选修3-4第六章相对论与天体物理 (1)

1、相对论与天体物理经典经典力学力学的相对性原理的相对性原理 运动的相对性运动的相对性中国古代研究：尚书纬考灵曜中国古代研究：尚书纬考灵曜 “地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。也。” 伽里略相对性原理伽里略相对性原理关于两种世界体系的对话：关于两种世界体系的对话： “理想船实验理想船实验”伽里略速度变换公式伽里略速度变换公式 ：uvv牛顿力学的不变性：牛顿力学的不变性： aa 伽利略相对性原理伽利略相对性原理 1632年，伽利略发表了年，伽利略发表了关于关于两种世界体系的对话两种世界体系的对话一书，其中对船舱里观察一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生

2、动的描述：到的现象有一段生动的描述：“船停着不动船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆

3、动，进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动停着不动”伽利略这段描述说明：伽利略这段描述说明：凡是牛顿运动定律成立的参照系，称为惯凡是牛顿运动定律成立的参照系，称为惯性参照系，或简称性参照系，或简称惯性系惯性系。地面参照系是。地面参照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性系。一般而言，相对惯性系做匀速是惯性系。一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照系，都是惯性系。直线运

4、动的任何参照系，都是惯性系。牛顿运动定律成立的参考系，称为牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系惯性参考系，简称惯性系简称惯性系牛顿运动定律不成立的参考系，牛顿运动定律不成立的参考系，称为称为非惯性系非惯性系 综上所述，相对任何惯性系，力综上所述，相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式。换言学规律都具有相同的形式。换言之，之，在描述力学的规律上，一切在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。惯性系都是等价的。这一原理称这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性原理学的相对性原理。狭义相对论的两个基本原理：狭义相对论的两个基本原理：相对性原理相对性原理 一切

5、物理定律，在不同的惯性系中是一切物理定律，在不同的惯性系中是相同的相同的 光速不变原理光速不变原理 光在真空中的传播速度在不同的惯性光在真空中的传播速度在不同的惯性系中测得的数值都是相同的系中测得的数值都是相同的 爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于磁理论，于1905年提出了狭义相对论。狭年提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理可表述于下：义相对论的基本原理可表述于下： 1.1.相对性原理相对性原理 相对任何惯性系，包括电相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。磁理论在内的物理规律具有相同的形式。 2.光速不变原理光速不变原理 相

6、对任何惯性系，真空相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量，中的光速都是一个常量，c3.0108米米/秒，与传播的方向无关，秒，与传播的方向无关，与光源的速度与光源的速度也无关。也无关。一、一、“同时同时”的相对性的相对性 车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的达前后车厢的先后是不一样的 车上车上的观察者认为光的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁同时到达车厢的前后两壁 站台上站台上的观察者认为光的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁先到车厢后壁后到前壁二、长度的相对性二、长度的相对性 v v车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的

7、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：0ll0ll201cvll注意：注意：长度缩短效应长度缩短效应只发生在只发生在相对运动的方向上相对运动的方向上如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，在轴方向上，在Y Y 轴方向上轴方向上无无长度缩短效应长度缩短效应动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 结论结论 一条一条沿自身长度方向运动沿自身长度方向运动的杆，的杆，其长度总比杆静止时的长度小其长度总比杆静止时的长度小三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性在站台上看运在站台上看运动火车上的钟动火车

8、上的钟在火车上看运在火车上看运动站台上的钟动站台上的钟 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对高速运行的列车上，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厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的对于车厢内的人：对于车厢内的人：对于车厢外的人：对于车厢外的人：cht202224vchth201cvtt四、时空相对性的实验验证四、时空相对性的实验验证 根据相对论，时间根据相对论，时间在运动中会进行的比在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的在空间中高速移

9、动的时钟，比固定于地面时钟，比固定于地面上的时钟走得慢上的时钟走得慢19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环年，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言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证201cvtt201cvll当两个参考系的当两个参考系的相对速度可与光速相相对速度可与光速相比时，时间与空间的比时，时间与空间的相对性才比较明显相对性才比较明显 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

10、之一上它已经成为微观粒子研究的基础之一 牛顿牛顿物理学的物理学的绝对时空观绝对时空观：物理学的：物理学的空间空间与时间与时间是绝对分离是绝对分离没有联系没有联系的，脱离物质而的，脱离物质而单独存在，单独存在，与物质的运动无关与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间，而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。空间和时间与物体的运动状态有关。 五、相对论的时空观五、相对论的时空观六、六、相对论的速度变换公式相对论的速度变换公式地面上的人看到车上地面上的人看到车上人相对地面的速度为：人相对地面的速度为：21cvuvuu车对地的速度为车对地的速度为v v，人对车

