大学物理第6章相对论基础.ppt

5/17/20231DUT 余 虹5/17/20232DUT 余 虹6.1 牛顿相对性原理和伽利略变换牛顿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形式一对于不同的惯性系基本力学定律的形式一样吗样吗？牛顿力学：牛顿力学：对于任何惯性系，牛顿对于任何惯性系，牛顿定律都成立定律都成立！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形式相同。定律形式相同。5/17/20233DUT 余 虹牛顿的绝对时空牛顿的绝对时空观认为一样。观认为一样。那么，如何区别那么，如何区别“普通时间普通时间”与绝对时间？如何从与绝对时间？如何从诸多的惯性系中找到诸多的惯性系中找到“绝对参照系绝对参照系”？牛顿说：？牛顿说：“人类无能为力，只有上帝知道！人类无能为力，只有上帝知道！”绝对时空不能观测，也不能用任何实验证明。但是，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作用，迫使牛顿引进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。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，长度和时间的相对不同的参照系，长度和时间的测量结果都一样吗测量结果都一样吗？5/17/20234DUT 余 虹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5/17/20235DUT 余 虹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）。5/17/20236DUT 余 虹 6.2 光光 速速一、迈克耳孙一、迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验绝对参考系中光速各向同性绝对参考系中光速各向同性 c c沿运动方向沿运动方向 垂直运动方向垂直运动方向运动参考系运动参考系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！5/17/20237DUT 余 虹2)2)Maxwell 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表明真空中光速世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c c 是常量。是常量。二、伽利略变换的困难二、伽利略变换的困难球先动，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！静止球上光静止球上光信号传到乙信号传到乙处处被击后球上光信号被击后球上光信号传到乙处。传到乙处。甲甲乙乙5/17/20238DUT 余 虹6.3 S.R.基本假设基本假设 和洛伦兹变换和洛伦兹变换1、S.R.相对性原理相对性原理在一切惯在一切惯性系中性系中物理物理定律形式相同定律形式相同。2、光速不变原理、光速不变原理真空中的光真空中的光速速 c 与光源的运动状态无关与光源的运动状态无关。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！一、一、S.R.基本假设基本假设 5/17/20239DUT 余 虹经经 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的革命5/17/202310DUT 余 虹二、洛伦兹变换二、洛伦兹变换 uPxutx正正变变换换反反变变换换5/17/202311DUT 余 虹在在 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。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。SSABBA一、一、“同时同时”的相对的相对性性6.4 时钟效应与长度收缩时钟效应与长度收缩5/17/202312DUT 余 虹二、时间膨胀二、时间膨胀原时原时：同一地同一地点的钟所测得点的钟所测得时间间隔时间间隔原时最短！原时最短！5/17/202313DUT 余 虹例题例题：+介子静止时平均寿命介子静止时平均寿命 （衰变为（衰变为 子与中微子）子与中微子）。用高能加速器把用高能加速器把+介子介子加速到加速到 求：求：+介子平均一生最长行程介子平均一生最长行程。解：解：按经典理论按经典理论实验室测得实验室测得相对论考虑相对论考虑时间膨胀时间膨胀 为为原时原时最短最短实验室测得运动的实验室测得运动的+介子平均寿命介子平均寿命 算算 得得5/17/202314DUT 余 虹例题例题：列车以列车以108公里的时速相对地面作匀公里的时速相对地面作匀速运动。地面一事件历时速运动。地面一事件历时10s，在车上参，在车上参照系测得此事件历时多久？照系测得此事件历时多久？解解：原时原时 t =10 s太小，不易察觉！太小，不易察觉！5/17/202315DUT 余 虹SS：往返历时往返历时S：往往 t1 返返 t2静长最长！静长最长！三、长度收缩三、长度收缩5/17/202316DUT 余 虹思考思考SS静止在静止在S 系的几何图形，在系的几何图形，在S系中讨论其形状系中讨论其形状5/17/202317DUT 余 虹四、速度变换四、速度变换uvxP S ：S：讨论：讨论：vx vx 的关系的关系 =物体沿物体沿x方向运动方向运动5/17/202318DUT 余 虹例题例题：在：在 S 系测得光信号速度为系测得光信号速度为c，求在相对，求在相对S 沿沿x 方向以方向以u 匀速运动的匀速运动的 S 系测得光信号的速度。系测得光信号的速度。uc光信号光信号S：vx=？S：vx=c！不管不管 u 多大，在多大，在 S系中测得光速仍然系中测得光速仍然是是 c 追赶光是徒劳的！追赶光是徒劳的！c 是一切是一切物质运动的极限速率。物质运动的极限速率。5/17/202319DUT 余 虹例题例题 在地面测得两枚静长为在地面测得两枚静长为2020m 的火箭的火箭 A、B以以 0.9 c 的速度背向飞行。求：在火箭的速度背向飞行。求：在火箭 A上测上测量火箭量火箭 B 的速度和长度？的速度和长度？解：解：设地球设地球S 系系AS系系ABxSyyxS静长静长L=20m，在相对速度为，在相对速度为9.995c 的惯性系中长度的惯性系中长度5/17/202320DUT 余 虹物体沿任意方向运动物体沿任意方向运动uP？5/17/202321DUT 余 虹1、S 逆逆x 轴运动，洛伦轴运动，洛伦兹变换式怎样表示？兹变换式怎样表示？思思 考考u2、S 沿沿y 轴运动，洛伦轴运动，洛伦兹变换式怎样表示？兹变换式怎样表示？5/17/202322DUT 余 虹作者作者 余余 虹虹5/17/202323DUT 余 虹