运动与时空PPT课件

1、1 一.认识的相对性 “横看成岭侧成峰，远近高低各不同” 认识世界的基本观点： 运动的描述与参考系有关, 而物质运动的基本规律与参考系无关。 牛顿力学： 一切惯性系中牛顿定律成立 将参考系区分为分惯性系与非惯性系是“有限度”的相对性第1页/共46页2相对论的核心问题： 两方面 1) 相对性原理 基本物理规律的不变性; 2) 建立变换关系 与规律不变相协调。物理学中最基本的物理量是时间、长度， 最基本的变换是时空坐标的变换。对于时空，两种对立观点： 时空是绝对的，与运动（参考系）无关 时空是相对的，与运动和物质分布有关！与日常经验吻合二.从相对性到相对论 认识论上：要超越自我，自觉摆脱经验的束缚

2、。第2页/共46页3爱因斯坦: A.Einstein现代时空观的创始人广义相对论： 研究惯性系和 非惯性系的平权对各领域的基本物理规律 所有的参考系平权狭义相对论： 研究惯性系的平权第3页/共46页42.2 牛顿的力学相对性原理和伽利略变换在两个惯性系中考察 同一物理事件实验室参考系运动参考系xyoSS xyo u相对平动两个参考系各自有的标尺（坐标）和同步时钟。O与O重合时，0 tt对表：第4页/共46页5一.伽利略变换 Galilean transformationt 时刻： 质点到达P点rxyoSPrS xyo u相对平动:S tzyxr,av, avtzyxr ,S系:绝对时空观：时间

3、和距离的测量与参考系无关， 由此可得出下列变换关系。第5页/共46页6事件的时空坐标变换式：ttzzyyutxx 速度变换式：uvv 矢量关系0aaa 加速度变换式cu aa xyouyo PrrSS ut伽利略变换是绝对时空观的产物！第6页/共46页7二.牛顿的相对性原理 Newton Principle of relativity牛顿力学中：mF,与运动无关，即与参考系无关。伽利略变换用于两个惯性系（相对匀速运动） aa 牛顿定律形式不变；基于牛顿定律导出的各定理形式不变！伽利略变换与牛顿力学的相对性原理相自洽第7页/共46页8 一.绝对时空观的困难 1)电磁学的基本规律麦克斯韦方程组 伽

4、利略变换不能保证电磁场方程组不变。 2) 光速c 在哪个参考系中测的? 以太？ 迈克耳逊 莫雷实验的 0 结果M1SM2u地2.3 爱因斯坦狭义相对论的基本假设分束板分出的两束光 几何路程相同；伽利略变换速度不同 有时间差干涉实验：无干涉现象！第8页/共46页9“光行差”现象： 观察天顶星光， 镜筒需倾斜。地u类似于雨中快行，雨伞前倾，否定了拖带说！因为以太被地球所“拖带”？ 伽利略变换（或绝对时空）更基本， 还是物理规律的不变性更基本？ 光太c第9页/共46页10二. .爱因斯坦的基本假设1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同 狭义相对性原理2、光在真空中传播的速率与发射体的运动 状态无关，

5、在一切惯性系中都相同 光速不变原理1) Einstein 的相对性原理是Newton 相对性 原理的发展讨论一切物理规律力学规律第10页/共46页112) 光速不变与伽利略变换针锋相对3) 观念上的根本改变革命性牛顿力学速度与参考系有关(相对性)与参考系无关 （绝对性）时间标度长度标度质量的测量狭义相对论力学长度、时间测量 的相对性光速不变对牛顿绝对时空观的彻底否定！第11页/共46页12三. .同时性的相对性 relativity of simultaneity 事件 事件的时空坐标：静止于参考系中的坐 标尺和一系列同步的当地钟测量 “同时性”是相对的 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果

6、以爱因斯坦火车（设想的高速火车）讨论。第12页/共46页13SM A B S uS: Einstein 火车 （高速火车）S:地面参考系“思想”实验装置在火车上，A,B分别放置信号接收器t =t=0时刻，在M处发一光信号中点 M放置光信号发生器事件1： A接收到闪光事件2： B接收到闪光第13页/共46页14两事件发生的 时间先后？M处闪光光速cMBMA 所以A,B同时接收到光信号事件1、事件2 同时发生。SS M A B uS系:注意：光速仍为 c !S系中测量的结论如何？第14页/共46页15事件1、事件2 ！事件A,B随S运动A迎向光；B与光同向而行ABSSS M A B uS系中: 向

