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相對論 科學(xué)的旗手 愛因斯坦 1909 1914進入大學(xué)工作 蘇黎世 布拉格等地 1914 1933柏林大學(xué)教授 德國物理研究所所長 院士 1916提出廣義相對論 1933 1955美國普林斯頓大學(xué)高級研究所研究員 1955 4 18逝世 1879 1955 相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論 主要由愛因斯坦創(chuàng)立 分為狹義相對論 特殊相對論 和廣義相對論 一般相對論 相對論的基本假設(shè)是光速不變原理 相對性原理和等效原理 相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱 相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的 常識性 觀念 提出了 同時的相對性 四維時空 彎曲空間 等全新的概念 第一節(jié)牛頓力學(xué)中運動的相對性 慣性系 牛頓運動定律能夠成立的參考系 相對于這個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系 在參考系中的物體F合 0時 物體保持靜止或勻速運動 這樣的參考系就叫慣性系 思考 什么是非慣性系 伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 這個論述叫做伽利略相對性原理 又叫經(jīng)典相對性原理 3 表述三 任何慣性參考系都是平權(quán)的 伽利略相對性原理的三種表述 1 表述一 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 2 表述二 通過任何力學(xué)實驗 都不可能發(fā)現(xiàn)慣性系是處于絕對靜止狀態(tài)還是在做勻速直線運動 經(jīng)典時空觀 絕對時空觀 時間和空間彼此獨立 互不關(guān)聯(lián) 且不受物質(zhì)運動的影響 1 同時的絕對性 在一個參考系中同時發(fā)生的事件 在其他參考系中觀察也是同時的 2 時間間隔的絕對性 任何事件經(jīng)歷的時間在不同的參考系中測量都是相同的 3 長度的絕對性 無論選用什么參考系 對空間兩點距離的測量結(jié)果是相同的 4 物體的質(zhì)量不隨物體的運動而改變 因此 在經(jīng)典時空觀下 長度 時間 質(zhì)量這三個基本物理量都與參考系的選擇無關(guān) 伽利略速度變換 在絕對時空觀下 v u v v u v 在相對地面以速率u開行的車廂內(nèi) 某人相對于車廂以速率v 向前急跑時相對地面的速率 如果他向后跑時 相對于地面的速率 例 如圖所示 在列車車廂的光滑水平面上有一個質(zhì)量為m 5kg的小球 正隨車廂一起以20m s的速度勻速前進 現(xiàn)在給小球一個水平向前的F 5N的拉力作用 求經(jīng)10s時 車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少 方法總結(jié) 在兩個慣性系中 雖然觀察到的結(jié)果并不相同 一個10m s 另一個30m s 但我們卻應(yīng)用了同樣的運動定律和速度合成法則 第二節(jié)狹義相對論的兩個基本假設(shè) 狹義相對論提出的歷史背景 19世紀后半葉 關(guān)于電磁場的研究不斷深入 人們認識到了光的電磁本質(zhì) 我們已經(jīng)知道 電磁波是以巨大且有限的速度傳播的 因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾 這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn) 矛盾之一 光速問題 對慣性系S 光源發(fā)出的光速是c 對慣性系S 光源發(fā)出的光速是c v 若慣性系S 相對于S以速度v運動 為什么電磁規(guī)律對兩個慣性系不一樣了呢 為什么呢 狹義相對論的兩個基本假設(shè) 狹義相對性原理 物理規(guī)律 力學(xué) 電磁學(xué) 光學(xué)等 對于所有慣性系都具有相同的形式 愛因斯坦把伽利略的力學(xué)相對性原理推廣到了電磁物理規(guī)律和一切其他物理規(guī)律 成為第一個假設(shè) 狹義相對論的兩個基本假設(shè) 光速不變原理 在任何慣性系中 光在真空中的速度恒為c 與光源的運動和觀測者的運動無關(guān) 光速不變原理與伽利略速度疊加原理是針鋒相對的 具有觀念上的革命性 例 下列幾種說法 所有慣性系統(tǒng)對物理基本規(guī)律都是等價的 