运动的相对性与时空

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运动的相对性与时空Relativity从哥白尼到爱因斯坦牛顿的力学相对性原理和伽利略变换爱因斯坦的狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的洛仑兹变换时间膨胀长度缩短速度变换1 一、初步认识相对性运动描述与参考系有关,运动规律与参考系无关。对牛力的认识,惯性系与非惯性系。§１从哥白尼到爱因斯坦二、深入认识相对性认识论方法论的问题，教育人们要脱离自我客观地看问题。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。2 相对论问题包括两方面1)相对性原理--物理规律的不变性;2)变换--不变式。A君A君说：头朝上。B君也说：头朝上。B君但，A君看B君，大头朝下！教育人们超越自我如：什么是上？下？科学的语言必须准确！必须用规律来表述。万有引力定律：下：指向地心。3 三、哥白尼爱因斯坦是典范抛弃以我为中心抛弃地心说哥白尼:N.copernicus4 爱因斯坦:Einstein现代时空的创始人惯性系，非惯性系平权二十世纪的哥白尼所有的参考系平权5 从哥白尼到爱因斯坦---参考系的选择四、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统一平权就是对称性§2牛顿的力学相对性原理和伽利略变换明确研究的问题:在两个惯性系中考察同一物理事件实验室参考系运动参考系6 在不同的惯性系中，考察同一物理事件。与重合时，两个参考系对表问题：一、伽利略变换Galileantransformationt时刻，物体到达P点7 分量式正变换逆变换8 速度变换与加速度变换正逆惯性系9 在两个惯性系中二、牛顿的相对性原理NewtonPrincipleofrelativity牛顿力学中：相互作用是客观的分析力与参考系无关质量的测量与运动无关10 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11 §3爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设一、牛顿力学的困难1)电磁场方程组不服从伽利略变换2)光速c——在哪个参考系中测的?迈克耳逊—莫雷的0结果3)高速运动的粒子12 二、基本假设1、一切物理规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1)Einstein的理论是Newton理论的发展讨论一切物理规律力学规律13 2)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3)观念上的变革牛顿力学速度与参考系有关(相对性)革命性时间标度长度标度质量的测量与参考系无关狭义相对论力学长度、时间测量的相对性光速不变14 三、同时性的相对性relativityofsimultaneity1、事件时空坐标2、同步钟synchronizedclocks3、同时性的相对性---光速不变原理的直接结果以爱因斯坦火车为例Einsteintrain说明15 Einsteintrain地面参考系实验装置在火车上，分别放置信号接收器发一光信号中点放置光信号发生器16 发一光信号研究的问题：两事件发生的时间间隔事件1：接收到闪光事件2：接收到闪光处闪光光速为同时接收到光信号事件1、事件2同时发生。？？17 事件1、事件2不同时发生事件1先发生处闪光光速也为系中的观察者又如何看呢？1、同时性的相对性是光速不变原理的直接结果2、相对效应3、当速度远远小于c时两个惯性系结果相同随运动迎着光应比早接收到光讨论18 §４狭义相对论的洛仑兹变换Lorentztransformation重合且在此发出闪光经一段时间光传到P点一、推导寻找对同一客观事件两个参考系中相应的坐标值之间的关系19 由光速不变原理：由发展的观点：狭义牛顿力学有<<情况下20 由客观事实是确定的：对应唯一的设下面的任务是根据上述四式利用比较系数法确定系数21 二、结果坐标变换式正变换22 令则正变换逆变换23 正变换讨论1)与时空坐标伽利略变换发展2)<<24 变换无意义速度有极限4)由洛仑兹变换看同时性的相对性事件1事件2两事件同时发生？3)>25 若同时性的相对性5)时序因果关系已知26 §5时间膨胀长度缩短一、时间膨胀timedilation——运动时钟变慢考察一只钟。在研究一个物理过程的时间间隔中，在某系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔(同一只钟测量)，与另一系中，两个地点发生的两个事件的时间间隔(两只钟分别测量)的关系。研究的问题是：如幽灵的寿命？27 1、原时Propertime两地时2、原时最短时间膨胀在某一参考系中，同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫原时。考察中的一只钟(两事件发生在同一地点)(一只钟测出的时间间隔)(S系中的两个地点的两只钟测出的时间间隔)两地时原时28 由洛仑兹逆变换原时最短<129 1、运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征2、对同样的两个事件原时只有一个固有时本性时本征时3、双生子效应讨论30 二、长度收缩--运动尺子变短lengthcontraction对运动长度的测量问题怎么测？同时测1、原长棒静止时测得的它的长度也称静长棒静止在系中，静长31 棒静止在系中静长棒以极高的速度相对S系运动，S系测得棒的长度值是什么呢？事件1：测棒的左端事件2：测棒的右端相应的时空坐标32 事件1：测棒的左端事件2：测棒的右端2、原长最长长度收缩由洛仑兹变换33 1)相对效应2)纵向效应3)在低速下伽利略变换4)同时性的相对性的直接结果讨论34 §6相对论速度变换定义由洛仑兹坐标变换上面两式之比35 由洛仑兹变换知由上两式得同样得36 洛仑兹速度变换式正变换逆变换37 例：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：选飞船参考系为系地面参考系为系38 作者:刘凤英陈惟蓉制作:刘凤英秦联华清华大学出版社98.1139