《狹義相對論基礎》PPT課件.ppt

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相對論初步,機械運動,牛頓定律,分子物理,麥克斯韋方程,能量守恒定律,溫度，壓強，氣體內(nèi)能,一切電磁現(xiàn)象,相對論,1900年英國物理學家開爾文在瞻望20世紀物理學的發(fā)展的文章中說到：,也就是說：物理學已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！,但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：,“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?開爾文-,相對論,這兩朵烏云是指什么呢？,熱輻射實驗,邁克爾遜-莫雷實驗,后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。,相對論,普朗克量子力學的誕生,相對論問世,經(jīng)典力學,量子力學,相對論,微觀領域,高速領域,今天來介紹相對論,相對論,相對論有狹義相對論廣義相對論之分：,相對論從根本上改變了舊的經(jīng)典的時空觀，那么，什么是舊的、經(jīng)典的時空觀呢？,1伽利略變換、經(jīng)典力學時空觀力學相對性原理,物理學中將牛頓運動定律所適用的參考系稱為慣性系。相對于某一慣性系作勻速直線運動的一切參考系，牛頓運動定律同樣適用，因而也都是慣性系。這就是說，研究一個力學現(xiàn)象時，不論取哪一個慣性系，對這一現(xiàn)象基本規(guī)律的描述都一樣。這就是經(jīng)典力學的相對性原理，它還可以表述為：一切慣性系都是等價的。,經(jīng)典力學的相對性原理要求：描述力學基本規(guī)律的公式從一個慣性系換算到另一個慣性系時，形式必須保持不變。伽利略變換滿足了這種換算關系。,一、伽利略變換在一個坐標系中的某一事件要用四個坐標x、y、z、t來描述，稱為時空坐標。設S系是慣性參照系，S系相對于S系沿X軸以速度u運動，開始時O和O重合?，F(xiàn)在，在兩個坐標系中描述P點某事件的時空坐標分別為（x，y，z，t）和（x，y，z，t），它們之間滿足如下關系：,u,上面兩組方程分別稱為伽利略變換及其逆變換。伽利略變換的矢量形式為：,二、經(jīng)典力學時空觀棒長為l，靜止放在S系中。分別在S系和S系中測量其長度。S系中測得：,S系中測得：,A,B,由上面結果可見，在伽利略變換下，一切慣性系中測得的長度都是相同的，即空間是絕對的,與參照系無關。設有兩事件P1和P2，S系中的觀察者測得兩事件發(fā)生的時間為t1和t2，S系中的觀察者測得兩事件發(fā)生的時間為t1和t2，由伽利略變換有：,可見在兩個參照系中時間和時間間隔也是相同的，即時間是絕對的，時間間隔也是絕對的，與參照系無關。因此我們得出結論：經(jīng)典力學的時間和空間都是絕對的，它們毫不相關、相互獨立。這樣的時空觀叫絕對時空觀。,三、力學相對性原理,由伽利略變換導出速度變換法則,質點的加速度,即質點的加速度在伽利略變換下是不變量。,S系是慣性系，牛頓第二定律成立，即F=ma在經(jīng)典力學中，m被認為是不變量，與參照系無關，即m=m力F在伽利略變換下也是不變量，即FF而a=a，故有F=ma牛頓第二定律在S系和S系中具有相同的形式，或者說牛頓第二定律在伽利略變換下形式不變。同理，牛頓第一定律和第三定律在所有慣性系中都具有相同的形式，由牛頓定律推導出來的其它力學定律也必然在所有慣性系中都具有相同的形式。即在所有慣性系中力學定律都具有相同的形式，或者說在伽利略變換下形式不變，這一結論稱為力學相對性原理,相對論,一、經(jīng)典時空觀的局限由麥克斯韋的光的電磁波理論知道，光在真空中沿各個方向傳播的速度都等于C=3108m/s。