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1、相对论浅涉,更高更妙的物理之,大自然及其法则在黑暗中隐藏; 上帝说:“派牛顿去吧!” 于是,一切豁然开朗。,但这并不久长。 魔鬼大喝一声：派爱因斯坦去！ 于是，一切恢复原样。,伽俐略的相对性,为描述物体的机械运动所取的参考系，根据牛顿运动定律是否适用而分别称作惯性参考系与非惯性参考系:,伽利略通过实验指出： 一切彼此相对做匀速直线运动的惯性参考系，对于描写运动的力学规律是完全等价的，任何力学实验都不可能确定某个惯性系是否“绝对静止”,伽俐略相对性,飞镖速度是70m/s,飞镖速度是20m/s,伽俐略相对性,F=ma,任何不做加速运动的观察者都观察到同样的力学规律！,爱因斯坦相对性,苹果下落加速度
2、是g,任何不做加速运动的观察者都观察到同样的自然规律，在速度不变的封闭系统内做的任何实验都不能确定系统是静止的还是运动的,光的速度是2.25108m/s耶,光是静止的?太荒谬了,光的速度是3108m/s,光速不变原理：,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,在彼此相对做匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相等的,物理学家把建立在两条原理基础上的一系列理论叫做,狭义相对论,狭义相对论的两条基本原理,示例,构架,例证:迈克耳逊实验,这个实验是为了观察绝对静止的以太中的光干涉图样而设计的,M,B,例证:观察超新星爆发,超新星刚爆发时,光信号源获得向外速度v!,“至和
3、元年五月巳丑,出天关东南可数寸,岁余稍没.”说的是我国北宋至和元年观测到一颗超新星爆发，肉眼白日可见，约2个月后光度减半,一年余用肉眼完全看不见根据现代的观测资料，这超新星遗迹即今金牛座中的蟹状星云，其到地球的距离为L=5000光年，爆发是匀速球状膨胀，向外膨胀的平均速率约 510-3光年/年如果光速与光源运动速度有关，则在刚爆发后，地球上白天能用肉眼看到它的时间有多长？,由伽俐略的相对性:,向着地球膨胀的信号向地球的最大速度为 c+v,背着地球膨胀的信号向地球的最小速度为 c-v,各信号到达地球先后间隔,与史料记载不符,例证:亚原子辐射,1966年做过的实验:,一个以0.99975c运动的0
4、介子发生衰变向前和向后各辐射一个光子：,精确实验测得，向前、向后运动的光子速度都仍是c.,返回,狭义相对论,狭义相对论的时空观,同时的相对性,设有两个事件，在一个参考系中同时发生在两个不同地点，而在另一个参考系中，观察者却测得这两个事件发生的时刻并不相同，同时的概念是相对的，是随着参考系的选择而改变的,小因:闪光先到后壁,小爱:闪光同时到达,事件A闪光照到后壁,事件B闪光照到前壁,0.8c,A先开枪,同时开枪,事件A后壁人开枪,事件B前壁人开枪,0.8c,地面上P、Q两处同时发生两个事件,同时发生,Q事件先发生噢,飞船上的人观察到什么？,表示两事件发生的两闪光相遇在P、Q中点,飞船系统上P、Q
5、两处同时发生两个事件,同时发生,地面上的人观察到了什么？,嗯!P事件先发生,同时发生,本题正确选项为D,本题正确选项为A,两个闪电同时发生,B闪电先发生,爱因斯坦骑着一根光线, 一面镜子持在他手中, 镜子里他看不到自己飞行中的面孔, 这个原因我现在已懂. 因为镜子也以光速运动, 因此永远到不了镜子,他的尊容.,爱因斯坦的飞马,时间间隔的相对性,相对论认为，从对于发生事件的地点做相对运动的坐标系中所测得的时间要比从相对静止的坐标系中所测得的时间来得长：若在K系中某处发生的事件经历的时间为t，则从相对K系以v匀速运动的K系中测得该事件经历的时间,钟慢效应,时间是人们用钟测量出来的物理量,间隔时间t
