狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ).ppt
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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(dāng)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(dāng)uc時,洛侖茲變換無意義,,說明:,1.當(dāng)uc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(dāng)u、vtB.,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(dāng)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uc,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。“走慢”是運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(dāng),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(dāng)vc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(dāng)vc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:,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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