CH13相对论解析

2020/1/24UniversityPhysicsSpring1爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人二十世纪的哥白尼ChapterXVI:狭义相对论SPECIALRELATIVITY2020/1/24UniversityPhysicsSpring214.1牛顿相对性原理和伽利略变换Newton’sRelativisticPrincipleandTheGalileanTransformation14.2爱因斯坦相对性原理和光速不变14.3同时性的相对性和时间延缓ThesimultaneityParadoxandthetimedilation14.4长度收缩Lengthcontraction14.5洛仑兹变换TheLorentzTransformation2020/1/24UniversityPhysicsSpring314.6相对论速度变换14.7相对论质量RelativityMassandMomentum14.8相对论动能ForceandEnergy14.9相对论能量ConservationofMass-Energy14.10动量和能量的关系MomentumandEnergy2020/1/24UniversityPhysicsSpring4学习本章的正确态度Attitude1)超越自我认识的局限2)自觉摆脱经验的束缚------以事实为依据牛顿的相对性原理狭义相对性原理广义相对性原理适用范围惯性系宏观低速惯性系所有参考系逐渐深化的过程2020/1/24UniversityPhysicsSpring5KeyProblemsofthisChapter:在两个惯性系inertiasystem中考察同一物理事件usually：实验室参考系定为S系运动参考系定为S'系2020/1/24UniversityPhysicsSpring614.1牛顿相对性原理和伽利略变换ttzzyyutxx在S中看来,是发生在哪一点哪一时刻?一、伽利略变换oyzx(x,y,z,t)p前提:时空间隔是绝对的uxyzotzyx,,,S中的一事件(x,y,z,t)2020/1/24UniversityPhysicsSpring7FF经典力学方程对伽利略变换是等价的。ttzzyyutxx一切惯性系对力学规律都是等价的。牛顿第二定律动量守恒定律能量守恒定律zzyyxxvvvvuvvzzyyxxaaaaaa二、牛顿相对性原理2020/1/24UniversityPhysicsSpring8•光速是否极限：电子在40Mev作用下加速,理论上1.9996C；实际上0.9999C。•麦氏方程组对伽利略变换不等价。绝对参照系的假定：假定存在光的传播媒质以太。三、某些问题中,经典力学的困难•迈克尔逊·莫雷实验：1887年证明光相对于地球沿不同方向传播并没有速度差异，从而否定地球相对于以太的绝对运动。•“一朵乌云”2020/1/24UniversityPhysicsSpring9麦克尔迅-莫雷实验:测量光速-0结果证明空间、时间绝对不变寻找绝对参照系，寻找绝对参照物aetherExperiment:整个装置绕垂直图面的轴线转过900，两条光线正好互换。rSM2M12020/1/24UniversityPhysicsSpring10光线1：tLcuLcu1M2tLcu2222光线2：tLucNLuc22222约为0.4条，但实际是0结果。这一悬案被称为是“一朵乌云”。M1ut22020/1/24UniversityPhysicsSpring11相对论问题包括两个方面：1.物理规律与参考系无关－－相对性原理2.在两个参考系中对同一事件的描述形式不同，之间存在一个变换关系－－－变换式变换式与相应的相对性原理相对应:牛顿力学的相对性原理对应伽利略变换；狭义相对性原理对应洛仑兹变换。在基本观点明确的前提下，重要的是变换式。2020/1/24UniversityPhysicsSpring12狭义相对论两个基本假设：14.2爱因斯坦相对性原理和光速不变原理1.相对性原理：物理学定律在所有惯性系中都是相同的。（力学定律→物理定律）2.光速不变原理:在所有惯性系中，真空中光速具有相同的量值C。（电磁波的传播是各向同性的）与迈-莫实验及其它实验结果相符大小2020/1/24UniversityPhysicsSpring131）Einstein的相对性理论是Newton理论的发展讨论一切物理规律力学规律2）光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对两个基本假设的本质：1、肯定相对性原理2、否定绝对时空观3、uc,则还原为经典物理2020/1/24UniversityPhysicsSpring143）观念上的变革牛顿力学时间长度质量速度与参考系有关(相对性)狭义相对论力学光速与参考系无关(相对性)长度时间质量速度与参考系有关2020/1/24UniversityPhysicsSpring15以速度ｖ相对地球作匀速直线运动的恒星所发射的光子，其相对于地球的速度的大小为_________。有一速度为ｕ的宇宙飞船沿Ｘ轴正方向飞行，飞船头尾各有一个脉冲光源在工作，处于船尾的观察者测得船头光源发出的光脉冲的传播速度大小为________；处于船头的观察者测得船尾光源发出的光脉冲的传播速度大小为____________。