第8章相对论PPT讲稿.ppt

《第8章相对论PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章相对论PPT讲稿.ppt（37页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第8章相对论第1页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论 爱爱因因斯斯坦坦（Albert Albert EinsteinEinstein，1879-19551879-1955），犹犹太太人人，出出生生在在德德国国，后后因因受受希希特特勒勒迫迫害害而而移移居居美美国国。他他是是牛牛顿顿以以来来最最伟伟大大的的科科学学家家，在在经经典典物物理理向向近近代代物物理理转转折折的的过过程程中中，起起到到了了划划时时代代的的作作用用。他他的的贡贡献献主主要要在在“相相对对论论”和和“量量子子论论”两个方面。两个方面。第2页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对

2、论本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：1 1 1 1）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换(力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理)2 2 2 2）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理3 3 3 3）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观(相对论运动学相对论运动学相对论运动学相对论运动学)“同时同时”的相对性的相对性长度收缩长度收缩时间膨胀时间膨胀4 4 4 4）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动

3、力学）狭义相对论动力学相对论质量和动量相对论质量和动量相对论动能相对论动能相对论质能关系相对论质能关系第3页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论伽利略坐标变换伽利略坐标变换伽利略坐标变换伽利略坐标变换(力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理)1 1、伽利略坐标变换、伽利略坐标变换 设设惯惯性性系系K/(o x y z)沿沿公公共共的的X轴轴相相对对另另一一惯惯性性系系K(o x y z)以以速速度度 u 运动，运动，t=t=0 时，两个原点时，两个原点 O 和和 O 重合。重合。第4页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论第5

4、页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论力学相对性原理（伽利略相对性原理）力学相对性原理（伽利略相对性原理）力学定律在所有惯性系中都相同力学定律在所有惯性系中都相同。力学定律在力学定律在伽利略变换伽利略变换下不变下不变第6页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论2 2 2 2、经典力学的困难、经典力学的困难、经典力学的困难、经典力学的困难 所有惯性系在 力学 上等价 所有惯性系在 电磁学 上是否等价?1862年年 麦克斯韦麦克斯韦(Maxwell)建立统一电磁场理论建立统一电磁场理论 光是电磁波光是电磁波 麦克斯韦方程组不满足伽利略相对性原理麦克

5、斯韦方程组不满足伽利略相对性原理。电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度 c，相对于什么参考系相对于什么参考系?以太假说以太假说:以太参考系以太参考系(绝对参考系绝对参考系)(当时人们认为整个宇宙中充满了一种绝对静止的神秘物质当时人们认为整个宇宙中充满了一种绝对静止的神秘物质“以太以太以太以太”，“以太以太”的密度极小，万物皆能穿透的密度极小，万物皆能穿透)第7页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论迈克耳逊莫雷实验迈克耳逊莫雷实验:(观察地球相对于以太的绝对运动观察地球相对于以太的绝对运动)迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪:测量光速差测量光速差(相对以太不同方向

6、运动相对以太不同方向运动)若存在光速差若存在光速差 干涉条纹将移动干涉条纹将移动 实验结果实验结果 不存在条纹移动不存在条纹移动 (宣布实验宣布实验 “失败失败”)第8页，共37页，编辑于2022年，星期二Chapter 14Chapter 14Modern PhysicsModern Physics实验原理图实验原理图迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验(Mickelson-Morley experiment)(Mickelson-Morley experiment)(Mickelson-Morley experiment)(Mickelson-Morley e

7、xperiment)GTSM第9页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论900900多年前的一次非常著名超新星爆炸，前后历时多年前的一次非常著名超新星爆炸，前后历时2222个月。其残骸个月。其残骸形成金牛座中的蟹壮星云。形成金牛座中的蟹壮星云。第10页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论地球地球第11页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：1 1 1 1）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换(

8、力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理)2 2 2 2）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理3 3 3 3）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观(相对论运动学相对论运动学相对论运动学相对论运动学)“同时同时”的相对性的相对性长度收缩长度收缩时间膨胀时间膨胀4 4 4 4）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学相对论质量和动量相对论质量和动量相对论动能相对论动能相对论质能关系相对论质能关系第12页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论相相对对性性原

