第六章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)

第六章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)第1頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三自然和自然規(guī)律隱藏在黑暗之中，上帝說(shuō)“讓牛頓降生吧”，一切就有了光明；愛(ài)因斯坦但是，光明并不久長(zhǎng)，魔鬼又出現(xiàn)了，上帝咆哮說(shuō)：“讓愛(ài)因斯坦降生吧”，就恢復(fù)到現(xiàn)在這個(gè)樣子。牛頓第2頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三愛(ài)因斯坦:Einstein牛頓:Newton絕對(duì)時(shí)空觀現(xiàn)代時(shí)空觀伽利略變換洛倫茲變換經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理相對(duì)性原理(對(duì)于不同的慣性系，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的描述是相對(duì)的，但是力學(xué)的基本定律---牛頓定律，其形式都是一樣的。）物理規(guī)律對(duì)所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特殊的（例如“絕對(duì)靜止”的）慣性系。困難第3頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三長(zhǎng)度的量度與參考系無(wú)關(guān)．時(shí)間的量度與參考系無(wú)關(guān)空間和時(shí)間彼此獨(dú)立

空間和時(shí)間是緊密相聯(lián)的長(zhǎng)度的量度與參考系有關(guān)．時(shí)間的量度與參考系有關(guān).絕對(duì)時(shí)空觀現(xiàn)代時(shí)空觀第4頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三伽利略坐標(biāo)變換與重合位置坐標(biāo)變換公式

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：1）時(shí)間的量度是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān)；2）空間的量度也是絕對(duì)的，與參考系無(wú)關(guān).*第5頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三伽利略變換第6頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一切慣性系都是等價(jià)的經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理若u＝常矢量

對(duì)于不同的慣性系，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的描述是相對(duì)的，但是力學(xué)的基本定律---牛頓定律，其形式都是一樣的。經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理：第7頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三伽利略變換的困難光速c伽利略變換:麥克斯韋電磁場(chǎng)理論:

利用伽利略變換對(duì)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律進(jìn)行變換，發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律對(duì)不同的慣性系不具有相同的形式。第8頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三時(shí)間、長(zhǎng)度、質(zhì)量“同時(shí)性”和力學(xué)定律的形式是絕對(duì)的物體的坐標(biāo)和速度、“同一地點(diǎn)”是相對(duì)的第9頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.相對(duì)性原理物理規(guī)律對(duì)所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特殊的（例如“絕對(duì)靜止”的）慣性系。2.光速不變?cè)碓谝磺袘T性系中，光在真空中的速率恒為c

，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。6-2

愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理、光速不變一、狹義相對(duì)論的兩條基本原理第10頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三下列幾種說(shuō)法（1）所有慣性系，對(duì)于基本物理規(guī)律都是等價(jià)的。（2）光在真空中的速度與光的頻率、光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。（3）在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速度都相同。其中那些說(shuō)法是正確的？（A）只有（1）、（2）正確。（B）只有（1）、（3）正確。（C）只有（2）、（3）正確。（D）三種說(shuō)法都正確。第11頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果你以接近于光速的速度朝一星體飛行，你是否可以根據(jù)下述變化發(fā)覺(jué)自己是在運(yùn)動(dòng)[]A．你的質(zhì)量在增加

B．你的心臟跳動(dòng)在慢下來(lái)

C．你在變小

D．以上三種變化同時(shí)發(fā)生

E．你永遠(yuǎn)不能由自身的變化知道你的速度第12頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三洛倫茲坐標(biāo)變換與重合*時(shí)間和空間是均勻的，因此它們之間的變換關(guān)系是線形的.第13頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三假設(shè)第14頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)根據(jù)相對(duì)性原理，和是等價(jià)的(2)設(shè)想兩個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)重合時(shí)，從原點(diǎn)發(fā)出一個(gè)沿x軸傳播的光脈沖，由光速不變?cè)?，在任一瞬時(shí)t（t’）光信號(hào)到達(dá)點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)兩個(gè)坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)分別是：第15頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三消去消去第16頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正變換洛侖茲變換式*第17頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于洛侖茲變換的說(shuō)明：1、在狹義相對(duì)論中，洛侖茲變換占據(jù)中心地位；2、洛侖茲變換是同一事件在不同慣性系中兩組時(shí)空坐標(biāo)之間的變換方程；3、各個(gè)慣性系中的時(shí)間、空間量度的基準(zhǔn)必須一致；4、相對(duì)論將時(shí)間和空間，及它們與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不可分割地聯(lián)系起來(lái)了。5、時(shí)間和空間的坐標(biāo)都是實(shí)數(shù)，變換式中不應(yīng)該出現(xiàn)虛數(shù)6、洛侖茲變換與伽利略變換本質(zhì)不同，但是在低速和宏觀世界范圍內(nèi)洛侖茲變換可以還原為伽利略變換。第18頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三伽利略變換討論第19頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三《物理世界奇遇記》----城市速度極限湯普金斯先生

第20頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

自行車和車上的年輕人在運(yùn)動(dòng)方向上都難以置信地縮扁了.

