狹義相對(duì)論學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1狹義狹義(xiy)相對(duì)論相對(duì)論第一頁(yè)，共37頁(yè)。 經(jīng)典時(shí)空觀(guān)認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立變化的參量，時(shí)間和空間的測(cè)量與觀(guān)察者的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系。 時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)在經(jīng)典時(shí)空中是分割的，沒(méi)有體現(xiàn)出他們(t men)的聯(lián)系,質(zhì)量是和運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的常量。1、經(jīng)典(jngdin)時(shí)空觀(guān)的內(nèi)容是什么?ttrr不同參照系中時(shí)間間隔和空間隔分別相等在兩個(gè)慣性參考系（相互為勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系）S和S中觀(guān)察兩個(gè)物理事件(shjin)的時(shí)間間隔和空間間隔：第2頁(yè)/共37頁(yè)第二頁(yè)，共37頁(yè)。如：牛頓定律力學(xué)規(guī)律在 系觀(guān)察在 系觀(guān)察 在一切慣性系中，力學(xué)規(guī)律相同。稱(chēng)為伽利略相對(duì)性原理電磁學(xué)規(guī)律(gul)若 處有兩個(gè)電荷對(duì)

2、系，電荷間的相互作用 為靜電力。對(duì) 系，是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷，還有磁力作用。 規(guī)律(gul)不相同若 處有一光源，迎著 發(fā)射光波（電磁波）對(duì)光速對(duì)光速無(wú)實(shí)驗(yàn)根據(jù)誰(shuí)是誰(shuí)非難以判斷伽利略變換第3頁(yè)/共37頁(yè)第三頁(yè)，共37頁(yè)。V有一對(duì)帶正電的粒子在實(shí)驗(yàn)室中靜止，其間距為d，實(shí)驗(yàn)室中靜止的觀(guān)察者看來(lái)，每個(gè)粒子受到一個(gè)電斥力，沒(méi)有磁力存在，另一個(gè)以速度 向右勻速運(yùn)動(dòng)的觀(guān)察者看來(lái)，每個(gè)粒子相對(duì)他在運(yùn)動(dòng)， 因此它們之間除了電斥力外，還應(yīng)有相互(xingh)吸引的磁力。如果作用 在 q上的 合力，對(duì)兩個(gè)觀(guān)察者而言是相同的，那么，因?yàn)?meeFFF電斥力 一定比 大；若進(jìn)一步認(rèn)為電荷是不變的，則兩個(gè)觀(guān)察者看到的電場(chǎng)必

3、定不相等。eFEE mF第4頁(yè)/共37頁(yè)第四頁(yè)，共37頁(yè)。第5頁(yè)/共37頁(yè)第五頁(yè)，共37頁(yè)。以太光 對(duì) 地球光 對(duì) 以太地球 對(duì) 以太 若能用實(shí)驗(yàn)證明光波對(duì)地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 符合上述規(guī)律，則地球?qū)σ蕴慕^對(duì)運(yùn)動(dòng)將被證實(shí)，“以太” 觀(guān)點(diǎn)成立。邁克耳孫設(shè)計(jì)了一種檢驗(yàn)方法 根據(jù)“以太”觀(guān)點(diǎn)，充滿(mǎn)宇宙的“以太”是一切運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)參考系。 光波靠 “以太” 傳播，光對(duì) “以太” 的絕對(duì)速度為 。若在地球上固定一光源 ， 按伽利略的速度合成法則，地球?qū)σ蕴慕^對(duì)運(yùn)動(dòng)必滿(mǎn)足：或邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)尋找 “以太” 失敗實(shí)例R第6頁(yè)/共37頁(yè)第六頁(yè)，共37頁(yè)。 若能用實(shí)驗(yàn)證明光波對(duì)地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 符合上述規(guī)律，則地球

