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1、第一节第一节 狭义相对论产生试验基础和历史条件狭义相对论产生试验基础和历史条件 宏观低速运动物体，其力学规律在任宏观低速运动物体，其力学规律在任何惯性系中形式相同。何惯性系中形式相同。一、力学（牛顿）相对性原理：一、力学（牛顿）相对性原理：（或：在研究力学规律时，一切惯性系都（或：在研究力学规律时，一切惯性系都是等价。）是等价。）第1页 O O与与OO重合时，重合时，ttzzyyutxx=-=二、伽利略变换：二、伽利略变换：P(x ,y ,z,t )(x,y,z,t)uzu tzS正变换：正变换：逆变换：逆变换：t tz zy yutx+x=第2页#牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。牛顿力学
2、规律在伽利略变换下形式不变。如：动量守恒定律如：动量守恒定律速度变换速度变换:第3页三、经典力课时空观三、经典力课时空观 时间是绝正确；时间是绝正确；空间是绝正确。空间是绝正确。（绝对时空观）（绝对时空观）例：有一条河，宽为例：有一条河，宽为L L，河水对河岸流速为河水对河岸流速为 u u，今有两，今有两条一样船条一样船A A和和B B，分别沿图示路线往返一次，已知船，分别沿图示路线往返一次，已知船A A和和B B对流动河水速率都为对流动河水速率都为v v，求船，求船A A和和B B沿图示路线往返一沿图示路线往返一次各需多少时间。比较它们大小。次各需多少时间。比较它们大小。L LA Au uL
3、 LB B A A第4页试验预计：能观察到试验预计：能观察到0.37条条纹移动。条条纹移动。#实际结果：没有观察到条纹移动。实际结果：没有观察到条纹移动。即迈克尔逊莫雷试验即迈克尔逊莫雷试验零零结果。结果。四、迈克尔逊莫雷试验（四、迈克尔逊莫雷试验（18871887年）年）ba1M2MPPM1=PM2900第5页第二节第二节 狭义相对论基本原理狭义相对论基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换一、狭义相对论两个基本假设：一、狭义相对论两个基本假设：1、相对性原理：、相对性原理：物理学定律在任何惯性系中都是物理学定律在任何惯性系中都是相同。相同。2、光速不变原理：、光速不变原理：在全部惯性系中，测得光在全
4、部惯性系中，测得光在真在真空中空中速率都是速率都是 C（3108m/s）。（光在真空中速（光在真空中速度与发射体及观察者运动状态无关）度与发射体及观察者运动状态无关）。?绝对静止参考系是不存在。绝对静止参考系是不存在。?伽利略变换已不适合用于光学现象。伽利略变换已不适合用于光学现象。第6页(x y z t)(x y z t)二、洛仑兹变换二、洛仑兹变换逆变换：逆变换：正变正变换：换：第7页第8页讨论：讨论：回到伽利略变换回到伽利略变换 2.光速是自然界极限速度光速是自然界极限速度&若不是实物，而是一个形态传输速度，那若不是实物，而是一个形态传输速度，那是能够超出光速。是能够超出光速。#从斯坦福
5、大学两英里长直线加速器出来电从斯坦福大学两英里长直线加速器出来电子速率达子速率达0.999975 c0.999975 c1.时时第9页三、洛仑兹速度变换式三、洛仑兹速度变换式例：一光子在例：一光子在S S 系中以系中以C C运动，则在运动，则在S S系中系中即满足光速不变原理即满足光速不变原理ccucuccuc1ucv2x=+=+=第10页一、长度收缩（尺缩效应）一、长度收缩（尺缩效应）x xxxA AB B第三节第三节 狭义相对论时空观狭义相对论时空观注意：注意：1.1.L L0 0 为相对于被测物静止惯性系为相对于被测物静止惯性系测得物长，叫固有长度。测得物长，叫固有长度。即沿运动方向，物
6、体即沿运动方向，物体长度要收缩。长度要收缩。第11页2.L L为相对于被测物运动惯性系测得为相对于被测物运动惯性系测得 物长，物长，叫运动长度。叫运动长度。3.测量运动物体长度，必须对其两端坐标测量运动物体长度，必须对其两端坐标同时进行测量。同时进行测量。例：立方体边长为例：立方体边长为 a a，则体积为，则体积为 a a3 3，若，若该立方体沿一边长方向以高速该立方体沿一边长方向以高速 u u 运动，则运动，则体积为多大？体积为多大？4.垂直于运动方向，物体长度不变。垂直于运动方向，物体长度不变。&相对论笑话相对论笑话第12页在在S系：系：x处固定有一只钟，测得处固定有一只钟，测得该处该处两
