狭义相对论基本原理课件.ppt

1、精选ppt1精选ppt2近代物理学的两朵乌云 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。英国著名物理学家W汤姆孙William Thomson（即开尔文勋爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。精选ppt3 一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，对于电磁现象，已形成麦克斯韦电磁场理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。热现象，有了唯象热力学和统计力学的理论。以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观 精选ppt4 他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理

2、论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了第一朵乌云出现在光的波动理论上第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。精选ppt5两朵乌云两朵乌云 第一朵乌云出现在光的波动理论：迈克耳逊莫雷实验与“以太”说；第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。黑体辐射与“紫外灾难”。精选ppt6光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质“以太”。（ether或aether）以太是希腊语，原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气。在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质。精选ppt7迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验

3、莫雷实验 检测以太检测以太实验原理图实验原理图MSM2M1Tu以太风以太风u 设地球设地球(光源和干涉仪光源和干涉仪)相对于相对于“以太以太”速度：速度：光相对于地球的速度：光相对于地球的速度：v光相对于光相对于“以太以太”的速度的速度:cucv大小随大小随 的方向而变化的方向而变化c精选ppt8 vcuucvucvucvvucvuc22uc v实验原理图实验原理图MSM2M1Tu以太风以太风 两光线间存在光程差两光线间存在光程差,出现干涉条纹出现干涉条纹.将装置转将装置转动动90度度,干涉条纹应移动干涉条纹应移动(预计预计0.37条条).反复实验反复实验,“零结果零结果”.精选ppt9精选p

4、pt10光速不变 1887年，美国物理学家迈克尔孙与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验-迈克耳逊-莫雷实验，即“以太漂移”实验。实 验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。精选ppt11洛伦兹 洛伦兹，HA(Hendrik Antoon Lorentz,18531928），荷兰物理学家。为了说明迈克孙-莫雷实验的结果，他独立地提出了长度收缩的假说，认为相对以太运动的物体，其运动方向上的长度缩短了。精选ppt12这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？热辐射实验热辐射实验迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验

5、莫雷实验后来的事实证明后来的事实证明,正是这两朵乌云发展成为一埸革命正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴的风暴,乌云落地化为一埸春雨乌云落地化为一埸春雨,浇灌着两朵鲜花浇灌着两朵鲜花.精选ppt13量子力学的诞生量子力学的诞生相对论问世相对论问世深刻影响现代科技和人类生活深刻影响现代科技和人类生活 相对论相对论量子力学量子力学近代物理两大理论支柱近代物理两大理论支柱精选ppt141905年的爱因斯坦 一位在当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔伯特阿尔伯特-爱因斯坦爱因斯坦，1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最

6、重要的数学家亨利庞加勒也提出类似的观点。“奇迹年”-长久以来，它被用来描述1666年。英格兰舰队战胜荷兰无敌舰队；同一年，牛顿奠定了他的微积分、颜色理论和引力理论的基础。这一年，牛顿24岁。精选ppt15物理学纪事(Annalen der Physik)爱因斯坦在1905年发表了5篇划时代的论文，分别为：关于光的产生和转化的一个试探性观点关于光的产生和转化的一个试探性观点；分子大小的新测定方法分子大小的新测定方法；热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动；论动体的电动力学论动体的电动力学；物体的惯性同它所含的能量有关吗？物体的惯性同它所含的能量有

7、关吗？内容涵盖光量子假说、光电效应、分子大小测定、布朗运动、狭义相对论。爱因斯坦奇迹年100周年的2005年定为“国际物理年”精选ppt16 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相年先后创立了狭义相对论和广义相对论对论和广义相对论,他于他于1905年提年提出了光量子假设出了光量子假设,为此他于为此他于1921年年获得诺贝尔物理学奖获得诺贝尔物

8、理学奖,他还在量子他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献理论方面作出很多的重要的贡献.精选ppt171.1.狭义相对论的相对性原理狭义相对论的相对性原理(relativity principle of special relativity)物理规律对物理规律对所有惯性系都是一样的所有惯性系都是一样的,不存在任何一个不存在任何一个特殊的惯性系特殊的惯性系2.2.光速不变原理光速不变原理(invariance principle of velocity of light)在任何惯性系中在任何惯性系中,光在真光在真空中的速率都相等空中的速率都相等.4.1.2 4.1.2 爱因斯坦基本假设爱因斯坦基本

9、假设?c包括两个意思：包括两个意思：l 光速不随观察者的运动而变化光速不随观察者的运动而变化 l 光速不随光源的运动而变化光速不随光源的运动而变化 爱因斯坦的二个基本假设爱因斯坦的二个基本假设,放弃了以太参照系放弃了以太参照系,又不必修又不必修改麦克斯韦方程组改麦克斯韦方程组,光速不变与麦克斯韦光速不变与麦克斯韦方程组在惯性系中等价是一致的方程组在惯性系中等价是一致的.精选ppt184.2.1 同时性的相对性同时性的相对性4.2 爱因斯坦时空观爱因斯坦时空观xxyyzzOOKK u问题：问题：在某一惯性系中的同在某一惯性系中的同时事件时事件,在另一相对其运动的在另一相对其运动的惯性系中是否是同

