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相對(duì)論 科學(xué)的旗手 愛因斯坦 1909 1914進(jìn)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(zhǎng) 院士 1916提出廣義相對(duì)論 1933 1955美國普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究所研究員 1955 4 18逝世 1879 1955 相對(duì)論是關(guān)于時(shí)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(duì)論 特殊相對(duì)論 和廣義相對(duì)論 一般相對(duì)論 相對(duì)論的基本假設(shè)是光速不變?cè)?相對(duì)性原理和等效原理 相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱 相對(duì)論極大的改變了人類對(duì)宇宙和自然的 常識(shí)性 觀念 提出了 同時(shí)的相對(duì)性 四維時(shí)空 彎曲空間 等全新的概念 第一節(jié)牛頓力學(xué)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性 慣性系 牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系 相對(duì)于這個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系 在參考系中的物體F合 0時(shí) 物體保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng) 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(duì)性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 這個(gè)論述叫做伽利略相對(duì)性原理 又叫經(jīng)典相對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn) 都不可能發(fā)現(xiàn)慣性系是處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)還是在做勻速直線運(yùn)動(dòng) 經(jīng)典時(shí)空觀 絕對(duì)時(shí)空觀 時(shí)間和空間彼此獨(dú)立 互不關(guān)聯(lián) 且不受物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響 1 同時(shí)的絕對(duì)性 在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的事件 在其他參考系中觀察也是同時(shí)的 2 時(shí)間間隔的絕對(duì)性 任何事件經(jīng)歷的時(shí)間在不同的參考系中測(cè)量都是相同的 3 長(zhǎng)度的絕對(duì)性 無論選用什么參考系 對(duì)空間兩點(diǎn)距離的測(cè)量結(jié)果是相同的 4 物體的質(zhì)量不隨物體的運(yùn)動(dòng)而改變 因此 在經(jīng)典時(shí)空觀下 長(zhǎng)度 時(shí)間 質(zhì)量這三個(gè)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(duì)時(shí)空觀下 v u v v u v 在相對(duì)地面以速率u開行的車廂內(nèi) 某人相對(duì)于車廂以速率v 向前急跑時(shí)相對(duì)地面的速率 如果他向后跑時(shí) 相對(duì)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(gè)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(jìn) 現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F 5N的拉力作用 求經(jīng)10s時(shí) 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(gè)慣性系中 雖然觀察到的結(jié)果并不相同 一個(gè)10m s 另一個(gè)30m s 但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動(dòng)定律和速度合成法則 第二節(jié)狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 狹義相對(duì)論提出的歷史背景 19世紀(jì)后半葉 關(guān)于電磁場(chǎng)的研究不斷深入 人們認(rèn)識(shí)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(chǎng)的研究中不斷遇到一些矛盾 這些矛盾導(dǎo)致了相對(duì)論的出現(xiàn) 矛盾之一 光速問題 對(duì)慣性系S 光源發(fā)出的光速是c 對(duì)慣性系S 光源發(fā)出的光速是c v 若慣性系S 相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng) 為什么電磁規(guī)律對(duì)兩個(gè)慣性系不一樣了呢 為什么呢 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 狹義相對(duì)性原理 物理規(guī)律 力學(xué) 電磁學(xué) 光學(xué)等 對(duì)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(duì)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(gè)假設(shè) 狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) 光速不變?cè)?