在真空中 光的速度與光的頻率 光源的運動狀態(tài)無關(guān) 在任何慣性系中 光在真空中沿任何方向的傳播速度都相同 關(guān)于上述說法 A 只有 是正確的B 只有 是正確的C 只有 是正確的D 三種說法都是正確的 D 例 CD 第三節(jié)時間 長度的相對性 同時的相對性 在一個參考系中觀察同時發(fā)生的兩件事 在另一參考系中觀察不同時發(fā)生 在車廂內(nèi)觀察 在站臺上觀察 狹義相對論簡介 根據(jù)光速不變假設(shè) 二人說法都是對的 因此 對不同的觀察者來說 同時 是相對的 光源 我看到閃光到達車廂的前壁和后壁是 同時 的 我看到閃光先到達后壁 后到達前壁 到底是誰錯了 同時的相對性 如果在車廂運動的速度遠小于光速時 在光到達車壁時間內(nèi) 車廂運動的距離觀察不出來 所以經(jīng)典時空觀中的同時的絕對性是在參考系低速運動的情況下得出的結(jié)論 例 如圖所示 沿鐵道排列的A B兩電桿正中央安裝一閃光裝置C 光信號到達A電桿稱為事件1 到達B電桿稱為事件2 則 A 在地面觀察者看來 事件1比事件2先發(fā)生 從車廂中觀察者看來 事件1 2同時發(fā)生B 在地面觀察者看來 事件1比事件2后發(fā)生 從車廂中觀察者看來 事件1 2同時發(fā)生C 在地面觀察者看來 事件1 2同時發(fā)生 從車廂中觀察者看來 事件2比事件1后發(fā)生D 在地面觀察者看來 事件1 2同時發(fā)生 從車廂中觀察者看來 事件2比事件1先發(fā)生 D 運動時鐘的變慢 固有時為 在站臺上觀測 時間間隔為 由狹義相對論導(dǎo)出時間變換公式 注意 1 時鐘延緩效應(yīng)并不是鐘由于相對運動而發(fā)生了物理結(jié)構(gòu)上的變化 而是由相對運動的不同觀測者對時間進行量度時引起的一種觀測效應(yīng) 2 當(dāng)u遠小于光速時 時間間隔相差很小 這就是人們能夠接受經(jīng)典時空觀的原因 例 哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空 經(jīng)過一段時間返回地球 哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多 則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是 A 哥哥在太空中發(fā)生了基因突變 停止生長了B 弟弟思念哥哥而加速生長了C 由相對論可知 物體速度越大 在其上時間進程就越慢 生理過程也越慢D 這是神話 科學(xué)無法解釋 C 孿生子佯謬 一臺以反物質(zhì)為燃料的時間機器 如果它以接近光速的速度向銀河系中央飛去 那么它將用21年的時間抵達目的地 而根據(jù)相對論原理 地球上的時間在此期間卻已過去了3萬年 一對孿生子中的一個進行星際旅行 另一個則呆在地球上 作為宇航員的哥哥乘飛船高速飛離地球 當(dāng)他返回地球時 他比呆在地球上的弟弟年紀要小 例 地面上A B兩處同時發(fā)生爆炸 對于坐在火箭中沿A B發(fā)生地點的連線飛行的人來說 哪個爆炸先發(fā)生 例 如下圖所示 你站在水平木桿AB的中央附近 并且看到木桿落到地面上時是兩端同時著地的 所以 你認為這木桿是平著落到了地面上 而此時飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過 她看到B端比A端先落地 因而她認為木桿是向右傾斜著落地的 她的看法是 A 對的B 錯的C 她應(yīng)感覺到木桿在朝她運動D 她應(yīng)感覺到木桿在遠離她運動 AC 長度的相對性 狹義相對論簡介 我在同時測量M N兩點的坐標 你為什么對N端讀數(shù)早 對M端讀數(shù)遲呢 長度的相對性 長度的相對性 一條沿自身長度方向運動的桿 其長度總比靜止時的長度小 又是誰錯了 一條沿自身長度方向運動的桿 其長度總比靜止時的長度小 動棒縮短 注意 1 長度收縮是由于相對運動而引起的觀測效應(yīng) 棒的本身沒有發(fā)生實質(zhì)的變化 2 由公式當(dāng)V等于c時 長度為0 當(dāng)V c時 L為負值 沒有意義 說明光速C是物體運動速率的極限 例 慣性系S中有一邊長為l的正方形 如圖A所示 從相對S系沿x方向以接近光速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是 C 狹義相對論簡介 時鐘變慢 長度縮短 孿生子佯謬 小結(jié) 第四節(jié)狹義相對論的其它結(jié)論 狹義相對論的其它結(jié)論 相對論速度變換公式 相對論質(zhì)量 質(zhì)能方程 一定的質(zhì)量相對應(yīng)于一定的能量 相對論質(zhì)量是能量的量度