11 相对论2
11 相对论简介PPT课件
据伽利略变换，可得到经典时空观
牛顿力学
同时的绝对性 时间的测量 长度的测量源自与惯性系无关相对论
-----牛顿力学的绝对时空观 速度与惯性系有关
02.12.2020
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三、伽利略相对性原理
伽 利 略
x x ut y y
v x v x u v y v y
变 z z 换 t t
02.12.2020
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§11-2 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换
一、狭义相对论的基本原理
牛顿力学的困难
19世纪,一些人认为电磁波和机械波一样,是在某一种媒 质中传播的,该媒质被称为“以太”.认为以太是绝对静止的, 并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极大的弹性模量,但又 不产生任何阻力等一些特性。
z'
02.12.2020
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2.伽利略速度变换
v、v '分别表示质点在 S 和 S′坐标系中的速度
v ' d r d(r ut) vu
d t
dt
即 vK vKu 伽利略速度变换
在直角坐标系中写成分量形式：
02.12.2020
vx' vx u
v
' y
vy
v
' z
vz
P
vK vK
o'
v
x x'
实验证实，对于高速运动的 z 物体，上面的变换式失效。
z'
02.12.2020
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3.伽利略加速度变换
设S’系相对于S系以速度 u 作匀加速直线运动,
加速度 a0 沿x方向。
11 狭义相对论的动量与能量
电子的动量： P mv
m0 1 v c
2 2
v
9.11 1031 1 (0.99)
2
0.99 3 108 1.92 10 21 kg m s .
（2）电子的经典力学的动能： Ek
1 m0 2 2 m0 v 2 ，相对论动能： E c 2 m0c 2 ， k mc m0c 2 2 2 1 v c 1 m0 v 2 2 1 c 2 m0c 2 2 1 1 v2 c 2 (0.99) 2 1 1 (0.99) 2
5. 已知电子的初动能： Ek 0 0 ，外力对电子做功等于电子动能的增加： W Ek Ek 0 Ek mc mec ，
外力需做功： W mc 2 mec 2
me 1 v2 c 2
c 2 me c 2 me c 2 (
1 1 1) 0.25mec 2 mec 2 . 0.8 4 m0 1 v2 c 2 v 3P0 ，
Ek 27 ， 其中质子的静止质量： m0 1.67 10 kg ！ 2 c
2 m ， Ek 104 MeV 的质子在场强为 1T 的匀强磁场中回旋周期： qB
T
2 Ek 2 104 106 1.6 1019 27 (m0 2 ) [ 1 . 67 10 ] 7.64 10 7 s . 19 8 2 eB c 1.6 10 1 (3 10 ) m0 v m0
1) ，
电子的动能： Ek E0 (
1 1 v c
2 2
1) 0.51MeV ( m0
1 1) 0.34MeV . 0.6
2
本题选（C）
4. 在狭义相对论中，质量 m 与速度 v 的关系： m
爱因斯坦的广义相对论为何如此重要
爱因斯坦的广义相对论为何如此重要关键信息项：1、广义相对论的核心概念2、广义相对论对物理学的影响3、广义相对论在天文学中的应用4、广义相对论与现代科技的关系11 广义相对论的核心概念广义相对论是爱因斯坦于 1915 年提出的一种描述引力的理论。
其核心概念是时空的弯曲。
爱因斯坦认为，物质和能量会使时空发生弯曲，而物体在弯曲的时空中沿着测地线运动，这就表现为引力现象。
111 等效原理等效原理是广义相对论的重要基石之一。
它指出，在局部范围内，引力和加速度是等效的。
这意味着，一个在引力场中自由下落的观察者无法察觉到引力的存在，就如同在没有引力的情况下做加速运动一样。
112 时空弯曲时空不再是绝对的、平坦的，而是可以被物质和能量所弯曲。
大质量的天体如恒星和星系会使周围的时空产生显著的弯曲，从而影响物体的运动轨迹。
12 广义相对论对物理学的影响广义相对论极大地改变了人们对物理学的理解，对物理学的多个领域产生了深远的影响。
121 统一了引力与几何广义相对论将引力现象解释为时空的几何性质，实现了引力与几何的统一，为物理学的发展提供了新的视角和方法。
122 推动了理论物理学的发展广义相对论激发了物理学家对其他基本相互作用的研究，促进了量子引力理论等前沿领域的探索。
