《相对论》简介.ppt

1、第 五 章,相对论的创建是二十世纪物理学最伟大的成就之一。1905年爱因斯坦建立了基于惯性参考系的时间、空间、运动及其相互关系的物理新理论狭义相对论。1915年爱因斯坦又将狭义相对论原理向非惯性系进行推广，建立了广义相对论，进一步揭示了时间、空间、物质、运动和引力之间的统一性质。,本章重点介绍狭义相对论的基本原理。,一、牛顿时空观的回顾,（1）位移：,（2）速度：,即：,（3）加速度：,若v =常数，则 a牵=0，,1.牛顿的绝对时空观,伽利略速度相加定律,长度测量的绝对性,时间测量的绝对性,两个参照系相对速度： v C,1,2.伽利略坐标变换,或：,设S 系沿S 系的 x 轴以速度v 运动，

2、 并且 to= to = 0 时，S 与S 重合。,x,vt,S,2,任意 t 时刻：,如：牛顿定律,力学规律,在 惯性系观察,s,在 惯性系观察,在一切惯性系中，力学规律相同。,称为,伽利略相对性原理,电磁学规律,P 处有两个点电荷,规律不相同,无实验根据,1. 牛顿时空观在高速运动领域不成立,C与参照系无关,真空中的光速：,两个参照系相对运动的速度 v C， 且 v =常数 时：,o=8.8510-12 o=4 10-7,= 2.99108 m/s,二、爱因斯坦时空观,对所有惯性系，物理 规律都是相同的。,在任何惯性系中， 光在真空中的速率都 等于同一量值C 。,2.爱因斯坦的两个基本假设

3、,6,（1）相对性原理,不存在任何一个特殊的惯性参照系。,（2）光速不变原理,3. 由光速不变原理得出的有关结论,（1）同时的相对性,设如下思想实验：,y,y,x,x,A,B,M,v,O,在 S 系中观察：,光到达A 和光到达B 这两事件不会同时发生！,光到达A和光到达B这两事件同时发生！,在 S系中观察：,7,1,（1）沿两惯性系相对 运动方向发生的 两个事件，在其 中一个惯性系中 表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一 惯性系运动的后方那一事件先发生。,（2）对不同参照系，同样两事件之间的时间间隔 是不同的。,相对论效应之一：同时的相对性,结论,S 相对S 系的速度越大，在S系测两事件的时

4、间间隔就 越长。,8,（2）时间膨胀（运动的时钟变慢）,设S 系中，A 点有一闪光光源和一接收器， 并在Y 轴放一反射镜。,Y,Y,A,d,在S 系看：,两事件时间间隔：,Y,L,L,X,X,X,X,在S系看：,显然：,9,1,2,在S 系同一地点发生的 两个事件的时间间隔为t ,在S系测同样两事件的 时间间隔总是要长一些：,定义：在某一参照系同一地点先后发生的两个事件 之间的时间间隔叫作原时。,显然： 为原时。,原时最短！,相对论效应之二：时间膨胀效应（时钟延缓）,结论,10,考虑时间膨胀效应：,则:,例1.带正电的介子是一种不稳定的粒子，当它静止时， 平均寿命 t =2.510-8s，然后

5、衰变为一个介子和 一个中微子。在实验室产生一束v =0.99C的介子， 并测得它在衰变之前通过的平均距离为52m。这些 测量结果说明什么？,解：若不考虑相对论效应,它在实验室走过的距离为：,“洞中方一日，世上已千年”,= 2.5 10-8s,=1.8 10-7s,11,骑在一束光上是什么感觉？,问：一个光子的寿命？,时间是静止的！,永远年青！,12,例2.一宇宙飞船以 v = 9 103 m/s 的速率相对地面 匀速飞行，飞船上的钟走了5s，地面上的钟测 量经过了多少时间？,解：,所以，当 v c 时: 与参照系无关。,则：,原时,13,= 5.000000002 s,（3）运动的尺变短,例如

6、：在地面测正在以速度v 行驶的车的长度。,A,B,x1,X,X,y,y,o,o,垂直运动方向不受影响：,在S 系测车的长度为：,在S 系测量:,t +t 时刻，,在S 系看：,而：,S 系测车的长度：,v,车的长度：, L,y=y,L=x2x1,L= vt,z=z,B 经过 x2=x1+vt 点,原时,x1点走过的距离为L，,所用时间：,t 时刻 ， B 经过x1点；,L,A 经过x1点，,14,=vt,.,1,2,3,相对某一参照系静止的棒长度为L,在另一 参照系看要短一些即：L L,定义：物体相对参照系静止时，测得物体的长 度为原长。,显然：原长最长,相对论效应之三： 运动的尺度缩短,结论

7、,15,例3. S系与S 系是坐标轴相互平行的两个惯性系，S 系 相对S系沿X轴正向匀速运动。一根刚性尺静止在 S 系中与X 轴成30o角，今在S系中观察得该尺与 X轴成45o角，则S 系相对S 系的速度是多少？,解： 在S系：,在S 系：,17,?,问：车过桥时S 和 S是否认为桥长可容纳全车长？,例4. 已知,S看：,而车长,=173.2 (m),而桥长是相对论长度,200 m,解:,桥静车动,桥长是原长,S 看：,车静桥动,车长是原长,不可以,175 m,19,例5. 5m 长的宇宙飞船，以 v =9103 m/s 相对地面飞行, 在地面上测其长度为：,可见：L L，即：当 vC 又回到牛顿时空观。,= 4.999999998 m,18,即:,得:,欲使飞船收缩到原长的一半,飞船的速度v=?,同时性的相对性,运动的时钟变慢,运动的尺子缩短,爱因斯坦时空观小结,1. 牛顿时空观在高速运动领域不成立,2.爱因斯坦相对性原理,3.光速不变原理,4. 由光速不变原理得出的有关结论,原时最短,19,显然这些结论与 牛顿时空及伽利略 变换相矛盾？,作业： 5T6、T7、T8,双星观测,两颗绕共同质心O 旋转的恒星A、B,光速与光源运动状态无关的实例,讨论 B（伴星）的运动:,光速,不是亮点，应是,一个亮