高中物理 6.4相对论的速度变换公式 质能关系课件 教科版选修3-4.ppt

相对论 科学的旗手 爱因斯坦 1909 1914进入大学工作 苏黎世 布拉格等地 1914 1933柏林大学教授 德国物理研究所所长 院士 1916提出广义相对论 1933 1955美国普林斯顿大学高级研究所研究员 1955 4 18逝世 1879 1955 相对论是关于时空和引力的基本理论 主要由爱因斯坦创立 分为狭义相对论 特殊相对论 和广义相对论 一般相对论 相对论的基本假设是光速不变原理 相对性原理和等效原理 相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱 相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的 常识性 观念 提出了 同时的相对性 四维时空 弯曲空间 等全新的概念 第一节牛顿力学中运动的相对性 惯性系 牛顿运动定律能够成立的参考系 相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 在参考系中的物体F合 0时 物体保持静止或匀速运动 这样的参考系就叫惯性系 思考 什么是非惯性系 伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 这个论述叫做伽利略相对性原理 又叫经典相对性原理 3 表述三 任何惯性参考系都是平权的 伽利略相对性原理的三种表述 1 表述一 力学规律在任何惯性系中都是相同的 2 表述二 通过任何力学实验 都不可能发现惯性系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动 经典时空观 绝对时空观 时间和空间彼此独立 互不关联 且不受物质运动的影响 1 同时的绝对性 在一个参考系中同时发生的事件 在其他参考系中观察也是同时的 2 时间间隔的绝对性 任何事件经历的时间在不同的参考系中测量都是相同的 3 长度的绝对性 无论选用什么参考系 对空间两点距离的测量结果是相同的 4 物体的质量不随物体的运动而改变 因此 在经典时空观下 长度 时间 质量这三个基本物理量都与参考系的选择无关 伽利略速度变换 在绝对时空观下 v u v v u v 在相对地面以速率u开行的车厢内 某人相对于车厢以速率v 向前急跑时相对地面的速率 如果他向后跑时 相对于地面的速率 例 如图所示 在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m 5kg的小球 正随车厢一起以20m s的速度匀速前进 现在给小球一个水平向前的F 5N的拉力作用 求经10s时 车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少 方法总结 在两个惯性系中 虽然观察到的结果并不相同 一个10m s 另一个30m s 但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则 第二节狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论提出的历史背景 19世纪后半叶 关于电磁场的研究不断深入 人们认识到了光的电磁本质 我们已经知道 电磁波是以巨大且有限的速度传播的 因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾 这些矛盾导致了相对论的出现 矛盾之一 光速问题 对惯性系S 光源发出的光速是c 对惯性系S 光源发出的光速是c v 若惯性系S 相对于S以速度v运动 为什么电磁规律对两个惯性系不一样了呢 为什么呢 狭义相对论的两个基本假设 狭义相对性原理 物理规律 力学 电磁学 光学等 对于所有惯性系都具有相同的形式 爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他物理规律 成为第一个假设 狭义相对论的两个基本假设 光速不变原理 在任何惯性系中 光在真空中的速度恒为c 与光源的运动和观测者的运动无关 光速不变原理与伽利略速度叠加原理是针锋相对的 具有观念上的革命性 例 下列几种说法 所有惯性系统对物理基本规律都是等价的 在真空中 光的速度与光的频率 光源的运动状态无关 在任何惯性系中 光在真空中沿任何方向的传播速度都相同 关于上述说法 A 只有 是正确的B 只有 是正确的C 只有 是正确的D 三种说法都是正确的 D 例 CD 第三节时间 长度的相对性 同时的相对性 在一个参考系中观察同时发生的两件事 在另一参考系中观察不同时发生 在车厢内观察 在站台上观察 狭义相对论简介 根据光速不变假设 二人说法都是对的 因此 对不同的观察者来说 同时 是相对的 光源 我看到闪光到达车厢的前壁和后壁是 同时 的 我看到闪光先到达后壁 后到达前壁 到底是谁错了 同时的相对性 如果在车厢运动的速度远小于光速时 在光到达车壁时间内 车厢运动的距离观察不出来 所以经典时空观中的同时的绝对性是在参考系低速运动的情况下得出的结论 例 如图所示 沿铁道排列的A B两电杆正中央安装一闪光装置C 光信号到达A电杆称为事件1 到达B电杆称为事件2 则 A 在地面观察者看来 事件1比事件2先发生 从车厢中观察者看来 事件1 2同时发生B 在地面观察者看来 事件1比事件2后发生 从车厢中观察者看来 事件1 2同时发生C 在地面观察者看来 事件1 2同时发生 从车厢中观察者看来 事件2比事件1后发生D 在地面观察者看来 事件1 2同时发生 从车厢中观察者看来 事件2比事件1先发生 D 运动时钟的变慢 固有时为 在站台上观测 时间间隔为 由狭义相对论导出时间变换公式 注意 1 时钟延缓效应并不是钟由于相对运动而发生了物理结构上的变化 而是由相对运动的不同观测者对时间进行量度时引起的一种观测效应 2 当u远小于光速时 时间间隔相差很小 这就是人们能够接受经典时空观的原因 例 哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地球去遨游太空 经过一段时间返回地球 哥哥惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多 则该现象的科学解释是 A 哥哥在太空中发生了基因突变 停止生长了B 弟弟思念哥哥而加速生长了C 由相对论可知 物体速度越大 在其上时间进程就越慢 生理过程也越慢D 这是神话 科学无法解释 C 孪生子佯谬 一台以反物质为燃料的时间机器 如果它以接近光速的速度向银河系中央飞去 那么它将用21年的时间抵达目的地 而根据相对论原理 地球上的时间在此期间却已过去了3万年 一对孪生子中的一个进行星际旅行 另一个则呆在地球上 作为宇航员的哥哥乘飞船高速飞离地球 当他返回地球时 他比呆在地球上的弟弟年纪要小 例 地面上A B两处同时发生爆炸 对于坐在火箭中沿A B发生地点的连线飞行的人来说 哪个爆炸先发生 例 如下图所示 你站在水平木杆AB的中央附近 并且看到木杆落到地面上时是两端同时着地的 所以 你认为这木杆是平着落到了地面上 而此时飞飞小姐正以接近光速的速度从你前面掠过 她看到B端比A端先落地 因而她认为木杆是向右倾斜着落地的 她的看法是 A 对的B 错的C 她应感觉到木杆在朝她运动D 她应感觉到木杆在远离她运动 AC 长度的相对性 狭义相对论简介 我在同时测量M N两点的坐标 你为什么对N端读数早 对M端读数迟呢 长度的相对性 长度的相对性 一条沿自身长度方向运动的杆 其长度总比静止时的长度小 又是谁错了 一条沿自身长度方向运动的杆 其长度总比静止时的长度小 动棒缩短 注意 1 长度收缩是由于相对运动而引起的观测效应 棒的本身没有发生实质的变化 2 由公式当V等于c时 长度为0 当V c时 L为负值 没有意义 说明光速C是物体运动速率的极限 例 惯性系S中有一边长为l的正方形 如图A所示 从相对S系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是 C 狭义相对论简介 时钟变慢 长度缩短 孪生子佯谬 小结 第四节狭义相对论的其它结论 狭义相对论的其它结论 相对论速度变换公式 相对论质量 质能方程 一定的质量相对应于一定的能量 相对论质量是能量的量度