123 对相对论天体物理学的影响为研究黑洞、引力波、宇宙大爆炸等天体物理现象提供了理论基础。
13 广义相对论在天文学中的应用广义相对论在天文学领域有着广泛的应用，帮助我们更好地理解宇宙中的各种现象。
131 黑洞的研究根据广义相对论的理论预测，存在一种极度弯曲时空的天体——黑洞。
黑洞的存在和特性可以通过广义相对论进行描述和研究。
132 引力透镜效应当光线经过大质量天体附近时，会发生弯曲，产生引力透镜效应。
这一现象可以用于探测遥远天体和研究宇宙的物质分布。
133 宇宙的演化广义相对论为宇宙大爆炸理论和宇宙的加速膨胀提供了重要的理论支持。
14 广义相对论与现代科技的关系广义相对论不仅在理论研究中具有重要意义，也与现代科技的发展密切相关。
人教版高二历史必修三第11课 物理学的重大进展 学案(带答案)
第11课物理学的重大进展学案一、学习目标1、了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位；2、知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立；相对论的提出；量子论的诞生。
难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。
二、预习自学三、合作探究1．伽利略的贡献和牛顿的成就有何内在联系？2．经典力学的主要内容有哪些？其创立的标志是什么？在近代自然科学发展中的历史地位如何？3．相对论的主要内容有哪些？相对论和量子论的创立有何重要意义？4．（1）近代科学诞生的历史背景是什么？（2）为什么说量子理论和相对论是现代物理学的两大支柱？四、检测反馈知识点1 经典力学1．伽利略被称为“天上的哥伦布”，这是因为他A．发现了落体定律 B．为经典力学奠定了基础C．在天文学方面的重大贡献 D．注重实践和实验2．经典力学成熟的标志是A．惯性定律的发现B．作用和反作用等定律的发现C．《自然哲学的数学原理》一书的出版D．万有引力定律的发现3．下列人物属于经典力学创立者的是A．伽利略B．牛顿C．爱因斯坦D．普朗克知识点2 相对论的创立4. 他常说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。
”当大多数物理学家沿着牛顿的道路继续前行时，他却走上了一条创新之路，最终对牛顿的力学体系和绝对时空观进行了根本性的变革。
他是A．牛顿B．达尔文C．法拉第D．爱因斯坦5．中新社台北2005年4月19日电：世界第一高楼台北101大楼十九日晚七时许，呼应“物理照亮世界”的活动，点亮灯光，凸现“E=mc2”，纪念伟大的科学家爱因斯坦发表相对论一百周年。
相对论提出的历史意义有①是物理学思想的一次重大革命②否定了经典力学的绝对时空论③深刻地揭示了时间和空间的本质属性④树立了新的时空观、运动观、物质观A．①②③B．①②③④C．①③④D．①②④6．不属于狭义相对论内容的是A．尺缩效应 B．空间和时间不可能离开物质而独立存在C．钟慢效应D．物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加知识点3 量子论的诞生与发展7．人类对客观规律的认识开始从宏观世界深入到微观世界的标志是A．量子力学 B.广义相对论C．经典力学 D.狭义相对论8．利用量子理论成功地解释了光电效应现象及光的本质，进一步推动量子理论发展的是A．牛顿 B．普朗克 C．波尔D．爱因斯坦9．有关量子理论，下列有关描述不正确的是A．与相对论一起构成了现代物理学的基础 B．改变着人们的生活C．引发了现代科学技术的突破性进展 D．是由普朗克完成的★10．伽利略指出：“科学的真理不应在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找，而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。
大学物理：第11章-相对论1-洛伦兹时空变换和速度合成
力学定律：F ma 推论：a在所有惯性系中保持不变 数学上：伽利略变换
1 伽利略变换：
正变换
x' x ut y' y z' z t' t
逆变换
x x'ut' y y' z z'
t t'
y S y' S'
1905年，爱因斯坦发表了具有划时代意义的论文 《论动体的电动力学》，提出了爱因斯坦相对性原理 和光速不变原理，作为狭义相对论的两条基本假设。
1、伽利略变换的困难
1).电磁场方程组不服从伽利略变换 伽利略变换需要修正？
电磁学基本规律不遵从相对性原理？ 修正电磁学
2). 伽利略修正导致一些实验无法观测的新现象 伽利略变换不适于光或电磁波的运动（高速运动）。
az az
在两个惯性系中
a a
2、伽利略变换与绝对时空概念
t t' 得： t t'
即：在S系和S’系中的观察者对任意两事件之间的时 间间隔进行测量，测量结果与参照系无关。
在牛顿力学中，时间是绝对的。
同一根棒在不同参考系中的长度：
L x2 x1
L' x'2 x'1
