第4章-相對論簡介教材課件

1、第四章 相對論簡介2相對論簡介牛頓力學適用宏觀物體的低速（與光速相比）運動適用宏觀物體的低速（與光速相比）運動研究微觀粒子的運動研究宏觀物體的高速（與光速相比）運動3狹義相對論的兩個假設 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兩個假設： 在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的愛因斯坦的相對性原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的光速不變原理4經(jīng)典的相對性原理有關(guān)相對性的思考？ 一群大學生說說笑笑，跑來問愛因斯坦，什么叫相對論他回答說：“你坐在一個漂亮姑娘旁邊，坐了兩小時，覺得只過了一分鐘；如果你緊挨著一個火爐

2、，只坐了一分鐘，卻覺得象過了兩個小時這就是相對論”相對論簡介 19世紀后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認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光速問題黑體輻射兩朵烏云量子力學相對論 經(jīng)典的相對性原理 如果牛頓運動定律在某個參考系中成立，這個參考系就叫做慣性系，相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。早在1632年，伽利略就已經(jīng)在關(guān)于兩個世界的對話一

3、書中指出：在一艘平穩(wěn)行駛的大船里，無法通過船上得到的物理規(guī)律與地面得到的規(guī)律的比較，來判斷大船是否在行駛。力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。這個論述叫做伽利略相對性原理 矛盾之二：光速問題對慣性系S，光源發(fā)出的光速是c對慣性系S，光源發(fā)出的光速是c-v若慣性系S相對于S以速度v 運動為什么電磁規(guī)律對兩個慣性系不一樣了呢？麥克斯韋的電磁理論中“電磁波的速度是c” 是對所有事物或慣性參考系得出的結(jié)論，而不是只應用于某個具體事物或慣性參考系。 為什么呢？?麥克耳孫一莫雷實驗1887年的麥克耳孫-莫雷實驗得到的結(jié)果：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光相對于觀察者的速度都是一樣的! 是經(jīng)典相對性原理有

4、問題，還是麥克斯韋電磁理論出了毛病 ？狹義相對論簡介狹義相對論的兩個基本假設狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的到目前為止，這兩個基本原理的所有推論都與事實相符，這就證明了它的正確性狹義相對論簡介 根據(jù)光速不變假設，二人說法都是對的。因此，對不同的觀察者來說，“同時”是相對的光源我看到閃光到達車廂的前壁和后壁是“同時”的我看到閃光先到達后壁，后到達前壁到底是誰錯了？同時的相對性狹義相對論簡介MN我在同時測量M、N兩點的坐標！你為什么對N端讀數(shù)早、對M端讀數(shù)遲呢？長度的相對性長度的相對性：一條沿自身長度方向運動的桿，

5、其長度總比靜止時的長度小又是誰錯了？t1t1t2t2時間間隔的相對性時間間隔的相對性：從地面上觀察，飛船上的時間比地面上慢狹義相對論簡介狹義相對論簡介時鐘變慢長度縮短孿生子佯謬小 結(jié)飛船速度與光速百分比飛船中1小時的分鐘數(shù)地球上1小時的分鐘數(shù)060.0060.002058.7060.004055.0060.006048.0060.008036.0060.009026.1060.009518.7160.00998.5360.0099.92.7860.0099.9971.1760.00100060.00孿生子佯謬一臺以反物質(zhì)為燃料的時間機器，如果它以接近光速的速度向銀河系中央飛去，那么它將用21年

6、的時間抵達目的地，而根據(jù)相對論原理，地球上的時間在此期間卻已過去了3萬年。 一對孿生子中的一個進行星際旅行，另一個則呆在地球上。作為宇航員的哥哥乘飛船高速飛離地球，當他返回地球時，他比呆在地球上的弟弟年紀要小。15狹義相對論的其他三個結(jié)論下面，我們學習狹義相對論的三個重要結(jié)論相對論的速度疊加公式相對論質(zhì)量質(zhì)能方程16相對論的速度疊加公式v車廂運行速度240000km/s車外的人看到車上人相對地面的速度為：17相對論質(zhì)量 物體的運動速度不能無限增加，那么物體的質(zhì)量是否隨著速度而變化？ 嚴格的論證表明，物體高速（與光速相比）運動時的質(zhì)量與它靜止時的質(zhì)量之間有下面的關(guān)系：m為運動質(zhì)量m0為靜止質(zhì)量1

