第二节 相对论初步（教学课件）物理沪科版必修第二册

第八章《牛顿力学的局限性与相对论初步》 第二节 《相对论初步》 1 1、牛顿力学只适用于低速运动，不适用于高速运动； 2、只适用于宏观世界，不适用于微观世界； 3、只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。 牛顿力学的局限性回顾 爱因斯坦环 相对论建立背景 19 世纪末，以牛顿力学、热力学和统计物理以及电磁理论为支柱的经典物理学已经形成完整的科学体系，自然界的各种物理现象几乎都能在这一理论框架下得到解释。 “两朵乌云” 黑体辐射问题 迈克耳孙 莫雷实验 一、光速是有限的吗？ 我们知道，真空中的光速 c = 299792458 m/s，但一直到 17 世纪，科学界对光速是否有限还是有争议的，甚至当时的一些著名学者都认为光速是无限的，光的传播不需要时间。 光是否可以在真空中传播? 相对性原理对光是否成立? 伽利略速度合成公式对光是否成立? 1、伽利略设想：两个人分别站在相距数千米的山头，第一个人举起灯笼并开始计时，当第二个人看到第一个人的灯笼后立即举起自己的灯笼，当第一个人看到第二个人的灯笼后便停止计时，以此来计算出光的速度。 2、罗 默 通 过 对“木卫一”的观测给出了光速测量的结果。虽然误差较大,但却是第一个光速测量的结果,实际上利用罗默的方法可以得 到 非 常 精 确 的 结果。 3、布莱德雷利用光行差法,菲索利用旋转齿轮法,傅科利用旋转镜法等,测得了更精确的结果。 4、现代物理利用谐振腔、激光、干涉等方法测量光速,精度大大提高。 1983年,第十七届国际 计 量 大 会 作 出 决定,将 真 空 中 的 光 速 c = 299792458m/s 定为精确值。 二、什么是相对性原理？ 疑惑1：伽利略早在 1632 年就指出，在一艘行驶平稳的大船里，无法通过密闭船舱内的力学实验来判断大船是否在行驶？ 疑惑2：麦克斯韦（J. C. Maxwell，1831—1879）在 1864 年证明光是电磁波，在真空中的传播速度就是光速 c，且不涉及具体的参考系。 疑惑3：如图，光速在哪个参考系正好等于 c ？如果在 S 参考系等于 c，那么在另一个以速度 v 相对 S 参考系做匀速直线运动的 S′ 参考系中，是否还等于 c ？ 为了解决这个问题，爱因斯坦抛弃了传统的思维方式，另辟蹊径，在 1905 年提出了两条基本原理，从而建立了一个全新的理论——狭义相对论。 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。 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。 推论：在一个参考系中同时发生的事件，在另一个参考系中不再同时。——同时的相对性。 如图，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。 相对论时空观 (1)时间延缓效应 ①如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，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= 。 ②Δt与Δτ的关系总有Δt Δτ(选填“>”“<”或“=”)，即物理过程的快慢(时间进程)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。 有关 > ②l与l0的关系总有l l0(选填“>”“<”或“=”)，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态 (选填“有关”或“无关”)。 (2)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 < 有关 牛顿力学是非相对论的,但经过修改后可以改写成相对论的形式,即相对论力学。 相对论力学： 爱因斯坦质能关系： 三、什么是等效原理？ 等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价，或者说，无法通过在密闭箱子内的实验来判断系统是静止在引力场中还是在无引力场情况下做加速运动。 广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。 引力红移：引力场中发出的光在远处 接 收 时 会 发 生 红移。 引力波：质量分布的变化会导致时空曲率的变化并以波的形式以光速向外传播。 【课堂练习】 1.(多选)用相对论时空观的观点判断,下列说法正确的是 A.时间和空间都是绝对的,在任何参考系中一个事件发生的时间和一个物体的长度都不会改变 B.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船中的时钟会变慢,但是飞船中的航天员看到的时钟却是准确的 C.在地面上的人看来,以10 km/s的速度运动的飞船在运动方向上会变窄 D.当物体运动的速度v远小于光速c时,“时间延缓”和“长度收缩”效应可忽略不计 √ √ √ 解析：按照相对论时空观可知,时间和空间都是相对的,故A错误;由Δt=可知,运动的时钟变慢了,但飞船中的时钟相对航天员静止,时钟准确,故B正确;由l=l0可知,地面上的人看飞船,飞船沿运动方向上的长度会减小,故C正确;由时间延缓效应和长度收缩效应的公式可知,当物体运动的速度v远小于光速c时,“时间延缓”和“长度收缩”效应可忽略不计,故D正确。 2.设某人在速度为0.5c的飞船上打开一个光源，(c为真空中传播的光速)则下列说法正确的是 A.飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5c B.飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5c C.在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是c D.在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c √ 解析：根据爱因斯坦的光速不变原理可知，在不同的惯性参考系中，光在真空中沿任何方向传播速度都是c，则观察者在地面上任何地方和在飞船中观测光的速度均为c，故选D。 3.如图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度vb、vc向同一方向飞行的两枚火箭上，且vb<vc，则地面的观察者认为走得最慢的钟为 A.a B.b C.c D.无法确定 √ 解析：根据公式Δt=可知，钟表相对于地面观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，a放在地面上，在地面上的人看来，a钟走的快慢没有变化。b、c两钟放在两个火箭上，根据爱因斯坦相对论可知，b、c变慢，由于vb<vc，c钟比b钟更慢，所以a钟最快，c钟最慢。故选C。 课堂小结 相对论初步 光速是有限的吗？ 伽利略、罗 默、布莱德雷等人对光速测量的贡献 光 速：c = 299792458m/s 什么是相对性原理？ 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。 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。 推论：在一个参考系中同时发生的事件，在另一个参考系中不再同时。 相对论初步 相对论时空观 爱因斯坦假设 时间延缓效应： Δt ＝ 长度收缩效应： l＝ l0 什么是等效原理？ 等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。 广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。 引力红移、引力波。 课堂小结 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $