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1、15 相对论简介,物理选修3-4,谷城一中 郑大江,引言,经典力学的适用范围： 1.低速； 2.宏观； 3.弱引力。,认真领会爱因斯坦“和谐性、完备性”的物理思想。,15.1 相对论的诞生,伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。,1.何为惯性系？ 2.经典力学的定义在近代物理中还适用吗？,牛顿定律 伽利略变换 相对性原理,经典力学,绝对静止的参考系,无法验证,彼此和谐,试验,麦克斯韦的电磁理论,存在电磁波,不同惯性系中沿各个方面传播速度均为c,矛盾,以太系,失败,不同惯性系中传播速度不同,麦克斯韦电磁理论、伽利略变换、相对性原理尖锐的不和谐！,19世纪末,麦克斯韦方程组,伽利略变
2、换,迈克耳孙-莫雷实验,狭义相对论的两个基本假设,2.光速不变原理：真空中光速在不同的惯性参考系中都是相同的。,1.狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。（伽利略相对性原理的推广）,15.2 时间和空间的相对性,“同地”的相对性 啊哈！ 很容易理解,“同时”的相对性 _? 有点儿糊涂,? 在系看来两个事件发生在同一位置呢？,在系中同时发生的两个事件，在系看来是位置在前方（ 系相对系的运动方向）的事件先发生。,结论：,长度的相对性,公式：,（或“动杆变短”）,l0:固有长度、静止长度、正确长度【静止参考系】 l: 坐标长度、运动长度【运动参考系】,? 在平行运动方向上和垂
3、直运动方向上“动 杆变短”都成立吗？,例：火车过山洞；嫦娥身材的变化（腰围和身高）；圆周率等于吗？,小结1,动杆缩短不是一种物质过程，而是同时的相对性带来的时空属性。不仅运动的杆缩短、 空间任意两点之间的距离也会因运动而缩短，动杆缩短效应与物体内部结构无关， 不存在使动杆缩短的神秘因素。,时间间隔的相对性,（或“动钟变缓”或“时间膨胀”）,公式：,：固有时间【静止参考系】 t： 坐标时间【运动参考系】,高度为h的小车以速度v沿着水平地面向右运动，车底板上有一闪光光源A垂直底板向上发光，顶板有一水平反光镜M,将光反射回光源A。,系：小车,系：地面,【系】,【 系】,故，有,【物理过程】分别以地面
4、和小车为参考系讨论闪光从A发出，再经M反射回A所需时间。,例：双生子佯谬；西游记中“天上一日，地下一年”；子穿越大气层（从两个角度分析）。,小结2,局限于惯性系时，时间膨胀是相对效应，它是同时的相对性带来的时空属性，并不存在致使时间膨胀的神秘因素。,? 非惯性系如何？,时空观,经典物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间与时间之间也是没有联系的。,相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关。,15.3 狭义相对论的其他结论,速度叠加公式,说明： 1.u 物体A相对参考系C的速度； u 物体A相对参考系B速度 ；v 参考系B相对参考系C的速度。 2.取v为正方向，u与v方向相同时，u
5、取正值；反之， u取负值；其他情况不适用。,质量-速度关系式,质量-能量关系式（质能方程）,m0：静止质量【静止参考系】 m： 运动质量【运动参考系】,相对论动能,物体运动时的能量E和静止时的能量E0之差就是物体的动能Ek,能量-动量关系式,当m0=0时，E=cp。如光子。,15.4 广义相对论简介,狭义相对论的困惑,2.万有引力理论无法纳入狭义相对论框架。,1.惯性参考系;,广义相对论的两个基本假设,广义相对性原理,等效原理,广义相对性原理在任何参考系中，物理规律都是相同的。,等效原理一个均匀的引力场与一个匀加速运动的参考系（惯性场）等价。,【拓展】引力质量和惯性质量相等。,广义相对论的时空结构,1.引力的存在对时间的影响在引力场中，时间进程（时钟）变慢；引力越强，时间进程（时钟）变慢越多。2.引力的存在对空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，发生弯曲，引力越强的地方，这种效应越明显。,广义相对论的实验检验,1.引力使光线弯曲； 2.引力红移； 3.水星轨道近日点的进动。 4.雷达回波延迟。,谢谢大家！,