由伽利略变换得: x2 x1 x于力学定理
速度与参考系有关，相对的
狭义相对 光速， 是绝对的 论力学 时间测量 长度测量 与参考系有关，相对的 质量测量
惯性系等价适用于一切物理定理
2、洛伦兹变换：
相对论的基本原理出发，推导洛仑兹变换 为简明扼要，只考虑沿x方向有相对运动
(1) 时空均匀性，线性变换，一次方程
洛伦兹变换
11 – 2
洛伦兹变换
第十一章 狭义相对论
相对论速度正变换式
说明
当 S 系观察者测得光 信号速度为c时，S测得
ux v u x v 1 2 ux c 2 uy v u y 1 2 v c 1 2 ux c 2 uz v u 1 2 z v c 1 2 ux c
S S
11 – 2
洛伦兹变换
第十一章 狭义相对论
例1 在惯性系 S 中，有两个事件同时发生在 x 轴 上相距 1000m 的两点，而在另一惯性系 S（沿 x 轴方 向相对于 S 系运动）中测得这两个系事件发生的地点 相距 2000m。求在 系中测得这两个事件的时间间隔 . 解： 已知 t 0 x 1000 m 正 变 换
v
( x, y, z, t ) y y ' P ( x' , y ' , z ' , t ' ) S S
z
o
z'
o'
x' x
v c
1 1
2Hale Waihona Puke 11 – 2洛伦兹变换
第十一章 狭义相对论
正 变 换
x' ( x vt ) y' y z' z v t ' (t 2 x) c
二
洛伦兹变换
第十一章 狭义相对论
洛伦兹速度变换
洛伦兹坐标正变换式
x x vt y y z z v t t 2 c
dx dx vdt dy dy dz dz
v dt dt 2 dx x c dx v ux v d x d t u x dt 1 v dx 1 v u 2 x 2 c c dt
大学物理 电磁场的相对论性变换
板内：
V
S系的电场分布： 板面很大 电荷均匀分布
O 板两侧为对称的均匀电场
板的运动 空间对称性部分破坏 场强不再与板面垂直
假设：
高斯定理 同理 （2）纵向电场变换：
一般结论：若S系相对S‘系以-V（或V）沿X轴反方 向（或正方向）运动，则
静止电荷的 电场分布
运动电荷的 电场分布
运动电荷对静止 电荷的作用力
11-7电磁场的相对论性变换
一 电场强度的洛伦仑兹变换
1、电荷的相对论不变性
氢分子 氦原子
运动状态的不同 电中性
同位素光谱
Байду номын сангаас
电荷的相对论不变性 在不同的参照系内，同一带电粒子的电量不变。
问题：如何求一个运动电荷的电场强度及对其 它电荷的作用？
2 电场强度的洛伦仑兹变换
Y
Y`
S
S`
关系？
x x’
（1）横向电场 静系S’: 板外：
O 相对论的速度变换式
的受力
电场力
磁场力 磁感应强度
说明了电场和磁场的相对性及电磁场的统一性
三 电场和磁场的洛伦仑兹变换 系：
S系： O （ ， 在 系中静止）
例：计算匀速运动的点电荷的电场。 为讨论方便，设一个点电荷 静 止地置于 系的原点 ，且 时刻S系的原点O与 层迭，则
q
洛伦仑兹变换，
时刻，有
结论：在S系中的观测者O看来， 运动电荷的电场仍沿以点电荷的瞬时 位置为起点的矢径方向，只是该电场 相对于O已不再是球对称的了。
q
二 电场力的洛伦仑兹变换 相对论力的变换式：
大学物理：第11章-相对论3-时空和因果律
从闵可夫斯基图上的光的轨迹可以建立光锥的概念。对于闵可夫 斯基时空中的任一事件，都对应有时空中的一组点的集合能够通 过光的轨迹（在闵可夫斯基时空中是直线）与之联系，这组点的 集合被称作光锥。在通常的二维空间和一维时间表示中光锥由两 个对称的圆锥体组成，它的特性是具有洛伦兹不变性。两个对称 的圆锥分别代表了当前事件的过去和未来： 由于光锥本身具有洛伦兹不变性，事件之间的间隔属于类时还是 类空的也与观察者所在的参考系无关。其中对于类空间隔的事件， 由于两者没有因果联系，不能认为它们也具有经典力学中描述的 所谓同时性，即无法认为任何类空间隔的两个事件是同时的。 光锥的概念同样可以扩展到广义相对论中，这时的光锥可以定义 为一个事件的因果未来和因果过去的边界，并包含了这个时空中 的因果结构信息。构成光锥的仍然是这个时空中光的世界线，此 时对应的时空图是彭罗斯-卡特图。由于在广义相对论中时空可以 是弯曲的，光锥也有可能是收缩或倾斜的。
信号（见证人，媒介），
在 t1,t '1 时刻到 t2,t '2 时
刻，从x1传递到x2
A是B的因B是A的果
S S' u
AB
在S系中： A(x1,0,0,t1) B(x2,0,0,t2) 在S’系中： A(x1’,0,0,t1’) B(x2’,0,0,t2’)
设S系中信号速度
vs
x2 t2
x1 t1
重新理解罗伦兹变换： 四维空间变换，同一个东西，不同的角度，描述不同
举例：三维空间的近看和远看，视觉宽度和深度的混合和转化
四维空间：空间度量和时间度量的混合及转化
均匀的四维空间，洛仑兹时空变换，微过程（占有 空间并延续了某一段时间）的所占有的体密度不变
