医学物理学-相对论初步课件

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1、相对论初步第十四章教学基本要求1.伽利略变换式牛顿的绝对时空观2.狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式3.狭义相对论的时空观4.狭义相对论动力学5.广义相对论简介理解伽利略变换及牛顿力学的绝对时空观。了解迈克耳孙－莫雷实验。理解狭义相对论的两条基本原理，掌握洛伦兹变换式。理解同时的相对性，以及长度收缩和时间延缓的概念，掌握狭义相对论的时空观。教学要求掌握狭义相对论中质量、动量与速度的关系，以及质量与能量间的关系。理解广义相对论的等效原理和广义相对性原理，了解引力场的时空特性、引力坍缩与黑洞、引力波。教学要求一经典力学时空观绝对空间:空间与

2、运动无关,空间绝对静止。空间的度量与惯性系无关,绝对不变。绝对时间:时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间。时间和空间是分离的，质量和能量是分离的。第一节经典力学的绝对时空观相对性原理任何惯性参考系中，力学定律都成立各个惯性系都是等价的不存在特殊的绝对的惯性系力学相对性原理relativityprinciple（伽利略相对性原理）**牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的范围内,是与实验结果相一致的.但在高速运动情况下则不适用.Fma*二伽利略变换设S系相对于S系一匀速沿x轴运动观察两参照系中同一事件的时空关系*任意时

3、刻位置坐标关系事件在S系与S系中*速度变换关系事件在S系与S系中速度变换关系事件在S系与S系中*第二节洛伦兹变换洛伦兹“以太”论的观点：假设整个宇宙都充满着一种绝对静止的特殊媒质“以太”（ether,又称能媒）。它是优于其它参考系的绝对参考系。从经典物理到近代物理在电磁理论发展初期，认为光是在所谓无所不在的“以太”中传播，光速是相对于以太而言。到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性！而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在变换下都具有

4、相同形式--协变性。从经典物理到近代物理地球s底盘1镜2镜玻片O11m臂长l=590nm迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹相对速率一、迈克耳-莫雷实验寻找以太干涉仪转过90°，两臂位置取向互换，光程差改变达极大，条纹移动量亦达极大。若“以太”观点成立，预期有0.4根条纹移动量。（仪器的灵敏度，可判断0.01根条纹的移动量）。实测结果经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找“以太”著名的“零结果”。洛伦兹迈克耳孙-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。该实验结果否定了

5、“以太”假说----表明相对性原理的正确性洛伦兹把伽利略变换修改为洛伦兹变换在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组具有相对性原理所要求的协变性洛伦兹变换--解决经典力学与经典电磁学间的矛盾（即迈克耳孙-莫雷实验的零结果）爱因斯坦以真空光速独立于参考系为基础建立起新的时空观提出两条基本假设。1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》--建立狭义相对论。二、狭义相对论的基本原理光速不变原理所有惯性系中，真空中的光速为所有惯性系中，物理定律有相同形式（适用于一切物理定律）与光源运动无关狭义相对性原理三、洛伦兹变换描述两个惯性参考系的时

6、空间坐标之间的变换关系洛伦兹*正变换SS逆变换SS时,转换为伽利略变换式*洛伦兹变换洛伦兹速度变换描述两个惯性参考系的事件速度之间的变换关系正变换逆变换[例14-1]在正、负电子对撞机中，电子和正电子以速度0.90c相向飞行，它们的相对速度是多少？解：取对撞机为S系，向右运动的电子为S系于是u=0.90c,vx=-0.90c相对速度为*第三节狭义相对论的时空观一、时间的延缓固有时间同一地点发生的两事件的时间间隔B测量时不同地点发生的两事件的时间间隔与物体固连的静止参照系的观测时运动的钟走得慢时间膨胀当物体运动时，它内部所有

7、一切的物理化学变化反应都会变慢动钟都随着运动速度增加而变慢时钟变慢都是运动参照系的测量相对于固有时间而言S系测的时间S系测的时间[例14-2]μ子是1936年由安德森（C.D.Anderson）等人在宇宙射线中发现的。μ子是不稳定的粒子，它能自发地衰变为一个电子和两个中微子。对μ子静止的坐标系而言，μ子自发衰变的平均寿命为2.15×10-6s。假设来自太空的宇宙射线，在离地面6000m的高空所产生的μ子，以相对于地球0.995c的速率垂直向地面飞来。试问：1）在地面上看来，μ子的平均寿命应为多少？2）它能否在衰变前到达地面？分析

8、：μ子衰变过程是在μ子参照系中静止发生的，μ子参照系中平均寿命为2.15×10-6s为其寿命的固有时τ0在地面上看来，μ子的平均寿命为τ它能否在衰变τ时间前完成飞行距离6000m解：（1）设地面参考系为S，μ子参考系为S