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1、用心爱心专心高一高一物理物理相对论和天体物理相对论和天体物理鲁教版鲁教版【本讲教育信息本讲教育信息】一.教学内容：相对论和天体物理二.知识重点：1、理解经典力学的相对性原理，理解绝对时空观和迈克尔逊实验2、理解狭义相对论的两条基本原理，知道狭义相对论的几个主要推论3、了解广义相对论的基本假设和相应实验检验4、了解天体物理的相关知识5、了解量子力学的相关知识三.知识难点：1、伽利略变换和绝对时空观2、关于狭义相对论的基本假设的理解，延时效应，尺缩效应，相对论的速度叠加：3、惯性系、惯性力，质速关系、质能关系4、大爆炸宇宙模型的主要观点，黑洞，5、量子力学的相关知识，光子，光的波粒二向性相对论：相
2、对论：相对论速度长度缩短效应时间延缓效应“同时”的相对性狭义相对论的推论光速不变原理狭义相对性原理原理狭义相对论的两条基本狭义相对论莫雷实验迈克尔逊经典力学的速度叠加空间是绝对的时间是绝对的绝对时空观经典力学的相对性原理经典力学（一）经典力学的时空观1、经典力学相对性原理：（1）惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系（2）经典力学相对性原理：内容：力学规律在任何惯性系中都是相同的其他表述：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动2、绝对时空观在经典力学里，时间与空
3、间不会随参考系的不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的用心爱心专心（1）绝对时间：两个同时发生的事件，不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者，他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的某事件经历的时间不会因参考系不同而不同可见，“同时”是绝对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关（2）绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系(简称惯性系)，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在这就是绝对空间概念（3）经典力学的速度叠加原理：在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为V，在此
4、惯性系中有一物体速度为U，那么，此物体相对另一惯性系的速度是uVU3、迈克尔逊莫雷实验（近代物理学两朵乌云之一）“以太”是否存在?如果“以太”存在，我们就应该观测到地球相对于“以太”的速度V，迈克尔逊先把一束单色光巧妙地分成两束相互垂直的光：一束与V平行，一束与V垂直。再将这两束光叠加，产生干涉现象，根据不同情况下干涉条纹的变化，以判断地球是否相对“以太”运动。实验结果表明：光在任何方向传播时，相对于地球的速度是相同的，即“以太”根本不存在；光速是不变的。（二）狭义相对论1.狭义相对论的两条基本原理：（1）狭义相对性原理：物理规律(力学、电磁学、光学等)对于所有惯性系都具有相同的形式（2）光速
5、不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为f，与光源的运动和观测者的运动无关例1火箭以0.75c的速度离开地球，从火箭上向地球发射一个光信号火箭上测得光离开的速度是c，根据过去熟悉的速度合成法则，光到达地球时地球上测得的光速是多少?根据狭义相对性原理呢?解析：解析：根据过去熟悉的速度合成法则，光相对于地球的速度是：vc0.75c0.25c而根据狭义相对性原理，光速与光源、观测者之间的相对运动没有关系，光速仍为c。2.狭义相对论中的时间与空间（1）同时的相对性由光速不变原理的证明，首先对“同时”这个概念进行了研究：在一个惯性系中“同时”发生的两个事件，在另一个惯性系中可能是不同时的，即同时是
