医用物理学06相对论基础ppt课件

1、第六章相对论根底第六章相对论根底学习目的：掌握狭义相对学习目的：掌握狭义相对论的根本假设、狭义相对论的根本假设、狭义相对论的时空观。论的时空观。 学习狭义相对性的正确态学习狭义相对性的正确态度：以现实为根据度：以现实为根据超越自我认识的局限超越自我认识的局限 牛顿相对性原理。牛顿相对性原理。自觉摆脱阅历的束缚自觉摆脱阅历的束缚 狭义相对性原理。狭义相对性原理。学习狭义相对性的方法：学习狭义相对性的方法：第六章相对论根底第六章相对论根底力学力学热力学热力学分子运动论分子运动论电磁学电磁学光学光学物物理理学学大大厦厦1895第六章相对论根底第六章相对论根底进入二十世纪，物理学研讨的领域开场深化到进

2、入二十世纪，物理学研讨的领域开场深化到了微观、高速领域。了微观、高速领域。高速高速光、电磁涉及粒子衰变，速度为光速或接近光速光、电磁涉及粒子衰变，速度为光速或接近光速smc/1038微观微观如原子、电子、粒子如原子、电子、粒子m1010 空间尺度空间尺度第六章相对论根底第六章相对论根底进入二十世纪，物理学研讨的领域开场深化到了进入二十世纪，物理学研讨的领域开场深化到了微观、高速领域。微观、高速领域。18951895，伦琴：发现，伦琴：发现x x射线射线18961896，贝克勒尔：发现放射性，贝克勒尔：发现放射性18961896，塞曼：发现磁场使光谱线分裂，塞曼：发现磁场使光谱线分裂189718

3、97，J.J.J.J.汤姆生：发现电子汤姆生：发现电子18981898，卢瑟福：发现，卢瑟福：发现射线射线,牛顿力学对牛顿力学对这些景象不这些景象不适用。适用。61伽利略变换伽利略变换一、经典力学的绝对时一、经典力学的绝对时空观和相对性原理空观和相对性原理二、伽利略变换二、伽利略变换一、绝对时空观和相对性原理一、绝对时空观和相对性原理内容：时间和空间是分别的，质量和能量也是内容：时间和空间是分别的，质量和能量也是分别的，与物质运动方式没有关系。分别的，与物质运动方式没有关系。绝对的空间，就其本性而言，永远坚持不变和不动，绝对的空间，就其本性而言，永远坚持不变和不动，且与外界任何事物无关。且与外

4、界任何事物无关。绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行均匀绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行均匀地流逝着，与任何外在的情况无关。地流逝着，与任何外在的情况无关。1 1、绝对时空观、绝对时空观一、绝对时空观和相对性原理一、绝对时空观和相对性原理内容：内容： 一个对于惯性系作匀速直线运动的其他参一个对于惯性系作匀速直线运动的其他参考系，其内部发生的一切力学过程，不受系统作考系，其内部发生的一切力学过程，不受系统作为整体的匀速直线运动的影响。力学规律在一切为整体的匀速直线运动的影响。力学规律在一切惯性系中都是一样的，因此一切惯性系都是平权惯性系中都是一样的，因此一切惯性系都是平权的、等价的。

5、有一样的数学方式的、等价的。有一样的数学方式景象：如景象：如F=maF=ma在不同的惯性系中，方式不变。在不同的惯性系中，方式不变。2 2、相对性原理、相对性原理二二 、伽利略变换、伽利略变换1 1、两直角坐标系、两直角坐标系),(zyxs相互平行；相互平行；),(zyxsSS没没x x轴正方向以速度轴正方向以速度u u运动。运动。x x和和xx轴重叠；轴重叠；二二 、伽利略变换、伽利略变换当当S S系中的一事件于系中的一事件于t t时辰在点时辰在点P(x,y,z)P(x,y,z)处发生处发生时，在时，在S S系中察看到该事件的位置和时间为：系中察看到该事件的位置和时间为：ttzzyyutxx

6、当两者的时钟，当两者的时钟，O O和重合。和重合。tto2 2、坐标变换、坐标变换二二 、伽利略变换、伽利略变换ttzzyyutxx3 3、速度和加速度变换、速度和加速度变换对伽利略变换中前三式对时间求导，可得对伽利略变换中前三式对时间求导，可得zzyyxxuzzyyxxaaaaaa(1)F=ma方式一样;(2)F(2)F、m m、a a一样一样; ;(3)(3)动力学定律其他方式不变。动力学定律其他方式不变。62洛伦兹变换洛伦兹变换一、迈克耳逊莫雷实验一、迈克耳逊莫雷实验二、狭义相对论的根本假设二、狭义相对论的根本假设三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换一、迈克耳逊莫雷实验一、迈克耳逊莫雷实验一、迈