如果光的傳播定律在一個參照系中成立，那么從經(jīng)典的速度變換公式可以看出，在對這個參照系作勻速運動的慣性系里，光的傳播定律就不再成立，沿各個方向的光速就不再相等，而是了。照這樣說來，在所有慣性系里，只有一個參照系光的傳播定律成立，這個參照系可認為是一個“絕對靜止”的參照系。何為“絕對靜止”的參照系？當時人們認為光波是靠“以太”這種媒質傳播的，“以太”必須絕對靜止，這“以太”大概就是“絕對靜止”的參照系。,2邁克爾遜-莫雷實驗,邁克爾遜莫雷實驗,相對論,邁克爾遜莫雷實驗,當時很多科學家都力圖證實這個絕對靜止的參照系，而結果呢？大家費了九牛二虎之力，這種參照系卻沒有找到，卻為相對論的產(chǎn)生提供了實驗基礎。這些實驗都是一些電磁學方面的實驗，其中最出名的是邁克爾遜-莫雷（Amichelson-Morley）實驗。其實驗大致思路是：光對以太的速度為C，地球在以太系中運動，依伽俐略速度變換：地球上測出的光速不是C而是另一值。,測得為：,測得為：,相對論,邁克爾遜莫雷實驗,相對論,邁克爾遜莫雷實驗,邁克爾遜干涉儀是通過干涉的辦法通過干涉條紋的移動來測量光速的。但實驗結果并沒有看到預期的條紋移動。干涉儀是精度很高的儀器，這一結果只能得出光沿任何方向傳播時光速都是一樣的結論。這結果正于人們順風騎自行車與頂風騎自行車時感覺到的風速是相同的一樣。不合人們的邏輯，稱之為實驗的零結果。使人大吃一驚！,因為這意味著經(jīng)典物理學出了問題，意味著絕對時間、絕對空間、伽利略變換等等都是有問題。就像一朵烏云一樣遮住了物理學晴朗的天空。,一部分人感到沮喪，我們頂禮模拜的牛頓定律盡然不靈了，這豈不是科學的毀滅嗎!,“以太”觀點帶來的問題：,承認“以太”，即承認慣性系中，有一個慣性系地位特殊，因而最重要，但從牛頓力學是不可能找到這個慣性系的；,試圖利用光學和電磁學的方法，測量真空中的光速來確定絕對參考系，但實驗結果是否定的；,“以太”觀點有一系列自相矛盾的假設，不易回避。,慣性系優(yōu)越于非慣性系，絕對參考系優(yōu)越于慣性系。尤其是后一優(yōu)越極不自然，又沒有實驗驗證。,“以太”觀點的困難是無法克服的。我們知道，物理學的基本思想是：宇宙應有更簡明的描述方法。,相對論,邁克爾遜莫雷實驗,還有不少解釋.但總有矛盾的地方。這樣一來物理學面臨著一埸危機，對于經(jīng)典物理的大廈，人們想扶起東墻卻倒了西墻，想扶起西墻卻倒了東墻。為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？因為人們受著傳統(tǒng)思想的束縛，仍抱著牛頓的時空觀不放。抱著伽利略坐標變換不放。在這種情況下就看誰能沖破傳統(tǒng)思想的束縛，就能在大量的實驗事實面前創(chuàng)建新的理論。,正是他對任何一個看來無可非議的問題總要問一個為什么，如他對一米就是一米，一秒就是一秒也要產(chǎn)生懷疑，他說：“時間、空間，人們都說弄清了，不再研究，我從小就沒有弄懂，長大以后就繼續(xù)究。就研究出相對論”。正是這樣一個人，1905年，年僅僅26歲的愛因斯坦提出了兩條假設，創(chuàng)建了狹義相對論（1916年又發(fā)表了廣義相對論）。當然現(xiàn)在已不是什么假設，而是兩條基本的原理。,是誰沖破了舊的傳統(tǒng)的思想的束縛呢！,相對論,邁克爾遜莫雷實驗,愛因斯坦（AlbertEinstein1879-1955）,一、愛因斯坦假設（1）相對性原理在所有慣性系里，一切物理定律都具有相同的形式。這是力學相對性原理的推廣。即在所有慣性系里，不但力學定律成立，而且電磁定律、光的定律、原子物理定律和其它物理定律都同樣成立。愛因斯坦認為，相對性原理是自然界中一條普遍的原理，在任何慣性系里的任何物理現(xiàn)象都不能確定該慣性系是靜止還是在作勻速直線運動。因此所謂“絕對參照系”是不存在的，當然也不存在什么“絕對運動”。