人教版高一物理必修二7.5天體運(yùn)動之相對論介紹-課件

相對論簡介1、相對論的產(chǎn)生背景：故事的主人公大家都很熟悉——阿爾伯特?愛因斯坦，這個智商最高的人也有著和普通人一樣的童年，愛因斯坦是一個反抗權(quán)威的人，他被父母留在德國上高中，但他覺得德國的教育體系過于死板充滿了軍國主義，所以他就輟學(xué)了。隨后跟隨自己的父親去了意大利，他的父親在意大利開了一個發(fā)電廠，而在當(dāng)時電磁學(xué)成熟了并沒有幾年，不過卻對人們工業(yè)的發(fā)展帶來了翻天覆地的變化。隨后愛因斯坦又游手好閑了幾年，然后去了瑞士學(xué)習(xí)，畢業(yè)之后也沒有讀研而是去了專利局當(dāng)了一個普通的職員相當(dāng)于現(xiàn)在的公務(wù)員。但也正是這份很閑的工作給了愛因斯坦充分的思考時間。1905年年僅25歲的愛因斯坦寫了5篇論文，其中有三篇論文投給了當(dāng)時物理學(xué)界著名的期刊《物理學(xué)年鑒》，這三篇論文在我們現(xiàn)在看來每一篇都足以獲得諾貝爾物理學(xué)獎。第一篇論文愛因斯坦計算了原子的大小，證明了物質(zhì)即微粒的觀點(diǎn)是正確的。第二篇奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。第三篇也是我們主要要說的，介紹了相對論思想即《論動體的電動力學(xué)》，后人稱作“狹義相對論”。狹義相對論到底講了些什么？在講狹義相對論之前我們先來介紹下所有鋪墊狹義相對論的理論基礎(chǔ)。愛因斯坦時期學(xué)習(xí)的是有著近300年歷史的牛頓力學(xué)。牛頓力學(xué)解釋了引力作用，我們知道物體的自由落體運(yùn)動是因為地球引力，但牛頓自己也發(fā)現(xiàn)自己的公式并不能解釋所有的力，因為并不是只有自由落體的物體才會運(yùn)動。牛頓的這個疑問直到19世紀(jì)才得到解答，一直到人們發(fā)現(xiàn)電磁力提出了“場”的概念。我們知道1831年法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，同年麥克斯韋出生，后來兩人成為了忘年交，兩個人共同構(gòu)筑了電磁學(xué)的科學(xué)理論體系。我們重點(diǎn)來說一下麥克斯韋，麥克斯韋通過自己的方程組預(yù)言了電磁波的存在，還推導(dǎo)出了電磁波的傳輸速度接近于每秒鐘30萬公里。這與當(dāng)時測量的光速十分接近，進(jìn)而證明了光也是一種電磁波。相對論的主要矛盾就要從這里說起。麥克斯韋的方程組說光速應(yīng)該是一個恒定值，但在信奉經(jīng)典伽利略相對性的人看來這是不可理喻的。按照伽利略的相對性，兩個人向相反方向走，一個人的速度是3m/s，另一個人的速度是4m/s，那么兩個人的相對速度應(yīng)該是7m/s才對，所以光速怎么可能是恒定值？這里還要說到另外一個理論—以太學(xué)說。以太理論的提出實(shí)際上是為了解決物理學(xué)的兩大疑問，第一個疑問，當(dāng)時的物理學(xué)界認(rèn)為任何物質(zhì)的傳播都需要介質(zhì)，可是光為什么可以在真空中傳播呢？所以以太理論猜測真空當(dāng)中并不是什么都沒有，而是存在一種物質(zhì)以太。第二個疑問也就是我們剛才說的伽利略相對性。起初我們認(rèn)為地球是靜止的，后來發(fā)現(xiàn)地球繞著太陽轉(zhuǎn)。我們又認(rèn)為太陽是絕對靜止的，后來又發(fā)現(xiàn)太陽在銀河系中也是不停運(yùn)動的。直到后來又發(fā)現(xiàn)從另一個星系來看銀河系也在運(yùn)動。所以人類一直在尋找一個絕對靜止的物體，以太學(xué)說則完美的解決了這一問題，人們猜測以太就是一直尋找的世界上絕對靜止的物質(zhì)。以太理論說的就是：宇宙當(dāng)中充斥著一種看不見摸不著，無色無味也沒有任何屬性的物質(zhì)叫做以太，正是因為以太的存在光才能夠在真空當(dāng)中傳播。當(dāng)然這套理論在我們今天看來是很荒謬的，可在當(dāng)時引起了不小的轟動，直到后來有兩個人做了一個實(shí)驗宣告以太理論的失敗，這兩個人就是邁克爾遜和莫雷。1887年邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做了一個用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的著名實(shí)驗，結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此否定了以太的存在，從而動搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個開端，在物理學(xué)的發(fā)展史上占有十分重要的地位然而深信著以太理論的人們?nèi)匀辉趯ふ易詈蟮姆磽簟?892年一個叫菲茨杰拉德的愛爾蘭人提出了一個假說叫做“菲茨杰拉德收縮”他認(rèn)為以太風(fēng)的壓力會壓縮物質(zhì)，因此正面對著以太風(fēng)的光并不是光速不變的，而是由于以太風(fēng)的壓力使光速和路程都變小了，所以時間才不變。但這個假說并不能反正，因為如果你想測出這段距離就必須保持和這段路程有相同的速度和方向，因此測量的尺子也被壓縮了。一年之后荷蘭物理學(xué)家洛倫茲用數(shù)學(xué)公式描述了菲茨杰拉德的假說，也就是我們今天聽到的洛倫茲變換。

