自然科學(xué)概要（第二版）（微課版）課件 9.1相對(duì)論

1相對(duì)論CONTENTS第9章現(xiàn)代物理學(xué)量子力學(xué)29.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)理解光速不變?cè)?、鐘慢效?yīng)、尺縮效應(yīng)、質(zhì)增效應(yīng)、質(zhì)能關(guān)系式、等效原理。理解光譜線的引力頻移、光線在引力場中偏轉(zhuǎn)。了解行星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、狹義相對(duì)論在時(shí)空觀上的突破、廣義相對(duì)論在時(shí)空觀上的突破。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用到19世紀(jì)末，物理學(xué)取得了前所未有的進(jìn)步和成功，但也爆發(fā)了一場危機(jī)。這場危機(jī)是由以太漂移實(shí)驗(yàn)和對(duì)黑體輻射現(xiàn)象的研究引起的。

1890年4月27日英國皇家學(xué)會(huì)上，英國物理學(xué)家開爾文（1824—1907）稱為物理學(xué)晴朗天空中的“兩朵烏云”。

在科學(xué)發(fā)展的歷史的轉(zhuǎn)折關(guān)頭，掀起了一場空前的物理學(xué)革命，相對(duì)論和量子力學(xué)就是這場物理學(xué)革命的最主要的成果，它們構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱。第一節(jié)相對(duì)論一、狹義相對(duì)論（一）狹義相對(duì)論的主要內(nèi)容

1905年，德國物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》論文，提出了狹義相對(duì)。

“狹義”表示它只適用于慣性參考系。狹義相對(duì)論的主要內(nèi)容包括兩條基本原理和一些重要結(jié)論。

1.兩條基本原理

（1）光速不變?cè)碇冈谌魏螒T性系中光速都相同。凡是符合牛頓慣性定律的的參照系叫做慣性系。在經(jīng)典物理中，速度合成律為：

v=u±v′

例如，我們?cè)诤舆吙匆粋€(gè)人游泳，時(shí)而順流而下，時(shí)而逆流而上。游泳者的速度是不變的，我們看速度是變化的。

牛頓的速度合成率牛頓的速度合成率不能解釋慣性系中的光速

速度合成率：

例如：在地球上看飛機(jī)上發(fā)射火箭，如飛機(jī)的速度是1聲速，火箭的速度也是1聲速，那么火箭的速度為：

1+1=2（聲速）如飛機(jī)和火箭以光速運(yùn)行，在地球上看來，火箭的速度，不是1+1=2（光速）,而是一個(gè)光速。

（2）狹義相對(duì)性原理

在慣性系統(tǒng)中光速不變示意圖

2.重要結(jié)論

（1）運(yùn)動(dòng)的鐘變慢（鐘慢效應(yīng)）

橫軸是物體的運(yùn)動(dòng)速度?？v軸表示當(dāng)運(yùn)動(dòng)鐘走過1秒時(shí)，靜止的鐘走過了多少。

（2）運(yùn)動(dòng)的尺縮短（尺縮效應(yīng)）

由狹義相對(duì)論的基本原理推出：一把靜止時(shí)長度為L0的尺子，當(dāng)它相對(duì)于觀測者以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長度就成為:L

如圖9-2，一把1米長的尺在運(yùn)動(dòng)過程中長度的變化：當(dāng)速度達(dá)到光速的一半時(shí)，收縮15%。當(dāng)速度達(dá)到每秒26萬千米時(shí)，收縮50%，也就是原來1米長的尺，現(xiàn)在只有50厘米了。結(jié)論：一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí)，它的長度測量值最大。如果它相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)，則沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上的長度要縮短。速度越大，縮的越短。（當(dāng)v→c,L→0）。

慣性坐標(biāo)系

（3）質(zhì)增效應(yīng)

（4）質(zhì)能關(guān)系式

（二）狹義相對(duì)論在時(shí)空觀上的突破

經(jīng)典力學(xué)中有三個(gè)普遍的基本物理概念：質(zhì)量、空間和時(shí)間。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：空間向上下四方延伸，同時(shí)間無關(guān)；時(shí)間從過去流向未來，同空間無關(guān)。狹義相對(duì)論從根本上否定了以牛頓為代表的脫離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)時(shí)空觀。