思考题2020/1/24UniversityPhysicsSpring16ABABABBABABABA对于车上的观察者,光到达A、B的时间t0相同对于地上的观察者,光到达A、B的时间t不同uu越大,t越大1.同时性的相对性14.3同时性的相对性和时间膨胀2020/1/24UniversityPhysicsSpring170ttSutcS0tc(ct)2(ut)22tct2(c2u2)ct020tutct车上的钟比我的慢2.时间膨胀固有时间(原时)在相对静止系中测得时间膨胀在相对运动系中测得t0211tcu地上的钟比我的慢2020/1/24UniversityPhysicsSpring181、在相对静止系中测得的是固有时间t0它是不变的值,是原时,原时最小。2、在相对运动系中测得的是膨胀了的时间t=t0，运动系运动速度u越大,t越大。211cu相对论因子u181006079.11000056.11087uu2020/1/24UniversityPhysicsSpring19利用飞机进行运动时钟变慢效应的实验2020/1/24UniversityPhysicsSpring20时间延迟与同时性的相对性一、时间膨胀（钟慢）1、惯性系S以恒定速度u对惯性系S运动S系是相对运动参照系S系是相对运动参照系2、钟放置在x1=x23、相对静止时间间隔12tttttt12t2时刻相对运动时间间隔ttcx111''ttcx222''xx12t=t’uSSt1时刻2020/1/24UniversityPhysicsSpring21钟对光源静止Δt=2d/cS’S’S’u222'tudt222'tudl222'22'tudccltAAA钟对光源运动钟即观察者S2020/1/24UniversityPhysicsSpring22111'2cutt222'22'tudcclt212'cucdtt=2d/c相对运动测量时间长相对静止测量时间短（原时最短）时间膨胀2020/1/24UniversityPhysicsSpring23相对静止参照系激光管L’=ct’/2t’=2L’/cuuut1ut2相对运动参照系Forward:d1=ct1Backward:d2=ct2=L+ut1=L-ut2ucLt1ucLt222112cucLucLucLttt2020/1/24UniversityPhysicsSpring24211'cuttL’原长最长运动尺度L变短cLcucL/'2122/'1'2LcuLL2020/1/24UniversityPhysicsSpring25Ex1:14.2已知：cu99.0s80105.2t0tu1.7112cutulm53u实验室SS问：实验室中观察，走了多长距离时衰变？经典：mcu4.7105.299.080t相对论：与实验相符2020/1/24UniversityPhysicsSpring26双生子效应twineffect20岁时，哥哥从地球出发乘飞船运行10年后再回到地球，弟兄见面的情景？366.22999.0cu哥哥测的是原时，弟弟测的是两地时221cuttyeart447.00447.020.5岁和30岁飞船速度2020/1/24UniversityPhysicsSpring27问题：相对的加速--非惯性系广义相对论若用到一对夫妻身上（丈夫宇航）会怎样呢？趣味之谈：仙境一天，地面一年(牛郎织女)“飞碟导航员”(10岁，4小时与7年)生命在于运动20.5岁和30岁初始见面时2020/1/24UniversityPhysicsSpring28刚性尺子静止于S012:lxxLS固有长度originalrod:SStuttuL12S’u1x2x14.4长度收缩同一地点尺的头经过时为t1尺的尾经过时为t2S认为尺的长度为uLtt钟在S系2020/1/24UniversityPhysicsSpring29长度收缩在相对运动系中测得294.29.00culL:S-uSS’ABuLul0tt-uSult0认为S走l0所需时间为-uS-uS-uS-uS2020/1/24UniversityPhysicsSpring30uSS认为光信号来回2l0所需时间为：cl02tSS认为来回时间为：tuctuLttucLucLt来0lL运动长度收缩ctuLt回222uccLcl02L来回来2020/1/24UniversityPhysicsSpring311、在相对静止系中测得的是固有长度，l0是不变的值。2、在相对运动系中测得的是变化的长度，u越大,L越小。S’uLS’uLS’uStt12x观测者t0L2020/1/24UniversityPhysicsSpring3200LEx2.地面观测者看到飞行火箭上天线的长度和张角是多少?0000sin,cosLlLlyx22yxllLxylltg1SSu2020/1/24UniversityPhysicsSpring33Ex3:问介子的固有寿命为多少？s8105.2ll1.7112cuult已知实验室以u=-0.99c的速度走了52米时衰变。3.71.752:SS实验室Su:Sml52固有长度S实验室uS2020/1/24UniversityPhysicsSpring3414.5洛仑兹变换LorentzTransformationoyzx(x,y,z,t)upxyzotzyx,,,xutxutxxyyzztuxxxcutt2oyzx(x,y,z