第一節狹義相對論產生試驗基礎和歷史條件

宏觀低速運動物體，其力學規律在任何慣性系中形式相同。一、力學（牛頓）相對性原理：（或：在研究力學規律時，一切慣性系都是等價。）第1頁

O與O’重合時，tt’zz’yy’utxx’=

=

=

-=二、伽利略變換：P(x,y,z,t)(x’,y’,z’,

t’)uz’utzS正變換：逆變換：t’tz’zy’yutx’+x=

=

=

=第2頁牛頓力學規律在伽利略變換下形式不變。如：動量守恒定律速度變換:第3頁三、經典力課時空觀

時間是絕正確；空間是絕正確。（絕對時空觀）例：有一條河，寬為L，河水對河岸流速為u，今有兩條一樣船A和B，分別沿圖示路線往返一次，已知船A和B對流動河水速率都為v，求船A和B沿圖示路線往返一次各需多少時間。比較它們大小。

LAuLB

A第4頁試驗預計：能觀察到0.37條條紋移動。實際結果：沒有觀察到條紋移動。即邁克爾遜－莫雷試驗零結果。四、邁克爾遜－莫雷試驗（1887年）ba1M2MPPM1=PM2900第5頁第二節狹義相對論基本原理洛侖茲變換一、狹義相對論兩個基本假設：1、相對性原理：物理學定律在任何慣性系中都是相同。

2、光速不變原理：在全部慣性系中，測得光在真空中速率都是C（3×108m/s）。（光在真空中速度與發射體及觀察者運動狀態無關）。絕對靜止參考系是不存在。伽利略變換已不適合用于光學現象。第6頁(xyzt)(x’y’z’t’)二、洛侖茲變換逆變換：正變換：第7頁第8頁討論：回到伽利略變換2.光速是自然界極限速度若不是實物，而是一個形態傳輸速度，那是能夠超出光速。從斯坦福大學兩英里長直線加速器出來電子速率達0.999975c<<1.時第9頁三、洛侖茲速度變換式例：一光子在S’

系中以C運動，則在S系中即滿足光速不變原理ccucuccuc1ucv2x=++=++=第10頁一、長度收縮（尺縮效應）xx′AB第三節狹義相對論時空觀注意：1.L0為相對于被測物靜止慣性系測得物長，叫固有長度。即沿運動方向，物體長度要收縮。第11頁2.

L為相對于被測物運動慣性系測得

物長，叫運動長度。3.

測量運動物體長度，必須對其兩端坐標同時進行測量。例：立方體邊長為a，則體積為a3，若該立方體沿一邊長方向以高速u運動，則體積為多大？4.垂直于運動方向，物體長度不變。相對論笑話第12頁在S’系：x’處固定有一只鐘，測得該處兩個事件（發射、接收光信號）發生時間分別為t1’、t2’。在S系：觀察者測得兩個事件（發射、接收光信號）發生時間分別為t1、t2。由：二、時間延緩（動鐘變慢）第13頁運動鐘走得慢。地面上觀察者火車上觀察者1、

0

是相對于事件發生點靜止慣性系測得時間，叫固有時間。2、

是相對于事件發生點運動慣性系測得時間，叫運動時間。3、時間膨脹公式適用條件：必須是在某一慣性系中同一地點先后發生了兩個事件。注意：第14頁1、在相對于事件發生點靜止慣性系中，觀察兩個事件時間間隔最短。2、時鐘變慢是相對論時空效應，并非機械故障。不能說明哪個時鐘是正確或錯誤。3、u<<c時，