9、原理理-所所有有物物理理规规律律对对所所有有惯惯性性系系都都是等价的；是等价的；相相对对性性原原理理说说明明：物物理理定定律律的的表表达达形形式式在在所所有有的的惯惯性性参参考考系系都都是是相相同同的的。不不论论在在惯惯性性系系中中做做什什么么实实验验，都都无无法法确确定定该该惯惯性性系系是是静静止止，还还是是作作匀匀速速直直线线运运动动。这这条条原原理理是是力力学学相相对对性原理的推广性原理的推广。狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理第13页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论光光速速不不变变原原理理-在在所所有有惯惯性性系系，真真空空中中的的光光速都相等，速都相等

10、，c=310c=3108 8 m/s m/s。光速不变原理说明：光速不变原理说明：真空中的光速与光源或真空中的光速与光源或观察者的运动无关，且观察者的运动无关，且在各个方向上都相同，在各个方向上都相同，与参照系也无关，是一与参照系也无关，是一个常量。个常量。第14页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论洛仑兹变换洛仑兹变换第15页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：1 1 1 1）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换

11、(力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理)2 2 2 2）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理3 3 3 3）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观(相对论运动学相对论运动学相对论运动学相对论运动学)“同时同时”的相对性的相对性长度收缩长度收缩时间膨胀时间膨胀4 4 4 4）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学相对论质量和动量相对论质量和动量相对论动能相对论动能相对论质能关系相对论质能关系第16页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论狭义相对论时

12、空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观(相对论运动学相对论运动学相对论运动学相对论运动学)“横横看看成成岭岭侧侧成成峰峰，远远近近高高低低各各不不同同。”（苏轼题西林壁）第17页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论1 1 1 1、“同时同时同时同时”的相对性的相对性的相对性的相对性Express 按按照照经经典典力力学学的的观观点点，在在某某一一惯惯性性系系中中“同同时时”发发生生的的两两个个事事件件，在在其其它它所所有有惯惯性性系中都是系中都是“同时同时”发生的，即发生的，即“同时同时”与参照系无关，是绝对的。与参照系无关，是绝对的。而而狭狭义义相相对

13、对论论指指出出：一一个个惯惯性性系系中中不不同同地地点点“同同时时”发发生生的的两两个个事事件件，在在另另一一个个惯惯性性系系中中不不一一定定是是“同同时时”的的，即即“同同时时”与与参参照照系系有有关关，“同同时时”是是相相对对的的。举举例例：在在地地球球上上不不同同地地方方同同时时出出生生的的两两个个婴婴儿儿，在在一一个个相相对对地地球球高高速速飞飞行行的的飞飞船船上上来来看看，他他们们不一定是同时出生的。不一定是同时出生的。第18页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论A B说明：说明：第19页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论2 2

14、2 2、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）、长度收缩（长度的相对性，运动尺度缩短）棒的长度棒的长度:测量测量两端坐标来确定两端坐标来确定第20页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论说明：说明：静长静长静长静长：杆在与杆相对静止的参照系中的长度。：杆在与杆相对静止的参照系中的长度。长长度度收收缩缩并并非非杆杆的的内内部部材材料料结结构构发发生生了了变变化化，而而是是空空间间间间隔隔测测量量的的相相对对性性的反映。的反映。在与相对运动垂直的方向上，无相对运动，故不发生长度收缩。在与相对运动

15、垂直的方向上，无相对运动，故不发生长度收缩。【例题】【例题】马路边竖立着一块正方形广告牌，其面积为马路边竖立着一块正方形广告牌，其面积为100 m100 m2 2，以，以 0.80C 0.80C 的速度行驶的速度行驶的的“爱因斯坦爱因斯坦”牌摩托车的驾驶员测得该广告牌的面积为多少？牌摩托车的驾驶员测得该广告牌的面积为多少？第21页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论3 3 3 3、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）、时间膨胀（时间的相对性，运动时钟延缓）时钟快慢时钟快慢:记录记录两个事

