大二上-大物new16狹義相對論新xiugai

第五篇機械運動——牛頓力電磁運動——麥克斯韋電磁場理

經典物“最終的理論”“物理學科的終結1900年，開爾文：“……，但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云?！边~克爾遜——莫雷實——相對黑體輻射實驗——量子理

近代物20世紀初物理學取得的最偉大的成就之 義 基微觀、高速領相對論的力學是有效的，是與我們的經驗相符的。然而，涉及到運動速度接近或等于光速的物過程時，整個經典力學的基本觀念受到了 。運動確定性描述的觀念，穿越時空之洞模愛因斯坦1915年：廣義相對論（對非慣性參照系而言）《論動體的電動力雙生兄弟佯引力場，彎曲§16.1經典力學的相對性原理利略一、相對量和絕相對量：隨參絕對量：不隨

r(tt)r(t) 經典物理中 伽利略變一.伽利略變 正變yz正變yzt

x,y,z,t 逆變xxutyz逆變xxutyzzttKrKryK'uP vyvyaaaaaaaaaxxayayaz正vxvxvxuvyvyvz axxayazaaaxyzaaaxyzaaa是慣系在兩個慣性系 a二.經典力學的相對性原理經典力學描述物體的x是相對描述動力學的am宏觀低速物體的力學規(guī)律在任何慣性系中形式相宏觀低速物體的力學規(guī)律在任何慣性系中形式相§2義相對論的基本（一）牛頓力學電磁場方程 從伽利略變換光速C哪個參邁克耳雷實0高速運動的粒線圈磁鐵相對運動,動生感力學規(guī)律對伽利略變換具有不變性,那么電磁現(xiàn)象或光學規(guī)律對伽利略變換是否也具有不變性呢?K系中:電荷靜 電K系中:電荷運 磁

K Kq(相對與S靜止光速c

與參照系?伽利略變換中到底是伽利略變換正確,而電磁理論必須加以修正,還是電磁理論正確,伽利略變換必須予以修正?c：光對以 以u 地球對以 cc

c光對地OM

l ct c c ON

c2

c可看 條將儀器轉 t

s t

c 2

t1)t1t2t2t12(t1t2)實驗結果:時間差變化相位差變化實驗結果:16.2.2愛因斯坦的狹義相對論基本一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式在一切慣性系中，光在真空中的速率恒為C討與觀察者或光源的運動無關討理規(guī)規(guī)Einstein理規(guī)規(guī)16.2.3侖茲變換

洛侖茲變換的導 KPx,y,ztKK關Px,y,z,K關

yK'uP 時空是均勻的，因此慣性系間的時空變換應是線形的,Einstein相對x'k(xutxk(x'k(xut新變換在低速下應 成伽利略變換KK'：xxxυ1xxxυ1xxυt1

同一事件時空坐標變光速不

x x 1c2k 1c2

yz

yz

ttcttctxc1tc1cx不同事件發(fā)生的時間間隔、空間間隔坐標變換x u1cvtc12c ut1cyzvtc21cu1c討論:11c1-令1-11

當

洛變伽c即物體的速度有極狹義相對論的時空 一、同時的相對

車廂:光同時到達A

地面光先A后在K中不同地點同時發(fā)生 tt

t

演示討t'討t'u(x'2x'1t2 11若△x’=0,若u<0,t<0t1發(fā)生的兩個事件在另一慣性.不同地點同時發(fā)生的兩個事件在另一慣性同時性的相對性是光速不變原理的結當速度遠遠小于c600k，1200kKyOxz問：K系中KyOxzKx600kmtKx1200kmt解t

tu11u2

3c3

u:動系相對靜系的（從靜系看x

u 11u3

在另一參二.“時間的膨脹 “time乙ef0本征時

u甲 x觀察時（兩地時

演示一個物理過程用相對于它運動的慣性系上的標準時鐘測量到的時間,稱為觀察時間(兩地時).ttutt(tuxc1u2/cx xt

u. .0

甲xt 1t 1uc2t 1t 1u利用飛機進行運K xx'乙e K系測量相對于自運動的K運動時鐘變慢效應是時間本身的客觀特征包括：機械表，心臟，運動實驗驗證：靜止的u子的平 在宇宙射線中u子測得 延長了7.09倍3、因果關系的K系中事件事件（A先B后K系中，可能顛倒嗎

A1t1

天2t2 x2

x1由事件A向事件B傳遞“信號”的速

t2 (

t)(1

x2x1 c

t2t1

1c1

11 t)(1 c

1

1 c 1c§5度收length2.原長最棒相對觀察者2.原長最K

ulK'事件2：測棒xxxxu1ucl1c2u

x1,x2,lx2t

l0

1cu討1cu在K系測量長度必須同時，即只有在運動方向長度縮l在低速下一塊面積在運動方運動方向長度縮短是指測量結果,和“看起不一若桿放在K系中,則在K’系中測量桿的長度也縮ooKuLB在SKB(au

