狭义相对论基础.ppt

1、,Chapter 12 Modern Physics,Introduction,Chapter 18 The Special Theory of relativity 狭义相对论基础,Chapter 19 The Quantization of Light 光的量子性,Chapter 20 Quantum Theory of the Atoms 原子的量子理论,1. 二十世纪的重大发现：,1）电子的发现：J.J.汤姆逊（英国）和A.密立根（美国）。重要意义：,电子,打开了原子世界的大门，为比氢原子更小的粒子-第一个基本粒子。,2）x射线的发现：伦琴（德国）1895年11月8日。第一荣获诺贝尔物

2、理学奖的科学家。重要意义：,X射线是什么？电磁波还是粒子？ 重大的应用价值。,3）放射性的发现：贝克勒尔（法国）和居里夫人（波兰）。重要意义：,打开原子核的大门，原子核 会分裂； 原子武器和原子能。,总之，这些发现向我们打开了一个全新的世界。,2.二十世纪物理学天空的两朵乌云：,1）以太是否存在？迈克尔逊-莫雷实验结果否定了以太的存在；,2）经典电磁理论对热辐射解释的失败。,驱散这两朵乌云导致：,相对论的诞生！,量子论的诞生！,相对论和量子论是现代科学的两大基石，没有它们，就没有今天的文明。,Chapter 12 The Special Theory of Relativity 第12章 狭义

3、相对论,Introduction引言,12-2 The Postulates of Special Relativity The Lorentz Transformation 狭义相对论的基本原理 洛仑兹坐标变换式,12-3 Some Consequences of the Lorentz Transformation 狭义相对论的时空观,12-4 The Lorentz Transformation of Velocities 相对论速度变换式,12-5 The Relativistic Dynamic theory 相对论动力学基础,12-1 The Relativity Postulat

4、e of Mechanics伽利略相对性原理 经典力学的时空观,1. Albert Einstein:18791955, 美籍德国物理学家，二十世纪的哥白尼，牛顿之后最杰出的科学家。主要贡献：,1）1905年3、5和6月，相对论、光电效应和布朗运动；,2）1915年，广义相对论；,3）固体理论、宇宙学和统一理论；,4）思想家、政治家和和平战士。,2.经典电磁理论面临的困难：,1）存在以太参照系（绝对坐标系），使电磁理论成立。相对性原理只适用于力学，而不适用于电磁理论；,三种选择：,2）存在一个既适用于力学又适用于电磁学的相对性原理，但麦克斯韦电磁理论不正确，需修改现有电磁理论以满足相对性原理；

5、,3）存在一个既适用于力学又适用于电磁学的相对性原理，但牛顿力学不正确，需修改牛顿力学理论以满足相对性原理；,爱因斯坦选择了（3）！,3.学习相对论的困难：,1）其概念与通常的生活常识不一致；三个人懂它，很多人反对，否则爱因斯坦可获三次诺贝尔奖；,2）数学上的困难-广义相对论。,如：时间的相对性,一、伽利略相对性原理,牛顿力学定律在所有惯性系中都相同，即对于任意的惯性系，牛顿力学的定律具有相同的形式,在牛顿力学中力与参考系无关,质量与运动无关,12-1 The Relativity Postulate of Mechanics 伽利略相对性原理 经典力学的时空观,二、经典力学时空观,时间具有绝

6、对性，空间具有绝对性，时间和空间是彼此分离不相关的。,同时性问题?,12-2 The Postulates of Special Relativity The Lorentz Transformation 爱因斯坦假设和洛仑兹变换,1. Some concepts 几个基本概念,事件(event)：an event is something that happens,to which an observer can assign three space and coordinates and one time coordinate(在空间某一点某一时刻发生的某一现象). 如：飞机的起飞，火车进

7、站，杀人，放火，偷车。标记为：A,B, P.,在物理和数学中，事件发生用：犯罪地点（x, y, z), 犯罪时间 t，来描述，计为 P(x , y, z, t).,质点在空间的运动，可看成许多连续的事件的集合。,测量及结果：物理上用仪器确定事件空间、时间、温度、速度等的行动，测得的数据即为结果。,显然，对同一事件P,不同的观察者，其测量的结果是不一样的，因为不同的观察者，所处的角度不同（参照系）。,地面指挥中心,我方飞行员,敌机（目标）,我方飞机相对地面指挥中心运动，叫运动坐标系S, 结果P .,通常：地面指挥中心叫静止坐标系S，结果P .,以后，只研究：S系相对于S系沿x轴以速度u运动：,S