4、對(duì)以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)將被證實(shí)，“以太” 觀(guān)點(diǎn)成立。邁克耳孫設(shè)計(jì)了一種檢驗(yàn)方法： 根據(jù)“以太”觀(guān)點(diǎn)，充滿(mǎn)宇宙的“以太”是一切運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)參考系。 光波靠 “以太” 傳播，光對(duì) “以太” 的絕對(duì)速度為 。若在地球上固定一光源 ， 按伽利略的速度合成法則，地球?qū)σ蕴慕^對(duì)運(yùn)動(dòng)必滿(mǎn)足：或邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)尋找 “以太” 失敗實(shí)例以太光 對(duì) 地球光 對(duì) 以太地球 對(duì) 以太地球光 對(duì) 以太地球 對(duì) 以太光 對(duì) 地球底盤(pán)鏡鏡玻片11 m臂長(zhǎng)l = 590 nm邁克耳孫干涉儀觀(guān)察記錄干涉條紋邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)假如存在 “以太”， 的大小必與傳播方向有關(guān)。繞中心O 轉(zhuǎn)動(dòng)干涉儀，兩臂光程差必改變，干涉條紋必有移動(dòng)。干涉

5、儀轉(zhuǎn)過(guò) 90，兩臂位置取向互換，光程差改變達(dá)極大，條紋移動(dòng)量亦達(dá)極大。相對(duì)(xingdu)速率若 “以太” 觀(guān)點(diǎn)成立，預(yù)期有 0.4 根條紋移動(dòng)量。（儀器的靈敏度，可判斷0.01 根條紋的移動(dòng)量）。30 km / s地球絕對(duì)速度屬假設(shè)。在估算 干涉條紋移動(dòng)量時(shí)用地球的公轉(zhuǎn)速度 。這并不影響實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)測(cè)結(jié)果 經(jīng)過(guò)不同季節(jié)、不同時(shí)間的反復(fù)仔細(xì)觀(guān)測(cè)記錄，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)預(yù)期的條紋移動(dòng)。在歷史上曾被稱(chēng)為有關(guān)尋找 “以太” 著名的 “零結(jié)果”。尋找(xnzho) “以太” 失敗實(shí)例地球底盤(pán)鏡鏡玻片邁克耳孫干涉儀觀(guān)察記錄干涉條紋相對(duì)速率地球底盤(pán)鏡鏡玻片11 m臂長(zhǎng)l = 590 nm邁克耳孫干涉儀觀(guān)察記錄干涉條

6、紋相對(duì)速率第7頁(yè)/共37頁(yè)第七頁(yè)，共37頁(yè)。雙星(shungxng)周期的測(cè)量:oABS伴星(bnxng)B繞A,B的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。ot 1tL按伽利略變換(binhun)ucLtto 12ooTt 2t雙雙星星周周期期oTucLTttoo 22uu地球S上測(cè)得雙星的半周期在伽利略變換下應(yīng)為 2212222ucuLTttTo 測(cè)測(cè)第8頁(yè)/共37頁(yè)第八頁(yè)，共37頁(yè)。22222ucuLTTo 測(cè)測(cè)ucLtto 1oABS ot 1tLooTt 2t 因此(ync)測(cè)全周期應(yīng)為oTttT 12測(cè)測(cè)測(cè)測(cè)測(cè)測(cè)TT ?。繉?shí)際是實(shí)際是!測(cè)測(cè)測(cè)測(cè)TT 伽利略變換值得懷疑！如果認(rèn)為光速與光源（或接收器）是否運(yùn)動(dòng)沒(méi)有

7、關(guān)系，問(wèn)題(wnt)便得以解決。ucLTttoo 2若直接(zhji)測(cè)全周期雙星周期的測(cè)量再一次證實(shí)了光速不變性，肯定了伽利略變換式必須修改！第9頁(yè)/共37頁(yè)第九頁(yè)，共37頁(yè)。面對(duì)(min du)電磁學(xué)規(guī)律不滿(mǎn)足伽利略相對(duì)性原理有三條路1) 堅(jiān)持經(jīng)典時(shí)空觀(guān), 但對(duì)電磁學(xué)規(guī)律(gul)進(jìn)行修正發(fā)射(fsh)假設(shè)2) 伽利略變換作修正洛侖茲: 收縮假設(shè)3)建立全新的時(shí)空觀(guān)愛(ài)因斯坦: 狹義相對(duì)論拖帶理論: 為解釋邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果, 有人提出, 由于以太很輕, 所以地球在自轉(zhuǎn)時(shí)帶著以太一起運(yùn)動(dòng), 因而它們相對(duì)靜止, 所以觀(guān)察不到相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng). 拖帶理論發(fā)射假設(shè): 有人提出光相對(duì)于光源的速度是

