第19课 牛顿力学的局限性、相对论初步-【帮课堂】2021-2022学年高一物理同步精品讲义（沪科版2020必修第二册）

第19课 牛顿力学的局限性、相对论初步 ( 目标导航 ) 1.理解牛顿力学的局限性 2.理解狭义相对论的两个基本假设 3.知道时间间隔的相对性和长度的相对性 4.知道相对论的速度叠加公式 5.知道相对论质量 6.知道爱因斯坦质能方程 7.知道广义相对性原理和等效原理 8.知道光线在引力场中的弯曲及其验证 ( 知识精讲 ) 时空弯曲真的存在吗? 知识点01 狭义相对论 一、相对论的诞生 1.惯性系和非惯性系 牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系,匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里,以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动,根据牛顿运动定律,房屋树木应该受到不为零的合外力作用,但事实上没有,也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系. 相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系. 2.伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的.即任何惯性参考系都是平权的. 这一原理在麦克尔逊—莫雷实验结果面前遇到了困惑,麦克尔逊—莫雷实验和观测表明:不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是一样的. 3.麦克尔逊—莫雷实验 (1)实验装置,如图所示. (2)实验内容:转动干涉仪,在水平面内不同方向进行光的干涉实验,干涉条纹并没有预期移动. (3)实验原理: 如果两束光的光程一样,或者相差波长的整数倍,在观察屏上就是亮的;若两束光的光程差不是波长的整数倍,就会有不同的干涉结果.由于和不能绝对地垂直,所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹.如果射向和的光速不相同,就会造成干涉条纹的移动.我们知道地球的运动速度是很大的,当我们将射向的光路逐渐移向地球的运动方向时,应当看到干涉条纹的移动,但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动.因此,说明光在任何参考系中的速度是不变的,它的速度的合成不满足经典力学的法则,因此需要新的假设出现,为光速不变原理的提出提供有力的实验证据. (4)实验结论:光沿任何方向传播时,相对于地球的速度是相同的. 4.狭义相对论的两个基本假设 (1)狭义相对性原理. 在不同的惯性参考系中,一切物理定律总是相同的. (2)光速不变原理. 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的. 二、时间和空间的相对性 1.“同时”是相对的 两个事件是否同时发生,与参考系的选择有关. 汽车以较快的速度匀速行驶,车厢中央的光源发出的闪光,对车上的观察者,这个闪光照到车厢前壁和后壁的这两个事件是同时发生的. 对车下的观察者,他观察到闪光先到达后壁后到达前壁.这两个事件是不同时发生的. 2.长度的相对性(尺缩效应) 长度的测量方法:同时测出杆的两端的位置坐标.坐标之差就是测出的杆长. 如果与杆相对静止的人认为杆长为. 与杆相对运动的人认为杆长为. 则 . 一根沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度小,而在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化. 3.时间间隔的相对性(钟慢效应) 某两个事件在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔不一样. 在与事件发生者相对静止的观察者测出两事件发生的时间间隔为,与事件发生者相对运动的观察者测得两事件发生的时间间隔为. . 4.相对论的时空观 相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关.经典物理则认为空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间没有什么联系. 虽然相对论更具有普遍性,但是经典物理学作为相对论在低速运动时的特例,在自己的适用范围内还将继续发挥作用. 三、狭义相对论的其他结论 1.相对论速度变换公式 相对论认为,如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为,车上的人以速度沿着火车前进的方向相对火车运动,那么这个人相对地面的速度 . 理解这个公式时请注意: (1)如果车上的人的运动方向与火车的运动方向相反,则取负值. (2)如果、远小于c,这时可忽略不计,这时相对论的速度合成公式可近似变为 (3)如果与的方向相垂直或成其他角度时,情况比较复杂,上式不适用. 2.相对论质量 相对论中质量和速度的关系为 . 理解这个公式时请注意: (1)式中是物体静止时的质量(也称为静质量),是物体以速度v运动时的质量.这个关系式称为相对论质速关系,它表明物体的质量会随速度的增大而增大. (2)远小于c时,近似地. (3)微观粒子的运动速度很高,它的质量明显地大于光子质量.例如回旋加速器中被加速的粒子质量会变大,导致做圆周运动的周期变大后,它的运动与加在形盒上的交变电压不再同步,回旋加速器的加速能量因此受到了限制. 3.质能方程 爱因斯坦质能关系式:. 理解这个公式请注意: (1)质能方程表达了物体的质量和它所具有的能量的关系:一定的质量总是和一定的能量相对应. (2)静止物体的能量为,这种能量叫做物体的静质能.每个