高中物理竞赛专题课件：相对论基本假设 尺短钟慢

19世纪的最后一天,英国物理学家开尔文发表了新年祝词:“…但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云...”“…在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家们只要做一些零碎的修补工作就可以了...”-开尔文-这两朵乌云是指什么呢?热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明,正是这两朵乌云酝酿了一场科学革命的风暴,乌云散尽化为春雨,浇灌出两朵鲜花.量子力学的诞生相对论问世深刻影响现代科技和人类生活相对论量子力学近代物理两大理论支柱这两只同步的钟有快慢之分吗?规律如何?真能看到吗?与它们所在的参考系有关与它们的相对运动有关这种现象实际存在吗?.a.主要任务:简介狭义相对论产生的历史背景,实验基础,基本原理及相应的时空观.经典力学是相对论力学在低速时的近似.狭义相对论(1905):讨论不同惯性系对事件的描述.广义相对论(1915):涉及到非惯性系包括引力场在内的理论.相对论经典力学(即牛顿力学)适用范围:宏观,低速(远小于光速)狭义相对论适用范围:高速(可与光速相比)AlbertEinstein(1879~1955)第4章狭义相对论1.伽利略相对性原理(力学的相对性原理):任何局限于一个系统中的力学实验,都无法判断这个系统是静止或者是匀速直线运动(在各个彼此匀速直线运动的系统中,力学规律都相同).§4.1爱因斯坦的两个基本假设4.1.1牛顿的绝对时空观惯性参考系:牛顿力学适用的特殊参考系,一个没有加速度的参考系——理想化的概念.地球参考系:对地轴的向心加速度3.4×10-2m/s2对太阳的向心加速度6.1×10-3m/s2太阳参考系:对银心的向心加速度3×10-10m/s2银河中心参考系:还没有测到.K系和K系坐标轴相互平行,

且K系相对于K系沿x＋方向以恒定速率u运动,当O

和O重合时,取t=t=0正变换1)同时性是绝对的3.经典力学的绝对时空观2.伽利略坐标变换OxyzOzyxuutPKK坐标变换:逆变换若K系中有两事件同时发生即在K系中两事件也是同时发生的.2)时间间隔是绝对的或写为3)空间间隔是绝对的结论:

同时性,时间间隔和空间距离都是绝对的,与参考系无关;时间和空间彼此独立,互不相关;时间和空间都可以独立于物质和运动之外.这就是经典力学的时空观,也叫绝对时空观.时空是绝对的4)力学规律在一切惯性系中都是等价的坐标变换矢量式:加速度变换矢量式:结论:牛顿运动方程在任意两个不同的惯性参考系中的形式都相同.力学相对性原理:力学规律对于一切惯性参考系都是等价的.在一切惯性系中,力学现象都服从相同的力学规律.坐标变换:速度变换矢量式:l=5000

光年物质飞散速度AB公元1054年,天上出现了一颗“客星”,光芒耀眼,肉眼可见.我国北宋沈括所著《梦溪笔谈》记载它在天空中持续22个月,最终产生著名的金牛座蟹状星云

.4.狭义相对论的实验基础A

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间l=5000

光年物质飞散速度ABl=5000

光年物质飞散速度AB如此计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约Δt=tB－tA≈25年.实际持续时间约为22个月,这怎么解释??4.狭义相对论的实验基础c+vcv因果颠倒?1)速度合成的问题2)光的传播(高速运动)vs伽利略变换真空中的光速:c由经典电磁理论与参考系选择无关彼此矛盾!而由伽利略变换,速度与参考系选择有关.3)迈克耳孙-莫雷实验:检测以太实验原理图MSM2M1T以太风设地球(光源和干涉仪)相对于“以太”速度:光相对于地球的速度:光相对于“以太”的速度:大小随的方向而变化

实验原理图MSM2M1T以太风两光线之间存在光程差,出现干涉条纹.将装置转动90度,干涉条纹应移动(预计0.37条).反复实验,“零结果”.1.狭义相对论的相对性原理:

物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊的惯性系．2.光速不变原理:在任何惯性系中,光在真空中沿任意方向的速率都相等.4.1.2爱因斯坦基本假设?包括两个意思:

光速不随观察者的运动而变化

光速不随光源的运动而变化爱因斯坦的两个基本假设,抛开了以太说,又不必修改麦克斯韦电磁理论的结果,“光速不变”与麦克斯韦预言光的传播速率在所有惯性系中都相同是一致的.4.2.1同时性的相对性§4.2爱因斯坦时空观问题:在某一惯性系K'中同时发生的两件事,在另一相对K'系运动的惯性系K中是否也会同时发生呢?理想实验:爱因斯坦火车站台火车

,C发出一光信号事件1:A接收到光信号事件2:B接收到光信号同时不同时结论:“同时性”具有相对性——光速不变原理的直接结果任意惯性系中同时同地发生的两件事,在其他惯性系中依然同时发生.K事件1事件2火车:固有时间(原时):两件事同地发生,用相对事件发生地静止的钟(相对K运动)测的时间间隔.I

发射光信号II

接收光信号火车:固有时间(原时):两件事同地发生,用相对事件发生地静止的钟(相对K运动)测的时间间隔.运动时间(两地时)

:两件事异地发生,用两只校准过的相对于各自发生地静止的同步钟(都静止于K

中)测的时间间隔.光信号轨迹:站台:结论:两件事之间固有时间最短.运动时钟变慢,时间延缓效应(动钟变慢).令∴1)时间延缓是一种相对论效应.3)时间延缓或运动的时钟变慢,完全来自相对论的时空效应,与钟表的具体构造和运转无关;也与运动物体的物理,化学,生物性质无关.讨论:固有时间:“原时”用静止在“当地”的钟测量;运动时间:“两地时”用校准的“同步钟”测量.2)当速率远远小于c

时,运动时间与固有时间相同.实际生活中难以察觉两者的区别.例5-1.半人马座星是距离太阳系最近的恒星,距离地球4.31016m.有一宇宙飞船自地球飞到半人马星,假设宇宙飞船相对地球的速率为0.999c,按地球上的时钟要用多少年到达?按飞船上的时钟又为多少年?解:思考:哪个时间为原时?飞船上的时钟记录飞船飞到α星所需时间正是时间延缓效应使得人在自己的有生之年进行星际航行成为可能.飞船上的时钟测出原时

地球上的时钟测量的是运动时间

地球上的时钟测量飞船飞到α星所需时间由静止在“当地”的同一只钟测量;“两地时”用校准的“同步钟”测量.4.2.3长度收缩长度=在与长度方向平行的坐标轴上,物体两端坐标之差(当物体运动时,两端坐标必须同时记录).测量尺两端坐标xx光往返时间(固有时间):入射路程:全程所用时间(运动时间):棒静止于k系,在k系中观测光源反射镜光源反射镜反射路程:在k系中观测固有长度(原长):在与物体相对静止的参考系中(观察者相对物体静止)测的物体长度.结论:

物体的固有长度最大.运动物体长度缩短,长度收缩效应(动尺缩短).非固有长度(运动长度):在与物体相对运动的参考系中(观察者相对物体运动)测的物体长度,运动长度总不大于物体的原长.1)相对于观察者,运动物体沿运动方向长度缩短.

讨论:2)长度收缩是相互的.KuKKuKK3)长度收缩效应与测量有关,不表示物质内部结构的改变,是物质的一种时空属性.固有长度不变.4)长度收缩是“测量”结果,不是“视觉”效果.u解:(1)由题意可知由得根据相对论“尺缩”效应,例5-3.

一根米尺静止放置在k系中,与Ox轴成30角.已知k系沿k系的Ox轴正向匀速前进,若在k系中测得米尺与Ox轴成45角,问:(1)k系相对于k系的运动速度u为多大？(2)k系中测得米尺的长度是多少?u解