2022-2023学年高二物理竞赛课件：广义相对论简介

广义相对论简介 广义相对论简介 一、狭义相对论的原则性缺陷 　非惯性系的时空结构及其中的物理定律不清楚 　万有引力定律没有得到修正 二、广义相对论的基本原理 等 效 原 理： 引力 和加速度等 效。 广义相对性原理： 在一切参照系中，物理 定律都有相同的形式。 从整体上说广义相对论是一个关于时间、空间和引力的理论，它指出，物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现 2 　爱因斯坦升降机实验 地 球 上 静 止 真实引力场和非惯性系无法区分，存在引力场的空间不是惯性系。 太空中向上加速 g 太 空 中 静 止 地球上自由下落 g 在引力场的任一局域都可引入一自由降落系，在其中消除了引力场，成为“局域惯性系”，狭义相对论的公式在其中成立。 光线在引力场中发生弯曲，这是因为空间本身弯曲了，连带光线一起也被弯曲了。 3 　等效原理使引力场和弯曲的空间联系起来 爱因斯坦广义相对论把非惯性系、引力场和弯曲空间统一起来，继承了狭义相对论的合理内容，将相对论物理学推广到非惯性系，同时解决了引力问题。 描述弯曲空间的黎曼几何成为爱因斯坦建立广义相对论的强有力数学工具。 在黎曼空间建立的爱因斯坦场方程，此方程表明物质和时空是统一的，由物质的运动及其分布可以决定时空的结构，由已知的时空结构也可以推算出物质的运动。 4 三、广义相对论的实验验证 　雷达回波的时间延迟 　引力红移 　引力场中的光线的偏折 　水星近日点的进动 质能关系已被实验证实 放射性蜕变、原子核反应、高能粒子实验中均得证 平常物体能量发生变化时为何测不出质量变化? 因为 很大 极小 思考 (b) 相当于燃烧60吨煤放出的能量！！ 例1.设一质子以速度v=0.80c运动。求其总能量、动能和动量。 解：质子的静能量为E0=m0c2=938MeV，所以，质子的总能量为 质子的动量为 质子的动能为 例2. 两全同粒子，以相同的速率相向运动，碰后复合。求：复合粒子的速度和质量 由能量守恒 解：对撞，动量守恒，复合后速度为零。设复合粒子质量为M 系统的静止质量增加了。 两个粒子的动能，转化为静能，能量转化为质量。 复合前：两个总能量之和；复合后：一个总能量 二者（质量）由速度联系 8 三、四维动量 由 和 可得 最终有， 如果设c=1，则有 四维动量，间隔不变，动量守恒 9 四维动量也满足洛仑兹变换 飞船中的速度： 飞船中的能量： 飞船中的动量： 四维矢量点积 常见的四维矢量： 四维动量，间隔不变，动量守恒 四维矢量，洛伦兹旋转不变，点积不变 选特殊坐标系 时空：类时或类光， 或 判定相关或无关 能量或动量：自坐标（光例外） 运动坐标系，尺缩效应 电现象 稳恒电流：静止坐标系 磁现象 光子动量守恒：能量 = 动量 光子静质量为零，永远以光速运动 光子动质量: 有（动）质量，只是没有静质量 线性色散关系: 狄拉克粒子 $