7、克耳逊莫雷实验一、迈克耳逊莫雷实验先让光沿地球运先让光沿地球运动方向传播，察动方向传播，察看干涉条纹。看干涉条纹。然后将干涉仪旋转然后将干涉仪旋转 9090 ，这时实际，这时实际上应该察看到干涉上应该察看到干涉条纹的挪动。条纹的挪动。1 1、实验演示、实验演示一、迈克耳逊莫雷实验一、迈克耳逊莫雷实验光波长为光波长为 ，地球相对于，地球相对于以太的速度以太的速度u u。根据以太假说，。根据以太假说，计算出干涉条纹挪动的数目为计算出干涉条纹挪动的数目为221)()(cullN2 2、实验结果、实验结果可是：实验结果可是：实验结果NN0 0。1 1：地球相对于以太的运动并不存在。：地球相对于以太的运

8、动并不存在。阐明阐明3 3：与伽利略变换和绝对时空观相矛盾：与伽利略变换和绝对时空观相矛盾2 2：作为绝对参考系的以太并不存在。：作为绝对参考系的以太并不存在。一、迈克耳逊莫雷实验一、迈克耳逊莫雷实验3 3、成为爱因斯坦相对论的重要支柱、成为爱因斯坦相对论的重要支柱爱因斯坦扬弃了以太爱因斯坦扬弃了以太假说和绝对参考系的想法，假说和绝对参考系的想法，在前人各种实验的根底上，在前人各种实验的根底上，另辟蹊径，提出了下狭义另辟蹊径，提出了下狭义相对论的两条根本假设。相对论的两条根本假设。二、狭义相对论的根本假设二、狭义相对论的根本假设19051905年，爱因斯坦提出了狭义相对论年，爱因斯坦提出了狭义

9、相对论的两个根本假设。的两个根本假设。1 1、狭义相对论的相对性原理：在一切惯性系中，、狭义相对论的相对性原理：在一切惯性系中，物理定律的表达方式都一样。物理定律的表达方式都一样。2 2、光速不变原理：在一切惯性系中，真空中的、光速不变原理：在一切惯性系中，真空中的光速具有一样的量值光速具有一样的量值c c否认了伽利略变换，否认了牛顿的绝对时空观。否认了伽利略变换，否认了牛顿的绝对时空观。选择：洛伦兹变换。选择：洛伦兹变换。三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换爱因斯坦把爱因斯坦把x x、y y、z z、t t联络在一同称为四维联络在一同称为四维时空坐标时空坐标, ,以为时空

10、间隔在任何参考系中相等。以为时空间隔在任何参考系中相等。yzzxxyoout pss u1 1、四维时空、四维时空对于同一质点对于同一质点P P的运的运动，两个惯性系中的时动，两个惯性系中的时空坐标的变换关系为：空坐标的变换关系为：洛仑兹变换洛仑兹变换 三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换2 2、洛伦兹变换公式、洛伦兹变换公式)(1)(1222222xcutxcuttzzyyutxutxxcucu22/11cu三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换3 3、洛伦兹变换和伽利略变换、洛伦兹变换和伽利略变换)()(2xcuttzzyyutxx1/1122cu当当cu 时，时，ttzzyyutxx三、洛伦兹变换三、洛伦

11、兹变换4 4、洛伦兹逆变换、洛伦兹逆变换)(1)(1222222xcutxcuttzzyyt uxt uxxcucu洛仑兹正变换洛仑兹正变换洛仑兹逆变换洛仑兹逆变换)(1)(1222222xcutxcuttzzyyutxutxxcucu三、洛伦兹变换三、洛伦兹变换5 5、洛伦兹速度变换和逆变换、洛伦兹速度变换和逆变换正变换正变换逆变换逆变换222222222211111cuxcuzzcuxcuyyxcuxxu22222222211111cuxcuzzcuxcuyyxcuxxu例例5 5 例：想象一飞船以例：想象一飞船以0.80c 0.80c 的速度在地球上空飞的速度在地球上空飞行，假设这时从飞

12、船上沿速度方向抛出一物体，行，假设这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为物体相对飞船速度为0.90c 0.90c 。 问：从地面上看，物体速度多大？问：从地面上看，物体速度多大？ 解：选地面为解：选地面为S S系，飞船为系，飞船为S S系系。那么那么V V0.80c0.80c，uxux=0.90c=0.90cxxxucvvuu 219008001800900. ccc990. 63狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观一、时间膨胀一、时间膨胀二、洛伦兹收缩二、洛伦兹收缩三、同时性的相对性三、同时性的相对性四、因果律和信号速度四、因果律和信号速度一、时间膨胀一、时间膨胀两事件发生在两

