大學(xué)物理簡(jiǎn)程 張三慧主編狹義相對(duì)論

會(huì)計(jì)學(xué)1大學(xué)物理簡(jiǎn)程張三慧主編狹義相對(duì)論2第6章狹義相對(duì)論

§1力學(xué)相對(duì)性原理和伽利略變換

§2狹義相對(duì)論的基本原理

§3洛侖茲變換

§4時(shí)間膨脹長度縮短

§5相對(duì)論速度變換

§6相對(duì)論的能量

§7相對(duì)論動(dòng)量能量變換第1頁/共39頁3

主要內(nèi)容：牛頓的時(shí)空觀愛因斯坦的時(shí)空觀愛因斯坦的狹義相對(duì)論

牛頓的相對(duì)性原理伽利略變換相對(duì)性原理、光速不變?cè)砀锩缘穆鍋銎澴儞Q運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)時(shí)間膨脹長度收縮本章：將對(duì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空有一嶄新的認(rèn)識(shí)第2頁/共39頁4

對(duì)相對(duì)性已有的認(rèn)識(shí)：運(yùn)動(dòng)描述與參考系有關(guān),

運(yùn)動(dòng)規(guī)律與參考系無關(guān)。對(duì)牛頓力學(xué)的認(rèn)識(shí),

牛頓定律：適用于慣性系以上兩點(diǎn)說明：牛頓定律有局限性局限來源于對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)第3頁/共39頁5

相對(duì)性問題的核心是：物理規(guī)律是客觀存在的，與參考系無關(guān)。即參考系平權(quán)，沒有特殊的參考系。歸根結(jié)底是：

認(rèn)識(shí)論方法論的問題。教育人們要脫離自我，

客觀地看問題。第4頁/共39頁6A君以我為標(biāo)準(zhǔn)：A君說：頭朝上。B君也說：頭朝上。B君問題是：A君看B君，大頭朝下！如：什么是上？下？科學(xué)的語言必須準(zhǔn)確！

必須用規(guī)律來表述。

萬有引力定律：

下：指向地心。教育人們超越自我第5頁/共39頁7從哥白尼到愛因斯坦

---參考系的選擇從哥白尼的日心說到愛因斯坦的廣義相對(duì)論的過程，是人們逐步擺脫以我為核心的過程。沒有特殊參考系的觀點(diǎn)，就是以客觀規(guī)律為準(zhǔn)的觀點(diǎn)。沒有特殊參考系就是各參考系平權(quán)。平權(quán)就是各向同性，就是對(duì)稱性。紀(jì)念哥白尼誕辰500周年學(xué)術(shù)會(huì)的標(biāo)題第6頁/共39頁8學(xué)習(xí)本章的正確態(tài)度1)超越自我認(rèn)識(shí)的局限2)自覺擺脫經(jīng)驗(yàn)的束縛

--以事實(shí)為依據(jù)

牛頓的相對(duì)性原理狹義相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理

適用范圍慣性系宏觀低速慣性系所有參考系逐漸深化的過程第7頁/共39頁9明確本章研究的問題:

在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件通常：實(shí)驗(yàn)室參考系定為S系運(yùn)動(dòng)參考系定為S'系注意不要和運(yùn)動(dòng)的疊加原理的內(nèi)容相混淆，該問題中只涉及同一個(gè)參考系。第8頁/共39頁10相對(duì)論問題包括兩個(gè)方面：1.物理規(guī)律與參考系無關(guān)－－相對(duì)性原理2.在兩個(gè)參考系中對(duì)同一事件的描述形式不同，之間存在一個(gè)變換關(guān)系－－－變換式變換式與相應(yīng)的相對(duì)性原理相對(duì)應(yīng)。牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理對(duì)應(yīng)伽利略變換；狹義相對(duì)性原理對(duì)應(yīng)洛侖茲變換。在基本觀點(diǎn)明確的前提下，重要的是變換式。第9頁/共39頁11§1力學(xué)（牛頓）相對(duì)性原理和伽利略變換一、伽利略變換二、牛頓的相對(duì)性原理第10頁/共39頁12在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件一、伽利略變換設(shè)慣性系S和相對(duì)S運(yùn)動(dòng)的慣性系S

t時(shí)刻物體到達(dá)P點(diǎn)第11頁/共39頁13正變換逆變換第12頁/共39頁14速度變換與加速度變換正逆正變換用S系的時(shí)間求導(dǎo)牛頓時(shí)空：時(shí)間量度與參考系無關(guān)，即第13頁/共39頁15速度變換正逆