8、系,S系,变换关系：如伽利略变换关系（经典）,规律：事物之间的内在的必然联系，如牛顿定律、动量守恒定理等。,在所有惯性系中，力学定律具有相同的形式，即物体遵从相同的力学规律。这称为力学相对性原理。,问题：是不是所有的物理定律在所有的惯性系中具有相同的形式？如电磁理论？,2.Einsteins Postulates 爱因斯坦假设,如果一个人以光速运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？在他看来，电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢？,1905年爱因斯坦在论动体的电动力学中，提出了举世闻名的相对性理论，将牛顿的绝对时空观打入地狱，牛顿力学全面改版。在他的论文中，他提出了下列假设：,一切物理定律在所有

9、惯性系中都是相同的,即所有惯性参考系都是等价的，没有一个至高无上的惯性系(The laws of physics are the same for observers in all inertial reference frames. No frame is preferred)。,（1） 相对性原理(The relativity Postulate),在所有惯性系中，光速等于恒定C，它不依赖于惯性系之间的运动，也与光源、观察者的运动无关(The speed of light in vacuum has the same value c in all directions and in all

10、 inertial reference frames)。,（2） 光速不变原理(The speed of light Postulate),3 Lorentz Transformation 洛仑兹时空坐标变换式,H.A. Lorentz(洛仑兹) : 18531928，荷兰物理学家、数学家。主要贡献：,如图，S系相对于S系沿ox(ox)以速度u运动，两坐标系中的观察者测得事件P的坐标为：,伽利略变换：,显然，爱因斯坦两个假设与伽利略变换相矛盾。,应该修改伽利略变换以满足爱因斯坦两个假设！,这就是-洛仑兹变换：,叫洛仑兹变换（Lorentz actually derived these equa

11、tions before Einstein did)。,逆变换：,讨论：,（1）令：,（2）0，洛仑兹变换伽利略变换，即伽利略变换是洛仑兹变换的低速近似。,（3）时空坐标耦合在一起，时间不再是一条永远向着东方流动的永不回头的长河了。时空与物质（观察者）的运动相联系，不在是独立于物质的运动以外的一个特殊的东西。,（如发射炮弹）,两件事(pairs of events)：,（如击中目标）,两件事的时空间隔：,S系：,S系：,根据洛仑兹变换有：,或：, 12-3 Some Consequences of the Lorentz Transformation 狭义相对论的时空观,1.经典时空观（牛顿的

12、绝对时空观）：,1）同时性的绝对性； 2）空间间隔的绝对性； 3）时间间隔的绝对性。,2.The Relativity of simultaneity “同时”的相对性,在狭义相对论中，“同时”是相对的，即在一个惯性系（观察者）看来是同时发生的两件事，在另一个惯性系（观察者）看来不一定是同时发生的。,决斗，开枪！,如图，为一列沿直线（ox或ox轴)运行的高速火车（TGV),速度为u。设火车为运动坐标系S,地面车站为S系。在火车的中部一列车员发出一闪电（光信号）,在S中，闪电同时达到火车的两端（收到信号），即P1和P2同时发生。在狭义相对论中，地面观察者这两件事不是同时发生的。,根据洛仑兹变换有

13、：,除非 ，否则 ，两件事不是同时发生的。,结论：,在一个惯性系中同时发生的两件事，在其它的惯性系中就不一定是同时发生的，除非两件事同时发生在一个惯性系中同一地点，那么在任何惯性系中就它们都是同时发生的。,3. The Relativity of Length 空间间隔的相对性（长度的相对性：长度收缩 Length contraction）,看一根运动的棒：沿ox或ox轴运动，S固定在棒上，S系为静止坐标系（即棒相对于S系以速度u运动）。两个坐标系的观察者如何测量棒的长度？,S系的观察者同时记下棒两端的坐标：两件事！,棒的长度,固有长度 或静止长度,显然，对于S系的观察者，棒的长度比静止长度缩