13、事件发生在SS系中系中的同一地点的同一地点xx，时间，时间分别为分别为t1t1和和t2t2。其时间间隔为其时间间隔为120ttS S系测得的时间：系测得的时间：t1t1和和t2t2)(211xcvtt)(222xcvtt0220012121)(cutttt二、洛伦兹收缩二、洛伦兹收缩尺相对尺相对SS系静止固有系静止固有长度：长度：120 xxlS S系测得尺的长度：系测得尺的长度：12xxl)(111utxx)(222utxxlxxxxl)(121200002211llllcu例例6 6解：解：cosllxsinlllyy22yxlll)m(79. 0cos1222cvl21cossin22c

14、vlllltgxy276322221cos1cvlcvllxx例例. .一长为一长为1 1米的棒，相对于米的棒，相对于S S系静止系静止并与并与x x 轴夹轴夹 = 45= 45角。问：在角。问：在S S系系的察看者来看，此棒的长度以及它与的察看者来看，此棒的长度以及它与x x轴的夹角为多少？知轴的夹角为多少？知 23cu 三、同时性的相对性三、同时性的相对性设在设在S S系中同一地点先后发生了两个事件，其系中同一地点先后发生了两个事件，其时空分别为时空分别为(x1,t1)(x1,t1)和和(x2,t2)(x2,t2)，在，在S S系中的两个事系中的两个事件之间的时间间隔为件之间的时间间隔为0

15、21ttt那么在相对运动的那么在相对运动的S S系中，这两个事件发生的时间为：系中，这两个事件发生的时间为：2212122()1xx u ctttuc211221tux ctuc222221tuxctuc三、同时性的相对性三、同时性的相对性2212122()1xx u ctttuc讨论：讨论： 当当 时，时， 12xx21tt21tt12xx当当 时，时， 当当S S系中不同地点同时发生的两个事件，在系中不同地点同时发生的两个事件，在S S系系中就不一定同时，这就是同时性的相对性。中就不一定同时，这就是同时性的相对性。同时的相对性否认了各个惯性系具有一致时间的同时的相对性否认了各个惯性系具有一

16、致时间的结论否认了牛顿的时空观。结论否认了牛顿的时空观。四、因果律和信号速度四、因果律和信号速度在惯性系在惯性系S S中，在中，在t1t1时辰有一事件时辰有一事件P P发生在发生在x1x1处，处，引起事件引起事件Q Q在在t2t2时辰发生在时辰发生在x2x2处，也就是说事件处，也就是说事件P(x1, t1)P(x1, t1)引起事件引起事件Q(x2, t2)Q(x2, t2)，它们之间有因果关，它们之间有因果关系，信息从系，信息从x1x1处传到处传到x2x2处的速度为处的速度为txttxxPQPQs)/(2111cuxtt)/(2222cuxtt在在S S系系中中)1 ()1 ()(222cu

17、txcutxcuttttsPQ2cus如如，那么时间顺序将改，那么时间顺序将改动。动。64相对论动力学相对论动力学一、动量和质量一、动量和质量二、力和动能二、力和动能三、质能关系三、质能关系一、动量和质量一、动量和质量动量定义不变：在相对论中，动量的定义动量定义不变：在相对论中，动量的定义m m改动：质量改动：质量m m已不是原来的意义上的质量了，而是已不是原来的意义上的质量了，而是相对论中的质量相对论中的质量mP 00221mmmcv质速关系质速关系m0m0是物体静止时的质量是物体静止时的质量一、动量和质量一、动量和质量00221mmmcv就是经典力学中的情况。就是经典力学中的情况。0mm

18、c讨讨论论c接近质量急剧增大。意味着越难加速，这就是质量急剧增大。意味着越难加速，这就是任何物体都不能够超越光速的缘由。任何物体都不能够超越光速的缘由。00221mmmPcv那么动量的表达式为：那么动量的表达式为：二、力和动能二、力和动能dtdPF )()1(0022mdtdmdtdcv00)()(mdmdttkdrmdtddrFE00)(20200022221)1(cmcmmdcc202cmmcEk三、质能关系三、质能关系这就是著名的质能方程这就是著名的质能方程在左式中是一个恒量，称在左式中是一个恒量，称为静能量。用为静能量。用E0E0表示，即表示，即202cmmcEk20cm200cmE 因此，式中的在数值上就等于，我们用因此，式中的在数值上就等于，我们用E E表示。表示。2mc0EEk20202221cmcmmcEc例例7 7解：解：例例. . 子自发衰变的平均寿命为子自发衰变的平均寿命为2.152.1510-6s10-6s。假。假设来自太空的宇宙射线，在离地面设来自太空的宇宙射线，在离地面6000m6000m的高空所的高空所产生的产生的子，以相对于地球子，以相对于地球0.995c0.995c的速率垂直向地的速率垂直向地面飞来，试问：面飞来，试问：1 1在地面上看来，在地面上看来，子的平均寿命子的平均寿命应为多少？