6、,事件A闪光从下发出,事件B闪光回到原处,事件发生在以速度v运动的车厢里,间隔时间,羊的寿命12个月 猪的寿命15个月,猪的寿命12个月 羊的寿命15个月,孰错孰对？,考察小因和小爱的寿命长度,假设:小因和小爱同时出生,他们的寿命都 有80年,他们毕生都以0.745c的速度相对运动.,当 小爱看到自己是60岁时,他看到小因是多少(小爱)岁?,当 小因看到自己是45岁时,他看到小爱是多少(小因)岁?, 小爱的孙子观察到小爱活了多少岁?, 小爱的孙子观察到小因活了多少岁?,小因的孙子观察到小因活了多少岁?,小因的孙子观察到小爱活了多少岁?,假设:小因和小爱同时出生在地球,小因乘飞船以0.745c的
7、速度做太空旅行., 小爱观察到小因的一年相当于自己的多少年?, 小爱观察到小因旅行用了60年,小因回到地球时,小爱大 了 岁;小爱观察到小因大了 岁?小因观察 到自己大了 岁;小爱大了 岁?,假设你的母亲30岁时以0.999C离开地球到26光年远的织女星呆了3年返回,你母亲离开时你5岁., 你母亲回来时你将是多少岁?, 你母亲在旅途中老了多少岁?, 你母亲回来时年龄多少岁?, 你能在自己的一生中完成到离地球200光年的遥远星球的往返旅行吗?, 你母亲能在你出生后离开地球并在你出生前回到地球吗?,子是静止时的寿命为t=2.210-6s.据报道，在一次高能加速器实验中， 子的运动速度为v=0.99
8、66c，则它从产生到湮灭的一生所通过的路程为 A. 约660m B.约800m C.约6600m D. 约8000m,示例,对子所在参照系, 子通过的路程是,在实验参照系中， 测得子的寿命为,子一生所通过的路程为,在教师的参照系里,“你们的时间”是老师在自己参考系里观察的“静止的钟”的时间：,在学生的参照系里,“你们的时间”是学生观察教师参考系“运动的钟”，故,相对于两极，赤道以每日2R的速度匀速运动，如果赤道那只钟测得时间过了t=50亿年，则两极上的钟指示的岁月流逝,爱因斯坦在他1905年创立狭义相对论的论文中说：“一个在地球赤道上的钟，比起放在两极的一只性能上完全相同的钟来，在别的条件相同
9、的情况下，它要走得慢”地球从形成到现在约50亿年，假定地球形成时就有爱因斯坦说的那样两个钟，两钟记录下的两极与赤道的年龄之差是多少？地球半径R取6378 km,专题26-例3,地球上的观察者看到太阳钟比地球钟走得慢,按上题中同样道理，一个在地球上的钟，要比一个性能完全相同、所处条件也完全相同的设想放在太阳上的钟略为快些还是慢些？设太阳年龄为50亿年，地球公转的平均速率为29.76 km/s，则地球年龄比太阳相差多少年？,小试身手题1,地球上的观察者认为宇航员飞行时间为,宇航员从地球起飞时，打算用他生命的0.43年到达半人马星，根据地球上的测量，该星到地球的距离为4.3光年，试问宇航员应以多大速
10、度航行？（速度以光速c为单位）,相对论练习5,狭义相对论,空间的相对性,在从对于物体有相对速度v的坐标系中所测得的沿速度方向的物体的长度l，总是比在与物体相对静止的坐标系中测得的长度l短：,垂直于相对速度v方向的长度则不变,尺缩效应,空间长度是人们测量出来的物理量,这根杆长L,事件A杆左端读数,事件B杆右端读数,观察者同时读出两端读数得杆长,这根杆长 L,桌长L,桌子固定在以速度v相对地面运动的车厢,桌长L,小因测得运动的桌子长,小爱测得静止的桌子长,汤普斯金先生来到一座光速为20km/s的梦中城市,本题正确选项为B,有一根杆子，静止时它的长度超过门的宽度，因此横着拿不进门，如图(甲)现使杆在