10、时的惯性系中是否是同时的?事件事件1事件事件2系系KK1,1tx1,1tx2,2tx2,2txK系同时发生的两事件系同时发生的两事件,t=0理想实验：爱因斯坦火车理想实验：爱因斯坦火车站台站台K火车火车K ABxouCxoACB0 tt 时，时，C发一光信号发一光信号事件事件1:A接收到光信号接收到光信号事件事件2:B接收到光信号接收到光信号同时同时不同时不同时：“光速不变原理的直接结果光速不变原理的直接结果u精选ppt19说明同时具有相对性说明同时具有相对性,时间的量度是相对的时间的量度是相对的.和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同

11、时发生的两个事件生的两个事件,在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察,并并不一定是同时发生的不一定是同时发生的.精选ppt20理想实验：爱因斯坦火车理想实验：爱因斯坦火车系K系K 站台系：站台系：火车系：火车系：4.2.2 时间延缓时间延缓精选ppt21火车系：火车系：KDxyo1x),I(11txAM),II(21tx 用一个相对事件发生用一个相对事件发生地地静止静止的钟测量的两的钟测量的两个个事件的时间间事件的时间间隔隔原时原时(proper time)(固有时间固有时间)0cdttt2120 该两事件为该两事件为事件事件,需用两只需用两只 钟测出其时

12、间间隔：钟测出其时间间隔：非原时非原时(运运动时间动时间)光信号：光信号：NMN xy2x1xoD),I(11tx),II(22tx2tc2tuuM M M1N2NNNN 站台系：站台系：系K222)2()2(tudtc精选ppt22 该两事件为该两事件为事件事件,需用两需用两只钟测出其时间间隔：只钟测出其时间间隔：非原时非原时(运动时间运动时间)光信号：光信号：NMN xy2x1xoD),I(11tx),II(22tx2tc2tuuM M M1N2NNNN 站台系：站台系：系K201结论：结论：原时最短原时最短.运动时钟变运动时钟变慢效应慢效应时间膨胀时间膨胀,时间延时间延缓缓(time e

13、xpansion)211,cu令021tttt222)2()2(tudtc221112tcdt精选ppt23运运 动动 的的 钟钟 走走 得得 慢慢时间的延缓时间的延缓精选ppt24 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义和时间联系在一起才有意义.2）时时空不互相独立，而是不可分割的整体空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带是建立不同惯性系间时空变换的纽带.3

14、）时，时，.cv tt1）时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应.2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等寿命等.）注意注意精选ppt25 人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行21tt211,cv 无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间原则上可以任意短。原则上可以任意短。地球地球南门二（南门二（4光年）光年）牛郎星（牛郎星（16光年）光年）织女星（织女星（26.3光年）光年）小麦哲伦星云（小麦哲伦

15、星云（15万光年）万光年）在日常生活中在日常生活中时间延缓时间延缓和和长度收缩长度收缩是完全可以忽是完全可以忽略的略的,但运动速度接近光速时但运动速度接近光速时,这两种效应就变得非这两种效应就变得非常重要常重要,在高能物理的领域里得到大量的实验证实在高能物理的领域里得到大量的实验证实.精选ppt26 例例1 设想有一光子火箭以设想有一光子火箭以 速率相速率相对地球作直线运动对地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去他观测星云用去 10 min,则地球上的观察者测得此则地球上的观察者测得此事用去多少时间事用去多少时间？c95.0vmin01.32min

16、95.0110122tt运动的钟似乎走慢了运动的钟似乎走慢了.解解:设火箭为设火箭为 系、地球为系、地球为 S 系系 Smin10t精选ppt27时空隧道精选ppt28双生子佯谬 有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年青。精选ppt294.2.3 长度收缩长度收缩长度长度=在与长度方向平行的坐标轴上在与长度方向平行的坐标轴上,物体两端坐标值之差物体两端坐标值之差.(当当物体运动时物体运动时,两端坐标必须同时记录两端坐标必须同时记录)测量尺两端坐标测量尺两端坐标)(0txA)(0txBxy)(0txA)(

17、1txBxy精选ppt301x2xO0lkxuclt002x1x2xOlkxukd1tu光往返时间：光往返时间：11tctldu入射路程：入射路程：uclt1解得解得光脉冲从反射镜返光脉冲从反射镜返回到光源的时间：回到光源的时间：uclt2全程所用时间：全程所用时间：21ttt2212cclclcltuuu2cu201tt22220121cclctuu精选ppt31全程所用时间：全程所用时间：21ttt2212cclclcltuuu2cu201tt22220121cclctuu222201212cclccluu2201cllu解得：解得：原长原长l0：在相对于观察者静止：在相对于观察者静止的参考系中测得的物体长度的参考系中测得的物体长度.长度收缩长度收缩 ：运动物体的长：运动物体的长.度度 l 小于原长小于原长,l l 0.原长最长！原长最长！精选ppt32 例例1 设想有一光子火箭，设想有一光子火箭，相对于地球以速相对于地球以速率率 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为度为 15 m，问以地球为参考系，此火箭有多长，问以地球为参考系，此火箭有多长？c95.0vss火箭参照系火箭参照系地面参照系地面参照系解解：固有长度固有长度m150ll21 llm68.4m95.01152lm150lvx xy yo o精选ppt33作业4-14-34-5