,3愛因斯坦假設、洛侖茲變換,比如說有兩個彼此相對作勻速直線運動的慣性參照系K和K系,力學規(guī)律,K系,K系,電學規(guī)律,.,.,這就是說：一切慣性系都是彼此彼此、半斤八兩、誰也不比誰特殊，一切慣性系都是平權的。這意味著不能通過本參照系的實驗確定本參照系與其它參照系有什么不同。沒有一個特殊地位的參照系，否定了絕對參照系的存在。當然要找到對電磁波的速度有特殊值的參照系是找不到的。,（2）光速不變原理在一切慣性系里所測得的光在真空中沿各方向傳播的速度都相等，都等于c=3108m/s，與光源和觀察者的運動無關。,也就是說任何慣性系去測量光速都是C，與光源及參照系的運動無關。,如果不滿足光速不變原理，因果關系將顛倒，可是從來沒有看到過這種現(xiàn)象。,X,這兩條原理，愛因斯坦當初是作為科學假設提出來的，后被很多的實驗所證實，而成為舉世公認的科學原理。這兩條原理只涉及慣性系，相對論的這部分內(nèi)容稱為狹義相對論，它們是狹義相對論的基礎。由這兩條原理，可以推出在相對作勻速直線運動的兩個坐標系里時空的新的變換關系，這個變換稱為洛侖茲變換。由洛侖茲變換在一定條件下還可以得到伽利略變換。,注意：,A）慣性系；B）真空中（介質中的光速v=C/n）,2）不要認為狹義相對論是邁克爾遜-莫雷實驗的直接結果，它是近半個世紀大量實驗的總結；當然邁克爾遜-莫雷實驗對確認狹義相對論有重要影響。,1）光速不變原理適用的條件,那么，對應狹義相對論的坐標變換又是什么呢？,二、洛侖茲變換（LorentzTransfomation）,設有慣性參照系K、K,若空間某點P發(fā)生一件事，其時空坐標為,所謂坐標變換就是要找出它們之間的關系。,（以后不加聲明均指這種參照系）,愛因斯坦說：“建立一種新理論不是像毀掉一個舊的倉庫，在那里建立起一個摩天大樓。它倒是像在爬山一樣，愈是往上爬愈能得到新的更寬廣的視野，并且愈能顯示出我們的出發(fā)點與其周圍廣大地域之間的出乎意外的聯(lián)系。但是，我們出發(fā)的地點還是在那里，還是可以看得見，不過顯現(xiàn)得更小了，只成為我們克服種種阻礙后爬上山巔所得到的廣大視野中的一個極小的部分而已?！?牛頓定理與伽利略變換畢竟是低速狀態(tài)下客觀事物的反映，因此新變換必須在低速下，即,時，回到伽利略變換,下面看一看新的變換應是一個什么樣的變換：先看X坐標的變換。,低速狀態(tài)下的變換是“GT”,同樣反變換也應是線性的,又由于任何參照系都是平權的，K系向K系變換，或K向K系變換應沒有兩樣。故,又由于任何參照系都是平權的，K系向K系變換，或K向K系變換應沒有兩樣。故,則由光速不變原理：,(3)式自乘、（4）式自乘：,因（5）式=（6）式,（4）式代入（7）式,即：,令：,（11）式代入（3）得：,.(12),因在Y和Z方向沒有相對運動,故有;,下面再求時間的變換:,.(12),下面再求時間的變換,由(12)式:,.(12),或:,綜合以上幾式得:,以上稱為洛侖茲坐標變換.,由洛侖茲變換可見，在兩坐標系中，時間和空間不再是相互獨立的了，而是有著密切的聯(lián)系而不可分割；時間也不再是相同的、絕對的了。,就是說伽利略變換是洛侖茲變換在低速時的近似公式?？梢娐鍋銎澴儞Q有更為普遍的意義。當uc時為虛數(shù)，洛侖茲變換失去意義。所以任何物體的速度都不能大于光速c，光速是速度的極限。,洛侖茲變換變成了伽利略變換：,當時此時，,本節(jié)從洛侖茲變換式出發(fā)，導出同時性的相對性、時間間隔的相對性（即“時間延遲”、“時鐘變慢”）、空間的相對性（即“長度收縮”），說明狹義相對論時空觀與經(jīng)典力學時空觀的主要區(qū)別。,4狹義相對論的時空觀,4.1同時的相對性,由于光速不變，在某一個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一相對它運動的其它慣性系中并不一定是同時發(fā)生的，這個結論稱為“同時的相對性”。