8、c, 由于光源隨地球一起運(yùn)動(dòng), 并與儀器相對(duì)靜止, 所以只能觀(guān)察到光速=c. 收縮假說(shuō):為解釋邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果, 而又保留以太說(shuō), 洛侖茲于1892年提出收縮假說(shuō), 他假定在相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的方向上, 物體的長(zhǎng)度會(huì)收縮, 收縮的比例因子是 , 這樣一來(lái), 在邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果就可以得到解釋。213、愛(ài)因斯坦為什么要提出新時(shí)空觀(guān)？第10頁(yè)/共37頁(yè)第十頁(yè)，共37頁(yè)。理論理論光學(xué)實(shí)驗(yàn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)其它實(shí)驗(yàn)其它實(shí)驗(yàn) 固定以太理論固定以太理論 O O O O O O O O V相對(duì)于光源相對(duì)于光源=c O O O O 太陽(yáng)光源邁克爾孫實(shí)驗(yàn)(shyn)雙星運(yùn)行周期的觀(guān)察運(yùn)動(dòng)的光源和反射鏡現(xiàn)象肯尼迪-桑戴

9、克實(shí)驗(yàn)(shyn)邁克爾孫實(shí)驗(yàn)(shyn)斐索運(yùn)流實(shí)驗(yàn)(shyn)光行差現(xiàn)象永磁體單極感應(yīng)實(shí)驗(yàn)高速介子衰變實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)電荷輻射實(shí)驗(yàn)普遍的質(zhì)能相當(dāng)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量隨速度(sd)變化實(shí)驗(yàn)以太(y ti)理論以太附著在有質(zhì)物體上的理論(拖拽)發(fā)射理論V反相對(duì)反射鏡=cV反相對(duì)于光源的象=c狹義相對(duì)論 O O O O O OO O O O第11頁(yè)/共37頁(yè)第十一頁(yè)，共37頁(yè)。愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)，我的理論被證實(shí)過(guò)一萬(wàn)次也不能證明這個(gè)理論是正確的，相反，只要有一次發(fā)現(xiàn)(fxin)是錯(cuò)誤的，那就足以證明這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。第12頁(yè)/共37頁(yè)第十二頁(yè)，共37頁(yè)。世界上最大的機(jī)器：“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”不僅是世界上最大的粒子加速器，而

10、且也是世界上最大的機(jī)器。它位于瑞士、法國(guó)邊境地區(qū)地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)26.659公里(n l)。地球上最快的“軌道”：如果“開(kāi)足馬力”，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的粒子將在環(huán)形隧道內(nèi)以每秒11245圈的速度“狂飆”，約等于光速的99.99%。第13頁(yè)/共37頁(yè)第十三頁(yè)，共37頁(yè)。設(shè)在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心2010年30日宣布，當(dāng)今世界最大粒子加速器（LHC），由CERN控制的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)日成功地讓兩束質(zhì)子束流對(duì)撞，并獲得(hud)7萬(wàn)億電子伏特的能量，這是迄今最高能量的質(zhì)子束流對(duì)撞試驗(yàn)。本次試驗(yàn)用于模擬億年前宇宙大爆炸之后的最初狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)的成功將有助于科學(xué)家進(jìn)一步研究宇宙的起源。 kE

11、為什么需要(xyo)如此大的能量？-這是源于相對(duì)論的公式：第14頁(yè)/共37頁(yè)第十四頁(yè)，共37頁(yè)。第15頁(yè)/共37頁(yè)第十五頁(yè)，共37頁(yè)。英國(guó)自然(zrn)雜志網(wǎng)站2011年9月22日?qǐng)?bào)道,歐洲研究人員發(fā)現(xiàn)了難以解釋的中微子超光速現(xiàn)象,這一現(xiàn)象違背了愛(ài)因斯坦相對(duì)論,研究人員目前對(duì)此持謹(jǐn)慎態(tài)度,希望全球科學(xué)家能共同探究原因。據(jù)報(bào)道,意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下屬的一個(gè)名為OPERA的實(shí)驗(yàn)裝置接收了來(lái)自著名的歐洲核子研究中心的中微子,兩地相距730公里,中微子“跑”過(guò)這段距離的時(shí)間比光速還快了60納秒(1納秒等于十億分之一秒)。參與實(shí)驗(yàn)的瑞士(ru sh)伯爾尼大學(xué)的安東尼奧 伊拉蒂塔托說(shuō),他和同事被這

