醫(yī)用物理學(xué)06相對(duì)論基礎(chǔ)

第六章相對(duì)論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目的：掌握狹義相對(duì)論的基本假設(shè)、狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。學(xué)習(xí)狹義相對(duì)性的正確態(tài)度：以事實(shí)為依據(jù)超越自我認(rèn)識(shí)的局限—牛頓相對(duì)性原理。自覺(jué)擺脫經(jīng)驗(yàn)的束縛—狹義相對(duì)性原理。學(xué)習(xí)狹義相對(duì)性的方法：1編輯ppt第六章相對(duì)論基礎(chǔ)力學(xué)熱力學(xué)分子運(yùn)動(dòng)論電磁學(xué)光學(xué)物理學(xué)大廈1895牛頓2編輯ppt第六章相對(duì)論基礎(chǔ)進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開(kāi)始深入到了微觀、高速領(lǐng)域。高速光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速微觀如原子、電子、粒子空間尺度3編輯ppt第六章相對(duì)論基礎(chǔ)進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開(kāi)始深入到了微觀、高速領(lǐng)域。1895，倫琴：發(fā)現(xiàn)x射線1896，貝克勒爾：發(fā)現(xiàn)放射性1896，塞曼：發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)使光譜線分裂1897，J.J.湯姆生：發(fā)現(xiàn)電子1898，盧瑟福：發(fā)現(xiàn)射線牛頓力學(xué)對(duì)這些現(xiàn)象不適用。4編輯ppt§6－1伽利略變換一、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理二、伽利略變換5編輯ppt一、絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理內(nèi)容：時(shí)間和空間是分離的，質(zhì)量和能量也是分離的，與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有關(guān)系。絕對(duì)的空間，就其本性而言，永遠(yuǎn)保持不變和不動(dòng)，且與外界任何事物無(wú)關(guān)。絕對(duì)的、真正的數(shù)學(xué)時(shí)間，出于其本性而自行均勻地流逝著，與任何外在的情況無(wú)關(guān)。1、絕對(duì)時(shí)空觀6編輯ppt一、絕對(duì)時(shí)空觀和相對(duì)性原理內(nèi)容：

一個(gè)對(duì)于慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的其他參考系，其內(nèi)部發(fā)生的一切力學(xué)過(guò)程，不受系統(tǒng)作為整體的勻速直線運(yùn)動(dòng)的影響。力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中都是相同的，因此所有慣性系都是平權(quán)的、等價(jià)的。（有相同的數(shù)學(xué)形式）現(xiàn)象：如F=ma在不同的慣性系中，形式不變。2、相對(duì)性原理7編輯ppt二、伽利略變換1、兩直角坐標(biāo)系相互平行；S′沒(méi)x軸正方向以速度u運(yùn)動(dòng)。x和x′軸重疊；8編輯ppt二、伽利略變換當(dāng)S系中的一事件于t時(shí)刻在點(diǎn)P(x,y,z)處發(fā)生時(shí)，在S’系中觀察到該事件的位置和時(shí)間為：當(dāng)兩者的時(shí)鐘，O和重合。2、坐標(biāo)變換9編輯ppt二、伽利略變換3、速度和加速度變換對(duì)伽利略變換中前三式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得(1)F=ma形式相同;(2)F、m、a相同;(3)動(dòng)力學(xué)定律其他形式不變。10編輯ppt§6－2洛倫茲變換一、邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)二、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)三、洛倫茲變換11編輯ppt一、邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)12編輯ppt一、邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)先讓光沿地球運(yùn)動(dòng)方向傳播，觀察干涉條紋。然后將干涉儀旋轉(zhuǎn)90，這時(shí)理論上應(yīng)該觀察到干涉條紋的移動(dòng)。1、實(shí)驗(yàn)演示13編輯ppt一、邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)光波長(zhǎng)為

，地球相對(duì)于以太的速度u。根據(jù)以太假說(shuō)，計(jì)算出干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目為2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可是：實(shí)驗(yàn)結(jié)果ΔN＝0。1）：地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)并不存在。表明3）：與伽利略變換和絕對(duì)時(shí)空觀相矛盾2）：作為絕對(duì)參考系的以太并不存在。14編輯ppt一、邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)3、成為愛(ài)因斯坦相對(duì)論的重要支柱愛(ài)因斯坦揚(yáng)棄了以太假說(shuō)和絕對(duì)參考系的想法，在前人各種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，另辟蹊徑，提出了下狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)。15編輯ppt二、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)。1、狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理：在所有慣性系中，物理定律的表達(dá)形式都相同。2、光速不變?cè)恚涸谒袘T性系中，真空中的光速具有相同的量值c否定了伽利略變換，否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。選擇：洛倫茲變換。16編輯ppt三、洛倫茲變換17編輯ppt三、洛倫茲變換愛(ài)因斯坦把x、y、z、t聯(lián)系在一起稱(chēng)為四維時(shí)空坐標(biāo),認(rèn)為時(shí)空間隔在任何參考系中相等。y’z’zx’xyoo’ut

ps’su1、四維時(shí)空對(duì)于同一質(zhì)點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)慣性系中的時(shí)空坐標(biāo)的變換關(guān)系為：（洛侖茲變換）

