《高中物理竞赛-相对论浅涉》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理竞赛-相对论浅涉（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大自然及其法则在黑暗中隐藏大自然及其法则在黑暗中隐藏;上帝说上帝说:“派派牛顿去吧牛顿去吧!”于是于是,一切豁然开朗。一切豁然开朗。但这并不久长。但这并不久长。魔鬼大喝一声：派爱因斯坦去！魔鬼大喝一声：派爱因斯坦去！于是，一切恢复原样。于是，一切恢复原样。为描述物体的机械运动所取的参考系，根据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牛顿运动定律是否适用而分别称作惯性参考系惯性参考系与与非惯性参考系非惯性参考系:伽利略通过实验指出：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，一切彼此相对做匀速直线运动的惯性参考系，对于对于描写运动的力学规律描写运动的力
2、学规律是完全等价的，任何是完全等价的，任何力学实验都不可能确定某个惯性系是否力学实验都不可能确定某个惯性系是否“绝对绝对静止静止”飞镖速度飞镖速度是是70m/s飞镖速度飞镖速度是是20m/sF=ma 任何不做加速运动的任何不做加速运动的观察者都观察到同样的力观察者都观察到同样的力学规律！学规律！苹果下落加苹果下落加速度是速度是g 任何不做加速运动的观察者都观察到同样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何实验都不能确定系统是静止的还是运动的感应圈感应圈光的速度是光的速度是2.25
3、108m/s耶耶光是静止的光是静止的?太荒谬了太荒谬了光的速度是光的速度是3108m/s光速不变原理：光速不变原理：相对性原理：相对性原理：在不同的惯性参考系中，在不同的惯性参考系中，一切物理规律一切物理规律都都是相同的是相同的 在彼此相对做匀速直线运动的任一惯性参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物理学家把建立在两条原理基础上的一系列理论叫做示例示例构架构架 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以太风以太风SMB超
4、新星刚爆发时超新星刚爆发时,光信号源获得向光信号源获得向外速度外速度v!“至和元年五月巳丑至和元年五月巳丑,出出天关东南可数寸天关东南可数寸,岁余稍没岁余稍没.”说的是我国北宋至和元说的是我国北宋至和元年观测到一颗超新星爆发，年观测到一颗超新星爆发，肉眼白日可见，约肉眼白日可见，约2个月后个月后光度减半光度减半,一年余用肉眼完一年余用肉眼完全看不见根据现代的观测全看不见根据现代的观测资料，这超新星遗迹即今金资料，这超新星遗迹即今金牛座中的蟹状星云，其到地牛座中的蟹状星云，其到地球的距离为球的距离为L=5000光年，光年，爆发是匀速球状膨胀，向外爆发是匀速球状膨胀，向外膨胀的平均速率约膨胀的平均
5、速率约 510-3光光年年/年如果光速与光源运年如果光速与光源运动速度有关，则在刚爆发后，动速度有关，则在刚爆发后，地球上白天能用肉眼看到它地球上白天能用肉眼看到它的时间有多长？的时间有多长？由伽俐略的相对性由伽俐略的相对性: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各信号到达地球先后间隔与史料记载不符与史料记载不符1966年做过的实验年做过的实验:一个以一个以0.99975c运动的运动的0介子发生衰变向介子发生衰变向前和向后各辐射一个光子：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精确实验测得，向前、向后
6、运动的光子速度都仍是都仍是c.返回返回相对性原理相对性原理光速不变原理光速不变原理时间的相对性空间的相对性速度的相对性质量的相对性质量能量等当 设有两个事件，在一个参考系中同时设有两个事件，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，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是随着参考系的选择而改变的小因小因:闪光闪光先到后壁先到后壁小爱小爱:闪闪光同时到光同时到达达事件事件A A闪光照到后壁闪光照到后壁事件事件B B闪光照到前壁闪光
7、照到前壁0.8cA先开枪先开枪同时开同时开枪枪事件事件A A后壁人开枪后壁人开枪事件事件B B前壁人开枪前壁人开枪0.8cPQ地面上地面上P、Q两处同时发生两个事件两处同时发生两个事件同时发同时发生生Q事件事件先发生噢先发生噢飞船上飞船上的人观察到什么？的人观察到什么？表示两事件发生的两闪光相遇在表示两事件发生的两闪光相遇在P、Q中点中点PQ飞船系统上飞船系统上P、Q两处同时发生两个事件两处同时发生两个事件同时发同时发生生地面上地面上的人观察到了什么？的人观察到了什么？PQ嗯嗯!P事件事件先发生先发生同时发同时发生生本题正确选项为本题正确选项为D D本题正确选项为本题正确选项为A A 下列关于
8、光在真空中的速度的说法中正确的是下列关于光在真空中的速度的说法中正确的是 A.运动方向与光传播方向一致的参考系中光速大运动方向与光传播方向一致的参考系中光速大 B.光源移动方向与光传播方向一致时光速增大光源移动方向与光传播方向一致时光速增大 C.只有在特定的参照系中，光速才是确定的只有在特定的参照系中，光速才是确定的 D.不论光源或观察者怎样运动，光速总是一个恒量不论光源或观察者怎样运动，光速总是一个恒量 一列车笔直地高速驶进车站，车上一位乘客发一列车笔直地高速驶进车站，车上一位乘客发现车站进口与出口的两只大钟都指在现车站进口与出口的两只大钟都指在12点，那么，站台上的点，那么，站台上的观察者
