高中物理 第五章 經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性 2 了解相對論課件 教科版必修2

1.1.慣性參考系：慣性參考系： 凡是牛頓定律成立的參考系，稱為慣性參考系，凡是牛頓定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系。簡稱慣性系。2.2.伽利略相對性原理伽利略相對性原理 對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的。對于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的。3.3.經(jīng)典時空觀（絕對時空觀）經(jīng)典時空觀（絕對時空觀）時間和空間彼此獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，且不受物質(zhì)時間和空間彼此獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，且不受物質(zhì)或運(yùn)動的影響。或運(yùn)動的影響。4.4.經(jīng)典力學(xué)的幾個基本結(jié)論經(jīng)典力學(xué)的幾個基本結(jié)論 同時的絕對性同時的絕對性 時間間隔的絕對性時間間隔的絕對性 空間距離的絕對性空間距離的絕對性 不同的參考系中觀察物體的運(yùn)動情況可能不同，不同的參考系中觀察物體的運(yùn)動情況可能不同，物體在空間移動這一概念也是相對的物體在空間移動這一概念也是相對的在不同參在不同參考系中觀考系中觀察物體的察物體的運(yùn)動情況運(yùn)動情況5.5.經(jīng)典時空觀的困惑經(jīng)典時空觀的困惑當(dāng)火車未動乘客行走當(dāng)火車未動乘客行走, 觀察者認(rèn)為乘客的速觀察者認(rèn)為乘客的速度為度為V2V1當(dāng)火車以當(dāng)火車以V1運(yùn)動運(yùn)動, 乘客乘客行走行走, 觀察者認(rèn)為乘客觀察者認(rèn)為乘客的速度為的速度為V2+ V1 光速恒定的特性，同運(yùn)動的相對性原理之間光速恒定的特性，同運(yùn)動的相對性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？似乎產(chǎn)生了矛盾？ 但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是恒定的者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是恒定的v v光速光速 c光速光速vc經(jīng)典時空觀認(rèn)為經(jīng)典時空觀認(rèn)為 19 19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認(rèn)識到了光世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認(rèn)識到了光的電磁本質(zhì)我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，的電磁本質(zhì)我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn)的出現(xiàn). . 相對論不僅給出了物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，而且改變相對論不僅給出了物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對于時間和空間的認(rèn)識，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史了我們對于時間和空間的認(rèn)識，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上上, ,樹立了一座重要的里程碑樹立了一座重要的里程碑狹義相對論的兩個假設(shè)狹義相對論的兩個假設(shè) 上述的矛盾使我們面臨兩個選擇，要么放棄麥克斯韋的電磁理上述的矛盾使我們面臨兩個選擇，要么放棄麥克斯韋的電磁理論，要么否定特殊參考系的存在愛因斯坦選擇了后者并提出了論，要么否定特殊參考系的存在愛因斯坦選擇了后者并提出了兩個假設(shè)：兩個假設(shè)： 在不同的慣性參考系中，一在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的切物理規(guī)律都是相同的 真空中的光速在不同的慣性真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的參考系中都是相同的 “同時同時”的相對性的相對性運(yùn)動的時鐘變慢運(yùn)動的時鐘變慢運(yùn)動的尺子縮短運(yùn)動的尺子縮短物體質(zhì)量隨速度的增大而增大物體質(zhì)量隨速度的增大而增大只有高速運(yùn)動時，以上效應(yīng)才明顯。只有高速運(yùn)動時，以上效應(yīng)才明顯。1.1.同時的相對性同時的相對性2.2.運(yùn)動的時鐘會變慢運(yùn)動的時鐘會變慢3:003:003:004:004:003:40時鐘相對于觀察者靜止時走得快，相對于觀察者時鐘相對于觀察者靜止時走得快，相對于觀察者運(yùn)動時，觀察者會看到它變慢了，運(yùn)動速度越快，效運(yùn)動時，觀察者會看到它變慢了，運(yùn)動速度越快，效果越明顯，即運(yùn)動著的時鐘要變慢。果越明顯，即運(yùn)動著的時鐘要變慢。MAv對于車廂內(nèi)的人：對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：對于車廂外的人：cht22224vcht21cvttvMvMBvMAct2vt2hh3.3.運(yùn)動的長度會收縮運(yùn)動的長度會收縮v一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大。