18編輯ppt三、洛倫茲變換2、洛倫茲變換公式19編輯ppt三、洛倫茲變換3、洛倫茲變換和伽利略變換當(dāng)時(shí)，20編輯ppt三、洛倫茲變換4、洛倫茲逆變換洛侖茲正變換洛侖茲逆變換21編輯ppt三、洛倫茲變換5、洛倫茲速度變換和逆變換正變換逆變換22編輯ppt例5

例：設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向拋出一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c。

問(wèn)：從地面上看，物體速度多大？

解：選地面為S系，飛船為S’系。則V＝0.80c，ux’=0.90c23編輯ppt§6－3狹義相對(duì)論的時(shí)空觀一、時(shí)間膨脹二、洛倫茲收縮三、同時(shí)性的相對(duì)性四、因果律和信號(hào)速度24編輯ppt一、時(shí)間膨脹兩事件發(fā)生在S′系中的同一地點(diǎn)x′，時(shí)間分別為t1′和t2′。其時(shí)間間隔為S系測(cè)得的時(shí)間：t1和t225編輯ppt二、洛倫茲收縮尺相對(duì)S′系靜止固有長(zhǎng)度：S系測(cè)得尺的長(zhǎng)度：26編輯ppt例6解：例.一長(zhǎng)為1米的棒，相對(duì)于S′系靜止并與x′

軸夾′=

45o角。問(wèn)：在S系的觀察者來(lái)看，此棒的長(zhǎng)度以及它與x軸的夾角為多少？已知27編輯ppt三、同時(shí)性的相對(duì)性設(shè)在S系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生了兩個(gè)事件，其時(shí)空分別為(x1,t1)和(x2,t2)，在S系中的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔為則在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的S’系中，這兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間為：28編輯ppt三、同時(shí)性的相對(duì)性討論：

當(dāng)時(shí)，

當(dāng)時(shí)，

當(dāng)S系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在S’系中就不一定同時(shí)，這就是同時(shí)性的相對(duì)性。同時(shí)的相對(duì)性否定了各個(gè)慣性系具有統(tǒng)一時(shí)間的結(jié)論否定了牛頓的時(shí)空觀。29編輯ppt四、因果律和信號(hào)速度在慣性系S中，在t1時(shí)刻有一事件P發(fā)生在x1處，引起事件Q在t2時(shí)刻發(fā)生在x2處，也就是說(shuō)事件P(x1,t1)引起事件Q(x2,t2)，它們之間有因果關(guān)系，信息從x1處傳到x2處的速度為在S’系中如，則時(shí)間順序?qū)⒏淖儭?0編輯ppt§6－4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)一、動(dòng)量和質(zhì)量二、力和動(dòng)能三、質(zhì)能關(guān)系31編輯ppt一、動(dòng)量和質(zhì)量動(dòng)量定義不變：在相對(duì)論中，動(dòng)量的定義m改變：質(zhì)量m已不是原來(lái)的意義上的質(zhì)量了，而是相對(duì)論中的質(zhì)量質(zhì)速關(guān)系m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量32編輯ppt一、動(dòng)量和質(zhì)量就是經(jīng)典力學(xué)中的情況。討論質(zhì)量急劇增大。意味著越難加速，這就是任何物體都不可能超過(guò)光速的原因。則動(dòng)量的表達(dá)式為：33編輯ppt二、力和動(dòng)能34編輯ppt三、質(zhì)能關(guān)系這就是著名的質(zhì)能方程在左式中是一個(gè)恒量，稱(chēng)為靜能量。用E0表示，即因此，式中的在數(shù)值上就等于，我們用E表示。35編輯ppt例7解：例.

μ子自發(fā)衰變的平均壽命為2.15×10-6s。假設(shè)來(lái)自太空的宇宙射線，在離地面6000m的高空所產(chǎn)生的μ子，以相對(duì)于地球0.995c的速率垂直向地面飛來(lái)，試問(wèn)：1）在地面上看來(lái)，μ子的平均壽命應(yīng)為多少？2）它能否在衰變前到達(dá)地面？=2.15×10-5ss=u