12、一結(jié)果震驚了,他們隨后反復(fù)觀(guān)測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象1.6萬(wàn)次,并仔細(xì)考慮了實(shí)驗(yàn)中其他各種因素的影響,認(rèn)為這個(gè)觀(guān)測(cè)結(jié)果站得住腳,于是決定將其公開(kāi)。修改(xigi)相對(duì)論？ 第16頁(yè)/共37頁(yè)第十六頁(yè)，共37頁(yè)。北京時(shí)間2012年2月23日消息，據(jù)美國(guó)科學(xué)雜志報(bào)道，2011年9月在意大利進(jìn)行的OPERA實(shí)驗(yàn)宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)中微子速度超過(guò)光速。然而(rn r)，這一“驚人發(fā)現(xiàn)”似乎因一個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致，罪魁禍?zhǔn)卓赡苁荊PS裝置與電腦之間“接觸不良”。據(jù)熟悉此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的消息人士透露，提前60毫微秒似乎由連接GPS接收器(用于校正中微子飛行時(shí)間)的光纜與電腦內(nèi)電子卡之間出現(xiàn)的接觸不良所致。在測(cè)量數(shù)據(jù)穿行光纜長(zhǎng)度所用時(shí)間時(shí)，研究人

13、員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)所用時(shí)間比預(yù)計(jì)提前60毫微秒。由于這一時(shí)間從總用時(shí)中扣除，似乎能夠解釋中微子為何早到。不過(guò)，科學(xué)家仍需新數(shù)據(jù)證實(shí)這種假設(shè)。第17頁(yè)/共37頁(yè)第十七頁(yè)，共37頁(yè)。 對(duì)所有慣性系， 光在真空中的速率 物理規(guī)律都是相同的。 在任何慣性系中， 都等于同一量值 c 。第18頁(yè)/共37頁(yè)第十八頁(yè)，共37頁(yè)。在一切(yqi)慣性系中，所有的物理規(guī)律都是相同的。1.(1) 愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理(yunl)不論通過(guò)力學(xué)(l xu), 電磁還是其它現(xiàn)象, 都無(wú)法覺(jué)察到所處的參考系的任何“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”一切相互之間做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系都是等價(jià)的。不存在任何一個(gè)特殊的慣性參照系。等價(jià)表述第19頁(yè)/共37頁(yè)第十九

14、頁(yè)，共37頁(yè)?！霸谌魏螒T性系中光在真空(zhnkng)中沿任何方向的速率都相等”, 并與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān).(2) 光速(un s)不變?cè)砉馑?un s)不變?cè)淼臄?shù)學(xué)表達(dá)式：tcxtcxO、O重合時(shí)發(fā)出光信號(hào)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。Rctxctx第20頁(yè)/共37頁(yè)第二十頁(yè)，共37頁(yè)。 光到達(dá) B 為事件 2設(shè)： 光到達(dá) A 為事件 1對(duì) ：兩事件同時(shí)發(fā)生，對(duì) ：兩事件非同時(shí)發(fā)生。即 “ 同時(shí) ” 是相對(duì)的。（與慣性系有關(guān)）根據(jù)愛(ài)因斯坦的光速不變?cè)?，不論?duì) 或 光速都一樣。故看到： 閃光同時(shí)到達(dá) A 、B 壁?？吹剑?閃光先到達(dá) B 壁，后到達(dá) A 壁。則即而(中點(diǎn)）動(dòng)畫(huà)第21頁(yè)/共37頁(yè)第二十一頁(yè)，共37