狹義相對(duì)論里的鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)和質(zhì)增效應(yīng)，表明時(shí)間、空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是不可分割的；通過愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式人們認(rèn)識(shí)到，質(zhì)量概念和能量概念表示的是物質(zhì)的屬性，質(zhì)量與能量相當(dāng)，恰好說明物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)的不可分割的聯(lián)系。

二、廣義相對(duì)論（一）廣義相對(duì)論的主要內(nèi)容

1、兩條基本原理

（1）等效原理一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所看到的運(yùn)動(dòng)與存在引力場的慣性系統(tǒng)所看到的運(yùn)動(dòng)完全相同。

例如，假定有一個(gè)外力，拉著實(shí)驗(yàn)室向上作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度剛好等于地面上的重力加速度：a=g=9.8米／秒2。這時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員覺得自己恢復(fù)了重量，又站到地面了。一切都和地面上的情況一樣。

在一個(gè)非慣性系（實(shí)驗(yàn)室向上作勻加速運(yùn)動(dòng)）里描述的物理過程的規(guī)律就和一個(gè)內(nèi)部存在一均勻引力場上的慣性系（地球表面）所描述的物理過程的規(guī)律完全等效。這樣就把運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理從慣性系推廣到非慣性系。等效原理思想實(shí)驗(yàn)示意圖

（2）廣義相對(duì)性原理指物理規(guī)律在一切參照系中都一樣。廣義相對(duì)性原理一般通過等效原理來理解。既然等效，那就是一切都一樣。

用等效原理解釋引力現(xiàn)象2.重要結(jié)論

（1）行星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)水星軌道的近日點(diǎn)不是固定的。即近日點(diǎn)隨著時(shí)間逐漸“前移”，在300萬年內(nèi)移動(dòng)一周。還有一個(gè)解釋不了的每世紀(jì)43弧秒的附加進(jìn)動(dòng)，稱為“異常進(jìn)動(dòng)”。愛因斯坦用廣義相對(duì)論產(chǎn)生的時(shí)空曲率（尺縮效應(yīng)），算出了這個(gè)異常進(jìn)動(dòng)值，正好是每世紀(jì)43弧秒。

之后，其他一些行星的這種近地點(diǎn)“異常”進(jìn)動(dòng)也被測量出了，它們的值也同樣與廣義相對(duì)論算出的值相吻合。水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)示意圖

（2）光譜線的引力頻移

一切物體在引力場附近時(shí)，都不可能走直線，因?yàn)橐Φ淖饔靡顾鼈兊能壍榔蛞υ?。根?jù)等效原理可以判斷，光在引力場中傳播時(shí)，也會(huì)有類似的現(xiàn)象。引力場的空間不是平直的，是彎曲的黎曼空間（尺縮效應(yīng)）。光線在引力場中的偏轉(zhuǎn)角經(jīng)過計(jì)算是1.7秒。

（3）光線在引力場中偏轉(zhuǎn)

光譜線引力頻移示意圖光線在引力場中偏轉(zhuǎn)示意圖1919年愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的觀測隊(duì)，5月29日，他們?cè)谖鞣堑钠樟治鞅葝u上拍攝了日全食時(shí)太陽附近的星空照片，然后與太陽不在這個(gè)天區(qū)時(shí)的星空照片相比較。發(fā)現(xiàn)太陽周圍那十幾顆星星，都向外偏轉(zhuǎn)了1.61±0.31〞,星光拐彎了。與愛丁頓同時(shí)觀測日全蝕的赴南美洲京市臘爾的遠(yuǎn)征隊(duì)克羅姆林拍的照片之中，有7張和愛丁頓的那一張是一致的。向外偏轉(zhuǎn)了1.98±0.12〞。

愛丁頓經(jīng)過反復(fù)計(jì)算、核對(duì)，排除一切誤差、干擾，最后他完全有把握認(rèn)為：日全蝕的觀測，精確地證實(shí)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

（二）廣義相對(duì)論在時(shí)空觀上的突破

愛因斯坦在廣義相對(duì)論中指出：在引力場中，空間的性質(zhì)不再服從歐幾里得幾何，而是遵循非歐幾何。這就是說，現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)空間不是平直的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決于物質(zhì)在空間中的分布狀況，物質(zhì)密度大的地方，引力場也大，空間的彎曲也較厲害。

由此可見，廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)空的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且取決于物質(zhì)的分布狀況，這與脫離物質(zhì)分布的絕對(duì)時(shí)空觀是絕然不同