相对论公开课课件

狭义相对论狭义相对论1狭义相对论1新课教学新课教学经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波的介质是什么呢？的介质是什么呢？当时的物理学家假定这种介质叫做当时的物理学家假定这种介质叫做“以太以太”，整个，整个宇宙空间都充满了宇宙空间都充满了“以太以太”，认为，认为“以太以太”是非常是非常稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。是一种使人感到奇怪的介质。是一种使人感到奇怪的介质。2新课教学233问题：宇宙中充满了传播光的介质问题：宇宙中充满了传播光的介质“以太以太”，地球又在宇宙中运动，设光在，地球又在宇宙中运动，设光在“以太以太”中中的传播速度为的传播速度为c，地球相对于，地球相对于“以太以太”运动的运动的速度为速度为v，那么当光的传播方向与地球的运动，那么当光的传播方向与地球的运动方向相同时，以地球为参照物时，会测得光方向相同时，以地球为参照物时，会测得光的速度是多大呢？的速度是多大呢？u1=（c-v）当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？生：应该是生：应该是u2=（c+v）4问题：宇宙中充满了传播光的介质“以太”，地球又在宇宙中运动，美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至至1887年间在不断提高实验精确度的过程中，年间在不断提高实验精确度的过程中，反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊莫莫雷实验。雷实验。5美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至1887年间在不断1879 1955Albert Einstein61879 1955Albert Einstein6爱因斯坦的办法：于爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提年写了一篇论文提出了他的想法：出了他的想法：1、相对性原理：物理规律在一切惯性参照系相对性原理：物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。中都具有相同的形式。2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速的真空中的光速c都一样。都一样。高速世界的两个基本原理高速世界的两个基本原理7爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提出了他的想法：高时间间隔的相对性 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爱因斯坦在提出这两个假设的基础上构筑狭义相对论爱因斯坦在提出这两个假设的基础上构筑狭义相对论8时间间隔的相对性 高速运行的列车上，由车厢底部发出时间间隔的相对性对于车厢内的人：对于车厢外的人：h9时间间隔的相对性对于车厢内的人：对于车厢外的人：h9长度的相对性长度的相对性v v车厢运行速度车厢运行速度240000km/s240000km/s车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：10长度的相对性v车厢运行速度240000km/s车上的人看到的时空相对性的实验验证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一11时空相对性的实验验证当两个参考系的相对速度可与光速相比时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12时空相对性的实验验证 根据相对论，时间在运动中时空相对性的实验验证时空相对性的实验验证 早在早在19411941年，科学家通过对宇宙线的观年，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霍尔在不同高度统计了宇宙线中子的数量，子的数量，结果与相对论预言完全一致结果与相对论预言完全一致13时空相对性的实验验证 早在1941年，科学家通过对宇宙例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做观粒子叫做子，在实验室中测算出它们静止时的平子，在实验室中测算出它们静止时的平均寿命（存在时间）是均寿命（存在时间）是=2.210-6秒，按照经典的秒，按照经典的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），子子以接近光的速度运动（以接近光的速度运动（v=0.998c）时，在这段时间）时，在这段时间内内子能飞过的平均路程只有：子能飞过的平均路程只有：s=c=31082.210-6=660 m，然后然后子就会消失，可子就会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速子能子能够从约够从约10km的高空大气层到达海平面，这是为什么的高空大气层到达海平面，这是为什么呢？可以用相对论来解释吗？呢？可以用相对论来解释吗？