,愛因斯坦列車,在列車中部一光源發(fā)出光信號，在列車中AB兩個接收器同時收到光信號,但在地面來看，由于光速不變，A先收到，B后收到。,4.3.2時間的膨脹,從第二式中消去d，有,解得：,原時：在S系中同一地點先后發(fā)生的兩個事件的時間間隔。,測時：在S系中記錄下該兩事件的時間間隔。,結論：測時大于原時，時間測量上的這種效應通常叫做時間膨脹效應。,4.3.3長度的收縮,往返時間：,入射路程：,解得,反射路程：,解得,全程所用時間：,即,所以,解得：,原長：在相對于觀察者靜止的參考系中測得的物體長度。,運動物體的長度小于原長，這種現(xiàn)象稱為長度縮短效應。,當,運動物體長度收縮是同時性的相對性的直接結果。,地球上宏觀物體最大速度103m/s，比光速小5個數(shù)量級，在這樣的速度下長度收縮約10-10，故可忽略不計。,注意：長度收縮只發(fā)生在運動的方向上。,小結：狹義相對論的時空觀,在牛頓力學中，時間是絕對的。兩事件在慣性系S中觀察是同時發(fā)生的，那么在另一慣性系S中觀察也是同時發(fā)生的。狹義相對論則認為：這兩個事件在慣性系S中觀察是同時的，而在慣性系S觀察就不會再是同時的了。這就是狹義相對論的同時相對性。,一、同時的相對性,同時的相對性可由洛侖茲變換式求得：,設在慣性系中，不同地點和同時發(fā)生兩個事件，即,則，,以上說明同時性是相對的。,注意：,（1）發(fā)生在同一地點的兩個事件，同時性是絕對的，只有對發(fā)生在不同地點的事件同時性才是相對的。,（2）只有對沒有因果關系的各個事件之間，先后次序才有可能顛倒。,（3）在低速運動的情況下，,時得,二、長度縮短,在系觀察者同時測棒兩端的坐標，棒長為兩坐標的差。即,在S系中的觀測者認為棒相對S系運動，測得長度應該為,利用洛侖茲變換式有,結論：LL（原長最長）從對物體有相對速度的參考系中所測得的沿速度方向的物體長度，總比與物體相對靜止的參考系中測得的長度為短。,說明：相對論“尺縮效應”是相對論的時空屬性，和平?？吹竭h處物體變小是兩回事。,同長度不是絕對的一樣，時間也不是絕對的。設在S系中一固定坐標處有一只靜止的鐘，記錄在該處前后發(fā)生的兩個事件，兩事件的時間間隔為,而有S系中的鐘所記錄兩事件的時間間隔為,由于S以一定的速度運動。根據(jù)洛侖茲變換式有：,三、時間的膨脹,說明：（1）運動時鐘的變慢完全是相對論的時空效應，與鐘的具體結構和其他外界因素無關。,（2）運動時鐘變慢在粒子物理學中有大量的實驗證明。,（原時最短）,四、兩種時空觀對照,空間是絕對的，時間是絕對的，空間、時間和物質運動三者沒有聯(lián)系。,經(jīng)典時空觀：,相對論時空觀：,1、時間、空間有著密切聯(lián)系，時間、空間與物質運動是不可分割的。,2、不同慣性系各有自己的時間坐標，并相互發(fā)現(xiàn)對方的鐘走慢了。,3、不同慣性系各有自己的空間坐標，并相互發(fā)現(xiàn)對方的“尺”縮短了。,4、光在任何慣性系中傳播速度都等于C，并且是任何物體運動速度的最高極限。,5、在一個慣性系中同時發(fā)生的兩事件，在另一慣性系中可能是不同時的。,在狹義相對論中討論運動學問題的思路如下：1、確定兩個作相對運動的慣性參照系；2、確定所討論的兩個事件；3、表示兩個事件分別在兩個參照系中的時空坐標或其時空間隔；4、用洛侖茲變換討論。,小結,注意,原時一定是在某坐標系中同一地點發(fā)生的兩個事件的時間間隔；原長一定是物體相對某參照系靜止時兩端的空間間隔。,按照愛因斯坦的相對性原理，一切物理定律在所有慣性系中都具有相同的形式，在洛侖茲變換下形式不變。對經(jīng)典力學定律顯然不能滿足要求，這就需要對其加以改造，就產(chǎn)生了相對論力學。一、質量與速度的關系在經(jīng)典力學中，牛頓第二定律F=ma中質量m是一常數(shù)，與速度無關。