狭义相对论的基本假设
光速= c
光速= c v
不存在特殊参考系
19世纪后半叶和20世纪初,物理学家们曾经猜想,有 一种叫做以太的介质,弥漫在宇宙中,它是电磁波传播时 所需要的介质,拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才 成立.今天看来,以太是某一特殊参考系的代表.麦克尔 逊实验表明不存在这样的特殊参考系,实际上就是宣布宇 宙间不存在以太.
相对论的时空观
经典物理学建立在实验的基础上,它的结论又 受到无数次实验的检验.虽然相对论具有普遍性, 但是经典物理学作为它在低速运动时的特例,在自 己的适用范围内还将继续发挥作用.
麦克尔 逊实验
狭义相对论的两个假设
上述的矛盾使我们面临两个选择,要么放弃麦 克斯韦的电磁理论,要么否定特殊参考系的存 在.爱因斯坦选择了后者.并提出了两个假设: 真空中的光速在不同的惯 性参考系中都是相同的
光速不变原理
在不同的惯性参考系中, 一切物理规律都是相同的
爱因斯坦的 相对性原理
同时的相对性
时间间隔的相对性
由光速不变原理便得 到不同的时间间隔 高速运行的列车上,由车厢底部发出的闪光,对 于车上的人来说,闪光是在竖直方向反射的,而车 厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的.
时间间隔的相对性
ct 2 vt 2
h
对于车厢内的人: t 2h c 对于车厢外的人: t
t
20世纪最伟大的科学家
观 看 录 像
经典的相对性原理
不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同, 物体在空间移动这一概念也是相对的.
在不同参 考系中观 察物体的 运动情况
经典的相对性原理
光速恒定的特性,同运动的相对性原理之间似 乎产生了矛盾? 但是实验现象表明,不论光源和观察 者做怎样的相对运动,光速都是恒定的. v
1971年,科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞 行,然后与地面的基准钟对照.实验结果与理论预言符合的 很好.这是相对论的第一次宏观验证.
时空相对性的实验验证
早在1941年,科学家通过对宇宙线的观测证实 了相对论的结论,美国科学家罗西和霍尔在不同 高度统计了宇宙线中μ子的数量,结果与相对论预 言完全一致.
时空相对性的实验验证
t t v 1 c
2
v l l 1 c
2
当两个参考系的 相对速度可与光速相 比时,时间与空间的 相对性才比较明显.
狭义相对论的结论已经完全得到证实,实际 上它已经成为微观粒子研究的基础之一.
时空相对性的实验验证
根据相对论, 时间在运动中会进 行的比较缓慢,也 就是说,在空间中 高速移动的时钟, 比固定于地面上的 时钟走得慢.
t v 1 c
2
4h 2 c2 v2
时间间隔的相对性 在站台上看运 动火车上的钟
在火车上看运 动站台上的钟
长度的相对性
l
v
l
车厢运行速度240000km/s
车上的人看到的车厢的长度: l
车外的人看到的车厢的长度: l
v l l 1 c
2
狭义相对论的其他三个结论
下面,我们学习狭义相对论的三个重要结论…
相对论的速度叠加公式 相对论质量
质能方程
相对论的速度叠加公式
u
v
车厢运行速度240000km/s
车外的人看到车上人 相对地面的速度为:
u v u u v 1 c2
相对论质量
物体的运动速度不能无限增加,那么物体的质 量是否随着速度而变化? 严格的论证表明,物体高速(与光速相比) 运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的 关系:
相对论简介 牛顿力学
适用宏观物体的低速 (与光速相比)运动
研究微观粒子的运动
研究宏观物体的高速 (与光速相比)运动
相对论简介
19世纪后半叶,关于电磁场的研究不断深入, 人们认识到了光的电磁本质.我们已经知道,电 磁波是以巨大且有限的速度传播的,因此在电磁 场的研究中不断遇到一些矛盾,这些矛盾导致了 相对论的出现. 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的 规律,而且改变了我们对于时间和空间的认识, 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座 重要的里程碑.
物体的能量和质量之 间存在密切的联系,他们 的关系是:
E mc
2
爱因斯坦
这就是著名的质能方程
质能方程
质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之 间的关系.
Ek E E0
物体的动能
m0 v 1 c
2
运动时的能量
静止时的能量
m
Ek
1 m0 v 2 2
ห้องสมุดไป่ตู้
在v < < c时的一种近似 这就是动能表达式.
v
车厢长度是5400000km 车厢运行速度240000km/s
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达 前后车厢的先后是不一样的.
同时的相对性
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同时的相对性 在经典物理家的头脑中,如果两个事件在一个参 考系中看来是同时的,在另一个参考系中看来也一 定是同时的,但是如果接受爱因斯坦的两个假设, 我们会得出“同时是相对的”这样一个结论.
1 m0 v 2 2
质能方程
Ek
1 2 m0 v 2
这就是我们过去熟悉的动能表达式,这也
能让我们看出,牛顿力学是相对论力学在低速 情况下的特例.
相对论的时空观
什么是时间?什么是空间?时间和空间有什么性 质?经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的, 是绝对的,空间和时间之间是没有联系的,相对论则 认为有物质才有空间和时间,空间和时间与物质的运 动状态有关. 我们生活在低速运动的世界里,因此自然而然地 接受了经典的时空观,过去谁都没有意识到时间与空 间的性质,只有当新的实验事实引出的结论与传统观 念不一致时,人们才回过头来认真思考过去对于空间 和时间的认识.
m m0 v 1 c
2
m为运动质量
m0为静止质量
相对论质量 微观粒子的速度很高,它的质量明显的大 于静止质量.在研究制造回旋加速器时必须考虑 相对论效应的影响.
1988年,中国第
一座高能粒子加速 器——北京正负电 子对撞机首次对撞 成功
质能方程
物体的能量和质量之间存在着某种联系:
E mc2
质能方程
具体推导过程如下:
Ek E E0
E mc
2
Ek
m0 c 2 v 1 c
2
2
m0 c 2
E0 m0 c 2
v 1 c
v 1 c 1v 1 2c
2
2
1 v m0 c 2 m0 c 2 m0 c 2 2 c Ek 2 1v 1 2c