14例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做子分析：假设有一辆列车和分析：假设有一辆列车和子一起速度子一起速度v=0.998c运动，运动，子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照物，测得物，测得子的寿命就是子的寿命就是子静止时的寿命子静止时的寿命=2.210-6秒，而以地面做参照物时，秒，而以地面做参照物时，子是运动的，地面上的子是运动的，地面上的钟测得其寿命将是：钟测得其寿命将是：在这段时间内在这段时间内子能飞过的平均路程有：子能飞过的平均路程有：s=c=31083.4810-5=10.44 km.15分析：假设有一辆列车和子一起速度v=0.998c运动，子例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被子穿子穿越的大气层厚度约是越的大气层厚度约是10.44km，但如果以，但如果以子为惯性子为惯性参照物，则参照物，则子是静止的，大气层在以子是静止的，大气层在以v=0.998c的的速度向速度向子运动，所以以静止的子运动，所以以静止的子测得运动的大气子测得运动的大气层厚度只有：层厚度只有：所以，所以，子可以穿过大气层到达海平面。子可以穿过大气层到达海平面。16例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的（三）小结：（三）小结：经典物理的时空观经典物理的时空观相对论时空观相对论时空观真空中光速真空中光速在不同的惯性参照系在不同的惯性参照系中测得光速不同中测得光速不同在任何惯性参照系在任何惯性参照系中测得的光速都相同中测得的光速都相同介质介质宇宙中传播光的介质宇宙中传播光的介质叫叫“以太以太”宇宙中不存在宇宙中不存在“以太以太”介质介质时间时间时间是独立的，时间是独立的，与参照系无关与参照系无关同一事件在不同的参照系中同一事件在不同的参照系中测得时间不同测得时间不同长度长度同一物体的长度同一物体的长度与参照系无关与参照系无关同一物体在不同的参照系中同一物体在不同的参照系中测得长度不同测得长度不同物体的速度物体的速度可以任意大可以任意大真空中光速是速度的极限，真空中光速是速度的极限，任何物体的速度不可能超任何物体的速度不可能超过真空中的光速过真空中的光速17（三）小结：经典物理的时空观相对论时空观真空中光速在不同的狭义相对论的其他三个结论狭义相对论的其他三个结论下面，我们学习狭义相对论的三个重要结论下面，我们学习狭义相对论的三个重要结论相对论的速度叠加公式相对论的速度叠加公式相对论质量相对论质量质能方程质能方程18狭义相对论的其他三个结论下面，我们学习狭义相对论的三个重要结相对论的速度叠加公式相对论的速度叠加公式v v车厢运行速度车厢运行速度240000km/s240000km/s车外的人看到车上人车外的人看到车上人相对地面的速度为：相对地面的速度为：19相对论的速度叠加公式v车厢运行速度240000km/s车外的相对论质量相对论质量 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质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：动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：m m为运动质量为运动质量m m0 0为静止质量为静止质量20相对论质量 物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质量相对论质量相对论质量 微观粒子的速度很高，它的质量明显的大于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对论效应的影响19881988年，中国年，中国第一座高能粒子加第一座高能粒子加速器速器北京正负北京正负电子对撞机首次对电子对撞机首次对撞成功撞成功21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物体的能量和质量之间存在着某种联系：物体的能量和质量之间存在着某种联系：物体的能量和质物体的能量和质量之间存在密切的联系，量之间存在密切的联系，他们的关系是：他们的关系是：爱因斯坦爱因斯坦质能方程质能方程这就是著名的质能方程这就是著名的质能方程22物体的能量和质量之间存在着某种联系：物体的能量 质能方程表达了物体的质量和它所具有的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量之间的关系.质能方程质能方程物体的动能物体的动能运动时的能量运动时的能量静止时的能量静止时的能量在在v v c c时的一种近时的一种近似似,这就是动能表达式这就是动能表达式23 质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量之间质能方程质能方程具体推导过程如下：具体推导过程如下：24质能方程具体推导过程如下：24质能方程质能方程这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也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情况下的特例25质能方程这就是我们过去熟悉的动能表达式，这也能让我们看出检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是A地面上的观察者测得的火箭长为30 mB地面上的观察者测得的火箭长小于30 mC地面上的观察者测得的火箭长大于30 mD火箭上的观察者测得的火箭长为30 m(BD)26检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的速检测题检测题 有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vBvC 对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是 A时钟A走得最慢 B时钟B走得最慢 C时钟C走得最慢 D时钟C走得最快(C)27检测题 有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C