7、两个事件（发射、接收光信号）发生时间分个事件（发射、接收光信号）发生时间分别为别为t1、t2。在在S系：观察者测得两个事件（发射、接系：观察者测得两个事件（发射、接收光信号）发生时间分别为收光信号）发生时间分别为t1、t2。由：由：二、时间延缓（动钟变慢）二、时间延缓（动钟变慢）第13页运动钟走得慢。运动钟走得慢。地面上观察者地面上观察者火车上观察者火车上观察者1、0 0 是相对于事件发生点是相对于事件发生点静止静止 惯性系测得时惯性系测得时间，叫间，叫固有时间固有时间。2、是相对于事件发生点是相对于事件发生点运动运动 惯性系测得时惯性系测得时间，叫间，叫运动时间运动时间。3、时间膨胀公式适用
8、条件：必须是在某一惯、时间膨胀公式适用条件：必须是在某一惯性系中性系中同一地点同一地点先后发生了两个事件。先后发生了两个事件。注意：注意：第14页1、在、在相对于事件发生点相对于事件发生点静止静止惯性系中，观惯性系中，观察两个事件察两个事件 时间间隔时间间隔 最短。最短。2、时钟变慢是、时钟变慢是相对论时空效应相对论时空效应，并非机，并非机械故障。不能说明哪个时钟是正确或错误。械故障。不能说明哪个时钟是正确或错误。3、uc uc 时，时，0 0 ，日常生活中观察不出，日常生活中观察不出这种效应，并非没有此效应。这种效应，并非没有此效应。说明：说明：第15页1966-1967年欧洲原子核研究中心
9、（年欧洲原子核研究中心（CERN）对）对 粒子进行了粒子进行了研究。研究。粒子是一个基本粒子，在静止参考系中测得寿命为粒子是一个基本粒子，在静止参考系中测得寿命为 0=2.210-6秒秒.1)依牛顿定律：寿命不变依牛顿定律：寿命不变2)依相对论：当粒子加速至依相对论：当粒子加速至0.9966C时，寿命为：时，寿命为：故漂移距离为故漂移距离为:与试验情况吻合得很好与试验情况吻合得很好!利用粒子衰变能够检验时间膨胀效应：利用粒子衰变能够检验时间膨胀效应：当其加速到当其加速到v=0.9966C时时,它漂移了它漂移了八公里八公里.故漂移距离为：故漂移距离为：第16页例例1：一飞船以一飞船以u=9103
10、m/s速率相对于地速率相对于地面匀速飞行。飞船上钟走了面匀速飞行。飞船上钟走了5s,地面上钟地面上钟经过了多少时间？经过了多少时间？思绪：思绪：飞船上钟走了飞船上钟走了5s（固有时间固有时间0 ），），地面上钟经过时间（地面上钟经过时间（运动时间运动时间）要慢一些）要慢一些。221cu0-=#每个人都注意到：相对于自己运动钟走得每个人都注意到：相对于自己运动钟走得慢。慢。第17页例例2：半人马星座半人马星座星是距太阳最近恒星，星是距太阳最近恒星，它距地球它距地球 ,设有一宇宙飞船自设有一宇宙飞船自地球飞到该星，飞船对地速度地球飞到该星，飞船对地速度u=0.999cu=0.999c，地，地球上钟
11、测得多少年？若以飞船上钟计算，又球上钟测得多少年？若以飞船上钟计算，又为多少年？为多少年？解：解：1 1）以地球上钟计算：）以地球上钟计算：（运动时间）（运动时间）第18页2）解一：以飞船上钟计算：）解一：以飞船上钟计算：说明说明此题与实际不符，全球能量供给飞此题与实际不符，全球能量供给飞船，也不可能到达船，也不可能到达0.999c。飞船若以飞船若以20km/s飞行，需要飞行，需要6.8万年。万年。（固有时间）（固有时间）第19页yxx1x2t1t2u爱因斯坦火车以爱因斯坦火车以匀速匀速u经过车站经过车站（S系），系），S系：两闪电系：两闪电同时同时（t1=t2)击中车尾击中车尾(x1)和车头
12、和车头(x2)问：问：S系（火车）：系（火车）：两闪电是否同时击中车尾和车头？两闪电是否同时击中车尾和车头？三、同时性相对性三、同时性相对性第20页依据洛仑兹变换：依据洛仑兹变换：可见，在可见，在S系（火车）上观察，击中车系（火车）上观察，击中车头闪电，比击中车尾闪电要早些。头闪电，比击中车尾闪电要早些。即：同时性是相对于某一惯性系而言，是即：同时性是相对于某一惯性系而言，是相正确。相正确。第21页 爱因斯坦火车：爱因斯坦火车：A A班班在在S系中观察者看来，系中观察者看来，A和和B同时接收到光信号同时接收到光信号.c tAc tB即：在即：在S S系中观察者看来，系中观察者看来，A A比比B
