狭义相对论的基本原理.ppt
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SpecialRelativity,第5章狭义相对论基础,相对论是关于时间、空间和物质运动关系的理论.狭义相对论(又称特殊相对论):不考虑物质质量对时空的影响,是相对论的特殊情况(1905年).广义相对论:考虑物质质量对时空的影响,是关于引力的理论(1915年).,爱因斯坦的哲学观念:自然界应当是和谐而简单的.理论特色:出于简单而归于深奥.,AlbertEinstein(18791955)20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献.,17世纪以前,物理学的研究集中于宏观低速领域。17世纪,经典力学理论体系形成.1719世纪末,经典力学对科学和技术的发展起到了很大的推动作用,而其自身也得到了极大的发展。20世纪初,物理学开始扩展到微观、高速领域。牛顿力学在这些领域不再适用寻找以太实验的0结果,以及电磁场理论的发展,得出光速不变的结论,与伽利略变换相左。要求从根本上变革经典力学中的一些不言自明的基本概念(时间、质量等)。,相对论的诞生,20世纪初相对论和量子力学的建立实现了这种变革。相对论自建立以来,已超百年,经历了大量实验的检验,至今还没有发现什么实验结果与其相违背。,5.1狭义相对论基本原理狭义相对论运动学,一经典力学的理论体系,伽利略变换绝对时空观经典相对性原理牛顿运动定律,在物质低速运动情况下对客观世界的一种近似模写。,1伽利略(坐标)变换,设当t=t=0时,两个坐标系的原点OO重合。,b坐标变换公式(SS)逆变换公式(SS),a作用:把同一时刻,同一物体(事件)的坐标从一个坐标系变换到另一个坐标系.,伽利略变换是经典时空观的集中体现:,时间的绝对性:时间是均匀的,时间间隔是绝对的,空间的绝对性:空间是各向同性的,长度是绝对的,即LL.,时间在一切惯性系中是相同的:t=t,t=t“似乎宇宙间存在着一个永远走动的大钟,在任何情况下,它的速率永远都是相同的,世界上的一切运动在时间上都是以它为度量的标准。”,2经典力学的绝对时空观,时间和空间是相互独立的,彼此之间没有任何直接联系。,王德云:狭义相对论的建立及其意义,我们日常生活在一个运动速度远小于光速的宏观世界里,在这种有局限性的宏观低速环境中,直觉经验告诉我们,关于空间间隔和时间间隔的度量与运动无关。,这种时空观是怎样形成的呢?,十七世纪的物理学家在建立经典力学的理论体系时,正是基于这种直觉经验、以默认(实际上是假定)时钟和量尺不受运动状态的影响为前提的.,根据伽利略变换(求一阶、二阶导数)可得,速度变换:,加速度变换:,在所有作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律都有同样的形式。经典(伽利略)相对性原理,牛顿力学中还假定质量也是不变量。所以,即:F=ma=ma=F,这表明:力学规律在伽利略变换下是不变的。,3经典相对性原理,二狭义相对论的基本原理,1)狭义相对性原理:在所有惯性系中,物理定律都具有相同的数学形式.,2)光速不变原理:在所有惯性系中,光在真空中的的传播速度都是c,与光源或观察者的运动状态无关.,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性系都是等价的.,伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符.,长度的测量和同时性概念密切相关.,若光源相对于地以u运动,则伽氏变换结果:光速v=u+cc或v=c-uc.,说明同时具有相对性,时间的量度是相对的.,和光速不变紧密联系在一起的是:在某一惯性系中同时发生的两个事件,在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察,并不一定是同时发生的.,三洛仑兹变换,设:时,重合;事件P的时空坐标如图所示.,相对论因子,SS,SS,1)与成线性关系,比例系数.2)时、空不独立,和变换相互交叉.3)时,洛仑兹变换伽利略变换。,2洛仑兹变换特点,意义:基本的物理定律在洛仑兹变换下保持不变。这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性相对论对称性.,一短跑选手,在地球上以10s的时间跑完100m,在飞行速率为0.98c的飞船中的观测者看来,他跑了多长时间和多长距离?,解:,例题1,设地面为S系,飞船为S系。,例2在惯性系S中,相距x=5106m的两个地方发生两个事件,时间间隔t=10-2s;而在相对于S系沿x轴正向匀速运动的S系中观测到这两事件却是同时发生的。试求,S系中发生这两事件的地点间的距离x。,解:设S系相对于S系的速度大小为u。,例题3北京和长沙直线相距1200km,在某一时刻从两地同时向对方飞出直航班机。现有一艘飞船从北京到长沙方向在高空掠过,速率恒为u=0.999c。求宇航员测得:(1)两班机发出的时间间隔;(2)哪一班机先启航?,解:S系:地面,正方向北京长沙S系:飞船,x=1200103m,t=0,u=0.999c,t=?,由洛仑兹变换得,t=t长沙-t北京0,所以长沙先起飞。,1下列几种说法:(1)所有惯性系对物理基本规律都是等价的。(2)在真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关。(3)在任何惯性系中,光在真空中沿任何方向的传播速度都相同。其中哪些说法是正确的?(A)只有(1)(2)正确。(B)只有(1)(3)正确。(C)只有(2)(3)正确。(D)三种说法都正确。,D,课堂练习,2宇宙飞船相对于地面以速度v作匀速直线飞行,某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号,经过t时间(飞船上的钟)后,被尾部的接收器收到,则由此可知飞船的固有长度为(即飞船上的人测量的飞船长度):,A,3两事件在S系中的时空坐标分别为x1=x0,t1=x0/c和x2=2x0,t2=x0/2c。若两事件在S系中是同时发生的,则S系相对S系运动的速率为多少?,4在惯性系S中,有两事件发生于同一地点,且第二事件比第一事件晚发生2秒钟,而在另一惯性系S中,观测第二事件比第一事件晚发生3秒钟,那么在S中发生两事件的地点之间的距离是。,根据,已知,- 配套讲稿:
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- 狭义相对论 基本原理
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