物理课件第4章狭义相对论 4-1 爱因斯坦假设

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高中物理竞赛第四章狭义相对论(共96张PPT)

Y S Y / S/ O/
u •
P
/ / Y=Y Y
O
Z/ X/ X Z
/ / Z=Z Z
X/ X
由 S＇→S系有
x x u t y y z z t t
由 S→S＇系有
x x ut y y z z t t
迈克尔逊莫雷实验
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵奇葩。
3 回首页回首页回上页回上页下一页下一页
相对论问世
普朗克量子力学的诞生
高速领域微观领域
相对论量子力学
4 回首页回首页回上页回上页下一页下一页
经典力学
相对论是二十世纪物理学最伟大的成就之一，相对论时空观的建立是人们对物理现象认识上的一个飞跃。相对论对近代物理学的发展，特别是核物理和高能物理的发展起着重大作用。
牛顿的时空观
“宇宙系统的中心是不动的”；…“绝对空间是这样的，按照其本身的性质与无论什么样的其他任何事物无关，永远保持静止…”；“绝对时间是这样的，按其本身的性质与别的任何事物无关，平静地流逝着。” ---牛顿《自然哲学之数学原理及其宇宙体系》
7 回首页回首页回上页回上页下一页下一页
6 回首页回首页回上页回上页下一页下一页
3、爱因斯坦之前关于时空问题的一般认识我国古代对于时空的认识
“宇，弥异所也”，“久，弥异时也”。 ---墨子《墨经》
“宇“是空间的总称，“久“是时间的总称，“弥“是普遍的意识。前句是：宇宙空间是不同地点的总称；后句：时间是不同时刻的总称。即：空间源于物体的广延性，时间源于过程的持续性。

第4章狭义相对论基础

S系
m11 m2 2 m110 m2 20
利用伽利略变换

S 系
m11 m2 2 m110 m2 20

动量守恒定律在伽利略变换下形式不变。在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式。
5
4.1 伽利略变换经典力学的相对性原理
y' y
z' z
y y'
v x' c2 t 2 1 v 2 c t '
z z'
1） x ' , t '与 x, t成线性关系，但比例系数不等于1。 2）时间不独立，t 和 x 变换相互交叉。 3）
v c
时，洛伦兹变换
伽利略变换。
13
4.2 狭义相对论的基本假设洛仑兹变换
tt
'
t t 2 t1 t 2 t1 t '
6
4.1 伽利略变换经典力学的相对性原理
空间间隔度量绝对不变
' x' x2 x1' ( x2 ut2 ) ( x1 ut1 )
x2 x1 x
t 2 t1
( S系中必须同时测量长度两端 ) 牛顿力学的相对性原理
1）满足相对性原理和光速不变原理。 2）当质点速率远小于真空光速 c 时，该变换应能
使伽利略变换重新成立。
o 设： t ' 0 时， ,o' 重合 ; 事件 P 的时空坐标如图所示。 t
x' x vt v2 1 c
2
y' y
v x c2 t' 2 1 v 2 c t

4-1 狭义相对论基本原理洛伦兹变换

意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保洛伦兹变换
持不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性 —— 相对论对称性 .
第四章狭义相对论
速度变换公式
u' x = u x v
u' y = u y u'z = uz
加速度变换公式
s
y
y
s'
y'
v
y'
vt
o
x'
P ( x, y , z ) * ( x' , y ' , z ' )
z z
o' z' z'
x
x' x
a'x = a x
a' y = a y
a = a' F = ma ' F = ma
实践已证明，绝对时空观是不正确的实践已证明，绝对时空观是不正确的 . 不正确
4 – 1 狭义相对论基本原理洛伦兹变换
第四章狭义相对论
2 伽利略变换当 t = t′ = 0 时 o 与 o' 重合坐标变换公式
s
y
y
s'
y'
v
yx, y , z ) * ( x' , y ' , z ' )
4 – 1 狭义相对论基本原理洛伦兹变换
第四章狭义相对论
二
狭义相对论的基本原理
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家，于世纪最伟大的物理学家，世纪最伟大的物理学家 1905年和年和1915年先后创立了狭义相年和年先后创立了狭义相对论和广义相对论，他于1905年提对论和广义相对论，他于年提出了光量子假设，为此他于1921年出了光量子假设，为此他于年获得诺贝尔物理学奖，获得诺贝尔物理学奖，他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 . 爱因斯坦的哲学观念：爱因斯坦的哲学观念：自然哲学观念界应当是和谐而简单的 . 理论特色：理论特色：出于简单而归于深奥 .

