第8.2节 相对论初步-【帮课堂】2023-2024学年高一物理同步学与练（沪科版2020上海必修第二册）

第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 8.2 相对论初步 🧭目标导航 知识要点 难易度 1. 爱因斯坦假设：(1)相对性原理；(2)光速不变原理 2. 同时相对性：地面观察者看到，灯光先到达车厢后面 3. 钟慢、尺缩、质速公式：，， 4. 广义相对论的验证：引力波、光线弯曲、引力红移、水星进动 ★★ ★★ ★★★ ★ 📚知识精讲 一、绝对时空观（牛顿力学时空观） 1.空间和时间都独立于物体及其运动而存在，时间和空间是两个独立的观念，彼此间没有联系。 （1）同时的绝对性 （2）时间间隔的绝对性 （3）空间距离的绝对性 即时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。 2.伽利略变换 如图，参考系S’相对于参考系S的速度为u，如果一个物体相对于S’的速度是v’， 则相对于S系速度 v=u+v’ 由此可得，光速在某个参考系正好等于c，则相对于这个参考系运动的另一个参考系中速度即不为c。 二、相对论时空观 1.迈克耳孙—莫雷实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！ (1)实验装置，如图所示： (2)实验内容：转动涉仪，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)实理：光路经过M1和M2的反射后在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，把整个装置旋转90°， 如果光在不同参考系下的速度不同，则条纹会发生移动，但实际结果却看不到任何干涉条纹的移动。 (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。 这与牛顿力学中不同参考系之间的伽利略速度变换关系不符，即牛顿力学无法解释此现象。 2.爱因斯坦假设： (1)相对性原理：物理规律包括电磁规律，在所有惯性系中都具有相同的形式。 (2)光速不变原理：真空中的光速在所有惯性系中都是相同的，与光源和观测者的速度无关。 3.同时的相对性 (1)同时相对性实验： 假设一列高铁沿直线轨道以匀速v向右运动，车厢中央的光源在时刻 t=0 发出一个闪光，如果车厢长度为2L，则经过时间后闪光分别到达车厢的前壁和后壁。对于车厢里的观察者来说，车厢是惯性系，光向前及向后的传播速度相同，传播的距离相同，因此闪光同时到达车厢的前壁及后壁，即这两个事件对车上的观察者来说是同时发生的。 但地面上的观察者看来，因为当闪光向车厢前壁传播时，车厢也在以速度v向前运动，因此，闪光到达前壁的距离要比到达后壁的距离长一些，而光速是不变的，所以在地面的观察者看来，闪光先到达车厢后壁，后到达车厢前壁。即对地面上的观察者而言，这两个事件不是同时发生的。 (2)同时的相对性是同一物理事件在不同参考系中的观测结果。 4.时间延缓效应 (1)同一惯性参考系中人观察某一运动物体的事件发生的时间间隔为Δτ，称固有时间。 地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt， 那么两者之间的关系是：Δt＝，即Δt=γΔτ (2)Δt与Δτ的关系总有Δt＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。 当v较小时Δt=Δτ，即在低速运动中，相对论效应可以忽略。 5.长度收缩效应 (1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是l， 那么两者之间的关系是：l＝l0，即l = (2)l与l0的关系总有l＜l0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。 当v较小时l＝l0，即在低速运动中，相对论效应可以忽略。 (3)缩短是沿着运动速度v的方向，垂直于运动速度v的方向上不发生尺缩效应。 6.相对论质量 相对论中质量和速度的关系为 (1)式中m0是物体静时的质量(也称为静质量)，m物体以度运动时的质量，也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)v<<c时，近似地m=m0，是固定不变的。 (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，它的运动与加在 D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。 7.爱因斯坦质能方程 爱因斯坦质能关系式：E=mc2 (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E0=m0c2 (3)物体运动时，具有动能，同时质量变大，则物体所具有的总能量： 即动能：，即动能可以用质量的变化量来进行计算。 8.相对论时空观 在狭义相对论中，时间和空间不再是绝对的，而是统一在一个四维时空之中； 对于低速运动的物体，相对论效应可以忽略不计，一般用经典力学规律来处理； 对于高速运动问题，经典力学不再适用，需要用相对论知识来处理； 注意：S参考系相对于S1参考系速度为u，则S1相对于S以相反的速度运动，两种时空观都适用。 例1. 如图所示，强强乘坐速度为0