相對于觀察者運(yùn)動時，觀察者在運(yùn)動方向上觀最大。相對于觀察者運(yùn)動時，觀察者在運(yùn)動方向上觀測，它的長度縮短，速度越快，縮得越短。即運(yùn)動的測，它的長度縮短，速度越快，縮得越短。即運(yùn)動的尺子要縮短。尺子要縮短。車廂運(yùn)行速度車廂運(yùn)行速度240000km/s240000km/s車上的人看到的車廂的長度：車上的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：ll21cvllvl lL L4.物體質(zhì)量隨速度的增加而增大物體質(zhì)量隨速度的增加而增大時空相對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時空相對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1966年用年用子作了一個類似于雙生子旅游的實(shí)驗(yàn)，讓子作了一個類似于雙生子旅游的實(shí)驗(yàn)，讓子沿一直徑為子沿一直徑為14米的圓環(huán)運(yùn)動再回到出發(fā)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)米的圓環(huán)運(yùn)動再回到出發(fā)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)動的果表明運(yùn)動的子的確比靜止的子的確比靜止的子壽命更長。子壽命更長。 19711971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好這是相對論的第一次宏觀驗(yàn)證言符合的很好這是相對論的第一次宏觀驗(yàn)證1-7512 5.質(zhì)量關(guān)系：E=mc2 ，E= mc2 6.任何物體的速度不能超過光速。 在一般情況下vc，不考慮相對論效應(yīng)，可以認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是相對論力學(xué)在低速情況下的近似 了解廣義相對論。了解廣義相對論。1-7513相對論簡介 19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認(rèn)識到了光的電磁本質(zhì)我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn) 相對論不僅給出了物體在高速運(yùn)動時所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對于時間和空間的認(rèn)識，它的建立在物理學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展史上樹立了一座重要的里程碑1-7514 如果在一個參考系中牛頓定律能夠成立，這個參考系稱作慣性參考系，牛頓運(yùn)動定律不能成立的參考系則是非慣性參考系在不同參考系中觀察物體的運(yùn)動情況非慣性系和慣性系1-7515非慣性系和慣性系 以車廂為參考系，當(dāng)列車加速運(yùn)行時，小球會相對于車廂加速向后運(yùn)動aa光滑表面1-7516非慣性系和慣性系加速運(yùn)動的列車是個非慣性參考系a a為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力maFi光滑表面1-7517非慣性系和慣性系牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式maFimaF “”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反注意不要混淆1-7518非慣性系和慣性系以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘坐電梯的人除了受到重力的作用，還受到一個向下的慣性力，重力和慣性力的合力使人感受到了超重aamaG1-751921世紀(jì)，人類在空間站中長期生活，為了克服失重帶來的不利影響，可以將空間站設(shè)計成一個大轉(zhuǎn)輪，繞軸自轉(zhuǎn)，其上各點(diǎn)都有一個指向轉(zhuǎn)動軸的向心加速度，因此，以空間站為參考系，與它一起旋轉(zhuǎn)的物體都受到一個背離轉(zhuǎn)動軸的慣性力，這就是所謂的人造重力非慣性系和慣性系1-7520慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量地面靜止加速飛行a引力和慣性力都可以使物體加速下落引力質(zhì)量慣性質(zhì)量1-7521廣義相對論簡介牛頓第二定律的表達(dá)式慣性力的定義式maFimaF “”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反注意不要混淆 “m”應(yīng)該叫做慣性質(zhì)量1-7522慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量 事實(shí)上，到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究都沒有找事實(shí)上，到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究都沒有找到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的差別，這向我們提示：到慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的差別，這向我們提示：加速運(yùn)動的參考系和萬有引力，二者之間可能存在某加速運(yùn)動的參考系和萬有引力，二者之間可能存在某種深刻的聯(lián)系種深刻的聯(lián)系1-7523廣義相對論簡介狹義相對論廣義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的 