12狭义相对论课件.ppt
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- 12 狭义相对论 课件
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1、第十二章第十二章 狭义相对论狭义相对论12.1 12.1 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换12.2 12.2 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观12.3 12.3 相对论动力学相对论动力学 12.1 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换洛伦兹变换12.1.2 伽利略变换伽利略变换 经典的时空观经典的时空观12.1.1 相对论的意义相对论的意义12.1.3 狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设12.1.4 洛伦兹变换洛伦兹变换12.1.1 相对论的意义相对论的意义1.经典力学和相对论力学经典力学和相对论力学经典力学经典力学:相对论力学相对论力学
2、:十九世纪末二十世纪初以前十九世纪末二十世纪初以前的力学称之它的应用范围为低速;认为质的力学称之它的应用范围为低速;认为质量是不随速率变化的常量量是不随速率变化的常量 二十世纪以后的力学称二十世纪以后的力学称之它的应用范围为高速(接近光速);认之它的应用范围为高速(接近光速);认为质量随速率而变化为质量随速率而变化经典力学和相对论力学的关系经典力学和相对论力学的关系:当物体的运动速度远远低于光速时,相当物体的运动速度远远低于光速时,相对论力学过渡到经典力学经典力学是相对对论力学过渡到经典力学经典力学是相对论力学的一种特例或近似论力学的一种特例或近似2.狭义相对论和广义相对论狭义相对论和广义相对
3、论 狭义相对论是关于高速情况下的时空观狭义相对论是关于高速情况下的时空观理论;理论;广义相对论是关于引力和时空结构的广义相对论是关于引力和时空结构的理论理论 狭义相对论适用于一切惯性参考系,而狭义相对论适用于一切惯性参考系,而广义相对论适用于一切参考系广义相对论适用于一切参考系3.相对论和时空观相对论和时空观经典力学是建立在绝对时空观的基之上;经典力学是建立在绝对时空观的基之上;狭义相对论是建立在相对时空观的基础之上;狭义相对论是建立在相对时空观的基础之上;广义相对论是建立在时空弯曲观的基础之广义相对论是建立在时空弯曲观的基础之上上12.1.2 伽利略变换伽利略变换 经典的时空观经典的时空观
4、设设K坐标系静止,坐标系静止,坐标系相对于坐标系相对于K坐标系坐标系 以速度以速度 沿沿x轴正向运动轴正向运动,并以并以 和和 两原点两原点重合的时刻作为两坐标系共同的计时起点,重合的时刻作为两坐标系共同的计时起点,y轴和轴和 轴、轴、轴和轴和 轴互相平行轴互相平行K uoo y zz xyx y uoo p tzyx,tzyx ,z zKK 伽利略坐标变换伽利略坐标变换伽利略速度变换伽利略速度变换 ttzzyyutxx正变换正变换 ttzzyyutxx逆变换逆变换 zzyyxxvvvvuvv正变换正变换 zzyyxxvvvvuvv逆变换逆变换经典的时空观经典的时空观1时间和空间是独立存在;时
5、间和空间是独立存在;2同时是绝对的;同时是绝对的;3时间间隔是绝对不变量;时间间隔是绝对不变量;4空间间隔是绝对不变量空间间隔是绝对不变量12.1.3 狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设 物理定律在所有物理定律在所有惯性系惯性系中都是同形的,中都是同形的,因此各个因此各个惯性系惯性系中都是等价的,不存在特殊中都是等价的,不存在特殊的绝对的绝对惯性系惯性系1.相对性原理相对性原理 或:物理定律在所有或:物理定律在所有惯性系惯性系中具有数学中具有数学形式不变性,即形式不变性,即协变性协变性 所有的所有的惯性系惯性系中,光在真空中的传播速中,光在真空中的传播速率具有相同的值率具有相同的值c 2