《物理学教学课件》4-1经典力学的时空观

探索量子引力理论
为了解决量子力学和广义相对论之间的不兼容性，科学家正在努力寻找一种量子引力理论，以统一描述微观粒子和宏观引力。
超越经典时空观
随着科学技术的不断进步，人们对于时空的认识也在不断深化。未来，我们可能会超越经典力学的时空观，建立更加精确和完备的物理理论体系。
THANKS
感谢观看
绝对时空观的物理意义
绝对时空观为经典力学提供了基础，使得牛顿的运动定律和万有引力定律得以成立。
它解释了物体运动和力的作用方式，使得人们能够准确地预测和描述物体的运动轨迹和状态。
它也使得人们能够建立绝对坐标系，从而对物体进行准确的定位和描述。
绝对时空观的局限性
绝对时空观无法解释光速不变的现象，因为光速在不同的惯性参考系中是相同的，这与绝对时空观相矛盾。
详细描述
米氏-摩雷森实验通过测量光在运动介质中的速度，验证了光速在不同参考系下是否恒定。该实验结果支持了狭义相对论的预言，表明光速在不同惯性参考系下是恒定的。
原子干涉实验
总结词
原子干涉实验是验证时空相对性的另一种方法。
详细描述
原子干涉实验通过观察原子在干涉条纹中的分布，验证了时间和空间的相对性。该实验结果支持了狭义相对论的预言，表明时间和空间在不同的参考系下是相对的。
05
时空观的现代发展
量子力学对时空观的挑战
量子力学的非定域性
量子力学中的粒子不受时空限制，可以在整个宇宙中同时存在，这与经典力学的时空观相冲突。
波函数与现实世界的联系
波函数是量子力学中的基本概念，它描述了粒子的状态，但波函数的存在并不直接对应于物理实在，这使得量子力学的时空观变得模糊。
广义相对论的时空观

狭义相对论基础课件

经典力学认为空间和时间是相互独立的、经典力学认为空间和时间是相互独立的、互不相关的，并且独立于运动之外。互不相关的，并且独立于运动之外。经典力学认为质量是和运动无关的常量。经典力学认为质量是和运动无关的常量。所以：在经典力学中，长度、所以：在经典力学中，长度、时间及质量都和运动无关，是一个不变量。和运动无关，是一个不变量。
2
x′ = γ ( x ut )
x′ = x ut 1 (u c)
2
2
u t′ + 2 x′ c t= 1 (u c)2
t′ =
u t 2 x c 1 (u c)2
二.结果坐标变换式
x′ =
x ut
2
正变换
u 1 2 c y′ = y z′ = z
u t 2 x c t′ = 2 u 1 2 c
绝对时空观
4-2 狭义相对论的基本假设洛伦兹变换一、狭义相对论的基本假设 1.伽利略变换的困难 1.伽利略变换的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换光速C 2) 光速C 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷的 0 结果 3) 高速运动的粒子
2、爱因斯坦的狭义相对论基本假设
1）一切物理规律在任何惯性系中形式相同
2 2 2
= ( x2 x1 ) + ( y2 y1 ) + (z2 z1 )
2 2
2
=l
结论：空间两点距离是一个不变量，与参照结论：空间两点距离是一个不变量，系的选择和观察者的运动无关。的选择和观察者的运动无关。
用牛顿的话来说：“绝对的真实的数学空间，牛顿的话来说：绝对的真实的数学空间，的话来说就其本质而言，是永远均匀地流逝着，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。事物无关。” “绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变。关的，它从不运动，并且永远不变。” 由伽利略坐标变换所以：所以：

狭义相对论力学基础课件

一个参照系可以校准所有的时钟，有统一时间基准。
狭义相对论力学基础课件
27
三. 洛仑兹变换蕴含的时空观(一)
1. 由洛仑兹变换看同时性的相对性
事件1 事件2
S
(x1,t1)
(x2 ,t2 )
两事件同时发生 t1 t2
tt2 t10
狭义相对论力学基础课件
S
( x1, t1 ) (x2 , t2 )
t t2 t1
S S
u
A M B
研究的问题
两事件发生的时间间隔
S ？
S
M 发出的闪光光速为c
M
S？
AMBM A B 同时接收到光信号
事件1、事件2 同时发生
狭义相对论力学基础课件
33
S系中的观察者又
如何看呢？
S S
u
M 处闪光光速也为 c
A B 随 S 运动
A M B
A 迎着光比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生事件1先发生 M
发生在x’=－ut’处，
即 x’+ut’=0。
yS
y
S
u
x
o o
x
说明该事件的两观测值x与（ x’+ut’）必成比率，即 x=k(x’+ut’) 。
同样地，对于在S’系中O’点于t’时刻发生的事件，其x’=0。但在S系中观察为该事件发生在x=ut处，
即 x－ut=0 。
说明该事件的两观测值x’与（ x－ut）必成比率，即有 x’=k’(x－ut) 。
在两个惯性系中考察同一物理事件
设惯性系S 和相对S运动的惯性系S’
t时刻，物体到达P点
O,O 重合时，t t 0计时开始。