任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的 一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛因斯坦相對性原理廣義相對性原理1-7524 廣義相對論的兩個基本原理可以得出一些意想不到的結(jié)論廣義相對論簡介1-7525廣義相對論簡介 在一個引力可以忽略的宇宙空間有一艘宇宙飛船在做勻加速直線運(yùn)動，船上的觀察者記錄光的徑跡是一條拋物線a半透明屏光源等效原理物體的引力能使光線彎曲 假設(shè)飛船靜止，而在船尾存在一個巨大的物體，在它的引力場作用下，飛船內(nèi)的物理過程受到影響1-7526廣義相對論簡介通常物體的引力場都太弱，20世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測，證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言，這是對相對論的最早證實(shí)1-7527廣義相對論簡介星球的強(qiáng)引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)星體星體無法觀測黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無法直接觀測，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強(qiáng)的引力場，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一1-7528時間間隔與引力場有關(guān)引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)差別 對于高速轉(zhuǎn)動的圓盤，除了轉(zhuǎn)動軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤心 地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對論，靠近邊緣部位的時間進(jìn)程較慢 圓盤上的人認(rèn)為：盤上存在引力場，方向由盤心指向邊緣，引力勢較低，得出：引力勢較低的位置，時間進(jìn)程比較慢1-7529各類星體對比宇宙中有一類恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來偏紅，這個現(xiàn)象叫做引力紅移時間間隔與引力場有關(guān)1-7530引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別 地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大根據(jù)狹義相對論，靠近邊緣部位的桿的長度較短 圓盤上的人認(rèn)為：引力勢較低的位置，桿的長度越短桿的長度與引力場有關(guān)引力勢由高到低變化1-7531桿的長度與引力場有關(guān) 由于物質(zhì)的存在，實(shí)際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：點(diǎn)擊觀看1-7532對于時空觀的認(rèn)識物質(zhì)本身的存在決定時空的性質(zhì)時空性質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動有關(guān)狹義相對論廣義相對論慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)時空觀光速恒定等效原理1-7533廣義相對論與幾何學(xué) 幾何學(xué)反應(yīng)的是人對空間關(guān)系的認(rèn)識有史以來人們只在比較小的空間尺度中接觸比較弱的引力場這種情況下空間的彎曲可以忽略，在此基礎(chǔ)上人類發(fā)展了歐幾里得幾何學(xué)，它反映了平直空間的實(shí)際廣義相對論告訴我們實(shí)際空間是彎曲的，因此描述實(shí)際空間的應(yīng)該是更具有一般意義的非歐幾何 作為非歐幾何的特例，歐幾里得幾何學(xué)在它的適用范圍內(nèi)仍是正確的，還將繼續(xù)發(fā)揮作用同時的絕對性同時的絕對性同時的相對性同時的相對性時間間隔的絕對性時間間隔的絕對性運(yùn)動的時鐘變慢運(yùn)動的時鐘變慢空間距離的絕對性空間距離的絕對性運(yùn)動的尺子變短運(yùn)動的尺子變短質(zhì)量不變質(zhì)量不變質(zhì)量隨速度的增大而增大質(zhì)量隨速度的增大而增大時間和空間彼此獨(dú)立時間和空間彼此獨(dú)立,互不關(guān)聯(lián)，且不受物互不關(guān)聯(lián)，且不受物質(zhì)或運(yùn)動的影響。質(zhì)或運(yùn)動的影響。時間和空間相互關(guān)聯(lián)，質(zhì)時間和空間相互關(guān)聯(lián)，質(zhì)量隨物體的運(yùn)動狀態(tài)的改量隨物體的運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變。變而改變。A、B、C是三個完全相同的時鐘，是三個完全相同的時鐘，A放在地面放在地面上，上， B、C分別放在兩個火箭上，以速度分別放在兩個火箭上，以速度vB和和vC朝同一朝同一方向飛行，方向飛行， vBvC，地面上的觀察者認(rèn)為哪個時鐘走得，地面上的觀察者認(rèn)為哪個時鐘走得最慢？哪個走得最快？最慢？哪個走得最快？以以8km/s的速度運(yùn)行的人造衛(wèi)星上一只完好的的速度運(yùn)行的人造衛(wèi)星上一只完好的手表走過了手表走過了1mim，地面上的人認(rèn)為它走過這，地面上的人認(rèn)為它走過這1mim “實(shí)實(shí)際際”上花了多少時間？上花了多少時間？ 102238113 6 108 10113 10tt.minvc