7、前后方传播的 光速均为c！讨论1 .效应是相对的第15页/共46页16A,M,B固定在S中。 M处发光信号。S中：二事件同时事件。二事件不同时！S中：共同结论： 位于参考系运动后方的事件先发生！C 不变!SSuABSABM同时发生的那个第16页/共46页172.同时性的相对性是光速不变原理的直接结果光速不变（相同）相遇的路程不同不同时 ucv 若为伽利略变换：向：速率：c-u , 路程短； 向B ：速率 c+u ，路程长； 仍同时即：同时是“绝对”的（表明伽利略变换是 绝对时空观下的变换）3.当 uc 时 两个惯性系结果相同。第17页/共46页18推论：1.其位置连线与运动方向垂直的两同 时事

8、件，在另一惯性系中也同时发生。2.长度的测量也有相对性运动长度的测量：同时记录两端的刻度。SSSt2早t1晚l原时 tx, 0有 t同理：若S系中同一地点 第31页/共46页321、运动时钟变慢效应是时间本身的 客观特征，包括一切事物的进程！2、对同样的两个事件 ，原时只有一个。“固有时” “本征时”3、双生子效应（佯谬）：乘坐飞船旅行的 双生子之一，返回地球，二人谁更年轻？讨论结论： 对两事件的时间间隔的测量，以为 ；两地时大于原时“时间膨胀”或：第32页/共46页33二.长度收缩-运动尺度变短 length contraction对运动长度的测量： 同时测量两端坐标。原长（静长）在相对静止

9、的参考系中测得测的长度S 设棒在 中静止， 为原长。0l棒沿长度方向相对S系运动，S系中测量棒长：与l0 的关系？0luS（结果与测量的时间早晚无关）第33页/共46页34事件1：记录棒的左端坐标事件2：记录棒的右端坐标事件相应的时空坐标：1111,;,txtx 2222,;,txtx S S120 xxl 12xxl 021 t0luS第34页/共46页35结论：对长度的测量以原长最长 。 或： 221cutuxx 由洛仑兹变换同理：若棒在S系中静止，相对S系高速运动， 则有02201lcull 2201cull 0 t第35页/共46页36 1) 是同时性的相对性的直接结果； 2) 是纵向

10、效应（运动方向长度时， 无此效应）； 3) 在低速下 伽利略变换 4) 对同一物体，静长是唯一的。 “原长”！2201cull 第36页/共46页37例 由运动长度缩短重解前爱因斯坦火车例已知：cull6 . 0m10360 S 系中: A随车前进 ut，同时 光向A方传播距离c tutct有ltctu 而l是S中测量的长度0221lcul clucucuclt0 AMS结果同第37页/共46页38如：+介子静止时的平均寿命为2.510-8 s ，实 验中获得的+介子速率 u=0.99c，它衰变前 的平均路程为52m。如何解释这一结果？解：从时间膨胀考虑：在实验室参考系中 运动的+介子，其寿命

11、为膨胀的时间 ：s108 . 199. 01105 . 2728 t衰变前通过的路程：m53108 . 110399. 078 tu与测量一致。第38页/共46页39从长度缩短考虑： 在实验室中测量+介子平均飞行路程实际是 测量静止的源和探测器之间的距离而得到， 为原长。 在+介子相对静止的参考系中：源和接收器随实验室飞行，它们的距离应为运动长，m3 . 799. 015212220 cull它们飞行这段距离所用时间：s105 . 28 ult即静止+介子的平均寿命！第39页/共46页40三.时空间隔的不变性对同样的两个事件（一对事件），其时间间隔空间间隔在两个惯性系中测量，各自都不相同。可以

12、证明：（由洛伦兹变换）22222222)()()()()()()()(zyxtczyxtc )()()()()(22222zyxtcs 令事件的时空间隔是洛伦兹变换下的不变量！ ：四维时空中事件的时空间隔s 第40页/共46页412.6 相对论速度变换txvx dd;ddtxvx xxxvcuuvv21 速度定义：由洛仑兹坐标变换两式之比)(),(2xcuttutxx )(dduvtxx ）（xvcutt21dd 第41页/共46页4222211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz tyty dddd由洛仑兹变换知：tttydddd 22211ddcuvcuttx 由上两式得同理得第42页/共46页43洛仑兹速度变换式xxxvcuuvv21 22211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz 正变换 xxxvcuuvv 2122211cuvcuvvxyy 22211cuvcuvvxzz 逆变换第43页/共46页44例1 设想一飞船以0.80c的速度在地球上空 飞行，如果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0.90c 。 问：从地面上测量，物体速度多大？解：选飞船参考系为系S 地面参考系为系。Sxxxvcuuvvv 2190.080.0180.0