14、短了，这就是长度收缩效应。,结论：,物体沿运动方向缩短了，垂直于运动方向的长度不变，或空间间隔不是绝对的，而是相对的。,4. The Relativity of time 时间间隔的相对性（运动时钟变慢Time dilation）,如图，S系相对于S系沿ox(ox)轴以速度u运动；有一钟静止在S系中。两件事：钟的指针从一刻度转到另一刻度,是S系中观察者测出的运动的钟指针走过两刻度所需的时间，因为 ，对S系中观察者，运动的钟走慢了！,结论：,时间是相对的，或运动的钟变慢！,现代粒子物理证实了这一效应！,问题：,运动的棒缩短了，是不是组成棒的原子发生了变化？,运动的钟变慢了，是不是钟的结构发生了变

15、化？,例题1：一宇航员要到离地球5光年的星球去度假，如果宇航员希望这路程缩短为3光年，则他乘的火箭相对于地球的速度应是：,(A),(B),(C),(D),例题2：一米尺相对于观察者以0.6c的速度运动，则观察者看来米尺的长度为 。,5.Comparison 两种时空观对照,空间是绝对的，时间是绝对的，空间、时间和物质运动三者没有联系。,经典时空观：,相对论时空观：,1、时间、空间有着密切联系，时间、空间与物质运动是不可分割的。,2、不同惯性系各有自己的时间坐标，并相互发现对方的钟走慢了。,3、不同惯性系各有自己的空间坐标，并相互发现对方的“尺”缩短了。,4、光在任何惯性系中传播速度都等于 C

16、，并且是任何物体运动速度的最高极限。,5、在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中可能是不同时的。,研究对象：一个质点在空间的运动。,研究者：S和S中的两个观察者。, 18-4 The Lorentz Transformation of Velocities 相对论速度变换式,考虑一质点P在空间的运动，从S和S系来看，速度分别是,根据速度的定义：,由洛仑兹坐标变换,洛仑兹速度变换式,正变换,逆变换,结论：,2 在洛仑兹速度变换下，光速不变。,1 在 的情况，上式即变为伽利略速度变换式;,1.Question 问题的提出：,在相对论中，坐标变换为洛仑兹变换，容易证明在洛仑兹变换下，牛顿定律

17、不满足爱因斯坦相对性原理，即牛顿定律不正确，需要修正。, 12-5 The Relativistic Dynamic Theory 相对论动力学基础,2.Relativistic mass 质速关系：,牛顿第一定律修正为：,叫质速关系，其中 为物体相对于观察者静止是的质量（惯性），又叫静止质量，m为物体相对于观察者以速度V运动时的质量，叫运动质量。,正确理解质速关系：,1）应抓住惯性；,2）物体运动，质量增加，这是不是意味着物体长大了？或组成物质的原子变胖了？,3）当 ，惯性，即任何物体的速度不可能超过光速；,4）质速关系曲线（P217）：高速时，相对论效应才显著，故日常情况下，感觉不到。,斯

18、坦福加速器全貌,（5）当 时，必须 即以光速运动的物体是没有静止质量的。,Photon光子！,3.Relativistic momentum 牛顿第二定律：,动量：,牛顿第二定律：,正确理解修正后的牛顿定律：,1） 与 为同一惯性系中的测量值；,2） 形式与经典的一样，但 ，而且 指在一定的参照系中的测量值；,3）牛顿第三定律：作用力与反作用力大小相等，方向相反；对同一对力，在不同的惯性系中值可能不一样；,4）低速时，修正后的为原来的形式，即牛顿力学是相对论的低速极限；,5）日常所见物体，用经典牛顿力学足够了，但对于高速运动的粒子，如原子中的电子，需用相对论。,4.Relativistic E

19、nergy 质量与能量的关系,设一质点在变力作用下，由静止开始运动，力对物体作功，物体动能增加：,变形为：,爱因斯坦对上式作出了一个大胆的解释：,质点以速度 运动时所具有的总能量！,质点静止时所具有的能量（静止能量）！,质能关系式,物理学中最简单最美的公式,Japan,讨论：,1）在相对论中，各种特殊形式的能量都消失了，统一在 ；,2）能量的变化意味着质量的变化：,物体能量的增加，意味着物体惯性的增大，不能理解为质量转化为能量，反之亦然；,3）当,（4） 相对论中的质量不仅是惯性的量度，而且还是总能量的量度。,（5） 对一个孤立系统而言，总能量守恒，总质量也守恒。,核裂变和核聚变 所证实！,5