7、8相對論質(zhì)量 微觀粒子的速度很高，它的質(zhì)量明顯的大于靜止質(zhì)量在研究制造回旋加速器時必須考慮相對論效應的影響 1988年，中國第一座高能粒子加速器北京正負電子對撞機首次對撞成功19物體的能量和質(zhì)量之間存在著某種聯(lián)系： 物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：愛因斯坦質(zhì)能方程這就是著名的質(zhì)能方程20 質(zhì)能方程表達了物體的質(zhì)量和它所具有的能量之間的關(guān)系.質(zhì)能方程物體的動能運動時的能量靜止時的能量在v c時的一種近似這就是動能表達式21質(zhì)能方程具體推導過程如下：22質(zhì)能方程這就是我們過去熟悉的動能表達式，這也能讓我們看出，牛頓力學是相對論力學在低速情況下的特例狹義相對論的結(jié)論E=mc2E=m

8、c2相對論速度變換公式相對論質(zhì)量質(zhì)能方程一定的質(zhì)量相對應于一定的能量相對論質(zhì)量是能量的量度 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結(jié)果會相同嗎？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光滑表面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

9、，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(zhuǎn)輪，繞軸自轉(zhuǎn)，其上各點都有一個指向轉(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地球無地球愛因斯坦密封倉實驗 倉內(nèi)的人想通過力學實驗判斷倉是慣性系還是非慣性系實驗結(jié)果: 倉內(nèi)所有物體都會自由下落,下落的 加速度與物體屬性無關(guān).他對實驗解釋: 倉是慣性系: 自由下落是地球引力場造成-引力效果 倉是非慣性系: 自由下落是倉在太空

10、中向上加速飛行造成 -慣性力效果結(jié)論: 通過力學實驗不能區(qū)分倉是慣性系還是非慣 性系.如果任何物理實驗都不能區(qū)分倉是慣 性系還是非慣性系 引力和慣性力是等效的（等效原理） 如果愛因斯坦倉在一個恒星表面附近自由下落,以此倉為參照系,內(nèi)部空間的引力與慣性力剛好抵消,無需引入任何看不到來源的力，牛頓第二定律完全適用真正的慣性系考慮到完全空間引力場的不均勻性，上面應該稱為 局域慣性系慣性質(zhì)量和引力質(zhì)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(zhì)量慣性質(zhì)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(zhì)量慣性質(zhì)

11、量和引力質(zhì)量 事實上，到目前為止的一切實驗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：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)系慣性力是參照系運動特征，是“不真實的”，因為等效，引力是否可以認為也是“不真實的”？愛因斯坦作出肯定的回答，引力也只不過是空間和時間的特征引力和慣性力不可區(qū)分慣性系和非慣系不可區(qū)分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

12、原理等效原理和廣義相對性原理是廣義相對論的兩個基本原理預言與實驗驗證: 引力使光線偏析(日全食的星體視位置偏離) 引力使空間彎曲(雷達回波延遲) 引力使時間延緩(引力紅移)廣義相對論簡介 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

13、，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(zhì)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(guān)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(zhuǎn)動的圓盤，除了轉(zhuǎn)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

14、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(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程比較慢，那里的發(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)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(guān)引力勢由高到低變化桿的長度與引力場有關(guān) 由于物質(zhì)的存在，實際空間并不是均勻的，空間發(fā)生了“彎曲”：對于時空觀的認識物質(zhì)本身的存在決定時空的性質(zhì)時空性質(zhì)