狭义相对论基本原理PPT课件

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21
③ 当速度远远小于 c 时,两个惯性系结 果相同 “同时性”的相对性
——在某系中同时发生于不同地点的两个事 件,在另一相对运动系中不一定同时发生.
y y v
z
o o
z
P1 P2
x, x
22
时序的相对性: t小,表示发生在先, t大,表示发生在后;
t→表示将来, t=负值 一般表示过去
若按伽利略速度变换,其结果为:
ux′=ux-v=0.6c-(-0.6c)=1.2c>c 显然是不合理的。
45
23
K K’
O
V
O’ t1'
t2'
x1 x2
t'2 t'1
t2 t1

v c2
x2 x1
1 2
t1 t2
分母0
K’系中看: 时序不变
分析: (t2-t1)0 (t2’-t1’) 同时
(x2-x1)0
时序颠倒
24
Note: 在不同系中观测,两事件的时序可能 颠倒.但对因果事件,不会如此.
4
Great events in 1905:
•March 1905
Photoelectric effect—understanding of the structure of light
•May 1905
Explaining Brownian Motion-developing kinetic energy theory
30
3.长度收缩(length contraction)
——在某系中一根静止棒的长度(原长proper length, or静长rest length),总是大于在沿棒 长方向运动的系中测到的长度.P1 P2来自voo

大学物理狭义相对论基础全部内容ppt课件

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c29979214 .25m 8s-1
.
33
▲ 揭示出真空的对称性质:对于光的传播而言, 真空各向同性,所有惯性系彼此等价。
▲ c 是自然界的极限速率
1962年 贝托齐实验
贝托齐实验结果
速率极限:指能量和信息传播速率的极限。
.
34
二.洛仑兹变换
1.坐标变换
S系P x,y,z,t 寻找 对同一客观事件 P,
行星的自转或公转;单摆;晶体振动;分子、原 子能级跃迁辐射……
国际单位:“秒”
与铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁相对应的 辐射周期的9192631700倍(精确度 1012~1013)
校钟操作:
O
A
B
l
l
.
14
由此在一个惯性系中的不同地点建立统一的时间坐标:
y
对不同惯性系
伽利略变换中我们默认了
S系 P x ,y ,z,t
两个惯性系中相应的 坐标值之间的关系。
S系
y
o z

S 系
y
up
o z
当 tt时0 ,
由 o( o发出)光信号,
x 光信号到达 P :
x
S: P(x, y,z,t)
S: P(x, y,z,t)
.
35
S y S y′
u • P (x, y, z,t)
在 S, S中,
r
r P(x,y,z,t) 真空中光速均为 c
以分子运动为基础的微观理论(统计物理学)
.
4
物理学家感到自豪而满足,两个事例:
在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要 做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的 小数点后面添加几位有效数字而已。

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个光信号。 经一段时间,光传到 P点。
我们可以把光到达P点看作一个事件。而事件是在一 定的空间和时间中发生的,可以用时空坐标来表示。
S P x,y,z,t 寻找 对同一客观事件,两
个参照系中相应的坐
S P x ,y,z,t
标值之间的关系。
.
4
1.洛仑兹坐标变换 •由光速不变原理:
x2y2z2c2t2 (1 )
S S u
P
xx O O’ ’
x 2y 2 z2 c2 t2(2 )
站在S和S/的人都认为自 己是静止不动的,而且
•由发展的观点:
光速也不变的。
u<<c 情况下,狭义 牛顿力学 yy zz
•由于客观事实是确定的:
x,y,z,t对应唯一的 x,y,z,t
下面的任务是,根据
设: x xt (3 )上述四式,利用比较
例2、设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行, 如果 这时从飞船上沿速度方向抛出一物体,物体 相对飞船速 度为0.90c 。问:从地面上看,物体速度多大?
解: 选飞船参照系为S’系。 地面参照系为S系。
S S’ u
u0.80 c vx 0.90c
X(X’)
由洛仑兹速度变换关系可得:
vx
vx u
1
u c2
v x
0.90c0.80c 10.800.90
0.99c
.
13
下面我们来考察空间中的两个不同事件。
3.两个事件的时空关系
对于不同的两个事件:
S
事件1
(x1 , t1 )
事件2
x2,t2
S
x1 ,t1
x2 ,t2
两事件时间间隔 t t2t1 tt2 t1

