第11章狭义相对论课件.ppt

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1、2023/1/22,狭义相对论,1、了解狭义相对论的两条基本原理。2、了解洛仑兹坐标变换公式和相对论速度变换公式。3、了解相对论时空观，理解相对论长度收缩和相对论 时钟延缓效应。4、掌握相对论质速关系、质能关系。5、掌握相对论动能、静能以及相对论能量之间的关系 及其应用。,本章教学基本要求,2023/1/22,狭义相对论,经典物理,近代物理,相对论力学 建立在相对论时空观基础上的力学理论 牛顿力学 在低速条件下(v c)相对论力学的近似,狭义相对论:讨论匀速运动的惯性系 时空统一、质能统一广义相对论:讨论任意运动的非惯性系 时空与物质的统一,2023/1/22,狭义相对论,一、伽利略相对性原理

2、,(1)伽利略变换 惯性系:K、K,K,K,ut,2023/1/22,狭义相对论,(2)伽利略相对性原理,伽利略相对性原理 力学定律在所有惯性系中都相同。(不存在绝对惯性系),力学定律在伽利略变换下不变,(3)迈克耳逊莫雷实验(MichelsonMorly)所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价?,1862年 麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论 光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系?,2023/1/22,狭义相对论,以太假说:以太参考系(绝对参考系)(以太 假想传播电磁波的弹性介质,充满整个空间),迈克

3、耳逊莫雷实验:(观察地球相对于以太的绝对运动)迈克耳逊干涉仪:测量光速差(相对以太不同方向运动)若存在光速差 干涉条纹将移动 实验结果 不存在条纹移动(宣布实验“失败”),2023/1/22,狭义相对论,二、狭义相对论基本原理(1)狭义相对论基本原理,1905年 爱因斯坦(A.Einstein)提出二条狭义相对论的基本假设:(1)光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速都相同(c)(2)相对性原理:在所有惯性系中,一切物理定律的形式都相同,(2)洛伦兹变换,P(x y z t)(x y z t),u,O,K,X,Y,Z,O,K,X,Y,Z,（由两个基本假设及时间、空间的均匀性推得）,2023

4、/1/22,狭义相对论,2023/1/22,狭义相对论,(3)相对论速度变换,2023/1/22,狭义相对论,2023/1/22,狭义相对论,例：两火箭 A、B 沿同一直线相向运动，测得二者相对地球的速度大小分别是 vA=0.900 c,vB=0.800c，试求二者互测的相对运动速度。,2023/1/22,狭义相对论,三、狭义相对论时空观(相对论运动学)经典(绝对)时空观 相对论时空观 相对论运动学效应 长度收缩,时钟延缓。,(1)同时的相对性,对同时绝对性的批判,成为 Einstein 建立狭义相对论的基本出发点之一。,2023/1/22,狭义相对论,(2)相对论长度收缩,物体沿运动方向的长

5、度比静止时缩短 同时的相对性在长度测量过程中的反映,棒的长度:测量两端坐标来确定,“测量”和“观看”的区别,2023/1/22,狭义相对论,实验验证：宇宙射线在大气层上部产生的介子，寿命仅210-6s，若以v=0.998c的速度，只能走过598.8m。大气层厚约9000m，按经典观点，地面观察不到。但实际上可以观察到。试以介子为参考系根据相对论解释。,以介子为参考系，观察者认为大气层的厚度不是9000m，而是,2023/1/22,狭义相对论,(3)相对论时钟延缓,时钟快慢:记录两个事件的时间间隔,相对于本征时,运动的时钟变慢 时间膨胀,2023/1/22,狭义相对论,实验验证：宇宙射线在大气层

6、上部产生的介子，寿命仅210-6s，若以v=0.998c的速度，只能走过598.8m。大气层厚约9000m，按经典观点，地面观察不到。但实际上可以观察到。试用相对论解释。,2023/1/22,狭义相对论,例：带正电的介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为2.510-8s，之后即衰变成一个介子和一个中微子。在实验室测得它的速率为u=0.99c，并测得它在衰变前通过的平均距离为53m，这些测量结果是否一致？,解：若用平均寿命=2.5 10-8s和u相乘，得7.4m，与实验结果不符。考虑相对论的时间膨胀效应，是静止介子的平均寿命，是原时，当介子运动时，在实验室测得的平均寿命应是：,实验室测得

7、它通过的平均距离应该是：,与实验结果符合得很好。,2023/1/22,狭义相对论,例：在地面上观察，飞船和彗星分别以0.6c和0.8c的速度相向而行，再过5s两者将相撞，求：（1）彗星相对飞船的速度；（2）飞船上观察，再经多少时间相撞。,解：,（1）,2023/1/22,狭义相对论,例：地球上某地先后受到两个雷击，时间间隔为1s，在相对地球作匀速直线运动的飞船中测量，这两雷击相隔2s。求飞船上观察两雷击地相距多远？是否存在一个惯性系测得这两雷击的时间为0.9s?,解：以地面为K系，飞船为K系，地面上的时间间隔为同一地点测得，为固有时间,不可能，固有时间最短,2023/1/22,狭义相对论,例：

8、观察者O站在长度65m的站台上。飞船以0.8c平行站台运动，某瞬间O看到飞船的头和尾正好与站台两端重合。求：(a)O认为飞船通过站台上某一点所需时间；(b)飞船的固有长度；(c)飞船上的观察者O认为站台的长度是多少；(d)O认为O通过飞船所需时间；(e)O认为飞船的两端同时与站台两端重合，O认为这两事件同时么？,解：,2023/1/22,狭义相对论,作业：11.1 11.2 11.4 11.5 11.6,2023/1/22,狭义相对论,四、狭义相对论动力学,(1)相对论质量质速关系,改造经典力学的两条原则,思路：重新定义质量、动量、能量，使相应的守恒定律在相对论力学中仍然成立。,2023/1/

9、22,狭义相对论,例：一静质量为 m0，静长为l0的细棒，相对地面以 v 匀速运动，求在地面参照系中，此棒的质量线密度。细棒的运动方向分别为（1）沿棒长方向，（2）沿垂直棒长方向。,2023/1/22,狭义相对论,(2)相对论动量,(3)相对论能量,1、相对论动能,2、质能关系,2023/1/22,狭义相对论,例：把电子的速度从静止加速到V10.6c，外界需对它作多少功？把电子的速度由V1=0.6c加速到V2=0.8c，外界需对它作多少功？,2023/1/22,狭义相对论,2023/1/22,狭义相对论,例：在一种热核反应中，各种粒子的静止质量为：氘核，氚核：，氦核，中子：，求这一热核反应释放的能量是多少？,解：,反应前后质量亏损为：,相应释放的能量为：,2023/1/22,狭义相对论,作业:11.9 11.10 11.11 11.12,