第4章相对论改

介子衰变前通过的平均距离应为
ut 0.99 3108 1.8 107 53(m)
这和实验结果相符，从而验证了相对论的时间膨 胀效应。
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4.3.3 长度的收缩
S
u
l0
O x1
x2
x
2l0 往返时间： t0 c
入射路程：
d l ut1
l t1 cu
x ( x'ut ) 逆 y y' 变 z z' 换 ux' t (t ) 2 c 1 其中： 1 u2 1 2 c
35
例4-5设S’系以速率u=0.6c相对于S系沿xx’轴运动，且在 t=t’=0时，x=x’=0。若在S系中有一事件发生于 t1=2.0×10-7s，x1=10m处，另一事件发生于t2=3.0×10-7s ，x2=50m处，求在S’系中测得这两个事件的空间间隔 和时间间隔各是为多少？ 解：由洛仑兹坐标变换可得
16
[ C ]
4.3.2 时间的膨胀
反射镜
反射镜
c
d
B 光源
u
S
l d
c
u
ut B 光源
S
2d S : t0 c
ut S: l d 2
2 2
2l 2 ut 2 t d c c 2
2
17
ct0 2d t0 d c 2
l l0 / l0 1 u 2 / c 2 60 1 (0.60c) / c 48(m)
2 2
30
例4-4A、B两飞船的固有长度均为L0＝100m，同向匀 速飞行。B的驾驶员测得A的头部和尾部经过B头部的 时间为5/3×10－7s。求A中的观察者测得的上述过程的 时间。 解：原长L0=100m；原时＝(5/3) ×10-7s
伽利略速度变换式：
vPO vPO' vO'O
于是有：
或
vPO' vPO vO'O
u x u x v u y u y u z u z
速度变换矢量式：
或
u x u x v u y u y u z u z
u u v
t t0
1 u 2 c 2
t0 2l0 2l 所以 2 2 2 2 2 2 c 1 u c 1 u c c 1 u c


解得：
l0 l l0 1 u c
2 2
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l l0 1 u
2
l0 c
2
原长：在相对于观察者静止的参考系中测得的物体长度。
1687年，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书 中对时间和空间作如下表述 ： 绝对的、真实的、纯数学的时间，就其自身和其本 质而言，是永远均匀流动的，不依赖于任何外界事物。 绝对的空间，就其本性而言，是与外界事物无关 而永远是相同和不动的。 牛顿的绝对时空观： 时间和空间都是绝对的，与物质的存在和运动无关。
测时：在S系中记录下该两事件的时间间隔。
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t
t0 1 u / c
2 2
t0
u c, 1 t
当u c t t0
结论： 测时大于原时，时间测量上的这种效应通常叫做 时间膨胀效应。
19
u
C. '
.
x'
C. '
.
x'
. a
c1
c2
2
ut
x x
x
u
x
x ut x 1 u 2 c 2
解得：x
z
2
O
z
O
x ut 1 u c
2
在 S系中观测，同理可得： x
x ut 1 u2 c 2
33
消去 x ，可得
t
t ux c
2
2 2
1 u c
逆变换：
t
t ux c 2 1 u c
x
如在飞船上的钟测得一人吸烟用了3分钟。
在地面上测得这个人吸烟可能用了5分钟。
20
动钟变慢CAI
21
双 生 子 佯 谬
. a
慢
.
慢
.
.
22
例4-2带正电的 介子是一种不稳定的粒子，以其自身 为参考系测得的平均寿命为2.5×10-8s，此后衰变为一 个 子和一个中微子。今产生一束 介子，在实验室 测得它的速度 u=0.99c，它在衰变前通过的平均距离 为53 m。试问：这些测量结果是否一致？ 解：按经典理论计算， 介子在衰变前通过的距离为
从第二式中消去d，有
2l 2 2 ct0 ut ut 2 t d c c c 2 2 2
2 2
2
解得： t
t0 1 u2 / c 2
t0
原时：在S’系中同一地点先后发生的两个事件的时间间隔。
运动物体的长度小于原长， 这种现象称为长度缩短效应。
当
u c l l0
地球上宏观物体最大速度103m/s，比光速小5个数量级， 在这样的速度下长度收缩约10-10，故可忽略不计。
运动物体长度收缩是同时性的相对性的直接结果。 注意：长度收缩只发生在运动的方向上。
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29
例4-3 假设飞船以 v =0.60c 的速度相对于地面匀速飞行， 飞船上的机组人员测得飞船的长度为60m。问地面上 的观测者测得的飞船的长度是多少？ 解：根据题意，飞船的固有长度为60m，地面上的观 测者测得飞船的长度为测长，
5
速度变换矢量式：
u u v
对速度变换式两边对时间求导 加速度变换矢量式：
a a
F ma F ma
a x a x a y a y a z a z
结论：牛顿运动方程在任意两个不同惯性参考系中其形 式保持不变。 力学相对性原理：力学规律对于一切惯性参考系都是 等价的。
相对论的建立经历了几十年的时间，1905年爱因斯 坦发表了《论动体的电动力学》宣告了相对论的诞 生。 爱因斯坦相对论分为狭义相对论和广义相对论。
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4.2.2 狭义相对论基本原理
狭义相对论的两条基本假设： • 狭义相对论的相对性原理：在所有惯性系中，物 理定律的表达形式都相同。即：物理定律与惯性系 的选择无关，所有惯性系都是等价的。（不存在 “以太”这种特殊的物质） • 光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速 具有相同的量值c 。（光速为常量）
于是有：
t t
t t
xPO xPO' xO 'O x x vt y PO y PO' yO 'O y y z PO z PO' zO 'O z z t t xPO' xPO xO 'O x x vt y PO' y PO yO 'O y y 或 z PO' z PO zO 'O z z t t 4
6
牛顿经典力学的困难
1) 牛顿运动定律只适用于低速运动的物体。对于高 速运动的粒子，牛顿力学不再适用。 2) 电磁场方程组不服从伽利略变换
c 1
0 0
与参照系无关
3）光速与参照系无关的结论与牛顿时空观完全排斥 4)迈克耳逊——莫雷实验的 0 结果
7
4.2.1 迈克耳孙-莫雷实验
8
光路（1）
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例4-1（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、 同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。 （2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事， 在其它惯性系中必同时发生。 （3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事， 在其它惯性系中必不同时发生。 正确的说法是： (A) (1).(3) ； (B) (1).(2).(3) ； (C) (3) ； (D) (2).(3)
2
4.1.2 伽利略变换
原点 O 与 O 重合时， 作为计时起点，
y
t t 0
S
y S P u
Px, y, z, t Px, y, z, t
o
z
z
o
x x
3
伽利略时空变换式： rPO rPO' rO 'O 或 rPO' rPO rO 'O
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4.3.1 同时的相对性
由于光速不变，在某一个惯性系中同时发生的两个事件， 在另一相对它运动的其它惯性系中并不一定是同时发生的， 这个结论称为“同时的相对性”。 在列车中部一光源发出光信号，在列 爱因斯坦列车 车中 AB 两个接收器同时收到光信号 但在地面来看， 由于光速不变， A 先收到， B 后收到 。
d ct1
解得
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d S
u
ut1 x
S
l
O
x1
x2
x
反射路程：
d ' l ut2 d ' ct2
解得
l t 2 cu
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全程所用时间： t t1 t 2
l l 2l 即 t c u c u c 1 u2 c 2


根据时间的延缓，有 t为测时，t0为原时。于是有
原点 O 与 O 重合时， 作为计时起点，
y
S
y S P
t t 0
ut
x x
x
u
x
Px, y, z, t Px, y, z, t
z
O
z