狭义相对论_1讲解.ppt

* 第十一章 狭义相对论基础 爱因斯坦 ( Albert Einstein, 1879—1955 ) 20世纪最伟大的物理学改革家，相对论的创始人，主要科学业绩： 早期对布朗运动的研究 狭义相对论的创建 推动量子力学的发展 建立了广义相对论 1905年创建的狭义相对论 1916年创建的广义相对论 1921年获诺贝尔物理学奖金 1906年用量子理论说明了固体热容与温度的关系 1912年用光量子概念建立了光化学定律 1916年提出自激发射和受激发射的概念，为激光的出现奠定了理论基础 1924年提出了量子统计方法--玻色-爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个宇宙的时空结构 一、伽利略变换 有两坐标系S与S‘，在t=0时，两坐标系的原点O与O’重合，S系相对于S系以速度v沿x轴运动 y O x P S v O’ y’ S’ x’ 坐标变换 速度变换 加速度变换 伽利略时空变换式 11－1 伽俐略变换式 牛顿的绝对时空观 二、经典力学的相对性原理 结论：牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。 推广：对于所有的惯性系，牛顿力学的规律都应有相同的形式。这就是力学相对性原理。即所有的惯性系中都是相同的，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。 三、经典力学的绝对时空观 1、时间： 同时性的绝对性：在一惯性系中同时发生的两件事，在其它惯性系中也是同时发生的。 在S系中， t1=t2， 则由 t1=t1，t2=t2 得在S‘系中 t1= t2 时间间隔测量的绝对性： 在S系中，Dt=t2-t1， 则由t1=t1，t2=t2 得在S系中Dt=t2-t1=t2-t1=Dt 2、长度： 关于长度的定义及长度测量的说明： 杆的长度由其两端的坐标差确定 l=x2-x1 静止：端点坐标值不随时间变化，坐标测量可在不同时刻进行运动：端点坐标值随时间变化，坐标测量必须在同时刻进行；若不是同时测量，则坐标差就不是杆的长度。 空间的绝对性 S中，杆静止，测得x2、x1，则l= x2- x1 S系运动，在S系中同时测量，当时刻为t时， x1=x1-vt，x2=x2-vt S系中测得l=x2-x1=(x2+vt)-(x1+vt)=x2-x1=l 在彼此相对运动的惯性系中，测得同一杆的长度是相同的 11－2 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换式 一、狭义相对论的基本原理 1、相对性原理： 物理定律在所有的惯性系中都是相同的，即所有惯性系对运动的描述都是等效的。 2、光速不变原理： 真空中的光速是常量，它与光源或观察者的的运动状态无关，即不依赖于惯性系的选择。 1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展 力学规律 说明： 一切物理规律 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 二、洛仑兹变换式 1、洛仑兹变换及其逆变换 y O x P S v O’ y’ S’ x’ z Z’ 2、说明 将正变换中的速度反号，并将带撇的与不带撇的量相互交换，即得到逆变换； 当vc时，b → 0，洛仑兹变换→伽利略变换式； b =v/c1，所以vc。 3、推导 S系的坐标原点O，在S系中：x=0 在S‘系中： x= -vt或x+vt=0 x=k(x+vt) S系的坐标原点 x=k(x-vt) 相对性原理，这两个惯性系是等价的， k=k x=k(x-vt) y=y z=z 对于y,z 的关系， 讨论t与t的变换关系 考虑光速原理。假设O与O垂合瞬时(t=t=0)，由重合点发出的沿Ox轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐标系中分别为： x=ct， x=ct 4、洛仑兹坐标变换的特点 两个参照系的相对运动对于垂直于运动方向的空间尺寸没有影响； 运动方向上距离和时间测量结果在变换中“混合起来； 当物体的速度远小于光速时，洛仑兹变换式就变为伽俐略变换式。 洛仑兹坐标变换说明两个物体的相对速度不可能超过光速。 附：洛仑兹坐标变换的矩阵表示 三、洛仑兹速度变换 S系 S’系 根据洛仑兹变换 1、速度变换式 2、速度逆变换式 vxc时，洛仑兹速度变换式变成伽利略速度变换式； vx=c时，vx=c 洛仑兹速度变换本身就包含光速极限的概念。 3、说明 例：设想一飞船以0.90c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： 选飞船参考系为S’系。 地面参考系为S系。 u x x ￠ 11-3 狭义相对论的时空观 一、同时性的相对性 1、同时性的相对性 在惯性系S中同时发生的两个事件，在惯性系S’中一般来说不再是同时发生的，这就是同时性的相对性。 2、解释 在S系中，不同地点x1与x2同时发生两件事 在S系中 结论：