6、.光速不变原理光速不变原理18sm1099792458.2 cxyx y uoo p tzyx,tzyx ,z zKK 12.1.4 洛伦兹变换洛伦兹变换 设设K坐标系静止,坐标系静止,坐标系相对于坐标系相对于K坐标系坐标系 以速度以速度 沿沿x轴正向运动轴正向运动,并以并以 和和 两原点两原点重合的时刻作为两坐标系共同的计时起点,重合的时刻作为两坐标系共同的计时起点,y轴和轴和 轴、轴、轴和轴和 轴互相平行轴互相平行K uoo y zz )()(2xcuttzzyyutxx 时空坐标的时空坐标的洛伦兹变换洛伦兹变换时空坐标的洛时空坐标的洛伦兹逆变换伦兹逆变换 )()(2xcuttzzyytu
7、xx ,cu 2211cu 从爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设从爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设出发,可导出洛伦兹变换式出发,可导出洛伦兹变换式10,时,当cu洛伦兹洛伦兹时空坐标时空坐标变换变换伽利略坐标变换伽利略坐标变换xcttzzyyutxxttzzyyutxx伽利略伽利略变换变换发展发展变换无意义变换无意义 速度有极限速度有极限cu 当12.2 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观12.2.1 同时性的相对性同时性的相对性12.2.2 长度收缩长度收缩12.2.3 时间延缓时间延缓 在牛顿力学中,时间是绝对的。如两事在牛顿力学中,时间是绝对的。如两事件在件在S S系中被同时观察到,那么
8、在系中被同时观察到,那么在S S中也是中也是同时观察到的。但在狭义相对论中,一般来同时观察到的。但在狭义相对论中,一般来说就不再是同时的了。这是光速不变原理的说就不再是同时的了。这是光速不变原理的直接结果直接结果 以爱因斯坦火车为例以爱因斯坦火车为例 Einstein trainEinstein train12.2.1 同时性的相对性同时性的相对性Einstein trainEinstein trainS SS地面参考系地面参考系在火车上在火车上BA 、分别放置信号接收器分别放置信号接收器0 ttM 发一光信号发一光信号中点中点放置光信号发生器放置光信号发生器M S uA B M 实验装置实验
9、装置研究的问题研究的问题两事件发生的时间间隔两事件发生的时间间隔0 tt发一光信号发一光信号M 事件事件1 1接收到闪光接收到闪光A 事件事件2 2接收到闪光接收到闪光B S M 发出的闪光发出的闪光 光速为光速为cMBMA A B 同时接收到光信号同时接收到光信号S?S?SS uA B M 事件事件1 1、事件、事件2 2 同时发生同时发生事件事件1 1、事件、事件2 2 不同时发生不同时发生事件事件1 1先发生先发生M 处闪光处闪光 光速也为光速也为cS系中的观察者又系中的观察者又如何看呢?如何看呢?当速度远远小于当速度远远小于 c c 时,两个惯性系结果相同时,两个惯性系结果相同BA随随
10、S运动运动迎着光迎着光 A B比比 早接收到光早接收到光SS uA B M 由洛伦兹变换式:由洛伦兹变换式:221xcvtt12.2.2 长度收缩长度收缩y yS Soo zz xx 1x 2x 固有长度:固有长度:,棒相对参考系静棒相对参考系静止时测得的长度止时测得的长度 120 xxL 2111 uxx2221 uxx120 xxL 212221111 xxuxux21 L201 LL 0L 0L 运动着的物体在其运动方向上的长度缩短运动着的物体在其运动方向上的长度缩短了,变为其固有长度的了,变为其固有长度的 倍或倍或 ,这就,这就是所谓的长度收缩是所谓的长度收缩原长最长原长最长!121
11、例例12-1 设宇宙飞船上有一天线,长设宇宙飞船上有一天线,长 ,以以 角伸出宇宙飞船体外宇宙飞船沿水平角伸出宇宙飞船体外宇宙飞船沿水平方向以方向以 的速度飞行问:地面上的的速度飞行问:地面上的观测者测得这天线的长度与宇宙飞船的夹角各观测者测得这天线的长度与宇宙飞船的夹角各是多少?是多少?m10 l4523cu y yS Soo zz xx 45oxl oyl l教材教材 P2962200221cos1culcullxox 000sin lllyy 000cos llx 000sin lly 解解22yxlll 20022200sin1cos lcul 21tan220 cutgllxy 72
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