相对论ppt课件.ppt
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1、相对论ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望引言引言1 1、相对论:、相对论:关于空间、时间和物质运动之间相互联系的现代物理理论。2 2、历史背景、历史背景狭义相对论(惯性系)狭义相对论(惯性系)广义相对论(非惯性系)广义相对论(非惯性系)开尔文在迎接20世纪的新年献词:“19“19世纪已将物理学大厦全部建成,今世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰完善这所大后物理学家的任务就是修饰完善这所大厦厦”“在物理学晴朗的天空远处,在物
2、理学晴朗的天空远处,还有两朵小小的令人不安的乌还有两朵小小的令人不安的乌云云”经典物理的理论遇到了困难和挑战!一、经典物理的时空观一、经典物理的时空观1 1、伽利略坐标变换式、伽利略坐标变换式 惯性系 和,系相对 系沿 轴正方向运动 ,时刻,的位置(开始时 和 系重合)对伽利略变换式求导一阶导数:二阶导数2 2、经典力学的时空观、经典力学的时空观(1)绝对时空观空间量度、时间量度是绝对的,与参考系无关!即在所有惯性系中,物体所 遵循的力学规律是完全相同的,具有相同的数学表达式。也就是描述力学现象的规律在所有惯性系都是等价的力学相对性原理(2 2)力学的相对性原理)力学的相对性原理二、狭义相对论
3、的历史背景1 1、麦克斯韦电磁场理论与伽利略变换的、麦克斯韦电磁场理论与伽利略变换的矛盾矛盾(1)用伽利略变换,电磁场方程不具有相同形式,然而在不同惯性系中做电磁场实验结果相同2 2、几种选择的可能、几种选择的可能(1)摒弃伽利略的绝对时空观(2)电磁波在真空中传播速率 沿各方向相同与参考系无关(2)摒弃电磁场方程(3)两者兼顾:电磁学规律在一个特殊参考系“以太”参考系中成立3 3、迈克耳孙、迈克耳孙莫雷实验莫雷实验推理:推理:干涉条纹移动干涉条纹移动实际结果:实际结果:无条纹移动;无条纹移动;“零结果零结果”!测量地球上各方向光速的差别实验装置(图示):(1)两束光相对地球的速度不同,到 处
4、有时间差成因:(2)若将仪器转 ,两束光的时间差发生变化光源4 4、爱因斯坦认为、爱因斯坦认为(1)自然界一切基本运动规律都应当满足相对性原理(2)麦克斯韦电磁场理论对经典时空观不满足相对性原理,表明经典的时空观是错误的(3)既然肯定了电磁场理论,必然肯定光速是不变的三、狭义相对论的基本原理三、狭义相对论的基本原理1、相对性原理、相对性原理物理定律在所有惯性系中具有相同的表述形式2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速是常量,不依赖于惯性系的选择,与光源或观察者的运动无关。(1964-1966年,欧洲核子中心的实验直接验证了光速不变的原理:以 的高速飞行的 介子,在飞行中辐射光子,得到
5、光子的实验室速度数值仍然是 )讨论:讨论:新的坐标变换关系和时空观将与人们习以为常的经典时空观不相容!确认两个基本原理,就必须摒弃绝对时空观,建立新的坐标变换关系;四、洛伦兹坐标变换式1 1、洛伦兹坐标变换式、洛伦兹坐标变换式 惯性系 和 ,系相对 系沿 轴正方向 运动若有一事件发生在在 系中时空坐标在 系中时空坐标则有注2 2、讨论、讨论(1)洛伦兹坐标变换式的推导,可由两个基本原理导出。(2)当 时,洛伦兹变换式与伽利略变换式趋于一致(3)当 时,变换式中出现虚数,由此得到一个结论:真空中的光速是一切物体运动速率的极限五、狭义相对论的时空观1 1、同时的相对性、同时的相对性 设两事件在 系
6、中 和 处,同时发生,即 即 (同时),那么在 系中该事件是否同时发生?例如:一列火车(长 ),以 ()在地面沿直线运动,列车中间 有一灯,点亮灯,光将同时向车厢两端传去讨论:或由洛伦兹变换得 分别从地面上静止参考系 和随车一起运动的 系来看,光到达 和 的先后顺序如何?由光速不变原理,在 系中的光向 传播速率相同,则光应同时到达 从 系,光先到达 端比到达 端早因则 可见:在 系中不同地点同时发生不同地点同时发生的两个事件,在 系中观测并不同时同时性的相对性2 2、长度的收缩、长度的收缩 在 系中,必须在同一时刻()测出棒两端的坐标 和 ,由洛伦兹变换系中,沿 轴放置一细棒的静止(固有)长度
7、 ,则在 系中测得其长度为多少?则相对棒运动的惯性系测得棒的长度比固定长度短。显然说明说明(1)运动物体长度的测量,必须同时测量物体的两端有人选用()错在哪里?3 3、时间的延缓、时间的延缓由洛伦兹变换式得 设在 系中一只静止的钟,在同一地点()纪录两事件的时间间隔(固有时间),则在 系中记录的时间间隔 为多少?(2)长度收缩发生在相对运动的方向上 则相对运动的惯性系测得的两事件所经历的时间比固有时间长说明说明(1)运动的钟变慢了,时间延缓了!(2)上式成立条件是在 系中同一地点()发生的两件事六、洛伦兹变换式的应用举例复习复习长度收缩时间延缓例题1、在 系中有一米尺,按图放置 ,求在 系中测
8、得尺的长度和方位(已知 )解:米尺在 系中沿 和 轴上分量沿运动方向有长度收缩效应,系中测得 例题2、进入大气层的宇宙射线产生的 子平均寿命约 (子静止时的平均寿命),其相对地面的速率为 ,计算(1)在地球上测得 子的平均寿命;(2)上述 子在衰变前在地球中通过的平均路程解:(1)由于 子相对地球的速率 ,其固有时间为则其平均寿命为(2)在时间 内,子相对地球所经历的路程与实验结果相符!说明明一种解释是:从 子本身参考系(系)来看,地球上(系)所测得的路程 ,实际上是 如按经典力学时空观,子 在平均寿命 内所经历路程 为 ,而 子在地球上所经历的路程是其十多倍例题3、惯性系 中同一地点 ()发
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