≈

0，日常生活中觀察不出這種效應，并非沒有此效應。說明：第15頁1966---1967年歐洲原子核研究中心（CERN）對粒子進行了研究。粒子是一個基本粒子，在靜止參考系中測得壽命為0=2.210-6秒.1)依牛頓定律：壽命不變2)依相對論：當粒子加速至0.9966C時，壽命為：故漂移距離為:與試驗情況吻合得很好!利用粒子衰變能夠檢驗時間膨脹效應：當其加速到v=0.9966C時,它漂移了八公里.故漂移距離為：第16頁例1：一飛船以u=9×103m/s速率相對于地面勻速飛行。飛船上鐘走了5s,地面上鐘經過了多少時間？思緒：飛船上鐘走了5s（固有時間τ0），地面上鐘經過時間（運動時間τ）要慢一些。221cuτ0τ-=每個人都注意到：相對于自己運動鐘走得慢。第17頁例2：半人馬星座α星是距太陽最近恒星，它距地球,設有一宇宙飛船自地球飛到該星，飛船對地速度u=0.999c，地球上鐘測得多少年？若以飛船上鐘計算，又為多少年？解：1）以地球上鐘計算：（運動時間）第18頁2）解一：以飛船上鐘計算：說明此題與實際不符，全球能量供給飛船，也不可能到達0.999c。飛船若以20km/s飛行，需要6.8萬年。（固有時間）第19頁yxx1x2t1t2u愛因斯坦火車以勻速u經過車站（S系），S系：兩閃電同時（t1=t2)擊中車尾(x1)和車頭(x2)問：S’系（火車）：兩閃電是否同時擊中車尾和車頭？三、同時性相對性第20頁依據洛侖茲變換：可見，在S’系（火車）上觀察，擊中車頭閃電，比擊中車尾閃電要早些。即：同時性是相對于某一慣性系而言，是相正確。第21頁

愛因斯坦火車：A班在S’系中觀察者看來，A和B同時接收到光信號.＝ctA＝ctB即：在S系中觀察者看來，A比B先接收到光信號。AMBSS’u第22頁2、在一個慣性系中不一樣時，也不一樣地發生兩件事，在另一慣性系中倒有可能同時發生。1、在一個慣性系中同時不一樣地發生兩事件，在別慣性系中就不一樣時發生。3、同時同地發生兩事件，在全部慣性系中都同時同地發生。討論：第23頁一、動量、質量和速度關系1、動質量公式：第四節狹義相對論動力學220cu1mm-=1908年，玻歇勒在測定電子荷質比e/m時，發覺高速運動電子荷質比比慢電子荷質比小，從而第一次證實了質速關系。2、動量公式：第24頁天平秤理想試驗：m0m0L0L0v0v0站在地面上人看，與左臂相連人看，設右臂相對于左臂運動速度為u，則與左臂相連人測得右臂長度為：兩邊平衡。兩邊也應平衡。第25頁（4）靜質量不為零物體，其速度必小于C（如多級火箭）；以光速運動粒子（如光子、中微子等），它們靜質量必須為零！可認為質量與速度無關，等于其靜質量。（3）u<<c，m≈m0（1）m：動質量，m0：靜質量。討論：（2）u：物體相對于某一參考系速度。（5）在相對論情況下，牛頓第二定律原始形式：運動物體在恒力作用下，沒有恒定加速度。第26頁二、質量和能量關系由動能定理，物體動能就是使物體從靜止開始運動到速度為v時，合外力所作功.第27頁一個孤立物質系統其內部發生過程總能量守恒，這意味著其總質量（相對論質量）也守恒。

核反應中系統總能量守恒,總質量也守恒。

在粒子碰撞過程中,系統動量守恒，總質量守恒。例：1kg水由0℃被加熱到100℃，總能E靜能E0相對論質能關系式.第28頁如核反應中：反應前：反應后：靜質量m01

總動能EK1靜質量m02

總動能EK2能量守恒：所以：核反應中釋放能量,對應于一定靜質量虧損。總動能增量總靜止質量減小(靜質量虧損)（適用核反應）第29頁例1.試計算氫彈爆炸中核聚變反應之一所釋放出能量，其聚變方程為：各種粒子靜止質量為：氘核：m1=3.3437×10-27kg氚核:m2=5.0049×10-27kg氦核：m3=606425×10-27kg中子:m4=1.6750×10-27kg解：質量虧損為：對應釋放能量為：1kg這種核燃料所釋放能量為：這相當于同質量優質煤燃燒所釋放熱量1千多萬倍！第30頁例2.在S參考系中有兩個靜止質量均為m0粒子