6.1牛顿力学中运动的相对性6-2狭义相对论的两个基本假设 (1)上课用

6.1牛顿力学中运动的相对性1905年，爱因斯坦创立了相对论，相对论和量子论一道引发了20世纪物理学的革命。一百年后的2005年，联合国决定将该年定为“国际物理年”，旨在纪念爱因斯坦并向全社会宣传物理学。相对论一、伽利略相对性原理对于任何惯性参照系，力学现象都以同样的规律进行。即：牛顿力学的规律都具有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。也叫做伽利略相对性原理。惯性参照系：牛顿第一、第二定律（见牛顿运动定律）在其中有效的参照系，简称惯性系。如果s为一惯性参照系，则任何对于s作等速直线运动的参照系都是惯性参照系；而对于s作加速运动的参照系则是非惯性参照系。所有的惯性参照系都是等效的。惯性参照系即惯性系。一个参考系是不是惯性系，只能由实验确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立与否。根据伽利略相对性原理，和一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。在实践中，人们总是根据实际需要选取近似的惯性参考系。比如，在研究地面上物体小范围内的运动时，地球是一个很好的惯性系。在研究太阳系中天体的运动时，太阳是一个很好的惯性系。非惯性系:相对地面惯性系做加速运动的物体.惯性参照系的判断方法：二、经典时空观（绝对时空观）1、绝对的、真正的、数学的时间在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。2、绝对空间永远相同、不动，与外界事物无关。3、时间和空间相互独立、互不相关。三、伽利略速度变换设车厢对地速率为u，行人对车速率为vˊ向前时：则人对地的速度为v=u+vˊ参考系不同，速率也不同，速率随参考系的变化关系式称为伽利略变换公式。设车厢对地速率为u，行人对车速率为vˊ向后时：则人对地的速度为v=u-vˊ6.2狭义相对论的两个基本假设按伽利略速度变换公式，不同的惯性系中，真空中的光速应当是不同的值。按照麦克斯韦理论，真空中的光速c应当是一个电磁学常量，在不同惯性系中应当有相同的值。？哪一个正确呢？电磁理论与经典时空观之间的矛盾该如何解决？一、爱因斯坦的相对性原理•对于不同的惯性系，物理规律（包括力学的和电磁学的）都是一样的。•作为牛顿力学基础的伽利略变换公式需要进行修改。即：物理定律与惯性系的选择无关，对物理定律来说，所有惯性系都是等价的。二、光速不变原理光在真空中运动的速度在任何惯性系中测得的数值都是相同的。C=299792458m/s1m的规定：光在真空中s内传播的距离。2997924581sm/1000.381.惯性参考系：凡是牛顿定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。2.伽利略相对性原理对于所有的惯性系，力学规律都是相同的。3.经典时空观（绝对时空观）时间均匀向前，空间静止不动。时间和空间彼此独立、互不关联，且不受物质或运动的影响。总结：①相对性原理：对于不同的惯性系，物理规律（包括力学和电磁学）都是一样的。②光速不变原理：光速与惯性系的选择无关。6.3时间、长度的相对性1、经典力学的几个基本结论①“同时”的绝对性②时间间隔的绝对性③空间距离的绝对性④质量不随速度而变化2、相对论时空观①“同时”的相对性②运动时间变慢③运动尺子的缩短④运动质量的变大概述：两种时空观得出的重要结论：一、“同时”的相对性相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系中观测是同时发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能不是同时，而是一前一后发生的。假设一列火车在平直的轨道上以速度u行驶、高速开过站台，在车厢的正中有一闪光灯。现使该灯发出一个闪光。闪光照到前、后壁，是两件事。小明在车上观测，小芳在站台上观测。他们认为这两个事件是同时发生的吗？闪光是同时到达前、后壁的吗？u小明：（以车厢为参考系）车子是静止的，光速是不变的，光同时向A和B前进，到达前、后两壁，用时相同。即闪光同时到达前、后壁。小芳：（以站台为参考系）车子是运动的，光速是不变的，光同时向A和B前进，先到达A，后到达B，用时不相同。即闪光不是同时到达前、后壁。u一、“同时”的相对性在一个参考系中是同时发生的两件事，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测不是同时发生，这就是“同时”的相对性。u车厢相对于站台的速率越大，相隔的时间就越长，在大到一定值时，这个差值就大得不能忽略。二、运动时钟的变慢21cvtt时间延缓效应并不是说由于相对运动而使钟发生了结构性变化，是由于不同观测者进行量度时引起的一种观测效应。这种效应是相对的。对于同一参考系，v=0，就不存在这种效应了。当v接近光速时，这种偏差是非常大的。3:003:003:004:004:003:40时钟相对于观察者静止时走得快，相对于观察者运动时，观察者会看到它变慢了，运动速度越快，效果越明显，即运动着的时钟要变慢。二、运动时钟的变慢【答案】C时钟走得最慢，A走得最快。【例题】A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBvC，地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？【例题】以8km/s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1mim，地面上的人认为它走过这1mim“实际”上花了多少时间？【答案】10223811361081011310t't.minvcP103例题三、长度的相对性还是在以速度u前进的车厢中，现在要测量如图CD两点间的距离，小明用一根尺子如图放置，记下两点坐标x1和x2，则L0=x1-x2，可以求得。L0是CD两点的静长。可是小芳测量就不一样了。L0uCD的距离是多少呢？三、长度的相对性L0uCD的距离是多少呢？对小芳来说：先记下X1，后记下X2时，车子已经向前走了一段，她测得的L0比小明的长；同理，若先记下X2，后记下X1，测得的L0比小明的短。总之，选择的惯性参考系不同，测得的长度不等，长度具有相对性。小芳以站台作参考系一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。相对于观察者运动时，观察者在运动方向上观测，它的长度缩短，速度越快，缩得越短。即运动的尺子要缩短。三、长度的相对性v0v四、物体质量随速度的增加而增大时空相对性的实验验证1966年用μ子作了一个类似于双生子旅游的实验，让μ子沿一直径为14米的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的μ子的确比静止的μ子寿命更长。1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证。经典时空观相对论时空观主要结论同时的绝对性同时的相对性时间间隔的绝对性运动的时钟变慢空间距离的绝对性运动的尺子变短质量不变质量随速度的增大而增大主要内容时间和空间彼此独立,互不关联，且不受物质或运动的影响。时间和空间相互关联，质量随物体的运动状态的改变而改变。注意：速度要接近光速时，相对论效应才会明显。