-----運(yùn)動(dòng)物體的收縮

第21頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三街道縮短了

商店的櫥窗變得像一條條狹縫人行道上步行的人則變成他有生以來(lái)第一次見(jiàn)到的細(xì)高條

-----相對(duì)性第22頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第23頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三說(shuō)明同時(shí)具有相對(duì)性，時(shí)間的量度是相對(duì)的.

和光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在相對(duì)于此慣性系運(yùn)動(dòng)的另一慣性系中觀察，并不一定是同時(shí)發(fā)生的.6－3同時(shí)的相對(duì)性和時(shí)間延緩一、同時(shí)的相對(duì)性第24頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

沿兩個(gè)慣性系相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)慣性系中表現(xiàn)為同時(shí)的，在另一慣性系中觀察則不同時(shí)。結(jié)論：——同時(shí)的相對(duì)性第25頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三用洛倫茲變換式說(shuō)明同時(shí)的相對(duì)性。第26頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三同時(shí)的相對(duì)性在一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件在其他慣性系中不再是同時(shí)事件。只有在一個(gè)慣性系中同時(shí)同地發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)參考系中才是同時(shí)同地發(fā)生的。第27頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三K系中發(fā)生的兩個(gè)事件和。若K’系以高速u相對(duì)k系沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，k’系測(cè)得這兩個(gè)事件必定是（）。A.同時(shí)事件B.不同地點(diǎn)發(fā)生的同時(shí)事件C.即非同時(shí)，也非同地D.無(wú)法確定C第28頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三時(shí)序與因果律子彈前事件1：開槍在S中：后事件2：鳥死由因果律聯(lián)系的兩事件的時(shí)序是否會(huì)顛倒？在S'中：是否能發(fā)生先鳥死，后開槍？在S中：先開槍，后鳥死第29頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三子彈速度信號(hào)傳遞速度所以由因果率聯(lián)系的兩事件的時(shí)序不會(huì)顛倒。在S'系中：仍然是開槍在前，鳥死在后。分析：第30頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、時(shí)間的延緩湯普金斯先生兩次看表學(xué)院郵局第31頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三時(shí)間延遲：固有時(shí):在某一參考系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔叫固有時(shí)。時(shí)間延緩：運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢.固有時(shí)最短第32頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例6.1一飛船以u(píng)=9×103m/s的速率相對(duì)與地面勻速飛行。飛船上的鐘走了5s,地面上的鐘經(jīng)過(guò)了多少時(shí)間？解：飛船的時(shí)間膨脹效應(yīng)實(shí)際上很難測(cè)出第33頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三某種介質(zhì)靜止時(shí)的壽命是，如它以速度的速度運(yùn)動(dòng)，它能飛行的距離s為（）第34頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例6.2帶正電的介子是一種不穩(wěn)定的粒子。當(dāng)它靜止時(shí)，平均壽命為，過(guò)后即發(fā)生衰變。今產(chǎn)生一束介子，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得它的速率為u＝0.99c，并測(cè)得它在衰變前通過(guò)的平均距離為52m。這些測(cè)量結(jié)果是否一致？固有時(shí)通過(guò)的平均距離：與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的符合！第35頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一對(duì)雙生兄弟:“明明”和“亮亮”,在他們20歲生曰的時(shí)候,明明坐宇宙飛船去作一次星際旅游,飛船一去一回作勻速直線運(yùn)動(dòng),速度為0.9998C.明明在天上過(guò)了一年,回到地球時(shí),亮亮已多大年齡?雙生子效應(yīng)第36頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三K系你怎么這樣老了！老朽70歲了！亮亮K’系第37頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三K系你怎么這樣老了！老朽70歲了！K’系亮亮第38頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.4長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度測(cè)量的定義：在某一參考系中，測(cè)量物體的長(zhǎng)度，就是要測(cè)量它的兩端點(diǎn)在同一時(shí)刻的位置之間的距離。同時(shí)的相對(duì)性長(zhǎng)度測(cè)量的相對(duì)性第39頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第40頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三長(zhǎng)度收縮

當(dāng)

時(shí).