16、件的时间间隔两个事件的时间间隔第22页，共37页，编辑于2022年，星期二Time dilation-Time dilation-时间膨胀时间膨胀时间膨胀时间膨胀 Chapter 39Chapter 39RelativityRelativity第23页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论说明：说明：对于对于原时原时原时原时的理解，要特别强调两个事件在同一地点发生。的理解，要特别强调两个事件在同一地点发生。时时间间膨膨胀胀是是相相对对原原时时 0 而而言言。若若在在K系系和和K 系系中中，两两个个事事件件发发生生在在不不同同地地点，一般需用洛仑兹变换来求解点，一般需用洛

17、仑兹变换来求解。解释解释“孪生子佯谬孪生子佯谬”，“高速旅行可以长寿？高速旅行可以长寿？”。双生子佯谬双生子佯谬?产生佯谬的根源:地球可近似看作惯性系,飞船不是惯性系。狭义相对论只适用于惯性系狭义相对论只适用于惯性系第24页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论 科科普普读读物物上上常常常常讲讲：甲甲乘乘高高速速飞飞船船去去遨遨游游太太空空，回回来来时时比比在在家家的的孪孪生生兄兄弟弟乙乙显显得得年年轻轻，此此话话的的根根据据就就是是洛洛仑仑兹兹变变换换，基基本本上上是是对对的的。人人的的心心脏脏可可以以当当作作一一个个钟钟，钟钟变变慢慢也也就就是是心心脏脏的的跳跳动动

18、频频率率降降低低，而而人人一一生生的的寿寿命命决决定定于于他他心心跳跳的的总总数数，所所以以从从物物理理学学观点来看高速旅行确实可以延年益寿。观点来看高速旅行确实可以延年益寿。不不过过有有一一点点要要说说明明：飞飞船船归归来来时时必必须须转转弯弯掉掉头头，而而在在掉掉头头的的瞬瞬间间，甲甲所所处处的的参参照照系便不再是系便不再是“惯性系惯性系”了，这就超过了了，这就超过了“狭义相对论狭义相对论”的讨论的范畴。的讨论的范畴。19711971年年实实验验证证明明了了这这一一点点。两两只只相相同同的的铯铯原原子子钟钟，一一只只静静止止于于地地面面上上，另另一一只只放放在在飞飞机机上上沿沿赤赤道道向向

19、东东和和向向西西环环绕绕地地球球一一周周，回回到到原原地地后后，飞飞机机上上的的钟钟比比地地面面上上的的钟钟慢慢5959纳纳秒秒和和快快273273纳秒。纳秒。第25页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论【例题】【例题】一天体正以一天体正以 0.80C 0.80C 的速度离开地球，地球上测得该天体闪光的周期为的速度离开地球，地球上测得该天体闪光的周期为 120h 120h，在与此天体相对静止的参照系中测量，该天体的闪光周期为多少？，在与此天体相对静止的参照系中测量，该天体的闪光周期为多少？【例例题题】介介子子是是一一个个不不稳稳定定系系统统，会会自自发发衰衰变变为为

20、介介子子和和中中微微子子。已已知知静静止止的的 介介子子平平均均寿寿命命为为2.6102.610-8-8 秒秒。若若从从加加速速器器中中射射出出一一个个 介介子子，相相对对实实验验室室的的速速度度为为 0.80 0.80 c c ，问问：在在实实验室中，此验室中，此 介子的寿命多大？能飞行多少距离？介子的寿命多大？能飞行多少距离？第26页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：本章主要涉及四个方面问题：1 1 1 1）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换）伽利略坐标变换(力学相对性原理

21、力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理)2 2 2 2）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理）狭义相对论基本原理3 3 3 3）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观）狭义相对论时空观(相对论运动学相对论运动学相对论运动学相对论运动学)“同时同时”的相对性的相对性长度收缩长度收缩时间膨胀时间膨胀4 4 4 4）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学）狭义相对论动力学相对论质量和动量相对论质量和动量相对论动能相对论动能相对论质能关系相对论质能关系第27页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论狭义相对论动力学狭义相对论动