6、相对的，这时，同时的参考系原则要选在两个事件的中点，这很重要例2广州的一个人在听到收音机报时：“刚才最后一响是北京时间7点整”的时候，他在最后一响时，把表对到7点整，北京的钟和广州的钟是一致的吗?怎样才能使它们一致?解析：解析：广州的人听到报时声时，北京的钟已到达7点整一段时间了，所以不一致，北京的钟先到7点整要想两地的钟一致，必须在北京和广州的连线的中点报时，两“同时性”在狭义相对论中的理解由于光速不变，即光速在任何惯性系中都是相同的，那么当另一惯性系的速度能够和光速相比时，同时性就是相对的即在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中就不一定是同时发生的。（2）时钟延缓效应用心爱心专心时
7、间间隔的相对性是指一个物理过程经历的时间或两个事件之间的时间间隔，在不同的参考系中测量不一定相同。与之相对静止的参考系测得的时间最短，称为固有时，而与之相对运动的参考系测得的时间t与固有时t之间的关系为22cv1tt显然，tt这就是时间延缓效应，相对速度越大，时间延缓效应越明显。我们把这一结论形象地表述为运动的时钟变慢。由时间延缓效应可见，在狭义相对论中，时间不再是均匀地流逝，它与物体的运动状态有关，这说明，我们不能脱离物质的运动来理解时间，如果要回答某一物理过程经历的时间，必须首先指明参考系。时间延迟图象：例3人马星座a星是离太阳系最近的恒星，它距地球。设有一宇宙飞船m103.416往返于地
8、球和人马星座a星之间。若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？解：解：以地球上的时钟计算：9年；s1087.2s103999.0103.42vst8816若以飞船上的时钟计算：因为，2)c/v(1/tt所以得年4.0s1028.1s999.011087.2)c/v(1tt7282（3）尺缩效应长度缩短效应的推导：用心爱心专心在狭义相对论时空观中，长度也与观察者的运动状态有关。例如，在一辆以速度v做匀速直线运动的火车中，一位乘客在测量火车车厢的长度AB。他在A处用信号光源发出一个光信号，光信号达到B后立即返回到A，
9、他测得光信号往返一次用的时间是t，所以乘客认为车厢的长度为l02ct我们把l0叫固有长度，它是相对观察者静止时测得的长度。地面的观察者也用测量信号往返一次所用的时间来确定其长度。假设车厢长为l。光信号从A到达B所用的时间为t1，从B返回A所用的时间为t2。当光从A到达B时，车厢已经前进了vt1，当光从B返回A时，车厢又前进了vt2，于是从下图知l，l11tvtc22tvtc地面的观察者测得光信号往返一次所用的时间22212vcclvclvclttt即）（2212cvctl考虑到时钟变慢，消去tcltcvtt02221和得220112cvclt将t代入式得2201cvll由于，所以，表明地面的观
10、察者测得车厢的长度变短了，这就是长度1122cv0ll缩短效应。上式具有普遍意义，它说明运动的物体在运动方向上发生了收缩（图1）。物体的长度不再是绝对的，不同的观测者测得同一物体的长度值不一定相同。图2是发生长度缩短效应时，长度与速度的关系，被测物体相对观测者的速度越大，长度缩短效应越明显。长度是一个相对量，如果不指明参考系，我们不能回答物体的长度是多少。用心爱心专心图1尺缩效应的结论：在狭义相对论时空观中，长度也与观察者与物体的相对运动有关，不同的观察者测得的物体的长度值不一定相同，我们把在相对于物体静止的参考系中测得的物体的长度值称为固有长度。若一参考系在物体长度伸展方向上相对于物体运动，
11、在此参考系中测得的物体的长度l和固有长度l之间的关系为22cv1ll由于，说明固有长度最长，而在长度伸展方向上相对于物体运动的参考系中的观ll察者测得的物体的长度值比固有长度要短，我们说运动的物体在运动方向上长度发生了收缩，相对速度越大，收缩效应越明显。要注意长度收缩就发生在运动方向上，在与运动垂直的方向上没有这种效应，并且，长度收缩与物体的内部结构没有关系。由长度收缩效应可见，长度也是一个相对量，与物体的运动状态有关，如果不指明参考系，我们不能回答物体的长度是多少。长度随速度变化图象：图2长度缩短效应例4一观察者测得运动着的米尺为0.5m长，求此米尺以多大的速度移动。分析：分析：以观察者为一