大学物理第四章狭义相对论基础描述PPT课件

20
②当 u时c，
略变换：
x x ut
y y
z z
t t
1
u c
2 2
洛 1仑兹变换可以简化为伽利
x x ut y y z z t t
即伽利略变换是洛仑兹变换在低速时的近似。
可见洛仑兹变换有更为普遍的意义。
性系都是等价的。
--伽利略相对性原理
2.力学规律在所有惯性系中相同数学表达形式。
3.时间和空间都是绝对的，无关联的。
4
二、伽利略变换在参考系中发生的一个物理事件要用四个坐标
（x、y、z、t）来描述。
设S系和S'系都是惯性参照系，且：
S'系相对于S系沿x轴以速度u 运动，
开始时t=t' =0坐标原点O和O'重合。
二、爱因斯坦假设 1.1905年爱因斯坦在他的论文中，大胆地提出两条假设，这就是狭义相对论的基本原理。 2.两条基本假设：（1）相对性原理
在所有惯性系里，一切物理定律都相同。即：具有相同的数学表达式。
所有惯性系都是等价的。
这是牛顿相对性原理的推广。即在所有惯性系里，不但力学定律成立，而且电磁定律、光的定律、原子物理定律和其它物理定律都同样成立。 13
揭示了时间、空间与引力的关系。
相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
3
4-1 力学相对性原理伽利略变换
一、力学相对性原理
1.表述：描述力学现象的规律不随观察者所选的
惯性系而改变，或者说，研究力学规律时一切惯
x
1 2
1 2
18
①两坐标间的变换关系：

《狭义相对论》课件

原子能级移动
总结词
狭义相对论预测了原子能级的移动，即原子能级的位置会因为观察者的参考系而有所不同。
详细描述
根据狭义相对论，原子能级的位置会因为观察者的参考系而有所不同。这是因为狭义相对论引入了新的物理概念，如时间和空间的相对性，这导致了原子能级位置的变化。这种现象被称为原子能级移动。
06
狭义相对论的背景和历史
狭义相对论的产生背景是19世纪末物理学界出现的一系列实验结果，这些结果无法用经典物理学解释，如迈克尔逊-莫雷实验和洛伦兹收缩实验。
狭义相对论的提出者爱因斯坦在1905 年提出了特殊相对论，这是狭义相对论的早期形式。在特殊相对论中，爱因斯坦解释了时间和空间并不是绝对的，而是相对的，并且提出了著名的质能等价公式E=mc^2。
狭义相对论不仅在物理学领域产生了深远影响，还对哲学、数学等相关学科产生了影响，促进了跨学科的交流与融合。
THANKS
感谢观看
这与经典物理学中的绝对时空观念相矛盾，因为在经典物理学中，时间和空间是绝对的，物理定律在不同的参照系中会有所不同。
光速是恒定的，与观察者的参考系无关
这一假设表明光在真空中的速度对于所有观察者都是一样的，无论观察者的运动状态如何。这是狭义相对论中最基本、最重要的假设之一。
这个假设与经典物理学中的光速可变观念相矛盾，因为在经典物理学中，光速会随着观察者的参考系而有所不同。
03
时间膨胀和长度收缩
时间膨胀
总结词
时间膨胀是狭义相对论中的一个重要概念，指在高速运动的参考系中，时间相对于静止参考系会变慢。
详细描述
根据狭义相对论，当物体以接近光速运动时，其内部的时间会相对于静止参考系减慢，这种现象被称为时间膨胀。这是由于在高速运动状态下，物体的时间进程受到相对论效应的影响。

《狭义相对论的两个基本假设》课件4

D．三种说法都是正确的
返回
解析：根据爱因斯坦相对性原理可知，对不同的惯性系，物理规律都是一样的，因此说法(1)正确；根据光速不变原理知，光的传播速率不遵守伽利略速度变换公式，与光源的运动状态无关，光速不变，光在真空中的速率是一常数。因此说法(2)和(3)也都正确，正确选项为D。答案：D
返回
判断下列说法是否正确000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光对地速度一定比c大000c竖直方向升空的火箭上向后发出的光对地速度一定比c小000c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c000c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c返回解析
返回
1. 爱因斯坦狭义相对论认为对不同的惯性系，物理规律都是一
[思路点拨]
D．物体的能量与质量成正比
解答本题的关键是牢记狭义相对论基本假设，
要与时间间隔的相对性、相对论质量等区分开来。
返回
[解析]
狭义相对论基本假设：一是在不同的惯性
参考系中，一切物理规律都是相同的；二是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，即光速不变原理，由此可知A属于狭义相对论基本假设，故A正确，B、C、 D错误。 [答案] A
返回
解析：根据狭义相对论的基本假设—光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，对不同的惯性系是相同的，因此C、D正确，A、
B错误。
答案：CD
返回
[例1] 中
属于狭义相对论基本假设的是：在不同的惯性系 ( )
A．真空中光速不变
B．时间间隔具有相对性
C．物体的质量不变
样的。 2．在不同的惯性系中，光在真空中传播的速率都是一样的，恒为c，这就是光速不变原理。