22、力学狭义相对论动力学狭义相对论动力学 上上节节讨讨论论的的是是狭狭义义相相对对论论的的“运运动动学学”，着着眼眼于于空空间间时时间间中中观观察察到到的现象，本节将讨论狭义相对论的的现象，本节将讨论狭义相对论的“动力学方程动力学方程”。那么问题出在什么地方呢？问题就在于经典力学错误地把质量看成是绝那么问题出在什么地方呢？问题就在于经典力学错误地把质量看成是绝对的。狭义相对论证明，物体的对的。狭义相对论证明，物体的质量质量质量质量与自身的与自身的速度速度速度速度有关。有关。1 1 1 1、相对论的质量和动量、相对论的质量和动量、相对论的质量和动量、相对论的质量和动量第28页，共37页，编辑于202

23、2年，星期二第八章第八章 相对论相对论第29页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论【例例题题】地地面面上上静静止止放放置置一一质质量量为为mm0 0、长长度度为为L L0 0的的细细棒棒，一一飞飞船船沿沿长长度度方方向向以以V=0.8CV=0.8C(C(C为为真真空空中中的的光光速速)相相对对地地面面疾疾驶驶，则则飞飞船船上上测测得得棒棒的的长长度度L=L=；测测得得棒棒的的质量质量m=m=。第30页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论【例例题题】观观察察者者甲甲以以4c/5 4c/5 的的速速度度（c c为为真真空空中中光光速速）相相对对于

24、于静静止止的的观观察察者者乙乙运运动动，若甲携带一长度为若甲携带一长度为 l l，质量为，质量为m m 的棒，这根棒安放在运动方向上，则的棒，这根棒安放在运动方向上，则 甲测得此棒的线密度为甲测得此棒的线密度为_；乙测得此棒的线密度为乙测得此棒的线密度为_。第31页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论2 2 2 2、相对论动能、相对论动能、相对论动能、相对论动能第32页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论3 3 3 3、改变世界的方程、改变世界的方程、改变世界的方程、改变世界的方程-质能关系质能关系质能关系质能关系 爱爱因因斯斯坦坦在在190

25、5年年（26岁岁）发发表表了了六六篇篇论论文文，提提出出了了具具有有划划时时代代意意义义的的“光光光光的的的的量量量量子子子子论论论论”，“狭狭狭狭义义义义相相相相对对对对论论论论”和和“布布布布朗朗朗朗运运运运动动动动理理理理论论论论”。在在关关于于狭狭义义相相对对论论（SR）的的第第二二篇篇论论文文中中，划时代地导出了一个划时代地导出了一个“质能关系式质能关系式”。第33页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论 E=mc2 它表示一个物体的惯性质量它表示一个物体的惯性质量 m 与与物体所包含的能量物体所包含的能量 E 成正比。质量和能量是统成正比。质量和能量是统一的

26、，是同时消长，同时守恒的。使用时常见的一的，是同时消长，同时守恒的。使用时常见的形式是：形式是：E=(m)c2，也就是说：物体的能，也就是说：物体的能量每增加量每增加 E，相应的惯性质量也必定增加，相应的惯性质量也必定增加 m=E/c2；反之，每减少的；反之，每减少的 m 质量，质量，就意味着释放出就意味着释放出 E=(m)c2 的巨大能量，的巨大能量，这就是原子能这就是原子能(核能核能)利用的理论基础，因此，利用的理论基础，因此，E=mc2 被恩格斯称为被恩格斯称为“改变世界的方程改变世界的方程”。第34页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论 值得一提的是，在通常的实践中，运动的物体和处于静止状态的同一物体，值得一提的是，在通常的实践中，运动的物体和处于静止状态的同一物体，受热的物体和冷却了的同一物体，充了电的电容器和放了电的电容器，它们在能受热的物体和冷却了的同一物体，充了电的电容器和放了电的电容器，它们在能量上的差异要比在质量上的差异，更容易被人们察觉。量上的差异要比在质量上的差异，更容易被人们察觉。第35页，共37页，编辑于2022年，星期二第八章第八章 相对论相对论第36页，共37页，编辑于2022年，星期二THE END第八章第八章 相对论相对论第37页，共37页，编辑于2022年，星期二