15、頁(yè)。 光速不變的實(shí)質(zhì)是全新的時(shí)空觀(guān):1.時(shí)間和空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)(yndng)密切相關(guān).2.時(shí)間間隔隨慣性系而異.時(shí)間是相對(duì)量.3.空間間隔隨慣性系而異.空間是相對(duì)量.則即而第22頁(yè)/共37頁(yè)第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。模型在約定慣性系中進(jìn)行某一事件的時(shí)空坐標(biāo)變換相對(duì) 沿 方向以勻速 運(yùn)動(dòng)方向均無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)推導(dǎo)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 X 方向的時(shí)空坐標(biāo)變換式：重合開(kāi)始計(jì)時(shí)第23頁(yè)/共37頁(yè)第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。求待定系數(shù)得則及線(xiàn)性變換相對(duì)性原理對(duì)任一事件，變換式均應(yīng)滿(mǎn)足若在重合時(shí)原點(diǎn)處沿OX方向發(fā)分別觀(guān)察此光信號(hào)光速不變?cè)沓鲆还庑盘?hào)，傳播到達(dá)的X坐標(biāo)和時(shí)間關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足：推導(dǎo)重合開(kāi)始計(jì)時(shí)相對(duì) 沿 方向以勻速 運(yùn)動(dòng)t

16、 = （t + hx）（1）t = （t - hx） （2）第24頁(yè)/共37頁(yè)第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。則 變?yōu)樘摂?shù)，時(shí)空變換式無(wú)實(shí)際意義。時(shí)空不可分割高低速兼容物體不能超光速變換式揭示了時(shí)、空是相互依賴(lài)的。當(dāng) 時(shí)， ，且 ，回到伽利略變換式。結(jié)果或?qū)懗善渲?洛侖茲時(shí)空坐標(biāo)變換時(shí)空坐標(biāo)(zubio)平權(quán) 具有對(duì)稱(chēng)性第25頁(yè)/共37頁(yè)第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。洛侖茲時(shí)空(sh kn)坐標(biāo)變換與光速不變的邏輯關(guān)系光速不變?cè)砥渲兴裕簒=ct; x=ct也適用于任何(rnh)物理過(guò)程適用(shyng)于任何物理過(guò)程？適用于任何物理過(guò)程包括光傳播過(guò)程同時(shí)也包括了其他物理過(guò)程。在推導(dǎo)洛倫茲變換過(guò)程中，需要確定

17、待定系數(shù)，于是只是借用光速傳播這個(gè)特殊過(guò)程，來(lái)確定，并不意味著其他物理過(guò)程也必須滿(mǎn)足x=ct; x=ct第26頁(yè)/共37頁(yè)第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。兩個(gè)(lin )物理事件的時(shí)空間隔:22)(1cvxcvtt )tVx(x 1) 已知S求S:2) 已知S求S:22)cv(1xcvt t )tVx( x 第27頁(yè)/共37頁(yè)第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。第28頁(yè)/共37頁(yè)第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。2.2410 8 ( m / s )22)cv(1xcvt t 第29頁(yè)/共37頁(yè)第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。A先向B開(kāi)槍?zhuān)^(guò)了12.5n s ， B 才向 A開(kāi)槍?zhuān)蚨九_(tái)(zhnti)上的人作證：這場(chǎng)槍?xiě)?zhàn)是由A挑起的，假如

18、你是車(chē)中的乘客 你看見(jiàn)的情況是怎樣的？C6.0AB例、一列高速列車(chē)以0.6C的速度沿平直軌道(gudo)運(yùn)動(dòng),車(chē)上 A、 B兩人距離 L=10m。B在車(chē)前 ，A 在車(chē)后，當(dāng)列車(chē)通過(guò)(tnggu)一站臺(tái)時(shí)，突然發(fā)生槍?xiě)?zhàn)事件，站臺(tái)上的人看到：mL10 mx10 ns.tttAB512 ?tttAB 求求c.V60 4/5/1/122 cV )xcVt(t2 第30頁(yè)/共37頁(yè)第三十頁(yè)，共37頁(yè)。22)(1cvxcvtt xcvcvtt 221解：已知t =12.5ns x=10m 0s810221cvxcvtt 問(wèn)：為什么不直接(zhji)用 ?2122121)()(cvxxcvttt C6 . 0ABmL10 動(dòng)畫(huà)第31頁(yè)/共37頁(yè)第三十一頁(yè)，共37頁(yè)。22)(1cvxcvtt 由于(yuy)：u c，因