大学物理相对论ppt课件

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比 B早接收到光
事件1、事件2 不同时发生
事件1先发生 t 0
6-3 狭义相对论的时空观——爱因斯坦火车
用洛仑兹变换式导出
t2
t2
u c2
x2
1 u2 c2
t1
t1
u c2
x1
1 u2 c2
t
t2
t1
t
u c2
1 u2
x
c2
若x 0 已知 t 0
t
u c2
x
0
同时性的相对性
在一个惯性系的不同地点同时发生的两个事件,在另一 个惯性系是不同时的。
2、 纵向效应
l l0 1 u2 c2
在两参考系内测量的纵向(与运动方向垂直)
的长度是一样的。
3、在低速下 伽利略变换
l l0 1 u2 c2
u c l l0
6-3 狭义相对论的时空观
例2、原长为10m的飞船以u=3×103m/s的速率相对于地
面匀速飞行时,从地面上测量,它的长度是多少?
t
t
u c2
x
1 u2 c2
c
5.77 109 s
u c 1 ( x )2 x
6-3 狭义相对论的时空观
二.长度的相对性
运动的棒变短
长度测量的定义
对物体两端坐标的同时测量, 两端坐标之差就是物体长度。
S S
u
l0
原长 棒相对观察者静止时测得的它的长度
(也称静长或固有长度)。
棒静止在S'系中 l0是静长
u

a火 车b
A

B
在地面参照系S中测量,火车长度要缩短。但隧道的B端 与火车b端相遇这一事件与隧道A端发生闪电的事件不是同时的, 而是B端先与b端相遇,而后A处发生闪电,当A端发生闪电时, 火车的a端已进入隧道内,所以闪电仍不能击中a端。

物理第六章狭义相对论基础PPT课件

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第18页/共51页
洛仑兹坐标变换式
正变换
逆变换
x
x ut
1
u2 c2
y y
z z
t
t
u c2
x
2
1 u2 c 第19页/共51页
x x' ut '
1
u2 c2
y y
z z
t
t'
u c2
x'
1
u2 c2
令 u
c
正变换
1 1 2
逆变换
x x ut x x ut
y y
第2页/共51页
v ' a'
正变换:
把S′系的各量用S系的各量表示。
y
y’
u
P(x, y, z, t)
ut o
o’ z
z’
坐标变换
x' x ut y' y z' z t' t
x’
x’
x x
速度变换
加速度变换
vx vx u
vy vy
a' a
vz vz
——伽利略变换式
第3页/共51页
o
x1
第14页/共x251页 x
l x2 x1 ut
Δt是B′、A′相继通过 x1这两个事件之间的固有时。
l和l ' 之间有什么关系呢?
在S′系,棒静止,由于S系向左运动,x1这一点相继经过B′和A′端。
y
u
o
y
u
o o′ y′
o′
y′
A’
A′ x1
x1经过A′和B′两事件之间的时间间隔,在S’ 系中测量为:

62狭义相对论基本原理精品PPT课件

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2E t2
2xH 2 2yH 2 2zH 2 C 12
2H t2
式中:C为真空中的光速
C 1 3.0108m/s
00
如何看待这个电磁波和光速呢?由于牛顿定律 在人们头脑中的统治地位。人们很自然地要与 曾用牛顿定律成功解释过的机械波来类比。
机械波
电磁波(光)
1)依靠弹性媒质传播, 1)依靠弥漫宇宙的
C
C
u 测得为:
u 测得为:
Cu
Cu
正同顺风与逆风骑自行车感觉风速不一样。
迈克尔逊干涉仪是通过干涉的办法通过干涉条纹的移动
来测量光速的。但实验结果并没有看到风预期的条纹移动。
干涉仪是精度很高的仪器 ,这一结果只能得出光沿任 何方向传播时光速都是一样的结论。这结果正于人们顺 风骑自行车与逆风骑自行车时感觉到的风速是相同的一 样。不合人们的逻辑,称之为实验的负结果。使人大吃 一惊!
t't
这些概念都是人们在低速条件下生活在头脑中 的反映。
§6-2-1 狭义相对论的基本原理和洛仑兹坐标变换
(Basic principle of special relativity and the Lorentz transformation)
一、 时代背景
自牛顿定律建立起来以后,人们成功地解释了
因为这意味着经典物理学出了问题,意味着什 么绝对时间、绝对空间、伽利略变换等等都是错 误。就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空。
一部分人感到沮丧,我们绝对相信的牛顿 定律尽然不灵了,这…岂不是科学的毁灭吗!
有一部分人不相信实验的真实性,继续改进实验 设备做实验。而且春天、夏天、秋天、冬天都做; 平地做、高山做…实验精度越来越高,能做实验 的人越来越多,乃至几乎每个大学都能做,但结 果仍然一样,地球上的光速与地球速度无关。