那么邁克爾遜莫雷實(shí)驗中的光速恒定到底是為什么呢？當(dāng)時人們?yōu)榱私鉀Q這個困難，提出了三種可能：（1）麥克斯韋電磁理論有錯，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。（2）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對，應(yīng)存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。正是因為物理學(xué)界出現(xiàn)了巨大的分歧，才給了愛因斯坦統(tǒng)一力學(xué)的機(jī)會，愛因斯坦的聰明之處在于既然我們無法和事實(shí)爭辯那么就一定是我們的常識出現(xiàn)了錯誤。于是靈機(jī)一動既然想不通那就不想了直接把光速恒定變成原理，既然找不到絕對靜止的物質(zhì)那就不找了，我們只研究相對性并且把伽利略的相對性擴(kuò)大，從力學(xué)擴(kuò)展到所有自然定律。所以愛因斯坦就有了狹義相對論的兩條基本假設(shè)，第一條假設(shè)：凡是相對于彼此是一致運(yùn)動的參考系，光在期間真空中的速度都一樣。第二條假設(shè)：凡是相對于彼此是一致運(yùn)動的參考系所有自然定律都一樣（一致運(yùn)動指的是相對靜止或者勻速運(yùn)動的參考系）而狹義相對論的所有理論都是基于這兩條假設(shè)產(chǎn)生的。在菲茨杰拉德和洛倫茲的想象中，路程是因為受到了以太風(fēng)的壓力才收縮的，可愛因斯坦卻不這么認(rèn)為，他認(rèn)為造成路程壓縮的是運(yùn)動本身，我們都知道v=s/t，如果想使速度不變我們只能同時調(diào)整兩個參數(shù)s和t，是否可能存在這樣一種現(xiàn)象即在不同觀察者看來，兩者的路程和時間都會不一樣呢？因此愛因斯坦的基本設(shè)定初步獲得了兩個果實(shí)，一個是時間膨脹效應(yīng)（即動鐘變慢），一個是長度收縮效應(yīng)（即動尺變短）。這兩個果實(shí)在當(dāng)時的世界觀是具有顛覆性的，因為人們一直相信世界上存在著一個宇宙時間，人們公用著這個時間。不過在愛因斯坦看來時間是獨(dú)立的，彼此的時間因運(yùn)動速度不同而產(chǎn)生了差異。接下來我們就具體來看一下如何理解時間膨脹和長度收縮效應(yīng)。2、時間膨脹效應(yīng)：由光速不變原理便得到不同的時間間隔高速運(yùn)行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的．根據(jù)相對論，時間在運(yùn)動中會進(jìn)行的比較緩慢，也就是說，在空間中高速移動的時鐘，比固定于地面上的時鐘走得慢．1971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證．3、同時的相對性在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中看來是同時的，在另一個參考系中看來也一定是同時的，但是如果接受愛因斯坦的兩個假設(shè)，我們會得出“同時是相對的”這樣一個結(jié)論．同時是相對的車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達(dá)前后車廂的先后是不一樣的．車上的觀察者認(rèn)為光同時到達(dá)車廂的前后兩壁站臺上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁結(jié)論：1、對于運(yùn)動的火車上同時發(fā)生的兩個事件，對于地面就不是同時的關(guān)鍵：在各個參考系中光速都為c 2、地面上同時發(fā)生的兩個事件，對于運(yùn)動的火車也不是同時的關(guān)鍵：相對運(yùn)動相對論的時空觀牛頓物理學(xué)的絕對時空觀：物理學(xué)的空間與時間是絕對分離沒有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在，與物質(zhì)的運(yùn)動無關(guān)。而相對論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時間和空間，空間和時間與物體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。人類對于空間、時間更進(jìn)一步的認(rèn)識而形成的新的時空觀，是建立在新的實(shí)驗事實(shí)和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來的。4.長度收縮效應(yīng)(1)經(jīng)典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同．(2)相對論的時空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運(yùn)動方向上，桿的長度沒有變化．(3)相對長度公式：是：.當(dāng)兩個參考系的相對速度可與光速相比時，時間與空間的相對性才比較明顯，狹義相對論的結(jié)論已經(jīng)完全得到證實(shí)，實(shí)際上它已經(jīng)成為微觀粒子研究的基礎(chǔ)之一．例1．假設(shè)有一天某人坐在“神舟”號飛船上，以0.5c的速度遨游太空，當(dāng)他打開一個光源時飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為________，飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為________，在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是________．【解析】根據(jù)狹義相對論的假設(shè)，真空中的光速相對于不同的慣性參考系是相同的，即在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c.例2．用相對論的觀點(diǎn)判斷，下列說法正確的是()A．時間是絕對的，空間是相對的B．時間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變C．在地面上的人看來，高速運(yùn)動的飛船中的時鐘會變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準(zhǔn)確的D．在地面上的人看來，高速運(yùn)動的飛船在運(yùn)動方向上會變窄，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些E．當(dāng)物體運(yùn)動的速度v?c時，“時間膨脹”和“長度收縮”效應(yīng)可忽略不計【解析】時間和空間都是相對的，故選項A、B的說法錯誤；根據(jù)“時間膨脹”和“長度收縮”效應(yīng)，選項C、D的說法正確；當(dāng)速度v?c時，≈1，所以“時間膨脹”和“長度收縮”效應(yīng)可忽略不計，故選項E說法正確．例3.地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？【解析】當(dāng)火箭速度較低時，長度基本不變，還是100km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時，由相對論長度公式代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l＝100×km＝80km.5.狹義相對論的其他結(jié)論（1）．相對論速度變換公式以高速火車為例如圖所示，設(shè)車對地面的速度為v，車上的人以速度u′沿著火車前進(jìn)的方向相對火車運(yùn)動，那么他相對地面的速度u為.這一公式僅適用于u′與v在一直線上的情況，當(dāng)u′與v相反時，u′取負(fù)值．a(chǎn).若粒子運(yùn)動方向與火車運(yùn)動方向相反，則u′取負(fù)值．b.如果v?c，u′?c時，u′v/c2可忽略不計，這時相對論的速度變換公式可近似為u＝u′＋v.c.若u′＝c，v＝c，則u＝c，表明一切物體的速度都不能超過光速．d.該變換公式只適用于同一直線上勻速運(yùn)動速度的變換，對于更復(fù)雜的情況不適用．（2）相對論質(zhì)量

