《相對論》簡介.ppt

1、第 五 章,相對論的創(chuàng)建是二十世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成就之一。1905年愛因斯坦建立了基于慣性參考系的時間、空間、運(yùn)動及其相互關(guān)系的物理新理論狹義相對論。1915年愛因斯坦又將狹義相對論原理向非慣性系進(jìn)行推廣，建立了廣義相對論，進(jìn)一步揭示了時間、空間、物質(zhì)、運(yùn)動和引力之間的統(tǒng)一性質(zhì)。,本章重點(diǎn)介紹狹義相對論的基本原理。,一、牛頓時空觀的回顧,（1）位移：,（2）速度：,即：,（3）加速度：,若v =常數(shù)，則 a牽=0，,1.牛頓的絕對時空觀,伽利略速度相加定律,長度測量的絕對性,時間測量的絕對性,兩個參照系相對速度： v C,1,2.伽利略坐標(biāo)變換,或：,設(shè)S 系沿S 系的 x 軸以速度v 運(yùn)動，

2、 并且 to= to = 0 時，S 與S 重合。,x,vt,S,2,任意 t 時刻：,如：牛頓定律,力學(xué)規(guī)律,在 慣性系觀察,s,在 慣性系觀察,在一切慣性系中，力學(xué)規(guī)律相同。,稱為,伽利略相對性原理,電磁學(xué)規(guī)律,P 處有兩個點(diǎn)電荷,規(guī)律不相同,無實(shí)驗(yàn)根據(jù),1. 牛頓時空觀在高速運(yùn)動領(lǐng)域不成立,C與參照系無關(guān),真空中的光速：,兩個參照系相對運(yùn)動的速度 v C， 且 v =常數(shù) 時：,o=8.8510-12 o=4 10-7,= 2.99108 m/s,二、愛因斯坦時空觀,對所有慣性系，物理 規(guī)律都是相同的。,在任何慣性系中， 光在真空中的速率都 等于同一量值C 。,2.愛因斯坦的兩個基本假設(shè)

3、,6,（1）相對性原理,不存在任何一個特殊的慣性參照系。,（2）光速不變原理,3. 由光速不變原理得出的有關(guān)結(jié)論,（1）同時的相對性,設(shè)如下思想實(shí)驗(yàn)：,y,y,x,x,A,B,M,v,O,在 S 系中觀察：,光到達(dá)A 和光到達(dá)B 這兩事件不會同時發(fā)生！,光到達(dá)A和光到達(dá)B這兩事件同時發(fā)生！,在 S系中觀察：,7,1,（1）沿兩慣性系相對 運(yùn)動方向發(fā)生的 兩個事件，在其 中一個慣性系中 表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一 慣性系運(yùn)動的后方那一事件先發(fā)生。,（2）對不同參照系，同樣兩事件之間的時間間隔 是不同的。,相對論效應(yīng)之一：同時的相對性,結(jié)論,S 相對S 系的速度越大，在S系測兩事件的時

4、間間隔就 越長。,8,（2）時間膨脹（運(yùn)動的時鐘變慢）,設(shè)S 系中，A 點(diǎn)有一閃光光源和一接收器， 并在Y 軸放一反射鏡。,Y,Y,A,d,在S 系看：,兩事件時間間隔：,Y,L,L,X,X,X,X,在S系看：,顯然：,9,1,2,在S 系同一地點(diǎn)發(fā)生的 兩個事件的時間間隔為t ,在S系測同樣兩事件的 時間間隔總是要長一些：,定義：在某一參照系同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個事件 之間的時間間隔叫作原時。,顯然： 為原時。,原時最短！,相對論效應(yīng)之二：時間膨脹效應(yīng)（時鐘延緩）,結(jié)論,10,考慮時間膨脹效應(yīng)：,則:,例1.帶正電的介子是一種不穩(wěn)定的粒子，當(dāng)它靜止時， 平均壽命 t =2.510-8s，然后

5、衰變?yōu)橐粋€介子和 一個中微子。在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生一束v =0.99C的介子， 并測得它在衰變之前通過的平均距離為52m。這些 測量結(jié)果說明什么？,解：若不考慮相對論效應(yīng),它在實(shí)驗(yàn)室走過的距離為：,“洞中方一日，世上已千年”,= 2.5 10-8s,=1.8 10-7s,11,騎在一束光上是什么感覺？,問：一個光子的壽命？,時間是靜止的！,永遠(yuǎn)年青！,12,例2.一宇宙飛船以 v = 9 103 m/s 的速率相對地面 勻速飛行，飛船上的鐘走了5s，地面上的鐘測 量經(jīng)過了多少時間？,解：,所以，當(dāng) v c 時: 與參照系無關(guān)。,則：,原時,13,= 5.000000002 s,（3）運(yùn)動的尺變短,例如

6、：在地面測正在以速度v 行駛的車的長度。,A,B,x1,X,X,y,y,o,o,垂直運(yùn)動方向不受影響：,在S 系測車的長度為：,在S 系測量:,t +t 時刻，,在S 系看：,而：,S 系測車的長度：,v,車的長度：, L,y=y,L=x2x1,L= vt,z=z,B 經(jīng)過 x2=x1+vt 點(diǎn),原時,x1點(diǎn)走過的距離為L，,所用時間：,t 時刻 ， B 經(jīng)過x1點(diǎn)；,L,A 經(jīng)過x1點(diǎn)，,14,=vt,.,1,2,3,相對某一參照系靜止的棒長度為L,在另一 參照系看要短一些即：L L,定義：物體相對參照系靜止時，測得物體的長 度為原長。,顯然：原長最長,相對論效應(yīng)之三： 運(yùn)動的尺度縮短,結(jié)論

7、,15,例3. S系與S 系是坐標(biāo)軸相互平行的兩個慣性系，S 系 相對S系沿X軸正向勻速運(yùn)動。一根剛性尺靜止在 S 系中與X 軸成30o角，今在S系中觀察得該尺與 X軸成45o角，則S 系相對S 系的速度是多少？,解： 在S系：,在S 系：,17,?,問：車過橋時S 和 S是否認(rèn)為橋長可容納全車長？,例4. 已知,S看：,而車長,=173.2 (m),而橋長是相對論長度,200 m,解:,橋靜車動,橋長是原長,S 看：,車靜橋動,車長是原長,不可以,175 m,19,例5. 5m 長的宇宙飛船，以 v =9103 m/s 相對地面飛行, 在地面上測其長度為：,可見：L L，即：當(dāng) vC 又回到牛頓時空觀。,= 4.999999998 m,18,即:,得:,欲使飛船收縮到原長的一半,飛船的速度v=?,同時性的相對性,運(yùn)動的時鐘變慢,運(yùn)動的尺子縮短,愛因斯坦時空觀小結(jié),1. 牛頓時空觀在高速運(yùn)動領(lǐng)域不成立,2.愛因斯坦相對性原理,3.光速不變原理,4. 由光速不變原理得出的有關(guān)結(jié)論,原時最短,19,顯然這些結(jié)論與 牛頓時空及伽利略 變換相矛盾？,作業(yè)： 5T6、T7、T8,雙星觀測,兩顆繞共同質(zhì)心O 旋轉(zhuǎn)的恒星A、B,光速與光源運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的實(shí)例,討論 B（伴星）的運(yùn)動:,光速,不是亮點(diǎn)，應(yīng)是,一個亮