A

飛行。求：（1）A

上的乘客看到B

的相對(duì)速度；（2）B

上的乘客看到A

的相對(duì)速度。S（地球）飛船B飛船AS（地球K）飛船B解：（1）A

看B：如圖：由題意知代入公式得（2）B

看A：如圖：由題意知S（地球K）代入公式得飛船A飛船A例三:一空間站發(fā)射兩個(gè)飛船，它們的運(yùn)動(dòng)路程相互垂直。設(shè)一觀察者O

位于空間站內(nèi)，他測得第一個(gè)飛船