狭义相对论基础PPT课件

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现代物理学讲座
狭义相对论基础
狭义相对论基础
special relativity 狭义相对论的基本假设 同时性的相对性 运动时钟变慢和长度缩短 洛仑兹(时空和速度)变换 相对论性质量 相对论性动量和能量
数学上很 容易,观 念上不易 理解
Galileo
Newton
Maxwell
Lord Kelvin (William Thomson)(1824-1907)

m
d
u m
d
(u v)
dt
dt
m
d
u
dt
F m d dt2r2 , F md d2r2 t
FF
这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基 本方程保持形式不变。
如:动量守恒定律
Sm 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
S
m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 0 m 2 v 20
二、Albert Einstein 的选择
由牛顿时空观出发,已知在伽利略变换下,一 切力学规律对所有的惯性系都有相同的形式,但电 磁学却不服从伽利略相对性原理。
从逻辑上说,对同一种变换,力学规律有相同的 形式,而电磁学规律的形式却不相同,这是不可思 义的。这个矛盾的存在有两种可能性:一种可能性 是Maxwell给出的电磁学理论并不正确,而Galilean transformation是正确的;另一种可能性是Maxwell theory 是正确的,但力学规律在高速(v→c)情况 下并不正确,Galilean transformation在高速情况 下,也不正确,应存在一种新的变换,
Albert Einstein所建立的相对论,就是在下列 思想基础之上的,即时空具有更深刻地均匀性, 自然定律在时空的四维“空间”的一组变换 Lorentz transformation下是不变的,时空中的旋 转和平移是这类变换的特殊情形。

第一章狭义相对论基础精品PPT课件

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电磁波(光)传播的媒质是 以太,以太静止在绝对空间.
§2 迈克耳孙—莫雷实验
一.问题的提出
光相对以太的传播速度为c, 若有其它惯性系相对绝对空
•是否有一个与绝对空间相对 间运动,则相对此惯性系的
静止的参考系?
速度将不是c.
•如果有,如何判断它的存在?
•显然力学原理不能找出这 个特殊的惯性系,那么电磁 学现象呢?
y y S S
两者重合.
说,都遵从同样的规律;或者
y y
说,在研究力学规律时,一切 惯性系都是等价的.——力 学相对性原理.
二.伽利略变换式
v
vt
O O
•P
x
x
z z
x x
力学相对性原理的数学表述. z z
考虑两个惯性参考系S(Oxyz)
S相对S系以v沿x轴运动 和S(Oxyz), 它们的对应坐
点P在两坐标系中的关系为: 标轴相互平行, 且S系相对
换言之,绝对静止的参考 系是不存在的.
§3.狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式
x x vt
y y
z
z

t t
x x vt
y y
z
z
t t
——伽利略速度变换.
其矢量形式为: u= u + v
上式再对时间求导:
a a
x y
a a
x y
a z a z
其矢量形式为:
a = a
物体的加速度对伽利略 变换是不变的.
即牛顿定律对S系和S 系有相同的形式.
x x vt
y
y
z z
S系以速度沿Ox轴的正方向 运动.开始时,两惯性系重合.
伽利略位置坐标变换 t=0时,