K BA(b

(c員向尾部發(fā)出一個光訊號，經t被尾部(a(b1v2/c1v2/c21v21v2/c2

在x9108mts發(fā)生兩事件,而在相對于x中發(fā)現(xiàn)此兩事件恰好發(fā)生在同一地點,系中兩事件的時間間隔

xuK P1(x1,t1 (x'1,t'1

x

1ucP2(x2,t2 (x'2,t'2xxx9 tt2t1tu50.634(s)

u

0.6x'x'2x'1t't'2t'12在x9108mts發(fā)生兩事件,而在相對于x中發(fā)現(xiàn)此兩事件恰好發(fā)生在同一地點,系中兩事件的時間間隔K

x

xut2

t't0.82P2 1

50.63x'x'2x'1t't'2t'1

件比第一事件晚t2s發(fā)生;而在另一系K’中,第二事件比第一事件晚t'3s發(fā)生,則在K’系中發(fā)解K系 P1(x1,t1) (x'1,t'1)

u 511P2(

,

(

,t'2xtt2t1

x'xutx' t't'2t'1x'x'2x'1件比第一事件晚t2s發(fā)生;而在另一系K’中,第二事件比第一事件晚t'3s發(fā)生,則在K’系中發(fā)'1解K '1

P1(

P2(t't

1t1

cu2x'x'2x'1 思考1：宇宙飛船相對地球以0.8C的速度思考2：宇宙飛船相對地球以0.8C的速度距離分別是多少 y Kv*poy Kv*pozzxxuxuuxux1c2u uuy1uuy1y1ccuuz1y1c 1 c

uyuz

1c1c

uxpKuxpKuK對Kz1 討論伽變uxux討論若uxc,u

則uxcuxc洛

1

1c當u<<c,洛 伽令

則

c

光速 1c例1：設想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對飛船速度為0.90c。問：從地面上看觀察,物體速度多大xvxx K'

vxu

1u

c Vx 0.90c0.80c10.800.90

0.992.作業(yè)放射性物質的原子放射出兩個沿 K'

v

vxu

u1 c vu

u0.6cux0.6c狹義相對論動力一.質量、動量、→力與動 P

狀態(tài) F 合質量的表 猜想

持續(xù)作

持但v的上限是 要求 隨速率增大而增12m12SSP實驗裝S---鐳

有力地支持了相

產生均勻磁場的

產生均勻電場P---感光底3m 10

vcvc

家是偉大m1m1c2 物體的靜止質m相對于觀察者以速度運動時1v1vc?相對論動

二.狹義相對論基本方

d

m 1c21vF1c21v 16.4.2論性質量能量一.相對論動設計質點從靜止，通過力作功 dE

1 fdSdtdSdPd(p

dPv

PmdEK 1v /cp m2v1v /c00m2c2m2c2p2d(p2)2mc0mvmdEKc0

dm

mc2mc20討 討

1mEK

合理否？與經典動能形式完全不

mc21 1v<<c

1若電子速 mc2 2

v451 11

11112

0 m03

2112二相對論能 mc2m

運動時的 E m

m0mc20

靜止時的討運動粒子的總能討 mc2 E

任何宏觀靜止的物體具有能重要的實際應孤立系統(tǒng)

Econst.即 mc2 例 I1.74103W/SS 4.921026J/ 5.4109kg/

m

E8.5例5兩全同粒求：復合粒子的速度和質解：設復合粒子質量為M速度為

→碰撞過程，動量守→ m

V由能量守2mc2Mc20M02m

11損失的能量轉換成靜1質11v21v2c2動 Pmvm0

→

F ma 靜動

mc2 0mc2mc20總能（質能關系

E例7.靜止質量為m0的粒子,以0.8c的速度運動. 1解 mc2mc2m1

K0mc20

1

01)0.67m01m 1

Emc2m0E四、相對論中EEmc2

m0c21212cEP2c2m2c40Pmv

11v*光子vc，靜質m00，靜E0能量：EcP質量：mE 動量：pEh 16.4.4.相對論的動量能量關系mv2E經典：EkE

2

m相對

Emc21v1v

11vE2E2P2c2m2c40光0m E光0m

PE 又E

自測設快速運動的介子能量E＝3000MeV,而在靜止時能為E0＝100MeV,若這種介子的固 τ0=2 求(1)其運動速度；(2)該介子的運動距m E=mc2= = 1- 1- E 1 ?υ Δt= =30τ 1-

l=υΔt=30υτ1質11v21v2c2動 Pmvm0

→

F ma 靜動

mc2 0mc2mc20總能（質能關系

E0動量與能量的關系E P2c2m2c40（），地球上觀察者測得？1c2 xxx2'x1'v(t1c2

作業(yè)900.8c 1

2、B觀察者以0.8c的速度相對于A觀察者運動。B帶著一根1m長的細桿，桿的取向與運動方向相同，在桿的一端相繼發(fā)出兩次閃光，其時間間隔在他的計時標度上看是A測得此A測得再

lt

1vv11vv1c2

)211 1(0.8c)c一長為L=5m的棒靜止在S系中,棒與x軸成300角 S系以v=c/2相對于S系運動,則在S系中觀察者測得12的長度為多少?12s xs x31l31

v 5sinlx ylyly050.5

lx05cosl2l2l2xy

tg1l l例：靜止的μ子，平均 ，今在1km高空的宇宙射線中產生了一個速度為0.9c的μ子，垂直向地面飛來。問：此μ子能否到達地面？解Svt009c22

0.594km靜 ——在相對子靜止的參照系中測得的固有時間子相對地面高速