高二物理竞赛狭义相对论动力学基础PPT(课件)

上式两边同时平方： m2c2 m2v2 m02c2 两边求微分： 2mc2dm 2mv2dm 2m2vdv 0
v2dm mvdv c2dm
18
② 相对论动量
在相对论中，质点的动量公式仍有效。
p mv
p
1 1 v2 c2 m0v
F dp d mv 成立
dt dt
F m dv ma dt
乙
B
A
B
甲
B
A
B
10
究竟是哪个尺缩短了？
• 甲乙相对运动，甲看乙的尺变短了；运动是相对的，乙看甲的尺也短了。
l l ' 1 u2 c2
甲
B
A
B
乙
B
A
B
11
缩放的感觉
• 如果两个飞船相对运动的速度为每秒26万公里时，这两个飞船上的观察者都将认为另一个飞船缩短了一半，飞船上的时钟慢了两倍，每一个小时走的时间长了两倍多，飞船的质量也大了两倍多。可是，这些宇航员都认为自己飞船上的一切都是正常的。
§4-5 狭义相对论动力学基础复合粒子的静止质量M0大于2m0，两者的差值：白钟都是可以对准的，而黄色钟却无法对准！
4 2
He
第八章恒定电流的磁场
电磁波：由同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。
光线只是将它在时空中获得的速度全部用于在空间里穿梭上。
乙
B
A
甲
甲看乙钟
B
A
白钟都是可以对准的，而黄色钟却无法对准！ 8
究竟是哪个钟变慢了？
• 甲乙相对运动，甲看乙钟变慢了；运动是相对的，乙看甲钟也慢了？

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---牛顿《自然哲学之数学原理及其宇宙体系》
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
一伽利略变换
在两个惯性系中，S 静止，S 相对于S沿x轴以u 匀速运动
事件P S系中，t 时刻: 发生在(x, y, z)点
S′ 系中，t′ 时刻: 发生在(x′, y′, z′ )
牛顿的绝对时空观
经典力学的相对性原理
注意
实践已证明 , 绝对时空观是不正确的
经典力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，与实验结果相一致
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
三经典力学遇到的困难
伽利略变换在电磁学理论中的困境
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寻找绝对静止的参考系 —— 以太迈克尔孙-莫雷实验 “零结果”
光速c 的困惑
狭义相对论建立以前，人们认为任何速度的叠加都满足伽利略变换。但在光速领域里却碰到了困难。
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)
4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
讨论
Einstein 的相对性理论是Newton理论的发展光速不变与伽利略变换、伽利略的速度叠加原理针锋相对
光速不变否定了绝对时空概念
时间标度牛顿力学长度标度
质量的测量
长度,时间,质量与参考系无关速度与参考系有关(相对性)
狭义相对论力学
光速不变
长度,时间,质量与参考系有关(相对性)
20世纪最伟大的物理学家, 于1905 年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的.
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点
s ys' y'
y
y'
u
P(x, y, z,t)
* (
x
',
y
',பைடு நூலகம்
z
',
t
)
ut
x'
o
z
o' z'
x
x' x
z z'
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
四狭义相对论的基本原理（基本假设）
爱因斯坦相对性原理：所有物理定律在一切惯性系中都具有相同的表达形式 .
光速不变原理：真空中的光速是常量，它与光源或观察者的运动无关，
即不依赖于惯性系的选择.
关键概念：相对性和不变性 .
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
力学相对性原理：任何惯性系中，牛顿力学规律都是相同的
或者说：从牛顿力学来看，任何惯性系都是平等的
（没有那个惯性系更为优越）
力学相对性原理说明，无法用力学实验的方法来确定所在惯性系相对于另一惯性系是作匀速直线运动还是相对静止。
球投
c
出
d
前
t1
d c
结果:
观察者先看到投
出后的球，
球投出后
v cv
t1 t2
t2
c
d
v
后看到投出前的球.
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4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
4.1 爱因斯坦基本假设
狭义相对论
爱因斯坦之前关于时空问题的一般认识
我国古代对于时空的认识 “宇，弥异所也”，“久，弥异时也”。 ——墨子《墨经》即：空间源于物体的广延性，时间源于过程的持续性。
牛顿的时空观 “宇宙系统的中心是不动的”；…“绝对空间是这样的，按
照其本身的性质与无论什么样的其他任何事物无关，永远保持静止…”；“绝对时间是这样的，按其本身的性质与别的任何事物无关，平静地流逝着” 。