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x2 y2 z2 x2 y2 z2
长度(或两个同时事件之间的距离)与参考系的选择 无关。物体的广延性不受其运动状态的影响。
表明:绝对空间,按其本性,不受外界事物的影响, 总是保持不变并且不可移动。
ppt课件
17
3. 伽利略变换
当 t t 0时 o 与 o重合
坐标变换式
s y s' y'
2) 时空不独立,t 和 x 变换相互交叉。
3) u c 时,洛伦兹变换
伽利略变换。
洛仑兹 变换
x x ut
y y z z
t t x
c
0 1
退化
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x x ut y y z z t t
伽利略 变换
40
导出洛伦兹变换后,狭义相对性原理可以表述为: 表示物理定律的方程式在洛伦兹变换和物理量的相应 变换下保持形式不变。
u c2
x) (t
c
x)
t (t u x) (t x)
c2
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c
38
洛伦兹变换式
x (x ut)
x (x ut)
正 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
逆 y y
变 换
z z
t
(t
u c2
x)
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39
洛伦兹变换特点
1 , u
பைடு நூலகம்
1 2
c
1) t, x 与 t,x 成线性关系,但比例系数 1 。
vz vz
vz vz
加速度变换公式
ax ax ay ay az az
牛顿力学中: 相互作用是客观的 力与参考系无关

《狭义相对论》课件

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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。
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Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
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 理论方面作出很多的重要的贡献 .
爱因斯坦的哲学观念:自然 界应当是和谐而简单的.
同时A
o'
火车 K
C
B
u
x'
K系 K 系
事件1 xt
1, 1
x t 1, 1
事件2
x2, t2
x t 2, 2
K系同时发生的两事件, t = 0
站台 K
不同时 A
C
Bu
o
x
t t 0 时,C发一光信号
K
K
u
事件1: A接收到光信号 事件2: B接收到光信号
结论:“同时性”具有相对性 ——光速不变原理的直接结果
包括两个意思:
光速不随观察者的运动而变化
c
光速不随光源的运动而变化
爱因斯坦的二个基本假设, 放弃了以太参照系,又不必修 改麦克斯韦方程组,光速不变与麦克斯韦 方程组在惯性系中等价是一致的.
§4.2 爱因斯坦时空观 4.2.1 同时性的相对性
理想实验:爱因斯坦火车
问题: 在某一惯性系中的同 时事件,在另一相对其运动的 惯性系中是否是同时的?
第 四 章 狭义相对论
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。
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
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。
迈克耳孙-莫雷实验 —— 检测以太
M1 u 以太风
S
M
M2
T
实验原理图
II(x1, t2 )
用一个相对事件发生
地静止的钟测量的两 个同地事件的时间间 隔——原时(proper
time) (固有时间)0
0
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。
洛伦兹
洛伦兹,H.A.(Hendrik Antoon Lorentz,1853~1928),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。
和光速不变紧密联系在一起的是:在某一惯性系中同时发 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,并 不一定是同时发生的.
说明同时具有相对性,时间的量度是相对的.
4.2.2 时间延缓
理想实验:爱因斯坦火车
站台系: K系
火车系: K 系
火车系:K '
y M
D
A'
o x1
x
I(x1, t1)
他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲 道:“动力理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。
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”。
理论特色:出于简单而归于 深奥.
4.1.2 爱因斯坦基本假设 ?
1.狭义相对论的相对性原理(relativity principle of special relativity):物理规律对 所有惯性系都是一样的,不存在任何一个 特殊的惯性系.
2.光速不变原理(invariance principle of velocity of light):在任何惯性系中,光在真 空中的速率都相等.
“设以地太球”(光速源度和:干涉u仪)相对于
光相对于“以太”的速度: c
光相对v 于 地c 球 u的 速度:v
大小随 c 的方向而变化
M1 u 以太风
S
M
M2
T
实验原理图
c
u
v
v cu
c
u
v cu
v
u
c
v
c
v
u
Hale Waihona Puke v c2 u2两光线间存在光程差, 出现干涉条纹.将装置 转动90度,干涉条纹应 移动(预计0.37条).反复 实验, “零结果”.
“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。
《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》; 《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》; 《论动体的电动力学》; 《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》 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”
这两朵乌云是指什么呢?
迈克尔逊莫雷实验
热辐射实验
后来的事实证明,正是这两朵乌云发展成为一埸革命 的风暴,乌云落地化为一埸春雨,浇灌着两朵鲜花.
相对论问世
量子力学的诞生
近代物理两大理论支柱
相对论 量子力学
深刻影响现代科技和人类生活
1905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-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,一位法国最重要 的数学家亨利·庞加勒也提出类似的观点。
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