狭义相对论力学基础.pptx
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1、现代时空的创始人。创立了狭义相对论、广义相对论;帮助创立了量子力学。最伟大的物理学家。马克思、弗洛伊德、爱因斯坦人类现代最伟大的思想家。爱因斯坦:Einstein。第1页/共82页主要内容:狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 洛仑兹变换式 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹速度变换 相对论性质量和动量 相对论性能量 相对论性力和加速度间关系第2页/共82页12.1 狭义相对论的历史背景 力学的相对性原理 伽利略变换一.相对性和不变性 从两个互有相对运动的参照系对同一事物的观察结果不同,或对同一物理量测量结果不同,称事物或物理量的相对性。如果任何两个有相对运动的参照系中的观察者对于某一个物理量的测
2、量结果总是一样,或对于某一物理定律的表述形式完全一样,称这个物理量或物理定律具有不变性。第3页/共82页二.力学相对性原理在平静的水面匀速航行的船在笔直的铁轨匀速行进的火车 高空飞行的航班 描述力学现象的规律不随观察者所选用的惯性系而变,或者说,在研究力学规律时一切惯性系都是 等价等价 的,这称为力学相对性原理,又称之为伽利略相对性原理。第4页/共82页在两个惯性系中考察同一物理事件 设惯性系S 和相对S运动的惯性系St时刻,物体到达P点三.伽利略变换 Galilean transformation重合时,计时开始。第5页/共82页正变换逆变换第6页/共82页速度变换与加速度变换正逆两个都是惯
3、性系是恒量在两个惯性系中第7页/共82页Newton Principle of relativity 在牛顿力学中力与参考系无关 质量与运动无关四.牛顿的相对性原理宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变或 牛顿力学规律是伽利略不变式第8页/共82页如:动量守恒定律第9页/共82页五.经典力学的时空观-绝对时空观 在伽利略变换式中t=t,从而t=t,表明:在一切惯性参考系中,时间的量度是一致的。同理,可知对同一物体长度的测量也与参考系无关,即L=L。在经典力学里,时间和空间是绝对的,相互独立的。绝对空间,就其本性而言,与外界任何事物无关,而永是相同的和
4、不动的。绝对的、真正的和数学的时间自己流逝着,并由于它的本性而均匀地、与任一外界对象无关地流逝着。第10页/共82页首先思考以下几个的问题:1速度合成律中的问题 体育课传球、打网球 超新星爆发2电磁现象不服从伽利略相对性原理 以太风实验的零结果迈克耳逊-莫雷实验3质量随速度增加 镭发出的射线荷质比与速度有关12.1 狭义相对论的历史背景第11页/共82页1速度合成律中的问题 体育课传球、打网球甲抓球在手中,乙看到球实际比甲晚t=L/c;甲传球给乙,球速为v,此时乙看到球实际比甲晚t=L/(c+v);显然,t t。说明:乙先看到球出手,后看到甲传球动作。不可思议!第12页/共82页 超新星爆发1
5、731年英国天文爱好者在南方天空发现“蟹状星云”。后来观测表明:这只螃蟹在膨胀,膨胀速率为每年0.21。到1920年,它的半径达到180。推算一下,其开始膨胀的时刻应是在860年前,即公元1060年左右。人们相信:蟹状星云是在900年前的一次超新星爆发中抛射出来的气体壳层。宋朝宋要会记载:嘉佑元年(1056年)三月,司天监言,客星没,客去之兆也。初,至元和元年(1054年)五月晨出东方,守天关。昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。第13页/共82页A:c+v,t=L/(c+v);B:c,t=L/c.L=5000光年,v=1500km/s,t比t短25年,而不是历史记载的2年。表明:关于
6、光的速度的叠加失效!第14页/共82页2.伽利略变换的失效1)电磁场方程组不服从伽利略变换;2)菲索流水实验经典速度叠加失效3)迈克耳逊-莫雷实验的“0”结果以太不存在3.高速运动的粒子的质量和发光光速;19641966年,CERN-欧洲核子中心,同步加速器产生的0介子以0.99975c的高速飞行,在飞行中衰变,辐射出光子,测得光速依然是c。第15页/共82页一.爱因斯坦的狭义相对论基本假设1.一切物理规律在任何惯性系中形式相同 -相对性原理2.光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展讨论一切物理规律力学规律12.2 狭义
7、相对论基本原理 洛伦兹变换式第16页/共82页 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 观念上的变革牛顿力学革命性时间标度长度标度质量的测量与参考系无关速度与参考系有关(相对性)狭义相对论力学长度 时间 质量与参考系有关光速不变(相对性)第17页/共82页同时发出闪光经一段时间 光传到 P点事件1.洛仑兹变换的导出寻找重合两个参考系中相应的坐标值之间的关系二.洛仑兹变换Lorentz transformation第18页/共82页由光速不变原理:由发展的观点:狭义牛顿力学有情况下第19页/共82页由客观事实是确定的 且空间均匀各向同性:与下面的任务是 根据上述四式 利用比较系数法
8、确定系数的关系是第20页/共82页设一事件在S系中于t时刻发生在O点,即x=0。但在S系中观察为该事件发生在x=ut处,即 x+ut=0。说明该事件的两观测值x与(x+ut)必成比率,即 x=k(x+ut)。同样地,对于在S系中O点于t时刻发生的事件,其x=0。但在S系中观察为该事件发生在x=ut处,即 xut=0 。说明该事件的两观测值x与(xut)必成比率,即有 x=k(xut)。第21页/共82页由上述分析可知,对于任意一事件,有x=k(x+ut)以及x=k(xut)再由相对性原理可知,两参照系是等价的,故变换系数 k=k于是 x x=k2(x+ut)(xut)设当OO重合时,沿X(X)
9、轴发出一闪光,在S系中测得t时刻,闪光到达 x=ct;同样在S系中测得t时刻,闪光到达 x=ct;第22页/共82页将x=ct和x=ct代入前式,于是有 c2tt=k2(c-u)t(c+u)t,从而解得:第23页/共82页总结:洛伦兹坐标变换式第24页/共82页令则正变换逆变换第25页/共82页正变换与时空坐标伽利略变换发展第26页/共82页0.时间测量的定义和校准三.洛仑兹变换蕴含的时空观(一)时间的测量:在同一地点测量时间,即“看”当地的钟。时钟的校准:将所有的时钟放在一起,进行校准,然后再非常缓慢地搬运到测量地方。光脉冲校准:在两个时钟连线的中点处放置 一个光脉冲仪,约定当两个时钟收到
10、光脉冲时,开始置零。一个参照系可以校准所有的时钟,有统一时间基准。第27页/共82页1.由洛仑兹变换看同时性的相对性事件1事件2两事件同时发生?三.洛仑兹变换蕴含的时空观(一)第28页/共82页若则不同地的同时,不同时。若则同地的同时,同时。比如:两物体的碰撞。第29页/共82页1.2 时序问题因果关系能否颠倒?事件1出生事件2死亡出生是因,死亡是果?任何传递信息或能量的速度都不可能大于光速,所以具有因果的两事件,时序不会颠倒;但是,对两个独立事件,时序可颠倒!为什么?第30页/共82页三.狭义相对论的时空观(二)1.同时的相对性 Relativity of simultaneity -光速不
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