11、门前沿杆长方向运动，在门的参考系看，如图（乙）；在杆的参考系看，如图（丙）下列说法正确的是 A. 无论怎样杆横着总拿不进门 B. 乙情况可以拿进门，因为杆缩短了 C. 丙情况可以拿进门，因为杆缩短了 D. 丙情况可以拿进门，因为门变宽了,相对论练习6,对车上观察者,广告牌以0.6c高速运动，运动方向尺寸“缩短”,本题正确选项为D,一张宣传画5 m见方，平行贴于铁路旁广告牌，一高速列车以0.6c速度驶过，在司机看来，宣传画的尺寸是 A. 5 m5 m的正方形 B. 4 m4 m的正方形 C. 6.25m5 m的长方形 D. 4m5 m的长方形,相对论练习7,对车上观察者,所见轮为一圆,其方程为,
12、对地面观察者,在运动方向上轮的尺寸“缩短”,对地面观察者,在垂直运动方向上轮的尺寸不变,一辆车轮半径为R的“汽车”以接近光速的恒定速度v相对于地面沿直线运动一个相对于地面静止的观察者所看到的汽车车轮形状是什么样的？并加以证明,相对论练习8,在K系中观察K系中两事件的时间间隔变长：,在K系中观察两事件的位置距离为：,在实验室参考系测得+介子的寿命是,+介子衰变前的路程是,+介子参照系观察的路程,介子是一不稳定粒子，平均寿命是2.610-8s（在它自己参考系中测得）如果此粒子相对于实验室以0.8c的速度运动，则 介子寿命的实验室测得值是多长？ 介子在衰变前运动了多长距离？,小试身手题4,设火箭速度
13、为v,则有,火箭应以_c的速度相对于观察者运动，才能使它的长度变成它静止时的90%？,相对论练习10,一个“光钟”由一个处于S平面的点光源A和与S面平行、相距为l0的平面镜M组成与这个光钟相对静止的参考系中，一个“滴答”的时间即闪光从A到达M再反射回A的时间是 假如这光钟安装在一个以v快速运动的车上，地面观察者看到闪光从A沿垂直于v方向到达M再反射回A，如图甲，车上观察者则看到闪光从A沿斜线到达M再反射到S平面上的B，如图乙，求车上观察者测出闪光一个“滴答”的时间；又，若方向改变90安装光钟，如图丙，这时地面观察者测得A与平面镜M的距离是多少？一个“滴答”的时间是多少？,求车上观察者测出闪光一
14、个“滴答”的时间;,与平面镜M的距离是多少？,小试身手题2,地面观察者观察光钟,看到闪光时间,地面观察者测出A平面镜M的距离变短是,地面观察者测出光钟变慢,一个滴答的时间是,车上观察者观察光钟看到闪光时间,或者在车参考系中,返回题文,地面(S1系)观察者看到运动的火车缩短到与静止的隧道一样长:,火车上(S2系)观察者测出运动的隧道缩短,设:从前端对齐(A2A1)到后端对齐(B2B1)经时间t,则有,已知隧道A1B1的长度为L1，火车A2B2的静长为L2，L2L1(1)如图所示，设火车A2B2以匀速率v驶进隧道，使得地面S1系中的观察者发现A2与A1相遇时，B2与B1也相遇试求v值；(2)引入随
15、火车一起运动的惯性系S2，在S2系中的观察者必定认为A2与A1先相遇，尔后B2与B1相遇试求其间的时间间隔t2,小试身手题6,专题26-例4,一艘宇宙飞船以0.8c的速度于中午飞经地球，此时飞船上和地球上的观察者都把自己的时钟拨到12点按飞船上的时钟于午后12点30分飞经一星际宇航站，该站相对于地球固定，其时钟指示的是地球时间试问按宇航站的时钟飞船何时到达该站？试问按地球上的坐标测量，宇航站离地球多远？于飞船时间午后12点30分从飞船向地球发送无线电信号，试问地球上的观察者何时（按地球时间）接到信号？若地球上的观察者在接收到信号后立即发出回答信号，试问飞船何时（按飞船时间）接收到回答信号？,2.,3.,4.,飞船观察者观察飞船时钟时间间隔30min,则宇航站观察者认为飞船钟慢,地球观察者观察飞船发生的位移为,飞船发信号时地球时间12:50, 地球观察者认为信号传播时间为,地球观察者接收到信号的地球时间为下午1:30,设地球观察者测得回答信号传播时间为t2,则,从飞船发信号(飞船钟12:30)到收到回答信号经地球时间为400min,飞船时间设为t,有,返回题文,按宇航站的时钟飞船12:50 经过该宇航站,或设飞船观察者测得发、收信号经时