長(zhǎng)度收縮是一種相對(duì)效應(yīng),此結(jié)果反之亦然.注意固有長(zhǎng)度：棒靜止時(shí)測(cè)得的它的長(zhǎng)度叫棒的靜長(zhǎng)或固有長(zhǎng)度.（最長(zhǎng)）第41頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例6.3固有長(zhǎng)度為5m的飛船以的速率相對(duì)于地面勻速飛行時(shí)，從地面上測(cè)量，它的長(zhǎng)度是多少？固有長(zhǎng)度第42頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三習(xí)題3。宇宙飛船相對(duì)地面以速度V作勻速直線飛行，在某一時(shí)刻，飛船頭部的宇航員向飛船尾部發(fā)出一個(gè)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)（飛船上的時(shí)鐘）時(shí)間后被尾部的接收器收到，則由此可知飛船的固有長(zhǎng)度為：第43頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.5在S系中觀察到在同一地點(diǎn)發(fā)生兩個(gè)事件，第二事件發(fā)生在第一事件之后2s，在系中觀察到第二事件在第一事件后3s發(fā)生。求在系中這兩個(gè)事件的空間距離。第44頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總結(jié)1.相對(duì)性原理物理規(guī)律對(duì)所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特殊的（例如“絕對(duì)靜止”的）慣性系。2.光速不變?cè)碓谝磺袘T性系中，光在真空中的速率恒為c

，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。兩條基本假設(shè)（愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論基本原理)第45頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三洛侖茲變換式總結(jié)位置坐標(biāo)變換第46頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三狹義相對(duì)論時(shí)空觀2、相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)的慣性系沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度對(duì)觀測(cè)者來(lái)說(shuō)收縮了。1、相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)的慣性系的時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)者來(lái)說(shuō)變慢了。3、沒(méi)有“絕對(duì)”的時(shí)間、“絕對(duì)”的空間。長(zhǎng)度收縮和時(shí)間的膨脹是相對(duì)的。總結(jié)第47頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例3：設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c

。問(wèn)：從地面上看，物體速度多大？s第48頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.6相對(duì)論速度變換在S系中：在S’系中：1.速度分量定義：第49頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第50頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第51頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.洛侖茲速度變換式逆變換正變換第52頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例3：設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c

。問(wèn)：從地面上看，物體速度多大？s第53頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三解：選飛船參考系為S'系地面參考系為S系第54頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)第55頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.7相對(duì)論質(zhì)量1.質(zhì)量的表達(dá)猜想形式力持續(xù)作用物體持續(xù)加速但v的上限是c要求：m隨速率增大而增大第56頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.物體質(zhì)量與速度有關(guān)，物體的靜止質(zhì)量最小.2.物體運(yùn)動(dòng)極限速度為光速。3.光子靜止質(zhì)量為0.4.低速物體第57頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三S分裂前分裂后-uu

在S’中觀察：SABSS第58頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三S

SuM在S中觀察：S

SuAB分裂前分裂后系統(tǒng)動(dòng)量：系統(tǒng)動(dòng)量：第59頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)量守恒第60頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，其密度為，若物體以高速相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)，觀察者測(cè)得物體的密度為，則與的關(guān)系為（）C第61頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一物體由于運(yùn)動(dòng)速度的加快而使其質(zhì)量增加了，則此物體在其運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度縮短了（）。第62頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.相對(duì)論動(dòng)量及力的表達(dá)式

用加速度表示的牛頓第二定律公式在相對(duì)論力學(xué)中不再成立。第63頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.9在什么速度下粒子的動(dòng)量等于非相對(duì)論動(dòng)量的兩倍？動(dòng)量：非相對(duì)論動(dòng)量：p195第64頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第65頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.8相對(duì)論動(dòng)能

在相對(duì)論動(dòng)力學(xué)中，力對(duì)粒子所做的功使它的速率由0增大到時(shí)，力所做的功仍然定義為和粒子最后的動(dòng)能相等。第66頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相對(duì)論動(dòng)能兩邊求微分第67頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

例1有一粒子靜止質(zhì)量為m0，現(xiàn)以速度v=0.8c運(yùn)動(dòng)，計(jì)算它的動(dòng)能第68頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)注意相對(duì)論動(dòng)能與經(jīng)典力學(xué)動(dòng)能的區(qū)別和聯(lián)系討論(2)當(dāng)v

c，，意味著將一個(gè)靜止質(zhì)量不為零的粒子，使其速度達(dá)到光速，是不可能的。第69頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.9在什么速度下粒子的動(dòng)能等于非相對(duì)論動(dòng)能的兩倍？p195動(dòng)能：非相對(duì)論動(dòng)能：第70頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.9相對(duì)論能量動(dòng)能靜止時(shí)的能量討論任何宏觀靜止的物體具有能量。相對(duì)論質(zhì)量是能量的量度。能量的變化意味著質(zhì)量的變化。能量守恒，則質(zhì)量守恒。第71頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期三質(zhì)能守恒定律

在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，所有粒子的相對(duì)論能量在相互作用過(guò)程中保持不變。質(zhì)量守恒定律

在一個(gè)孤立系統(tǒng)內(nèi)，粒子在相互作用過(guò)