1、1,爱因斯坦: Einstein 现代时空的创始人,二十世纪的哥白尼,2,第2章 运动与时空2.1 相对性原理和变换2.2 狭义相对论的运动学效应2.3 相对论速度变换 2.4 狭义相对论的质量能量2.5 广义相对论简介,3,主要内容:牛顿的时空观 爱因斯坦的时空观 爱因斯坦的狭义相对论,牛顿的相对性原理,伽利略变换,相对性原理、光速不变原理,洛伦兹变换,运动学效应,时间膨胀 长度收缩,本章:将对运动与时空有一崭新的认识,4,相对性问题的核心是:物理规律是客观存在的 与参考系无关即参考系平权 没有特殊的参考系归根结底是:认识论方法论的问题教育人们要脱离自我客观地看问题,5,A君,以我为标准:
2、A君说:头朝上 B君也说:头朝上,B君,问题是: A 君 看 B 君,大头朝下!,6,从哥白尼到爱因斯坦- 参考系的选择,从哥白尼的日心说到爱因斯坦的广义相对论的过程 是人们逐步摆脱以我为核心的过程 没有特殊参考系的观点 就是以客观规律为准的观点 没有特殊参考系就是各参考系平权 平权就是各向同性 就是对称性,纪念哥白尼诞辰500周年学术会的标题,7,学习本章的正确态度 1) 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 规律 惯性系 力学 惯性系 物理 所有参考系 物理,8,明确本章研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件,
3、通常: 实验室参考系 定为S系 运动参考系 定为S系,9,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伦兹变换 在基本观点明确的前提下 重要的是变换式,10,研究的问题是:t 时刻质点运动到P点,坐标系如图,S系描述的物理量是:,S系描述的物理量是:,11,一.力学相对性原理和伽利略变换 1.伽利略变换, 2.1相对性原理和变换,12,正变换,逆变换,伽利略变换的分量变换式,13,速度变换与加速度变换,正,逆,用S系的
4、时间求导,牛顿时空: 时间量度与参考系无关 即,14,正,逆,加速度变换,惯性系,15,在两个惯性系中,2.牛顿的相对性原理与伽利略变换自洽,在牛顿力学中 力与参考系无关,质量与运动无关,16,宏观低速物体的力学规律 在任何惯性系中形式相同,或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变,或 牛顿力学规律是伽利略不变式,如:动量守恒定律(以两质点碰撞为例),动量守恒定律在伽利略变换下形式不变,17,二. 狭义相对论的基本原理 1.牛顿力学遇到的问题 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 高速运动的粒子 3) 光速C 迈克耳逊-莫雷的 0 结果,18,2.爱因斯坦的狭义相对论基本假设,1)一切物理规
5、律在任何惯性系中形式相同- 相对性原理 2)光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 -光速不变原理,Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展,大小,19,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,观念上的变革,牛顿力学,狭义相对论力学,20,2)同步钟 synchronized clocks 物理过程的时间间隔? 在确定的参考系中存在一系列的同步钟,3.同时性的相对性 1)事件 时空坐标 事件:研究的物理现象 时空坐标:确定事件位置的坐标,空间 时间,t是坐标 x,y,z 处的时钟测出的,当地钟测当地时,时空坐标,21,3)同时性的相对性- 光速不变原理的直接结果以
6、爱因斯坦火车为例Einstein train 说明,22,在火车上,分别放置信号接收器,中点,放置光信号发生器,23,研究的问题 两事件发生的时间间隔,某时M发一光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,M发出的闪光,光速为,A B同时接收到光信号,事件1、事件2 同时发生,24,事件1、事件2 不同时发生,事件1先发生,S系中的观察者又如何看呢?,同时性的相对性是光速不变原理的直接结果,相对效应,A B随 S运动,A迎着光,比B 早接收到光,25,事件1、事件2 不同时发生,事件2 先发生,当速度远远小于 c 时,两个惯性系得到相同结果,相对效应,如果装置固定在S系中 事件1 A接收到
7、信号 事件2 B接收到信号 S系中:两事件同时发生 但,S系认为:,26,4.洛伦兹坐标变换,27,洛伦兹坐标变换,时空坐标,当,与 有关,28,变换无意义,速度有极限 实际信号传递速度都不可能超过光速,当,29,解题的一般思路,例1( P.35例2) 已知:,求:,系中测量闪光到达两接收器的时间,系中测量闪光到达两接收器的时间,30,事件1,事件2,求:,事件0,解:,M发光信号,事件1,接收到闪光,事件2,接收到闪光,事件0,31,闪光同时到达两个接收器 两事件同时发生,32,由洛伦兹变换,33,由洛伦兹变换,两事件不同时发生,34,从上述式子,可产生一个疑问:,时序: 两个事件发生的时间
8、顺序,时序: 两个事件发生的时间顺序,在实验室参考系中 应先开枪后中靶 在高速运动的参考系中 是否能先中靶 后开枪?,结论: 有因果律联系的两事件的时序不会颠倒!,有因果联系的两事件的时序不会颠倒,因为,37,1.知道爱因斯坦的狭义相对论基本原理,1)相对性原理:一切物理规律在任何惯性系中形式相同 2)光速不变原理:光在真空中的速度与发射体的运动状态无关, 或说,在任何惯性系中光在真空中的速度相等,教学要求:,知道:正确叙述,表述清楚,38,2.会使用洛伦兹坐标变换做题,39,例1 (指导P.47.3) 一宇宙飞船长为L 以速度u相对于地面作匀速直线运动有个小球从飞船的尾部运动到头部宇航员测得
9、小球的速度为 试求: 1)宇航员测得小球由尾部至头部所需的时间 2)地面观察者测得小球由尾部至头部所需的时间,40,解: 建坐标:飞船上建S系 地面上建S系,事件1:小球从飞船尾部飞出 事件2: 小球飞到飞船头部,在飞船参考系中有,由已知可知,41,在地面参考系中: 由洛伦兹变换,得:,42,例2 S系中有一根米尺固定在x轴上 其两端各装一把手枪 固定于S系中的x轴上有另一根长刻度尺 当后者从前者旁边经过时 S系观察者同时扳动两枪 使子弹在S系中的刻度尺上打出两个记号 求:S系的刻度尺上两记号之间的刻度值差,43,(张三慧力学教材P.339 第6.3题),S系中同时放枪,解:确定两事件(左右放枪打记号),题目:求S系中尺上记号之间刻度值,事件1 左边打枪 事件2 右边打枪,44,已知S系中:两事件 同时发生 空间间隔,系中:,由洛伦兹变换,45,S系中看 打记号不同时右边先打 左边后打,