2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：相對論動力學(xué)

1、相對論動力學(xué)2例：在引力場中自由飛行的航天飛機(jī) 恒星參考系是慣性系。 恒星參考系有引力，不是慣性系。而航天飛機(jī)內(nèi)慣性力和引力抵消可以看成不受力，是局域慣性系。引力慣性力恒星牛頓觀點：廣義相對論觀點： 而航天飛機(jī)相對恒星參考系有加速度，不是慣性系。3等效原理和局域慣性系失重現(xiàn)象加速度和引力等效4 引力被慣性力精確抵消，自由下落的電梯內(nèi)的區(qū)域無引力場。引力慣性力mI g地球自由下落的小電梯gmg gmI,mg“加速度產(chǎn)生的慣性力”與“真實的引力”等價。等效原理： 參考系的加速度和引力場等效。 因此，它與一個沒有引力場、沒有加速度的慣性系等效，任何物理實驗都不能把二者區(qū)分開小電梯是一個“局域慣性系”

2、。5在宇宙飛船中 在每一事件的時空點的鄰域內(nèi)，都存在一個局域慣性系，即與在引力場中自由降落的粒子共動的參考系。在此局域慣性系中，一切物理定律服從狹義相對論（如光速不變，時間延遲，長度收縮等）。 “強(qiáng)等效原理”：6引力和時空 在引力場中發(fā)生的物理過程，在遠(yuǎn)處（無引力）觀察，其時間節(jié)奏比當(dāng)?shù)氐脑瓡r慢，其空間距離比當(dāng)?shù)氐脑L短 設(shè)一勻速轉(zhuǎn)動的圓盤，邊緣處慣性離心力較大，引力場較強(qiáng)。Odt,dl 在t內(nèi)，邊緣相對O點可看成以速度v的勻速直線運動。由狹義相對論 “時緩尺縮”效應(yīng)。7圓周長 2R 引力使空間成為非歐幾里德的空間彎曲引力場中時間空間（四維空間）彎曲， 引力場越強(qiáng)，彎曲越嚴(yán)重。R周長收縮R不收

3、縮時間膨脹大質(zhì)量天體8 光線按最短路線（短程線）行進(jìn)，因此 在引力場中，光線象粒子被引力加速一樣，變彎曲了。廣義相對論預(yù)言的幾個可觀察效應(yīng)光線的引力偏轉(zhuǎn)大質(zhì)量天體光線9星光的偏折角。日全食時拍攝太陽附近的星空照片，可測出1919年愛丁頓(Eddington)等測得1.98 0.16。1973年光學(xué)測量結(jié)果是1.60 0.13。近年用射電天文技術(shù)測得1.761 0.016。愛因斯坦預(yù)言星光偏轉(zhuǎn)角為1.75。*S星的實際位置*星的視覺位置10光束在引力場中彎曲，還可解釋如下：時刻1g引力場局域慣性系2g3g4g光束直線傳播光束？ 在慣性系中時空平直，而在引力場（非慣性系）中時空彎曲。11由于時緩尺

4、縮效應(yīng)，引力場中光速減小。雷達(dá)回波延遲 太陽引力使回波時間加長，稱為雷達(dá)回波延遲。地球與水星間的雷達(dá)回波最大時間差可達(dá)240s。 1964年，夏皮羅（Shapiro）提出一個方法，由地球發(fā)射雷達(dá)脈沖，到達(dá)行星后返回地球，測量信號往返時間，比較雷達(dá)波遠(yuǎn)離太陽和靠近太陽兩種情況下，回波時間的差異。 到上世紀(jì)70年代末，測量值與理論值之間的差約為1%，80年代利用火星表面的“海盜著陸艙”進(jìn)行測量，不確定度降到了0.1%。12引力紅移 在沒有引力的情況下，每種元素輻射譜線的頻率是確定的。 1961測太陽光譜中鈉5896譜線的引力紅移，結(jié)果與理論偏離小于5。 1971測太陽光譜中鉀7699譜線的引力紅移，結(jié)果與理論偏離小于6。 而在引力場中，由于時緩效應(yīng)，譜線的頻率變小，這稱為引力紅移。13H0 他們把發(fā)射14.4keV的光子的57Co放射源放在高度為H22.6m的塔頂，在塔底測量它射來的光子的頻率，發(fā)現(xiàn)比在塔頂?shù)念l率0高了。地面附近的引力紅移效應(yīng)更為微弱。 1959年，龐德(R.V.Pound )和瑞布卡(Q.A.Rebka )在哈佛塔做了一個實驗，理論值：實驗結(jié)果為14水星近日點的進(jìn)動 按嚴(yán)格平方反比律計算，行星軌道為閉合橢圓。 但實際天文學(xué)觀測表明，行星軌道并不是嚴(yán)格閉合的，而是繞近日點有進(jìn)動。 按牛頓