运动的相对性与时空.ppt

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1、1,运动的相对性与时空,从哥白尼到爱因斯坦牛顿的力学相对性原理和伽利略变换爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的洛仑兹变换时间膨胀 长度缩短速度变换,2,一、初步认识相对性 运动描述与参考系有关,运动规律与参考系无关。对牛力的认识,惯性系与非惯性系。,从哥白尼到爱因斯坦,“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”这是古人以文学语言阐述的对事物认识因人而异的事实。这是最原始的“相对性”。,3,二、深入认识相对性 认识论方法论的问题，教育人们要 脱离自我 客观地看问题。相对性问题的核心是：物理规律是客观存在的，与参考系无关。,对“相对性”的正确认识，首先涉及“认识论、方法论”，在认识上必须要“超

2、越自我”，即超越自我认识的局限，自觉摆脱经验的束缚，以事实为依据。,4,相对论问题包括 两方面1)相对性原理-物理规律的不变性;2)变 换-不变式。,张三,张三说：头朝上。李四也说：头朝上。,李四,但，张三看李四，大头朝下！,5,三、哥白尼 爱因斯坦是典范,抛弃以我为中心,抛弃地心说,哥白尼,6,爱因斯坦现代时空的创始人,惯性系，非惯性系 平权,二十世纪的哥白尼,所有的参考系平权,7,从哥白尼到爱因斯坦-参考系的选择,牛顿的相对性原理 狭义相对性原理 广义相对性原理,平权就是对称性,2 牛顿的力学相对性原理 和 伽利略变换,明确研究的问题:在两个惯性系中考察同一物理事件,8,在不同的惯性系中，

3、考察同一物理事件。,两个参考系对表,问题：,一、伽利略变换,t时刻，物体到达P点,9,分量式,正变换,逆变换,10,速度变换与加速度变换,正,逆,惯性系,11,在两个惯性系中,二、牛顿的相对性原理,牛顿力学中：,相互作用是客观的分析力与参考系无关,质量的测量与运动无关,12,宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,或 牛顿力学规律是伽利略不变式,如：动量守恒定律：,13,3 爱因斯坦狭义相对论的 两个基本假设,一、牛顿力学的困难1)电磁场方程组不服从伽利略变换2)光速C 在哪个参考系中测的?迈克耳逊 莫雷的 0 结果3)高速运动的粒子,14,二、基

4、本假设,1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同 相对性原理2、光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 光速不变原理,1)爱因斯坦 的理论是 牛顿 理论的发展,15,2)光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对,3)观念上的变革,牛顿力学,速度与参考系有关,(相对性),狭义相对论力学,长度、时间测量 的相对性,16,三、同时性的相对性,1、事件 时空坐标2、同步钟 3、同时性的相对性-光速不变原理的直接结果 以爱因斯坦火车为例说明,17,爱因斯坦火车,地面参考系,实验装置,发一光信号,18,发一光信号,研究的问题：两事件发生的时间间隔,处闪光,光速为,同时接收到光信号,事件1、事件2

5、同时发生。,19,事件1、事件2 不同时发生,事件1先发生,处闪光,光速也为,系中的观察者又如何看呢？,1、同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,2、相对效应3、当速度远远小于 c 时 两个惯性系结果相同,20,狭义相对论的洛仑兹变换,重合 且在此发出闪光,经一段时间 光传到 P点,一、推导,21,由光速不变原理：,由发展的观点：,有,22,由客观事实是确定的：,对应唯一的,设,下面的任务是 根据上述四式 利用比较系数法 确定系数,23,24,令,则,正变换,逆变换,25,正变换,讨论,时空坐标,伽利略变换,发展,26,变换无意义,速度有极限,4)由洛仑兹变换看同时性的相对性,事件1,事件2

6、,两事件同时发生,？,27,若,同时性的相对性,5)时序 因果关系,已知,28,5 时间膨胀 长度缩短一、时间膨胀 运动时钟变慢,考察一只钟。,在研究一个物理过程的时间间隔中，,在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔(同一只钟测量)，与另一系中，两个地点发生的两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。,研究的问题是：,29,1、原时 两地时,2、原时最短 时间膨胀,在某一参考系中，同一地点先后发生的两个 事件之间的时间间隔叫原时。,(两事件发生在同一地点),(一只钟测出的时间间隔),(S 系中的两个地点的两只钟测出的时间间隔),两地时,原时,30,由洛仑兹逆变换,原时最短,1,31,

7、1、运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征,2、对同样的两个事件 原时只有一个,固有时 本性时 本征时,3、双生子效应,32,二、长度收缩-运动尺子变短,对运动长度的测量问题怎么测？同时测,1、原长,棒静止时测得的它的长度也称静长,静长,33,静长,棒以极高的速度相对S系运动，S系测得棒的长度值是什么呢？,事件1：测棒的左端事件2：测棒的右端,相应的时空坐标,34,事件1：测棒的左端事件2：测棒的右端,2、原长最长 长度收缩,由洛仑兹变换,35,1)相对效应 2)纵向效应 3)在低速下 伽利略变换 4)同时性的相对性的直接结果,36,6 相对论速度变换,37,由洛仑兹变换知,38,39,例：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：从地面上看，物体速度多大？,解：,