1,狹義相對論基礎(chǔ),（SpecialRelativity）,第五章,2,相對論由愛因斯坦（AlbertEinstein）創(chuàng)立，它包括了兩大部分：,狹義相對論（SpecialRelativity）（1905）,揭示了時間、空間與運動的關(guān)系。,揭示了時間、空間與引力的關(guān)系。,重點是狹義相對論的時空觀。,3,5.1力學(xué)相對性原理伽利略變換,一切力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中都有相同的形式。,稱為力學(xué)相對性原理,(或伽利略相對性原理),力學(xué)相對性原理來源于牛頓的時空觀：時間和空間的測量與慣性參考系無關(guān)。,一、力學(xué)的相對性原理,4,二、伽利略變換,O與O重合，則p點：,（1）坐標變換：由時空間隔的絕對性，有：,SS,5,（2）速度變換：,伽利略速度變換,（3）加速度變換：,6,牛頓力學(xué)中力和質(zhì)量都與參考系的選擇無關(guān),三、經(jīng)典力學(xué)在伽利略變換下的不變性,所以在不同慣性系中的形式不變。,在S系:,所以,在S系:,7,力、質(zhì)量不隨時間變化；力學(xué)相對性原理。,時間、空間、質(zhì)量都與慣性參照系的相對運動無關(guān),時間和空間是絕對的；伽利略變換。,四、經(jīng)典力學(xué)的時空觀,8,5.2狹義相對論的基本原理,一、牛頓力學(xué)的困難,對于兩個不同的慣性參考系,光速滿足伽利略變換嗎？,9,結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,試計算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達到觀察者所需要的時間.(根據(jù)伽利略變換),10,900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆發(fā)，這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。北宋天文學(xué)家記載從公元1054年1056年均能用肉眼觀察,特別是開始的23天,白天也能看見.,物質(zhì)飛散速度,當一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時,它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散,即有些拋射物向著地球運動,11,實際持續(xù)時間約為22個月,這怎么解釋?,理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強光的時間持續(xù)約,A點光線到達地球所需時間,B點光線到達地球所需時間,12,二、愛因斯坦的兩條基本假設(shè),愛因斯坦兩條基本原理：,1.物理規(guī)律對所有慣性系都是一樣的。,2.任何慣性系中，真空中光的速率都為c，與光源和觀察者的運動無關(guān)。,-光速不變原理,-相對性原理,13,這就意味著伽里略變換應(yīng)該修改！,意味著牛頓的時空觀應(yīng)該修改！,三、洛侖茲變換,愛因斯坦時空觀,新的時空變換關(guān)系,研究：,14,洛淪茲變換式：,15,16,2.當uc時，洛侖茲變換無意義，,說明：,1.當u<<c時，洛侖茲變換過渡到伽利略變換。,c為一切物體（參考系）的極限速率。,即兩個物體之間的相對速度不能超過c。,3.時間和空間都與運動有關(guān)。,時間和空間緊密相連，兩者構(gòu)成統(tǒng)一的四維時空,17,反映出相對論時空觀和絕對時空觀的根本區(qū)別！,由洛淪茲變換得兩事件在不同慣性系中的時間間隔和空間間隔的關(guān)系：,P152例5.1,18,逆變換,正變換,四、相對論速度變換,19,（1）僅當u、v<tB.,按光速不變原理，它們相遇在AB的中點M點。,車廂S系：相遇在D點。,這就是同時的相對性。,24,反過來,如果S系中A、B同時發(fā)生的兩個事件,在S系中看,也不是同時發(fā)生的。,重要規(guī)律:沿慣性系S和S相對運動方向發(fā)生的兩個不同地點事件，若S中是同時發(fā)生的，則S中就不是同時發(fā)生的（同時性的相對性原理）,25,(1)沿垂直于相對運動方向發(fā)生的兩件事的同時性并不具有相對性。,說明：,(2)相對論中，有因果關(guān)聯(lián)事件，具有絕對性,無因果關(guān)系的兩事件時序可能顛倒,有因果關(guān)系的兩事件時序不可能顛倒,（例如，必然開槍在先,見到火光在后）,(3)同一地點、同時發(fā)生的兩事件，具有絕對意義,26,二、長度收縮,一根棒的長度=它兩個端點的坐標值之差,靜止的棒長度的測量靜長；（兩端可以不同時測）,運動的棒長度的測量動長。（兩端必須同時測！）,一根棒AB靜止地放在S系，固定在x軸上。,設(shè)在S系測得長度為:l0=x2-x1,（靜長）,27,由洛淪茲變換：,在S系中來測此棒的長度（動長）：l=？,必須同時去測量,28,必然有l(wèi)=x2-x1l0,(l動長,l0靜長),靜長是最長的！,29,這說明動長總是小于靜長,這稱為運動長度收縮效應(yīng)。,注意:不是運動棒的結(jié)構(gòu)變了,關(guān)鍵是同時的相對性。,30,注意：只有沿物體運動方向的長度發(fā)生收縮，垂直運動方向的長度不發(fā)生收縮！長度收縮效應(yīng)純粹是一種相對論效應(yīng)，并不是運動棒的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。與棒一起運動的觀測者感受不到棒的變短。當運動速度接近光速時，效應(yīng)更顯著！,31,例1設(shè)想有一光子火箭，相對于地球以速率飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為15m，問以地球為參考系，此火箭有多長？,解：固有長度,32,運動的鐘走得慢,三.時間膨脹,33,定義：在相對于“事件發(fā)生地”為靜止的參照系中測得的時間間隔為“固有時間”，其它運動參照系中測得的時間間隔為,設(shè)某兩個事件，在S系和S系中測得的時空坐標分別為,假定在S系中觀測，兩事件發(fā)生在同一地點即：,34,所經(jīng)歷的時間間隔為：,那么S系中時間間隔,據(jù)洛淪茲變換：,35,用鐘走的快慢來說:觀察者把相對于他運動的鐘和自己的一系列靜止的鐘對比,發(fā)現(xiàn)那只運動的鐘慢了。,這稱為時間膨脹,則：,因為u<c,所以，即固有時間是最短的！,固有時間-在某慣性系中發(fā)生于同一地點的兩事件的時間間隔,36,反映運動參考系中時間節(jié)奏的一切物理過程、化學(xué)過程、生物過程都變慢了。,注意:運動（走慢）的鐘和靜止的鐘完全是結(jié)構(gòu)一樣的鐘?！白呗笔沁\動參考系中的時間節(jié)奏變慢了。,而在這運動參考系中的人毫無察覺、認為一切正常！,37,實際上到底有沒有時間延緩效應(yīng)？,時間延緩早已被高能粒子的許多實驗所證實。例：高速運動粒子衰變周期變長,設(shè)想:某人在u=0.998c的高速宇宙飛船中渡過了一天（他是在慣性系中,并沒有感到不舒服）,那么用地面慣性系中的一系列鐘來測量,一定會發(fā)現(xiàn)他經(jīng)歷了16天！,38,例設(shè)想有一光子火箭以速率相對地球作直線運動，若火箭上宇航員的計時器記錄他觀測星云用去10min,則地球上的觀察者測得此事用去多少時間？,運動的鐘似乎走慢了.,解:設(shè)火箭為系、地球為S系,39,牛頓定律與光速極限的矛盾,物體在恒力作用下的運動,經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量與運動無關(guān),5.4狹義相對論質(zhì)點動力學(xué),40,m與v的關(guān)系：,二、相對論動量、質(zhì)量和動力學(xué)基本方程,m0靜止質(zhì)量,m相對論質(zhì)量,1.當,說明:,2.相對論中動量表達式,41,相對論中，合力的大小與加速度的大小不是簡單的正比關(guān)系。合力的方向一般也與加速度的方向不一樣！,當v<<c時，相對論動量和相對論力的表達式，都將過渡到牛頓力學(xué)的表達式。,3.相對論中力的表達式,42,設(shè)物體由靜止開始，受力作用作曲線運動，在某過程中動能的增量為：,三、相對論能量與質(zhì)能關(guān)系,43,利用分部積分法:,44,不是相對論動能！,當v<<c時：,45,相對論動能,E0=m0c2為靜止能量（restenergy）。,相對論統(tǒng)一了質(zhì)量和能量守恒。,相對論質(zhì)能關(guān)系,質(zhì)能關(guān)系預(yù)言：物質(zhì)的質(zhì)量就是能量的一種儲藏.,物理學(xué)中最簡單、最美的公式,46,四、動量和能量的關(guān)系：,例：,現(xiàn)有100座樓，每樓200套房，每套房用電功率10000W，總功率，每天用電10小時，年耗電量，可用約33年。,47,勾股關(guān)系,動量和能量的關(guān)系是密不可分的！,光子的能量、動量、質(zhì)量：,1.能量,對光子,可知,平方,48,即,若要m,必須m0=0.,光子的靜止質(zhì)量為零，靜止能量為零。光子只有動能（其動能即總能）,49,2.動量,由E=pcp=E/c=mc2/c=mc,P=mc,光子的能量E=h,50,例設(shè)一質(zhì)子以速度運動.求其總能量、動能和動量.,解質(zhì)子的靜能,質(zhì)子質(zhì)量：,