大学物理相对论复习提纲PPT课件

1、.,1,牛 顿 力 学,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论,热力学与经典统计物理,迈克耳孙莫雷实验,黑体辐射实验,强调,近代物理不是对经典理论的简单否定。,近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。,狭义相对论,量子物理,近代物理学两大支柱,19世纪后期，物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,.,2,第十四章 相对论,本章内容：,14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 14-2 迈克耳孙-莫雷实验 14-3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式 14-4 狭义相对论的时空观 14-6 相对论性动量和能量,大学物理（下册）,2014年11月,.,3,经典力学时空观-绝对性,空间是绝对

2、的: 空间与运动无关,空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关,绝对不变,时间是绝对的: 时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.,同时是绝对的：时间间隔和空间间隔的测量值是绝对的。,牛顿力学相对性原理：运动的描述是相对的，不同参照系下运动的描述不同,牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的范围内,是与实验结果相一致的。但在高速运动情况下则不适用.,.,4,1.伽利略坐标变换式,上式可得，任意两点之间的距离和任意两事件之间的时间间隔，两个参考系下测量值相等，这是显然的。,O和O重合,系相对于S系以匀速沿x轴运动,.,5,2.伽利略速度变换式,对时间求一阶导数,3.伽利略加速度变换式,速度

3、变换公式对时间求导,不同惯性系下，描写同一质点的加速度相同。,对所有的惯性系,牛顿运动定律具有相同的形式.,.,6,“以太”参考系是绝对静止系,* 迈克耳孙-莫雷实验（寻找“以太”）,设“以太”参考系为S系 实验室为 系,光相对于“以太”的速度为C,实验结果： 未观察到相对于“以太”的运动,结论：绝对参考系以太不存在。,迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零, 被称为笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.,“光波的传播需要介质”-以太（特殊惯性系）。,.,7,由经典电磁场理论可知，光在真空中的传播速度c是一常量(高速运动)，与参考系的选择和传播方向无关，不符合伽利略变换。,若伽利略速度变换正确，

4、麦克斯韦方程组则不符合力学相对性原理：不同参考系有不同表达式，会导致特殊惯性系的存在。,若麦克斯韦方程组正确，则伽利略速度变换（绝对时空观）不适用于电磁理论（高速现象），有待于修正。,.,8,真空中的光速是常量，沿各个方向都等于c ，与光源或观测者的运动状态无关.,1 相对性原理,物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式.,2 光速不变原理,狭义相对论的基本原理,关键概念：相对性和不变性 .,(2) 光速不变原理与伽利略变换是完全不相容的；,(1) 狭义相对论相对性原理是牛顿力学相对性原理的发展；,(3) 否定了绝对时空观，伽利略变换和经典力学规律有待修正。,.,9,洛伦兹变换式,符合相对论

5、理论的时空变换关系,O和O重合,1. 坐标变换 2. 速度变换,.,10,1 洛伦兹坐标变换式,正变换,时, 转换为伽利略变换式.,.,11,时、空坐标不再独立，而且都与物体的运动有关。,伽利略变换是洛伦兹变换在惯性系间作低速相对运动的近似。,当vc时， 是虚数，无任何物理意义，故真空中的光速c是一切物体运动速率的极限值。,变换式是线性的，这是因为同一事件在两个参考系中的坐标是一一对应的。,正变换,.,12,2 洛伦兹速度变换式,正变换,逆变换,时, 转换为伽利略变换式.,.,13,S 系 ( 地面参考系 ),系 (车厢参考系 ),事件 2,事件 1,洛伦兹变换,同时的相对性,.,14,-不同

6、时,-不同时,2,同地不同时,1,同时不同地,S系,S系,-同时,-不同时,.,15,结论 同时性具有相对意义,沿两个惯性系运动方向，不同地点发生的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的，在另一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义；只有在同一地点，同一时刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时的.,.,16,长度的测量和同时性概念密切相关,长度的收缩(动尺变短),棒沿 轴对 系静止放置,在 系中同时测得两端坐标,则棒的固有长度为：,固有长度：物体相对静止时测得的长度 .（最长）,问 在S系中测得细棒有多长?,.,17,设 在S系中某时刻 t 同时测得棒两端坐标为x1和x2，则S系中测得

7、棒长 l= x2 - x1， l与l0的关系为：,洛伦兹变换,长度具有相对意义,讨论,2 如将物体固定于S系,由 系测量,同样出现 长度收缩现象.,“物体在运动方向上长度收缩”,1 长度收缩 ll0,.,18,时间的延缓(动钟变慢),发射光信号,接受光信号,时间间隔,系同一地点 B 发生两事件,问 在S系中测得时间间隔为多少?,.,19,在 S 系中观测两事件,洛伦兹变换,时间间隔：,.,20,固有时间 ：同一地点发生的两事件的时间间隔 .,时间延缓 ：“运动的钟走得慢”.,.,21,（1）时间的流逝不是绝对的，给定两事件时间间隔的测量值与惯性系的选择有关，所有测量值中以固有时间最短。,（2）