12、参考系测得的长度为l，米尺为另一参考系，测得米尺的长度为l，应用公式，进行变形可解v。2cv1ll）（用心爱心专心解：解：根据公式，可得：2)cv(1ll22lllcv代入上式mlmlsmc5.01/100.38将得smcv/1060.2866.08（4）相对论的速度叠加：假设一列火车相对于地面以速度v飞快匀速行驶，车上一人沿火车前进方向以速度u相对于火车运动，若按经典力学的速度叠加规律，此人相对于地面的速度为uv。然而按爱因斯坦的计算，此人相对于地面的速度为2cvu1vuu该式即为一维情况下，狭义相对论的速度叠加公式。（1）当vc时，1vu/c21，相对论的速度叠加公式简化为经典力学的速度叠
13、加公式。（2）在低速世界，物体的运动可以用经典力学来描述；而在高速世界物体的运动必须用相对论描述。（3）在微观世界中，经典力学与相对论给出的结论相差很大，实验证实，相对论给出的结果是正确的。例5一粒子以0.05c的速率相对实验室参考系运动。此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同。求电子相对于实验室参考系的速度。解：解：已知v0.05c，0.8cxu由相对论速度叠加公式得vucc)vu(cvu1vuux22x2xxxc817.0c05.0c8.0cc)c05.0c8.0(u22x答案：答案：0.817c关于狭义相对论的总结：（1）通过相对论的诞
14、生过程，认识实验是检验物理知识正确与否的最终标准，相信逻辑的力量。（2）长度的相对性：ll2)cv(1时间间隔的相对性：2)cv(1tt用心爱心专心（3）由相对论速度变换公式知，当v和u很小时，就是我们传统的2cvu1vuuuuv，当uc时uc，从而证明了光速是速度的极限。（三）广义相对论1.广义相对论的基本原理（1）广义相对性原理在狭义相对性原理中，物理规律对于所有的惯性系都具有相同的形式，即所有惯性系都是平权的。若进一步追究，惯性系和非惯性系是否平权？不解决这个问题就不能摆脱牛顿的“绝对时空观”，所以爱因斯坦称上述相对性原理为狭义相对性原理，并把它推广到一切惯性系和非惯性系：在任何参考系（
15、包括非惯性系）中物理规律都是相同的。这就是广义相对性原理，是广义相对论的基本原理之一。（2）等效原理广义相对论的第二个原理是最著名的等效原理。爱因斯坦建立广义相对论时唯一的实验依据就是惯性质量和引力质量相等。惯性质量联系着惯性力，引力质量与引力gimm相联系。这样，非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。由于惯性质量与引力质量相等。在此参考系内既不受惯性力也不受引力，物体完全失重，此参考系和一个没有引力场，没有加速度的惯性系等效，可以使用狭义相对论的一切理论，任何物理实验都无法将二者区分开来。当然，我们也无法区分某参考系是在做加速运动，还是停
16、泊在某星球表面。概括起来说：匀加速参考系中的惯性力场和均匀力场不可区分，这就是等效原理，是广义相对论的又一基本原理。2.广义相对论的时空结构引力对时空的影响广义相对论允许在加速参考系中描述自然现象，加速参考系中出现的惯性力等效于引力。因此，引力的出现对时空的影响，也就等效于加速参考系中的时空结构。引力的存在对时空的影响可概括为：在引力场中，时钟变慢，引力越强，时钟变慢越甚，这就是引力的存在对时间的影响。引力的存在会使空间变形，在引力方向上，空间间隔不变，在与引力垂直的方向上，空间间隔变短（直尺变短），发生了弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显，这就是引力的存在对空间的影响。3.质速关系：220cv1mm为静止质量，M为惯性质量0M4.质能关系：2mcE2mcE用心爱心专心时间、空间与物质的运动和分布密切相关。5.广义相对论的实验检验：（1）引力红移：广义相对论证明，引力势低的地方固有时间的流逝速度慢，也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，在光谱中向红光方向移动，称为引力红移。（2）光线偏折：当遥远的恒星发出的光经过太阳表面