13、 B先接收到光先接收到光信号。信号。AMBSSu第22页2、在一个惯性系中在一个惯性系中不一样时，也不一不一样时，也不一样地样地发生两件事，在另一惯性系中倒发生两件事，在另一惯性系中倒有有可能同时可能同时发生发生。1、在一个惯性系中在一个惯性系中同时不一样地同时不一样地发生两发生两事件，在别惯性系中就事件，在别惯性系中就不一样时不一样时发生发生。3、同时同地同时同地发生两事件，在全部惯性系发生两事件，在全部惯性系中都中都同时同地同时同地发生发生。讨论：讨论：第23页一、动量、质量和速度关系一、动量、质量和速度关系1、动质量公式：、动质量公式：第四节第四节 狭义相对论动力学狭义相对论动力学220
14、cu1mm-=19081908年，玻歇勒在测定电子荷质比年，玻歇勒在测定电子荷质比e/me/m时，发觉时，发觉高速运动电子荷质比高速运动电子荷质比 比慢电子荷质比小，从而比慢电子荷质比小，从而第一次证实了第一次证实了 质速质速 关系。关系。2、动量公式：、动量公式：第24页?天平秤理想试验：天平秤理想试验：m m0 0m m0 0L L0 0L L0 0v v0 0v v0 0#站在地面上站在地面上人看，人看，#与左臂相连人看，与左臂相连人看，设右臂相对于左臂运动速度为设右臂相对于左臂运动速度为u ，则与左臂相连人测得右臂长度为：则与左臂相连人测得右臂长度为：两边平衡。两边平衡。两边也应平衡。
15、两边也应平衡。第25页（4）静质量不为零物体，其速度必小于）静质量不为零物体，其速度必小于C C（如多级（如多级火箭）；以光速运动粒子（如光子、中微子等），火箭）；以光速运动粒子（如光子、中微子等），它们静质量必须为零！它们静质量必须为零！可认为质量与速度无关，等于其静质量。可认为质量与速度无关，等于其静质量。（3）u c，mm0（1）m：动质量，动质量，m0：静质量。静质量。讨论：讨论：（2）u：物体相对于某一参考系速度。：物体相对于某一参考系速度。（5）在相对论情况下，）在相对论情况下，牛顿第二定律原始形式：牛顿第二定律原始形式：运动物体在恒力作用下，没有恒定加速度。运动物体在恒力作用下，
16、没有恒定加速度。第26页二、质量和能量关系二、质量和能量关系由动能定理，物体动能就是使物体从静止由动能定理，物体动能就是使物体从静止开始运动到速度为开始运动到速度为v v时，合外力所作功时，合外力所作功.第27页一个孤立物质系统其内部发生过程总能量守恒，一个孤立物质系统其内部发生过程总能量守恒，这意味着其这意味着其总质量（相对论质量）总质量（相对论质量）也守恒。也守恒。核反应中系统总能量守恒核反应中系统总能量守恒,总质量总质量也守恒。也守恒。在粒子碰撞过程中在粒子碰撞过程中,系统动量守恒，系统动量守恒，总质量总质量守守恒。恒。例：例：1kg水由水由0被加热到被加热到100，总能总能E静能静能E
17、0相对论质能关系式相对论质能关系式.第28页如核反应中：如核反应中：反应前：反应前：反应后：反应后：静质量静质量 m01 总动能总动能 EK1静质量静质量 m02 总动能总动能 EK2能量守恒：能量守恒：所以：所以：核反应中释放能量核反应中释放能量,对应于一定静质量亏损。对应于一定静质量亏损。总动能增量总动能增量总静止质量总静止质量减小减小(静质量静质量亏损亏损)（适用核反应）（适用核反应）第29页例例1.试计算氢弹爆炸中核聚变反应之一所释放出试计算氢弹爆炸中核聚变反应之一所释放出能量，其聚变方程为：能量，其聚变方程为：各种粒子静止质量为：各种粒子静止质量为：氘核：氘核：m1=3.343710
18、-27kg氚核氚核:m2=5.004910-27kg氦核：氦核：m3=60642510-27kg中子中子:m4=1.675010-27kg解：解：质量亏损为：质量亏损为：对应释放能量为：对应释放能量为：1kg这种核燃料所释放能量为：这种核燃料所释放能量为：这相当于同质量优质煤燃烧所释放热量这相当于同质量优质煤燃烧所释放热量1 1千多万千多万倍！倍！第30页例例2.在在S参考系中有两个静止质量均为参考系中有两个静止质量均为m0粒子粒子A、B，分别以速度分别以速度 和和 相向运动，相相向运动，相撞后合在一起成为一个静止质量为撞后合在一起成为一个静止质量为M0粒子。求粒子。求M0=？解：设合成粒子质量解：设合成粒子质量M、速度速度 第31页三三.动量与能量关系：动量与能量关系：pcmc2m0c2 对光子：对光子：E=mc2(粒子性粒子性)=h(波波动性性)p=mc(粒子性粒子性)=h/(波波动性性)第32页