8、两惯性系等价，任何一个惯性系中的观察者按各自的时间标准，都认为另一惯性系中的时钟比自己的走得慢，时钟变慢是相对的。,（3）低速情况下相对论效应可忽略。,.,22,狭义相对论的时空观 (1) 两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义. (2)时-空不互相独立，而是不可分割的整体. (3)光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带.,.,23,动量与速度的关系,(1)相对论动量遵循洛伦兹变换,当 时,(2)相对论质量,静止质量：m0,物体相对于惯性系静止时的质量 .,.,24,相对论质量：,说明质量与速度有关 .,即：质量具有相对意

9、义.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用.,当 时,.,25,狭义相对论力学的基本方程,.,26,质量与能量的关系,相对论动能,(1) 注意相对论动能与经典力学动能的区别和联系,讨论,当v c 时， 0, 有,静止质量：m0,运动质量：m,(2) 总能量与动能,总 能 量：,静止能量：,任何宏观物体具有静止能量,质点运动时的总能量，相对论质量是能量的量度,1 eV = 1.610-19J,单位：焦耳（J）,.,27,38,例如1kg 水由 0 度加热到 100 度，所增加的能量为,相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律.,惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的

10、相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论.,.,28,质能公式在原子物理中的应用,质量亏损,原子质量单位,放出的能量,1 核裂变,1g 铀 235 的原子裂变释放的能量,1克铀裂变释放的能量是1克煤的250万倍。,碳12元素原子质量的1/12,.,29,2 轻核聚变,轻核聚变条件： 温度达到 时，使 具有 的动能，足以克服两 之间的库仑排斥力.,1克氘聚变释放能量是铀的4倍，煤的1000万倍。,.,30,动量与能量的关系,光子,光的波粒二象性：,粒子性,波动性,h：普朗克常数 v：光的频率,举例：,.,31,例1.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

11、出一个光讯号，经过t(飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的长度为, A 光速不变原理，相对于飞船坐标系，长度等于光速乘上时间,.,32,例2.观察者甲、乙分别静止在惯性系S,S中，S 相对S 以速度u沿水平运动，S中一个固定光源发出一束光，沿与u相同的方向传播，则, B 光速不变,正确的答案是： (A) (1),(2),(3); (B) (1),(4) (C) (2),(3); (D) (1),(3),(4),(1)乙测得光速为 c . (2)甲测得光速为 c+u; (3)甲测得光速为 c-u ； (4)甲测得光相对于乙的速度为 c-u。,.,33,例3,- 介子是一种不稳

12、定的粒子，从它产生到它衰变经历的时间即为它的寿命，已测得静止 - 介子的平均寿命 0 = 2 10-8s. 某加速器产生的 - 介子以速率 u = 0.98 c 相对实验室运动。,求,- 介子衰变前在实验室中通过的平均距离。,解,对实验室中的观察者来说，运动的 - 介子的寿命 为,因此， - 介子衰变前在实验室中通过的距离 d 为,.,34,例4.观测者甲和乙分别静止在两个惯性参照系S 和S 中，甲测得在同一地点发生的两个事件间隔为4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为5s， 求：S相对于S 的运动速度.,则根据时间延缓公式,有,解:甲测量的是固有时间0=4s，乙测量的是相对论时间 =5s 。,

13、.,35,例5、一固有长度为l0=90 m的飞船，沿船长方向相对地球以v =0.80c 的速度在一观测站的上空飞过，该站测得飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少？船中宇航员测前述时间间隔又是多少？,.,36,例6,一短跑选手在地面上以 10 s 的时间跑完 100 m。一飞船沿同一方向以速率 u = 0.6 c飞行。,求,(1) 飞船参考系上的观测者测得选手跑过的路程；(2) 飞船参考系上测得选手的平均速度 。,解,设地面参考系为 S 系， 飞船参考系为 S，选手起跑为事件1,到终点为事件2，依题意有,(1) 选手从起点到终点，这一过程在 S 系中对应的空间间隔为x，根据空间间隔变换式得,.,37,(2) S 系中测得选手从起点到终点的时间间隔为 t ，由洛伦 兹变换得,S 系中测得选手的平均速度为,.,38,例7.（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。,（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件，在其它惯性系中必不同时发生。,（2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在其它惯性系中必同时发生。,正确的说法是： (A) (1).(3) (B) (1).(