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1、相对论知识简介,一、经典的相对性原理,1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 2、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为：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；或者说，任何惯性系都是平权的。,牛顿的伽利略相对性原理是作为基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认，一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。,但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现在电磁现象的规律不符合相对性原理,其中最典型的就是光速的问
2、题,光速恒定的特性，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？,但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的,v,光速,光速,这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。 可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.,任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值,当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能： （1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。 （2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成
3、立。 （3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。,二、相对性原理与电磁规律,19世纪后半叶和20世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做以太的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立今天看来，以太是某一特殊参考系的代表麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太,麦克尔逊莫雷实验,上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一是修正现有的理论，去迎合实验结果（这相对比较容易，但常常无效）； 另一种主张彻底摆脱“麦
4、克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者并提出了两个假设：,三、狭义相对论的两个基本假设,1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。,就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论,狭义相对论的结论,在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论,一、“同时”的相对性,狭
5、义相对论的结论,车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的 车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁 站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁,二、长度的相对性,v,车上的人看到的车厢的长度：,车外的人看到的车厢的长度：,注意： 长度缩短效应只发生在相对运动的方向上 如上例中的 X 轴方向上，在Y 轴方向上无长度缩短效应,动尺变短（空间收缩效应）,结论 一条沿自身长度方向运动的杆， 其长度总比杆静止时的长度小,斐克小伙剑术精， 出刺迅捷如流星， 由于空间收缩性， 长剑变成小铁钉.,三、时间间隔的相对性,在站台上看运动火车上的钟,在火车上看运动站台上的钟,高速运行的列车上
6、，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的,由光速不变原理便得到不同的时间间隔,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,h,时空相对性的实验验证,根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢,1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证,早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中子的数量，结果与相对论预言完全一致,当两个参考系
7、的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显,狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一,牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。,相对论的时空观,三、相对论的速度变换公式,地面上的人看到车上人相对地面的速度为：,车对地的速度为v，人对车的速度为u/,如果车上人运动方向与火车运动方向相反
8、，则u取负值,课本P115思考与讨论,物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量是否随着速度而变化？,严格的论证表明，物体高速（与光速相比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：,m为运动质量 m0为静止质量,四、相对论质量,微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于静止质量在研究制造回旋加速器时必须考虑相对论效应的影响,1988年，中国第一座高能粒子加速器北京正负电子对撞机首次对撞成功,物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：,这就是著名的爱因斯坦质能方程,五、质能方程,质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间的关系.,物体的动能,运动时的能量,静止时的能量,在v c时的一
9、种近似 这就是动能表达式,具体推导过程如下：,这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也能让我们看出，牛顿力学是相对论力学在低速情况下的特例,如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系,在不同参考系中观察物体的运动情况,非惯性系和惯性系,广义相对论简介,非惯性系和惯性系,以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相对于车厢加速向后运动,非惯性系和惯性系,加速运动的列车是个非惯性参考系,为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立，引入惯性力,光滑表面,非惯性系和惯性系,牛顿第二定律的表达式,惯性力的定义式,“”号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方
10、向相反,注意不要混淆,非惯性系和惯性系,以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重,21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，可以将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度，因此，以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力，这就是所谓的人造重力,非惯性系和惯性系,惯性质量和引力质量,地面静止,加速飞行,引力和惯性力都可以使物体加速下落,引力质量,惯性质量,惯性质量和引力质量,事实上，到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之
11、间的差别，这向我们提示：加速运动的参考系和万有引力，二者之间可能存在某种深刻的联系,广义相对论简介,狭义相对论,广义相对论,不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的,任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的,真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的,一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价,更进一步,等效原理,光速恒定,爱因斯坦相对性原理,广义相对性原理,广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论,广义相对论简介,广义相对论简介,在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线,半透明屏,光源,等效原理,物体的引力能使光线弯
12、曲,假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响,广义相对论简介,通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲,太阳,由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候,1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实,广义相对论简介,星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应,星体,星体,无法观测,黑洞,宇宙中很可能存在黑洞，它不辐射电磁波，因此无法直接观测，但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引
13、力场，引力透镜是探索黑洞的途径之一,时间间隔与引力场有关,引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别,对于高速转动的圆盘，除了转动轴的位置外，各点都在做加速运动，越是靠近边缘，加速度越大，方向指向盘心,地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的时间进程较慢,圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘，引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢,各类星体对比,宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，哪里的发光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移,时间间隔与引力场有关
14、,引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别,地面上看到：越是靠近边缘，速度越大根据狭义相对论，靠近边缘部位的杆的长度较短,圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短,杆的长度与引力场有关,引力势由高到低变化,杆的长度与引力场有关,由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了“弯曲”：,点击观看,对于时空观的认识,物质本身的存在决定时空的性质,时空性质和物质的运动有关,狭义相对论,广义相对论,惯性系平权,所有参考系平权,时空观,光速恒定,等效原理,广义相对论与几何学,几何学反应的是人对空间关系的认识有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场这种情况下空间的弯曲可以忽略，在此基础上人类发展了欧几里得几何学，它反映了平直空间的实际广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的，因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何 作为非欧几何的特例，欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的，还将继续发挥作用,
