相对论简介 -2021-2022学年高二物理精讲精练（人教版选修3-4）

2021-2022学年高二物理精讲精练（人教版选修3-4）

相对论简介

        

【学习目标】

1．理解经典的相对性原理．

    2．理解光的传播与经典的速度合成法则之间的矛盾．

    3．理解狭义相对论的两个基本假设．

4．理解同时的相对性．

    5．知道时间间隔的相对性和长度的相对性．

6．知道时间和空间不是脱离物质而单独存在的

7．知道相对论的速度叠加公式．

    8．知道相对论质量．

    9．知道爱因斯坦质能方程．

    10．知道广义相对性原理和等效原理．

    11．知道光线在引力场中的弯曲及其验证．

 

【要点梳理】

要点一、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．

要点二、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．

要点三、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，，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．