按照牛頓力學(xué)，物體的質(zhì)量是不變的，因此一定的力作用在物體上，產(chǎn)生的加速度也是一定的，這樣，經(jīng)過足夠長的時間以后物體就可以達(dá)到任意大的速度．

相對論的速度疊加公式表明，物體的運(yùn)動速度不能無限增加，嚴(yán)格的論證證實(shí)了這一點(diǎn)，實(shí)際上，物體以速度v運(yùn)動時的質(zhì)量m與靜止時的質(zhì)量m0之間有如下關(guān)系a.式中m0是物體靜止時的質(zhì)量(也稱為靜質(zhì)量)，m是物體以速度v運(yùn)動時的質(zhì)量，這個關(guān)系式稱為相對論質(zhì)速關(guān)系，它表明物體的質(zhì)量會隨速度的增大而增大．b.微觀粒子的運(yùn)動速度很大，它的質(zhì)量明顯大于光子質(zhì)量，像回旋加速器中被加速的粒子質(zhì)量會變大，導(dǎo)致做圓周運(yùn)動的周期變大后，它的運(yùn)動與加在D形盒上的交變電壓不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．c.微觀粒子的速度很大，因此粒子質(zhì)量明顯大于靜質(zhì)量．（3）質(zhì)能方程：相對論另一個重要結(jié)論就是大家都很熟悉的愛因斯坦質(zhì)能方程，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量。對質(zhì)能方程的理解愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2.它表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量關(guān)系：一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對應(yīng)．a(chǎn).靜止物體所對應(yīng)的能量為E0＝m0c2，這種能量稱為物體的靜質(zhì)能，每個有靜質(zhì)量的物體都有靜質(zhì)能．b.由質(zhì)能關(guān)系式可得ΔE＝Δmc2.其中Δm表示質(zhì)量的變化量，該式意味著當(dāng)質(zhì)量減少Δm時，要釋放出ΔE＝Δmc2的能量．(3)物體的總能量E為動能Ek與靜質(zhì)能E0之和，即E＝Ek＋E0＝mc2(m為物體運(yùn)動時的質(zhì)量)．6．廣義相對論的基本原理(1)廣義相對性原理：在任何參考系中物理規(guī)律都是相同的．(2)等效原理：一個均勻的引力場與一個做勻加速運(yùn)動的參考系等價．廣義相對論的幾個結(jié)論(1)光線在引力場中彎曲．(2)引力場的存在使得空間不同位置的時間進(jìn)程出現(xiàn)偏差(引力紅移)．(3)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動。（行星繞太陽一周后，橢圓軌道長軸也隨之有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動，叫做進(jìn)動）狹義、廣義相對論比較愛因斯坦相對性原理狹義相對論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的更進(jìn)一步廣義相對論

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的