y
二维空间坐标，
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E dl
l S
equations）
B dS t
D dS q0
S
D l H dl I 0 S t dS B dS 0
S
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation
一、矛盾与机遇
1、麦克斯韦方程组不具备伽利略变换不变性
麦克斯韦方程组在伽利略变换下，对不同的惯 性系具有不同的形式。 a) 若伽利略变换正确，麦克斯韦方程组就必须修正; b) 若麦克斯韦方程组正确，则伽利略变换就必须修正. 以太理论的提出 人们在研究机械波（例如声波）的传播过程，发现机械波 的传播必须有弹性媒质。当时的物理学家认为可以用这个框架 来解释一切波动现象。
z 2 z1 z 2 z1
r r
无论从哪个惯性系进行观测两点间的距离都相同
3、经典力学的绝对时空观 时间具有绝对性，空间具有绝对性， 时间和空间是彼此分离不相关的
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
一、矛盾与机遇
2、光速问题
狭义相对论建立以前，人们认为任何速度的叠加都满足 伽里略变换。但在光速领域里却碰到了困难。 以太就是绝对空间。以太中电磁波沿各方向传播的速度 都等于恒量 c 。但在相对以太运动的惯性系中，按伽利略变 换，电磁波沿各方向传播的速度并不等于恒量 c ，如下图中 相对于光源运动的小车上所测得的光速。
第十四章 相对论
理学院物理系 王 强
大学物理
2、实际观测 t 时刻在P点发 生任一事件 S系: ( x, y , z , t )
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 '
Galilean Transformation
y
y
v
o
Z S系
o'
P x , y , z , t
( x, y , z , t )
2015年6月3日星期三
麦克斯韦
James Clerk Maxwell 1831--1879
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2ple of Special Relativity and Lorentz Transformation
一、矛盾与机遇
因果关系
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
一、矛盾与机遇
1865 年麦克斯韦在总结前 人工作的基础上，提出完整的电 磁场理论。 在1999年，英国广播公司 （BBC）所评选出的1000年来最 伟大的10位思想家中麦克斯韦与 马克思、爱因斯坦、牛顿等人一 起榜上有名，他排名第九。后由 英国杂志《物理世界》在100位著 名物理学家中选出的10位最伟大 者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和 牛顿排名第三。
Galilean Transformation
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
Galilean Transformation
一、力学的相对性原理
在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动 所遵循的力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学 表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。 在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯性 系是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确切知道某 一惯性系本身是否“绝对静止”，则用任何力学实验都 不可能办到。
质量与运动无关
m m
牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能 守恒定律等）在伽利略变换下形式不变。
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
Galilean Transformation
四、经典力学的时空观
1、事件所经历的时间与参照系的选择无关
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation
1731年，英国的一位天文爱 好者比维斯发现:
星云的形状有点像螃蟹被取 名为蟹状星云(Crab Nebula)
1920年，推算其膨胀开始时刻 应在860年前—公元1060年左右。
