高二物理时间和空间的相对性狭义相对论的其他结论广义相对论简介.ppt

时间和空间的相对性,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。,同时是相对的,一、“同时”的相对性,一、“同时”的相对性,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。,一、“同时”的相对性,【思考与讨论】,（课本P99）,【思考与讨论】,1. 对于运动的火车上同时发生的两个事 件，对于地面就不是同时的。 关键：在各个参考系中光速都为c 2. 地面上同时发生的两个事件，对于运 动的火车也不是同时的。 关键：相对运动,（课本P99）,【结论】,二、长度的相对性,二、长度的相对性,车上的人测得杆的长度：,地面的人测得杆的长度：,二、长度的相对性,车上的人测得杆的长度：,地面的人测得杆的长度：,动尺变短（空间收缩效应）,【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，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。,高速运行的列车上，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。,对于车厢内的人：,对于车厢内的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,相对速度与动钟延缓效应（ =1s）,v（米/秒） 0.1c=3×107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c,T（秒） 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50,四、时空相对性的实验验证,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 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。,五、相对论的时空观,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。,一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的。 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 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。,小 结,一、“同时”是相对的 二、长度的相对性 三、时间间隔的相对性,狭义相对论的其他结论,一、狭义相对论的两点假设：,复 习,一、狭义相对论的两点假设： 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。,复 习,二、由狭义相对论推出的几个结论 1. “同时”的相对性 2. 动尺变短 3. 动钟变慢,一、相对论的速度变换公式,车对地的速度为v，人对车的速度为u,地面上的人看到车上人相对 地面的速度为：,v,一、相对论的速度变换公式,车对地的速度为v，人对车的速度为u,地面上的人看到车上人相对 地面的速度为：,v,如果车上人运动方向与火车运动方向相 反，则u取负值。,【思考与讨论】,（课本P105）,二、相对论质量,二、相对论质量,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？,二、相对论质量,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：,二、相对论质量,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：,二、相对论质量,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,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,三、质能方程,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。,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。,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。,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。,静止时的能量,运动时的能量,物体的动能,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。,静止时的能量,运动时的能量,物体的动能,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。,静止时的能量,运动时的能量,物体的动能,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。,静止时的能量,运动时的能量,物体的动能,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。,在 v c 时的一种 近似这就是动能表达式,静止时的能量,运动时的能量,物体的动能,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。,【思考与讨论】,（课本P106）,广义相对论简介,一、超越狭义相对论的思考,爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题:,一、超越狭义相对论的思考,爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题: 1. 引力问题 万有引力定律无法纳入狭义相对论的理论 框架;,一、超越狭义相对论的思考,爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两个问题: 1. 引力问题 万有引力定律无法纳入狭义相对论的理论 框架; 2. 非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性 系具有这样的地位？狭义相对论无法解释,二、广义相对性原理和等效原理,二、广义相对性原理和等效原理,1. 广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。,二、广义相对性原理和等效原理,1. 广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。,伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系都是相同的,二、广义相对性原理和等效原理,1. 广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。,伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系都是相同的,爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的;,二、广义相对性原理和等效原理,1. 广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。,伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系都是相同的,爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都有是相同的;,在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律都是 相同的，称为广义相对性原理。,爱因斯坦广义相对论原理（1916年）,2. 等效原理： 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动 的参考系等价。,三、广义相对论的几个结论,飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平 向右） 如果飞船做匀速直线运动， 船上观察者记录下的光的径迹是 一条直线（虚线） 如果飞船做匀加速运动，在 光向右传播的同时，飞船的速度也 在不断增大，因此船上观察者记 录下的光的径迹是一条抛物线。,三、广义相对论的几个结论,1. 物质的引力使光线发生弯曲,飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平 向右） 如果飞船做匀速直线运动， 船上观察者记录下的光的径迹是 一条直线（虚线） 如果飞船做匀加速运动，在 光向右传播的同时，飞船的速度也 在不断增大，因此船上观察者记 录下的光的径迹是一条抛物线。,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,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,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,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,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。,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。,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。,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，这是对广义相对论的最早证实。,太阳,2. 引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别,2. 引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别,2. 引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别,2. 引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别,2. 引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别,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，靠近边缘的位置引力势较低，得 出：引力势较低的位置，时间进程比较慢。,2. 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，靠近边缘的位置引力势较低，得 出：引力势较低的位置，时间进程比较慢。,2. 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，靠近边缘的位置引力势较低，得 出：引力势较低的位置，时间进程比较慢。,3. 引力红移,各 类 星 体 对 比,3. 引力红移,各 类 星 体 对 比,3. 引力红移,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。,各 类 星 体 对 比,一个均匀的 引力场与一个做 匀加速运动的参 考系等价,狭义、广义相对论比较,狭义相对论,广义相对论,爱 因 斯 坦 相 对 性 原 理,光 速 恒 定,不同的惯 性参考系中一 切物理规律都 是相同的,更进一步,任何参考系 （包括非惯性 系）中物理规律 都是相同的,广 义 相 对 性 原 理,等 效 原 理,真空中的 光速在不同惯 性参考系中都 是相等的,对于时空观的认识,对于时空观的认识,狭义相对论,广义相对论,时空性质和物 质的运动有关,惯性系平权,光速恒定,物质本身的存在 决定时空的性质,所有参考系平权,等效原理,时 空 观,