《力学_舒幼生_第八章狭义相对论》课件.ppt

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第八章狭义相对论 §8.1 狭义相对论基本原理 狭义相对论以前的力学和时空观 伽利略相对性原理 电磁场理论建立后呈现的新局面 迈克尔孙-莫雷实验 爱因斯坦的选择 §8.2 相对论时空度量的相对性 §8.2.1 相对论时空观 §8.2.2 时空度量的相对性 各惯性系中的时空度量 惯性系间时空度量的相对性 时钟零点校准的差异 运动直尺的长度收缩 运动时钟变慢 运动直尺的长度收缩 相对论中的相对运动 §8.3 狭义相对论时空变换及其推论 洛仑兹变换 (1)运动的相对性 (2) 绝对时空观——伽利略变换 ( 2 ) 光速不变原理——洛仑兹变换 例 在惯性系S中观察到两事件发生在同一地点,时间先后差2s。在另一相对于S系运动的惯性系S中观察到两事件之间的间隔 为3s。试求S系相对于S系的速度大小v和在S系中测得的两事件 之间的距离d。 长度的相对性 例 短隧道如何装入长火车? 设隧道长 L1,火车长 L2L1,火车以匀速 v 驰进隧道。 时间的相对性 例 ?子衰变 例 惯性系S中三艘已处于匀速直线运动状态的飞船1,2,3,各自的速度大小同为v,航向如图所示。某时刻三艘飞船“相聚”(彼此靠近,但不相碰)于S系的O点,此时各自时钟都校准在零点。飞船1到达图中与O点相距l的P处时,发出两束无线电信号,而后分别被飞船2、3接收到。 (1)在飞船1中确定发射信号的时刻t1; (2)在飞船2中确定接收信号的时刻t2; (3)在飞船3中确定接收信号的时刻t3; 刚体模型 相对论多普勒效应 例 星光的红移 氢原子巴尔末线系的最大波长λ0=656nm,在观测来自一个遥远星系的光谱中,这条谱线的波长的测量值为λ=1458nm。求星系相对地球的退行速度。 速度变换 若物体相对一个参考系的运动速度小于c,即则相对于任意参考系,它的速度都小于c。 加速度变换 §8.4 相对论动力学 概述 动质量公式 牛顿三定律的修正 质能关系 能量与质量 能量动量关系 例 静质量为m0的质点静止于x = 0点,t = 0开始在一个沿x轴方向的恒力F作用下运动。试求: (1)质点速度u和加速度a随位置x的变化关系; (2)质点速度u和加速度a及位置x随时间t的变化关系。 例 质点A、B静质量同为m0,今使B在惯性系S中静止,A则以3c/5的速度对准B运动。若A、B碰撞过程中无能量释放,且碰后粘连在一起,试求碰后相对S系的运动速度v及系统动能减少量。 例 水平隧道AB长L0,一列火车AB静长 L = 2L0。今使火车如图所示,以匀速v驰入隧道,地面系中观察到A与A相遇时恰好B与B相遇。试根据洛仑兹变换计算v值,并在列车系中计算从A与A相遇到B与B相遇之间的时间间隔Δt。 例 太空火箭(包括燃料)的初始质量为M0,从静止起飞,向后喷出的气体相对火箭的速度u为常量,任意时刻火箭相对地球速度为v时火箭的瞬时静止质量记为m0。忽略地球引力影响,试求比值m0/M0与速度v之间的关系。 三 矢量合成的解析法 1、矢量在三维直角坐标轴上的分矢量和分量: 矢量 的模为: 矢量 的方向为: 图7 矢量在三维直角坐标轴 上的正交分量 2、矢量合成的解析法: 矢量 和 在两坐标轴上的分量可分别表示为: 图8 矢量合成解析法 四 矢量的标积和矢积 物理学中,矢量乘积有两种:标积(点乘),矢积(叉乘) 1、矢量的标积: 标积的性质: (1) 标积的交换律: (2) 标积的分配律: 2、矢量的矢积: 矢量 的大小为: 矢量 的方向为: 图9 两矢量的矢积 平行四边形面积 矢积的性质: (1) 矢积不遵守交换律: (2) 当 时, (3) 矢积的分配率: 相对论速度变换 相对论速度逆变换 在任何参考系中光速不变 在参考系S中,加速度定义为 相对论加速度变换 相对论加速度逆变换 相对论中,只有加速度为零时才是惯性系不变的 加速度变换的三个特征: 因此,经典力学中牛顿第二定律需要修正。 根据狭义相对性原理,物理定律应在洛伦兹变换下具有不变性 麦克斯韦方程组具有洛伦兹变换不变性 在高速情况下,动量守恒、能量守恒以及质量守恒仍然成立 在不同的惯性系中,同一个质点的加速度不再是不变量。 经典力学的基本定律——牛顿第二定律需要修正 S系:两个相同的小球以等速u相向运动,碰后静止 碰前 碰后 S系相对S系以匀速u向右运动 S系 S系 在S系中 两球碰后的速度 根据动量守恒和质量守恒 小球1和2碰撞前的速度分别为 从u1速度变换式解出u,略去大于光速的解,即得 物体的质量m与其静止质量m0和速度v的关系 在洛仑兹变换下,加速度不等于零时不再是不变量, 质量依赖于速度,力必然也不再是惯性系不变的。 在狭义相对论中,牛顿第一定律仍然成

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