在任何慣性系中 光在真空中的速度恒為c 與光源的運(yùn)動(dòng)和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)無關(guān) 光速不變?cè)砼c伽利略速度疊加原理是針鋒相對(duì)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(duì)物理基本規(guī)律都是等價(jià)的 在真空中 光的速度與光的頻率 光源的運(yùn)動(dòng)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(shí)間 長(zhǎng)度的相對(duì)性 同時(shí)的相對(duì)性 在一個(gè)參考系中觀察同時(shí)發(fā)生的兩件事 在另一參考系中觀察不同時(shí)發(fā)生 在車廂內(nèi)觀察 在站臺(tái)上觀察 狹義相對(duì)論簡(jiǎn)介 根據(jù)光速不變假設(shè) 二人說法都是對(duì)的 因此 對(duì)不同的觀察者來說 同時(shí) 是相對(duì)的 光源 我看到閃光到達(dá)車廂的前壁和后壁是 同時(shí) 的 我看到閃光先到達(dá)后壁 后到達(dá)前壁 到底是誰錯(cuò)了 同時(shí)的相對(duì)性 如果在車廂運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí) 在光到達(dá)車壁時(shí)間內(nèi) 車廂運(yùn)動(dòng)的距離觀察不出來 所以經(jīng)典時(shí)空觀中的同時(shí)的絕對(duì)性是在參考系低速運(yùn)動(dòng)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(hào)到達(dá)A電桿稱為事件1 到達(dá)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(shí)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(shí)發(fā)生C 在地面觀察者看來 事件1 2同時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的變慢 固有時(shí)為 在站臺(tái)上觀測(cè) 時(shí)間間隔為 由狹義相對(duì)論導(dǎo)出時(shí)間變換公式 注意 1 時(shí)鐘延緩效應(yīng)并不是鐘由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了物理結(jié)構(gòu)上的變化 而是由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同觀測(cè)者對(duì)時(shí)間進(jìn)行量度時(shí)引起的一種觀測(cè)效應(yīng) 2 當(dāng)u遠(yuǎn)小于光速時(shí) 時(shí)間間隔相差很小 這就是人們能夠接受經(jīng)典時(shí)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(shí)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(zhǎng)了B 弟弟思念哥哥而加速生長(zhǎng)了C 由相對(duì)論可知 物體速度越大 在其上時(shí)間進(jìn)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(tái)以反物質(zhì)為燃料的時(shí)間機(jī)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(shí)間抵達(dá)目的地 而根據(jù)相對(duì)論原理 地球上的時(shí)間在此期間卻已過去了3萬年 一對(duì)孿生子中的一個(gè)進(jìn)行星際旅行 另一個(gè)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(shí) 他比呆在地球上的弟弟年紀(jì)要小 例 地面上A B兩處同時(shí)發(fā)生爆炸 對(duì)于坐在火箭中沿A B發(fā)生地點(diǎn)的連線飛行的人來說 哪個(gè)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(shí)是兩端同時(shí)著地的 所以 你認(rèn)為這木桿是平著落到了地面上 而此時(shí)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(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的 她的看法是 A 對(duì)的B 錯(cuò)的C 她應(yīng)感覺到木桿在朝她運(yùn)動(dòng)D 她應(yīng)感覺到木桿在遠(yuǎn)離她運(yùn)動(dòng) AC 長(zhǎng)度的相對(duì)性 狹義相對(duì)論簡(jiǎn)介 我在同時(shí)測(cè)量M N兩點(diǎn)的坐標(biāo) 你為什么對(duì)N端讀數(shù)早 對(duì)M端讀數(shù)遲呢 長(zhǎng)度的相對(duì)性 長(zhǎng)度的相對(duì)性 一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿 其長(zhǎng)度總比靜止時(shí)的長(zhǎng)度小 又是誰錯(cuò)了 一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿 其長(zhǎng)度總比靜止時(shí)的長(zhǎng)度小 動(dòng)棒縮短 注意 1 長(zhǎng)度收縮是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的觀測(cè)效應(yīng) 棒的本身沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)的變化 2 由公式當(dāng)V等于c時(shí) 長(zhǎng)度為0 當(dāng)V c時(shí) L為負(fù)值 沒有意義 說明光速C是物體運(yùn)動(dòng)速率的極限 例 慣性系S中有一邊長(zhǎng)為l的正方形 如圖A所示 從相對(duì)S系沿x方向以接近光速飛行的飛行器上測(cè)得該正方形的圖象是 C 狹義相對(duì)論簡(jiǎn)介 時(shí)鐘變慢 長(zhǎng)度縮短 孿生子佯謬 小結(jié) 第四節(jié)狹義相對(duì)論的其它結(jié)論 狹義相對(duì)論的其它結(jié)論 相對(duì)論速度變換公式 相對(duì)論質(zhì)量 質(zhì)能方程 一定的質(zhì)量相對(duì)應(yīng)于一定的能量 相對(duì)論質(zhì)量是能量的量度