加速度變換慣性系第14頁/共39頁16在兩個(gè)慣性系中二、牛頓的相對(duì)性原理在牛頓力學(xué)中力與參考系無關(guān)質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)第15頁/共39頁17宏觀低速物體的力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同或牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變或牛頓力學(xué)規(guī)律是伽利略不變式如：動(dòng)量守恒定律（以兩質(zhì)點(diǎn)碰撞為例）利用伽利略變換牛頓的相對(duì)性原理動(dòng)量守恒定律在伽利略變換下形式不變第16頁/共39頁18§2狹義相對(duì)論的基本原理一、伽利略變換的困難二、愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)三、同時(shí)性的相對(duì)性第17頁/共39頁19一、伽利略變換的困難1)電磁場(chǎng)方程組不服從伽利略變換2)高速運(yùn)動(dòng)的粒子3)光速C邁克耳遜-莫雷的0結(jié)果第18頁/共39頁20二、愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)1.一切物理規(guī)律在任何慣性系中形式相同

---

相對(duì)性原理2.光在真空中的速度與發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)

----光速不變?cè)?）

Einstein

的相對(duì)性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律大小第19頁/共39頁212）光速不變與伽利略變換與伽利略的速度相加原理針鋒相對(duì)3）觀念上的變革牛頓力學(xué)

時(shí)間長度質(zhì)量速度與參考系有關(guān)(相對(duì)性)狹義相對(duì)論力學(xué)光速與參考系無關(guān)(相對(duì)性)長度時(shí)間質(zhì)量速度與參考系有關(guān)第20頁/共39頁222.同步鐘synchronizedclocks物理過程的時(shí)間間隔？在確定的參考系中存在一系列的同步鐘三、同時(shí)性的相對(duì)性

1.事件時(shí)空坐標(biāo)事件：研究的物理現(xiàn)象時(shí)空坐標(biāo)：確定事件位置的坐標(biāo)空間時(shí)間t是坐標(biāo)x,y,z

處的時(shí)鐘測(cè)出的當(dāng)?shù)冂姕y(cè)當(dāng)?shù)貢r(shí)時(shí)空坐標(biāo)第21頁/共39頁233.同時(shí)性的相對(duì)性

---光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果以愛因斯坦火車為例

Einsteintrain

說明同步鐘第22頁/共39頁24Einsteintrain地面參考系在火車上分別放置信號(hào)接收器中點(diǎn)放置光信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置第23頁/共39頁25研究的問題兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔某時(shí)M'發(fā)一光信號(hào)事件1接收到閃光事件2接收到閃光M'發(fā)出的閃光光速為A'B'同時(shí)接收到光信號(hào)？？事件1、事件2同時(shí)發(fā)生第24頁/共39頁26事件1、事件2不同時(shí)發(fā)生事件1先發(fā)生處閃光光速也為S系中的觀察者又如何看呢？1）同時(shí)性的相對(duì)性是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果2）相對(duì)效應(yīng)A'B'隨S'運(yùn)動(dòng)A'迎著光，比B'

早接收到光討論第25頁/共39頁27事件1、事件2不同時(shí)發(fā)生事件2先發(fā)生3）當(dāng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c時(shí)，兩個(gè)慣性系得到相同結(jié)果相對(duì)效應(yīng)如果裝置固定在S系中事件1A接收到信號(hào)事件2B接收到信號(hào)S系中：兩事件同時(shí)發(fā)生但，S'系認(rèn)為：第26頁/共39頁28§3洛侖茲變換一、洛侖茲變換的導(dǎo)出二、洛侖茲變換第27頁/共39頁29此時(shí)，從O點(diǎn)發(fā)一閃光經(jīng)一段時(shí)間光傳到P點(diǎn)一、洛侖茲變換的導(dǎo)出尋找重合兩個(gè)參考系中相應(yīng)的坐標(biāo)值之間的關(guān)系第28頁/共39頁30由光速不變?cè)恚河捎谶\(yùn)動(dòng)發(fā)生在x方向，由發(fā)展的觀點(diǎn)：狹義牛頓力學(xué)有<<情況下推導(dǎo)思路：第29頁/共39頁31由客觀事實(shí)是確定的且空間均勻各向同性：與下面的任務(wù)是根據(jù)上述四式利用比較系數(shù)法確定系數(shù)的變換應(yīng)滿足線性關(guān)系第30頁/共39頁32二、洛侖茲變換坐標(biāo)變換式正變換第31頁/共39頁33令則正變換逆變換第32頁/共39頁341）與時(shí)空坐標(biāo)伽利略變換發(fā)展2）<<討論第33頁/共39頁35變換無意義速度有極限實(shí)際信號(hào)傳遞速度都不可能超過光速3）>第34頁/共39頁364）由洛侖茲變換看同時(shí)性的相對(duì)性解題的一般思路事件1事件2兩事件同時(shí)發(fā)生？第35頁/共39頁37若說明了同時(shí)性的相對(duì)性，從上述式子，可產(chǎn)生一個(gè)疑問：時(shí)序與因果關(guān)系已知？>0<0第36頁/共3