教科版必修二 5.2了解相对论 课件（35张）.ppt

2 了解相对论 1 惯性参考系 凡是牛顿定律成立的参考系 称为惯性参考系 简称惯性系 2 伽利略相对性原理对于所有的惯性系 力学规律都是相同的 3 经典时空观 绝对时空观 时间和空间彼此独立 互不关联 且不受物质或运动的影响 4 经典力学的几个基本结论 同时的绝对性 时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性 经典时空观 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同 物体在空间移动这一概念也是相对的 在不同参考系中观察物体的运动情况 经典时空观 5 经典时空观的困惑 当火车未动乘客行走 观察者认为乘客的速度为v2 光速恒定的特性 同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾 但是实验现象表明 不论光源和观察者做怎样的相对运动 光速都是恒定的 v 光速 光速 经典时空观 经典时空观认为 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 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律 而且改变了我们对于时间和空间的认识 它的建立在物理学和哲学的发展史上 树立了一座重要的里程碑 狭义相对论 狭义相对论的两个假设 上述的矛盾使我们面临两个选择 要么放弃麦克斯韦的电磁理论 要么否定特殊参考系的存在 爱因斯坦选择了后者 并提出了两个假设 在不同的惯性参考系中 一切物理规律都是相同的 爱因斯坦的相对性原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 光速不变原理 同时 的相对性 运动的时钟变慢 运动的尺子缩短 物体质量随速度的增大而增大 注意 只有高速运动时 以上效应才明显 2 狭义相对论的基本结论 狭义相对论 1 同时的相对性 2 运动的时钟会变慢 狭义相对论 时钟相对于观察者静止时走得快 相对于观察者运动时 观察者会看到它变慢了 运动速度越快 效果越明显 即运动着的时钟要变慢 对于车厢内的人 对于车厢外的人 h 狭义相对论 h 3 运动的长度会收缩 狭义相对论 v 一个物体相对于观察者静止时 它的长度测量值最大 相对于观察者运动时 观察者在运动方向上观测 它的长度缩短 速度越快 缩得越短 即运动的尺子要缩短 车厢运行速度240000km s 车上的人看到的车厢的长度 车外的人看到的车厢的长度 狭义相对论 4 物体质量随速度的增加而增大 时空相对性的实验验证 1966年用 子作了一个类似于双生子旅游的实验 让 子沿一直径为14米的圆环运动再回到出发点 实验结果表明运动的 子的确比静止的 子寿命更长 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 狭义相对论 1 75 12 5 质量关系 e mc2 e mc26 任何物体的速度不能超过光速 在一般情况下v c 不考虑相对论效应 可以认为经典力学是相对论力学在低速情况下的近似了解广义相对论 狭义相对论 1 75 13 相对论简介 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 相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律 而且改变了我们对于时间和空间的认识 它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑 1 75 14 如果在一个参考系中牛顿定律能够成立 这个参考系称作惯性参考系 牛顿运动定律不能成立的参考系则是非惯性参考系 在不同参考系中观察物体的运动情况 非惯性系和惯性系 1 75 15 非惯性系和惯性系 以车厢为参考系 当列车加速运行时 小球会相对于车厢加速向后运动 1 75 16 非惯性系和惯性系 加速运动的列车是个非惯性参考系 为了让牛顿定律在非惯性系中能够成立 引入惯性力 光滑表面 1 75 17 非惯性系和惯性系 牛顿第二定律的表达式 惯性力的定义式 号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反 注意不要混淆 1 75 18 非惯性系和惯性系 以加速上升的电梯为参考系 我们可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用 还受到一个向下的惯性力 重力和惯性力的合力使人感受到了超重 1 75 19 21世纪 人类在空间站中长期生活 为了克服失重带来的不利影响 可以将空间站设计成一个大转轮 绕轴自转 其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度 因此 以空间站为参考系 与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力 这就是所谓的人造重力 非惯性系和惯性系 1 75 20 惯性质量和引力质量 地面静止 加速飞行 引力和惯性力都可以使物体加速下落 引力质量 惯性质量 1 75 21 广义相对论简介 牛顿第二定律的表达式 惯性力的定义式 号表示惯性力的方向与非惯性系的加速度方向相反 注意不要混淆 m 应该叫做惯性质量 1 75 22 惯性质量和引力质量 事实上 到目前为止的一切实验研究都没有找到惯性质量和引力质量之间的差别 这向我们提示 加速运动的参考系和万有引力 二者之间可能存在某种深刻的联系 1 75 23 广义相对论简介 狭义相对论 广义相对论 不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的 任何参考系 包括非惯性系 中物理规律都是相同的 真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的 一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价 更进一步 等效原理 光速恒定 爱因斯坦相对性原理 广义相对性原理 1 75 24 广义相对论的两个基本原理可以得出一些意想不到的结论 广义相对论简介 1 75 25 广义相对论简介 在一个引力可以忽略的宇宙空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动 船上的观察者记录光的径迹是一条抛物线 半透明屏 光源 等效原理 物体的引力能使光线弯曲 假设飞船静止 而在船尾存在一个巨大的物体 在它的引力场作用下 飞船内的物理过程受到影响 1 75 26 广义相对论简介 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 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 这是对相对论的最早证实 1 75 27 广义相对论简介 星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚 这种现象叫做引力透镜效应 星体 星体 无法观测 黑洞 宇宙中很可能存在黑洞 它不辐射电磁波 因此无法直接观测 但是它的巨大质量和极小的体积使其附近产生极强的引力场 引力透镜是探索黑洞的途径之一 1 75 28 时间间隔与引力场有关 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 越是靠近边缘 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 引力势较低 得出 引力势较低的位置 时间进程比较慢 1 75 29 各类星体对比 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 时间间隔与引力场有关 1 75 30 引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出现了差别 地面上看到 越是靠近边缘 速度越大 根据狭义相对论 靠近边缘部位的杆的长度较短 圆盘上的人认为 引力势较低的位置 杆的长度越短 杆的长度与引力场有关 引力势由高到低变化 1 75 31 杆的长度与引力场有关 由于物质的存在 实际空间并不是均匀的 空间发生了 弯曲 点击观看 1 75 32 对于时空观的认识 物质本身的存在决定时空的性质 时空性质和物质的运动有关 狭义相对论 广义相对论 惯性系平权 所有参考系平权 时空观 光速恒定 等效原理 1 75 33 广义相对论与几何学 几何学反应的是人对空间关系的认识 有史以来人们只在比较小的空间尺度中接触比较弱的引力场 这种情况下空间的弯曲可以忽略 在此基础上人类发展了欧几里得几何学 它反映了平直空间的实际 广义相对论告诉我们实际空间是弯曲的 因此描述实际空间的应该是更具有一般意义的非欧几何 作为非欧几何的特例 欧几里得几何学在它的适用范围内仍是正确的 还将继续发挥作用