若在恒力作用下，恒定加速度將使物體速度趨于無窮大，這與光速是速度的極限相矛盾。而狹義相對論的主要推論之一是：物體的質量隨其速度而變化。即m=f（v），隨著速度的增加，物體質量加大，使加速度減小，速度增加趨緩，最后以光速為極限。,6相對論動力學基礎,下面我們找出具體的質量和速度的關系：一個相對于S系靜止的觀察者向Y方向發(fā)射一粒子彈，穿進一塊相對于S系靜止的木塊中。深度由子彈在Y方向的動量決定。,在S系中看，S系相對于S系以速度u沿X方向運動，由于子彈是沿Y方向射入木塊，故子彈射進木塊的深度對兩個坐標系都相同，因此可以斷定子彈動量在Y向的分量在兩個坐標系中數(shù)值相同。即Py=mvyPy=mvy,所以有,（質、速關系式）,由洛侖茲速度變換：因為vx=0,愛因斯坦指出：如果一個物體的質量m隨其速度按公式變化，則經(jīng)典的動量原理仍然有效。,質、速關系式：,當vc時，mm0此時物體質量可視為不變。如：v=3104m/s，靜止質量為m0=1kg的物體的質量變?yōu)椋?（質量變化極小，可視為不變）,當物體高速運動時就不同了，如當電子的速度為v=0.98c時，電子質量為：,此時電子質量為靜止質量的5倍。,由圖可見，只有在物體的速度接近光速時質量增加才明顯。,二、相對論力學的基本方程,以v運動的物體的動量為：牛頓第二定律的形式：,此即低速時的牛頓第二定律。,低速時vc時有m=m0則,三、質量和能量的關系,相對論動能,用力對粒子做功計算粒子動能的增量，并用EK表示粒子速率為v時的動能，則有,將,兩邊求微分:,即相對論動能公式。,則：,又回到了牛頓力學的動能公式。,當vc時:,質量和能量的關系,靜止能量,動能,總能量,為粒子以速率v運動時的總能量,動能為總能和靜能之差。,結論：一定的質量相應于一定的能量，二者的數(shù)值只相差一個恒定的因子c2。,為相對論的質能關系式,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：,因此：,核反應中釋放的能量相應于一定的質量虧損。,總靜止質量的減小質量虧損,總動能增量,由質能關系式E=mC2可見，當物體能量改變時，就伴隨有質量的改變，同樣當物體質量改變時也伴隨有能量的改變。即：E=mC2必須指出能量和質量的相應改變，并不意味著二者可以相互轉化，質量不可以轉化為能量，能量也不可以轉化為質量。,物體的動能等于物體的總能量和靜止能量之差。,質量和能量是物質不可分割的屬性，物質有質量同時也具有能量，質量是通過物體的慣性和萬有引力現(xiàn)象顯示的，能量則是通過物質系統(tǒng)狀態(tài)變化時對外作功、傳熱等形式顯示的。雖然表現(xiàn)方式不同，但二者是密切相關的。質量、能量不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。在一個封閉系統(tǒng)內(nèi)，總質量和總能量永遠是守恒的。在封閉系統(tǒng)內(nèi)能量轉化的同時也伴隨著系統(tǒng)內(nèi)質量的轉化。這就是質能關系式所包含的深刻的物理含義。在一般變化過程中，質量的改變是很微小的。,例如：使0.001kg的水從273k升到373k，吸收的熱量為418.6J，求其質量的增加量。解：,這樣小的質量增加量是觀察不出來的。但在原子核反應中，質量的改變就不能忽略了。,在輕元素（氫或重氫）原子核相互結合成較重的原子核（如氦）時，會發(fā)生質量的減少，這時會有大量的能量釋放；重元素（如鈾）原子核分裂成兩個中等輕重的原子核時也會發(fā)生質量的減少，也會有大量的能量釋放，這就是原子核能。原子反應堆就是利用重核分裂釋放能量的原理設計和建造的。足見狹義相對論的重要結論已經(jīng)在生產(chǎn)技術上和人類生活中發(fā)生了深刻的影響。書例208頁計算氫彈爆炸中核聚變反應所釋放出的能量。