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
Galilean Transformation
结论：
自不同的惯性系，所观测到的同一质点 运动的加速度是相同的，即物体的加速度具 有伽利略变换下的不变性。
三、牛顿定律具有伽利略变换不变性 惯性系 S F , m , a , F m a 惯性系 S F , m, a , F m a 在牛顿力学中 力与参考系无关 F F
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
Galilean Transformation
3、速度变换与加速度变换
两个都是惯性系，
x x vt y y z z t t x x vt y y z z t t
v是恒量 u x ux v uy u y
u z uz u x u x v u y uy u z u z
a x ax a y ay a z az a x a x a y a y
在两个不同的惯性系中
2015年6月3日星期三
a a
a z a z
第十四章 相对论
理学院物理系 王 强
一、矛盾与机遇
1、麦克斯韦方程组不具备伽利略变换不变性
麦克斯韦方程组在伽利略变换下，对不同的惯 性系具有不同的形式。 a) 若伽利略变换正确，麦克斯韦方程组就必须修正; b) 若麦克斯韦方程组正确，则伽利略变换就必须修正. 以太理论的提出 以太假说的主要内容是：以太是传播包括光波在内的
电磁波的弹性媒质，它充満整个宇宙空间。以太中带电粒子 振动会引起以太变形，这种变形以弹性波的形式传播，这就 是电磁波。
Galilean Transformation
“宇宙系统的中心是不动的”；„ “绝对空间是这样的，按照其本身的性质 与无论什么样的其他任何事物无关，永远 保持静止„”；“绝对时间是这样的，按 其本身的性质与别的任何事物无关，平静 地流逝着。” ---牛顿《自然哲学之数学原理》
2015年6月3日星期三
Galilean Transformation
一、力学的相对性原理
伽利略封闭船舱里的力学实验
不能区分船是静止还是匀速直线运动
Galileo Galilei
1564—1642
在一切惯性系中力学规律相同
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
大学物理
§4-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
并且认为以太就是人们一直在寻找的绝对静止参考系， 只有在这个参考系中光速才是与方向无关的恒量。
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation
1056
《宋会要》记载：“嘉佑元年三月，司天监言， 客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东 方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白， 凡见二十三日。 ” 1054
由于地球自西向东转，因此无论如何，光相对 于地球的传播速度不会是向各方向都相同的. u u
v c u
2015年6月3日星期三
v c u
第十四章 相对论
理学院物理系 王 强
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation
t1 t t 2 t1 , t t 2
, t2 t2 , t1 t1
t t
无论从哪个惯性系进行观测事件所经历的时间间隔都相同
2、空间两点间的距离与参照系的选择无关 x1 x 2 x1 x 2 y1 y 2 y1 y 2
力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有 惯性系都是等价的。
-----------力学的相对性原理
2015年6月3日星期三
理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
大学物理
§14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观 Galilean Transformation
Galilean Transformation
Principle of Special Relativity
洛伦兹变换式
Lorentz Transformation
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理学院物理系 王 强
第十四章 相对论
§14-2, 3 狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换式
Principle of Special Relativity and Lorentz Transformation