9、发现观察者发现 A.进口大钟指进口大钟指12点时，出口大钟未到点时，出口大钟未到12点点 B.进口大钟指进口大钟指12点时，出口大钟已过点时，出口大钟已过12点点 C.进口大钟指进口大钟指12点时，出口大钟也指点时，出口大钟也指12点点 D.进口大钟未到进口大钟未到12点，出口大钟已指点，出口大钟已指12点点 如如图图所所示示的的一一长长列列爱爱因因斯斯坦坦火火车车，有有两两个个雷雷电电各各照照到到列列车车的的两两端端，在在AB中中点点的的地地面面观观察察者者看看到到车车头头车车尾尾两两个个闪闪电电是是同同时时的的，处处在在车车内内中中点点处处的的观察者先看到哪个电光观察者先看到哪个电光?两个
10、闪电同时发生两个闪电同时发生B闪电先发生闪电先发生爱因斯坦骑着一根光线爱因斯坦骑着一根光线,一面镜子持在他手中一面镜子持在他手中,镜子里他看不到自己飞行中的面孔镜子里他看不到自己飞行中的面孔,这个原因我现在已懂这个原因我现在已懂.因为镜子也以光速运动因为镜子也以光速运动,因此永远到不了镜子因此永远到不了镜子,他的尊容他的尊容.相对论认为，从对于发生事件的地点做相对相对论认为，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：若在坐标系中所测得的时间来得长：若在K系中某处系中某处发生的事件经历的时间为发生的事
11、件经历的时间为t，则从相对，则从相对K系以系以v匀匀速运动的速运动的K系中测得该事件经历的时间系中测得该事件经历的时间间隔时间间隔时间 t事件事件A A闪光从下发出闪光从下发出事件事件B B闪光回到原处闪光回到原处事件发生在以速度事件发生在以速度v运动的运动的车厢里车厢里间隔间隔时间时间0.6c羊的寿命羊的寿命12个月个月猪的寿命猪的寿命15个月个月猪的寿命猪的寿命12个月个月羊的寿命羊的寿命15个月个月 假设假设:小因和小爱同时出生小因和小爱同时出生,他们的寿命都他们的寿命都 有有80年年,他们毕生都以他们毕生都以0.745c的速度相对运动的速度相对运动.当当 小爱看到自己是小爱看到自己是6
12、0岁时岁时,他看到小因是多少他看到小因是多少(小爱小爱)岁岁?当当 小因看到自己是小因看到自己是45岁时岁时,他看到小爱是多少他看到小爱是多少(小因小因)岁岁?小爱的孙子观察到小爱活了多少岁小爱的孙子观察到小爱活了多少岁?小爱的孙子观察到小因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因活了多少岁?小因的孙子观察到小爱活了多少岁小因的孙子观察到小爱活了多少岁?假设假设:小因和小爱同时出生在地球小因和小爱同时出生在地球,小因乘飞船小因乘飞船以以0.745c的速度做太空旅行的速度做太空旅行.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的一年相当
13、于自己的多少年?小爱观察到小因旅行用了小爱观察到小因旅行用了60年年,小因回到地球时小因回到地球时,小爱大小爱大了了 岁岁;小爱观察到小因大了小爱观察到小因大了 岁岁?小因观察小因观察到自己大了到自己大了 岁岁;小爱大了小爱大了 岁岁?假设你的母亲假设你的母亲30岁时以岁时以0.999C离开地球到离开地球到26光光年远的织女星呆了年远的织女星呆了3年返回年返回,你母亲离开时你你母亲离开时你5岁岁.你母亲回来时你将是多少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在旅途中老了多少岁?你母亲回来时年龄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你能在自己的一生中完成到
14、离地球200光年的遥远星球光年的遥远星球的往返旅行吗的往返旅行吗?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子是静止时的寿命为t=2.210-6s.据报道，在一次高据报道，在一次高能加速器实验中，能加速器实验中，子的运动速度为子的运动速度为v=0.9966c，则它从，则它从产生到湮灭的一生所通过的路程为产生到湮灭的一生所通过的路程为 A.约约660m B.约约800m C.约约6600m D.约约8000m 示例示例 对对子所在参照系子所在参照系,子通过的路程是子通过的路程是在实验参照系中，在实验参照系中，测得测得子的寿
15、命为子的寿命为 子一生所通过的路程为子一生所通过的路程为 在教师的参照系里在教师的参照系里,“你们的时间你们的时间”是老师在自己参是老师在自己参考系里观察的考系里观察的“静止的钟静止的钟”的时间：的时间：在学生的参照系里在学生的参照系里,“你们的时间你们的时间”是学生观察教师参考是学生观察教师参考系系“运动的钟运动的钟”，故，故 教师给了学生教师给了学生50 min（按教师的手表）准备回答（按教师的手表）准备回答问题设教师和学生做相对运动，其速度为问题设教师和学生做相对运动，其速度为0.98c当教师对学当教师对学生说生说“你们的时间到了你们的时间到了”时，学生认为教师的表过了多长时间时，学生认
16、为教师的表过了多长时间？相对于两极，赤道以每日相对于两极，赤道以每日2R的速度匀速运动，如的速度匀速运动，如果赤道那只钟测得时间过了果赤道那只钟测得时间过了t=50亿年，则两极上的钟亿年，则两极上的钟指示的岁月流逝指示的岁月流逝 爱因斯坦在他爱因斯坦在他1905年创立狭义相对论的论文中年创立狭义相对论的论文中说：说：“一个在地球赤道上的钟，比起放在两极的一只性能上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，在别的条件相同的情况下，它要走得慢完全相同的钟来，在别的条件相同的情况下，它要走得慢”地球从形成到现在约地球从形成到现在约50亿年，假定地球形成时就有爱因斯亿年，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？地球半径多少？地球半径R取取6378 km 专题专题26-例例3 地球上的观察者看到太阳钟比地球钟走得慢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比一