氘和氚結合成氦時，質量減少，釋放出能量。1kg汽油燃燒時釋放的熱能（由化學能轉化而來）約為5107J，它僅僅相當于1kg汽油所具有的靜止能量的20億分之一。,五、動量和能量的關系由質能關系式動量表達式兩式消去v可得動量和能量的關系：,得：,上式兩邊同乘C2得：,這就是相對論中的動量和能量的關系式。,光子永遠以光速運動著，沒有靜止質量和靜止能量，但光子有運動質量、動量和能量，這是光子物質性的具體表現(xiàn)。光子的能量E=pc=mc2光子的運動質量：光子的動量：,因為光子有質量，所以光子經(jīng)過一個大的星體旁時，會受到星球的萬有引力的作用而使光線彎曲。這一點已為天文觀察所證實。因為光子有動量，所以當光照射到物體表面上時，會產(chǎn)生光壓。這一點已由列別捷夫測出光壓所證實。因為光子有能量，所以當光照射到金屬表面上時，會有光電子跑出來。光照射的物體會發(fā)熱，等等。,小結：相對論動力學基礎,一、相對論力學的基本方程,牛頓力學動量：,（1）在洛氏變換下保持不變,這里的m是不隨物體運動狀態(tài)而改變的恒量,相對論動量必須滿足以下兩個條件：,（2）在的條件下，還原為牛頓力學的動量形式,1,0,P,相對論質量：,靜止質量,由此得相對論動量,說明：,（1）在時，,（2）當時，即不論對物體加多大的力，也不可能再使它的速度增加。,（3）當時，必須即以光速運動的物體是沒有靜止質量的。,（4）相對論力學基本方程,上式方程滿足相對性原理,在的條件下：,二、質量與能量的關系,1、相對論動能,設一質點在變力作用下，由靜止開始沿X軸作一維運動，根據(jù)動能定律：,上式表明：質點以速率運動時所具有的能量，與質點靜止時所具有的能量之差，等于質點的相對論動能,在的條件下：,2、相對論總能量,質能關系式,說明：,（1）物體處于靜止狀態(tài)時，物體也蘊涵著相當可觀的靜能量。,（2）相對論中的質量不僅是慣性的量度，而且還是總能量的量度。,（3）如果一個系統(tǒng)的質量發(fā)生變化，能量必有相應的變化,（4）對一個孤立系統(tǒng)而言，總能量守恒，總質量也守恒,三、動量與能量的關系,在相對論中：,由以上兩式消去可得：,E,對于以光速運動的物體：,光子：,相對論簡介,19世紀后半葉，關于電磁場的研究不斷深入，人們認識到了光的電磁本質我們已經(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，這些矛盾導致了相對論的出現(xiàn)相對論不僅給出了物體在高速運動時所遵循的規(guī)律，而且改變了我們對于時間和空間的認識，它的建立在物理學和哲學的發(fā)展史上樹立了一座重要的里程碑,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動情況,非慣性系和慣性系,非慣性系和慣性系,以車廂為參考系，當列車加速運行時，小球會相對于車廂加速向后運動,非慣性系和慣性系,加速運動的列車是個非慣性參考系,為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立，引入慣性力,光滑表面,非慣性系和慣性系,牛頓第二定律的表達式,慣性力的定義式,“”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,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,21世紀，人類在空間站中長期生活，為了克服失重帶來的不利影響，可以將空間站設計成一個大轉輪，繞軸自轉，其上各點都有一個指向轉動軸的向心加速度，因此，以空間站為參考系，與它一起旋轉的物體都受到一個背離轉動軸的慣性力，這就是所謂的人造重力,非慣性系和慣性系,慣性質量和引力質量,地面靜止,加速飛行,引力和慣性力都可以使物體加速下落,引力質量,慣性質量,廣義相對論簡介,牛