11、的速度为，人对车的速度为u u/ /vu21cvuvuu 如果车上人运动方向与火车运动方向相如果车上人运动方向与火车运动方向相反，则反，则uu取负值取负值 物体的运动速度不能无限增加，那么物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？体的质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比）运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的关系：下面的关系：201cvmmm为运动质量为运动质量 m0为静止质量为静止质量七七、相对论质量、相对论质量 微观粒子的速度很高，它的质量明显微观粒子的速度很高，它的质

12、量明显的大于静止质量在研究制造回旋加速器的大于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时必须考虑相对论效应的影响19881988年，中年，中国第一座高能粒国第一座高能粒子加速器子加速器北北京正负电子对撞京正负电子对撞机首次对撞成功机首次对撞成功 物体的能量和质量之间物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关存在密切的联系，他们的关系是：系是：2mcE 这就是著名的爱因斯坦质能方程这就是著名的爱因斯坦质能方程八八、质能方程、质能方程复复 习习一、狭义相对论的两点假设：一、狭义相对论的两点假设：1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规

13、律一切物理规律都是都是相同的相同的2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相相同同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。关系。二、由狭义相对论推出的几个结论二、由狭义相对论推出的几个结论1 1、“同时同时”的相对性的相对性2 2、动尺变短、动尺变短3 3、动钟变慢、动钟变慢4 4、速度变换公式、速度变换公式21cvuvuu201cvtt201cvll5 5、相对论质量、相对论质量6 6、质能方程、质能方程2mcE 201cvmm一、超越狭义相对论的思考一、超越狭义相对论的思考 爱因斯坦思

14、考爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的两狭义相对论无法解决的两个问题：个问题：1 1、引力问题、引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的理万有引力定律无法纳人狭义相对论的理论框架；论框架；2 2、非惯性系问题，、非惯性系问题， 狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯狭义相对论只适用于惯性系，为什么惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法解性系具有这样的地位？狭义相对论无法解释释 二、广义相对性原理和等效原理二、广义相对性原理和等效原理1 1、广义相对性原理：、广义相对性原理： 在任何参考系中，物理规律都是相同的。在任何参考系中，物理规律都是相同的。伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在在任

15、何惯性系任何惯性系都是都是相同相同的的爱因斯坦狭义相对性原理爱因斯坦狭义相对性原理(1905年年) 在在不同的惯性参考系不同的惯性参考系中，中，一切物理规律一切物理规律都有是都有是相同相同的；的； 爱因斯坦广义相对论原理（爱因斯坦广义相对论原理（1916年）年） 在在任何参考系中任何参考系中(包括非惯系）所有的物理规律包括非惯系）所有的物理规律都是都是相相同同的，称为广义相对性原理。的，称为广义相对性原理。逻辑形式逐渐简约逻辑形式逐渐简约2 2、等效原理：、等效原理： 一个一个均匀均匀的引力场与一个做的引力场与一个做匀加速匀加速运动运动的参考系等价。的参考系等价。 如果飞船做匀加速运动，在光如

16、果飞船做匀加速运动，在光向右传播的同时，飞的速度也在不向右传播的同时，飞的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条抛物线。光的径迹是一条抛物线。三、广义相对论的几个结论三、广义相对论的几个结论1 1、物质的引力使光线发生弯曲、物质的引力使光线发生弯曲 如果飞船做匀速直线运动，船如果飞船做匀速直线运动，船上观察者记录下的光的径迹是一条上观察者记录下的光的径迹是一条直线（虚线）直线（虚线） 飞船外观察者看到这束光是飞船外观察者看到这束光是直线传播的（水平向右）直线传播的（水平向右）各各类类星星体体对对比比宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫宇宙中有

17、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光频率低，看起来偏红，这个现象叫做引力红移3 3、引力红移、引力红移 由于物质的存在，实际空间并不是均匀由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间发生了的，空间发生了“弯曲弯曲”：点击点击观看观看狭义、广义相对论比较狭义、广义相对论比较狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论不同的不同的惯性惯性参考系中一参考系中一切物理规律切物理规律都是相同的都是相同的 任何参考系任何参考系（包括非惯性（包括非惯性系）中物理规系）中物理规律都是相同的律都是相同的真空中的光真