頓第二定律的表達式,慣性力的定義式,“”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”應該叫做慣性質量,慣性質量和引力質量,事實上，到目前為止的一切實驗研究都沒有找到慣性質量和引力質量之間的差別，這向我們提示：加速運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,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動的參考系等價,更進一步,等效原理,光速恒定,愛因斯坦相對性原理,廣義相對性原理,廣義相對論的兩個基本原理可以得出一些意想不到的結論,廣義相對論簡介,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動，船上的觀察者記錄光的徑跡是一條拋物線,半透明屏,光源,等效原理,物體的引力能使光線彎曲,假設飛船靜止，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,廣義相對論簡介,通常物體的引力場都太弱，20世紀只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲,太陽,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，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預言，這是對相對論的最早證實,廣義相對論簡介,星球的強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,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，但是它的巨大質量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強的引力場，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一,時間間隔與引力場有關,引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別,對于高速轉動的圓盤，除了轉動軸的位置外，各點都在做加速運動，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程較慢,圓盤上的人認為：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，時間進程比較慢,各類星體對比,宇宙中有一類恒星，體積很小，質量卻很大，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,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,引力勢由高到低變化,桿的長度與引力場有關,由于物質的存在，實際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：,點擊觀看,對于時空觀的認識,物質本身的存在決定時空的性質,時空性質和物質的運動有關,狹義相對論,廣義相對論,慣性系平權,所有參考系平權,時空觀,光速恒定,等效原理,廣義相對論與幾何學,幾何學反應的是人對空間關系的認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，在此基礎上人類發(fā)展了歐幾里得幾何學，它反映了平直空間的實際廣義相對論告訴我們實際空間是彎曲的，因此描述實際空間的應該是更具有一般意義的非歐幾何作為非歐幾何的特例，歐幾里得幾何學在它的適用范圍內(nèi)仍是正確的，還將繼續(xù)發(fā)揮作用,完,