(共21张PPT)
7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性
第7章 万有引力与宇宙航行
一、牛顿力学
哥白尼 日心说
亚里士多德
伽利略
第谷
开普勒
笛卡尔
牛顿
一、牛顿力学
如果河水以相对河岸的速度v水流动,河中的船以相对于水的速度v船顺流而下,则船相对于岸边的速度为:
这类表达式,称为伽利略变换,是牛顿力学研究相对运动问题的基本原理之一。
v合=v船+v水
一、牛顿力学
设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光,该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少?
利用伽利略变换,该星球上的观察者测量到的激光的速度应该是:
0.2c + c = 1.2c
一、牛顿力学
1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的一项著名物理实验,结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个开端。
迈克尔逊一莫雷实验:如果地球和以太存在相对运动,则两束光返回的时间会有微小差别,但实验中并未发现任何时间差。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
② 光速不变原理:
在一切惯性参考系中,
测量到的真空中的光速 c 都相同。
① 相对性原理:
在不同的惯性参考系中,
一切物理规律都是相同的。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
① 相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢的前壁和后壁。
车上的观察者以车厢为参考系,因为车厢是个惯性系,光向前、后传播的速率相同,光源又在车厢的中央,闪光当然会同时到达前后两壁。
对于车下的观察者来说,他以地面为参考系,因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的,在闪光飞向两壁的过程中,车厢向前行进了一段距离,所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是:闪光先到达后壁,后到达前壁。
时间不再是绝对的,而是相对的——同时性是相对的。
闪光同时到达前后侧壁
闪光先到达后方侧壁
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
① 相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
在爱因斯坦两个假设的基础上,经过严格的数学推导,可以得到下述结果:
在系处发生两个事件:
在系中:
发出光信号:
接收光信号:
由勾股定理可得:
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
① 相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
因为物体的速度不可能达到光速,
所以总有 。
该情况被称为时间延缓效应。
如果相对于地面以u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:
时间不再是绝对的,而是相对的。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
① 相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
物体的长度沿运动方向会收缩。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
① 相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。
因为物体的速度不可能达到光速,
所以总有 。
该情况被称为长度收缩效应。
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的杆长是l,那么两者之间的关系是:
空间不再是绝对的,而是相对的。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
② 光速不变原理:在一切惯性参考系中,测量到的真空中的光速c都相同。
上面两个式子表明:运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)都跟物体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义,它所反映的时空观称作相对论时空观。
二、相对论时空观
科学家发现 子以0.99c甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的 子数,这个数值小于实际观察到的 子数。观察到的现象与经典理论产生了矛盾。
高速运动的 子寿命变长这一现象,用经典理论无法解释,用相对论时空观可得到很好的解释。这一研究结果成了相对论时空观的最早证据。
二、相对论时空观
爱因斯坦假设
Einstein 对相对论的解释:
“当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好像坐了一小时,这就是相对论。”
相对论的思想实验:有一对双胞胎兄弟,其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行,而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后,我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。
二、相对论时空观
双生子佯谬
三、牛顿力学的成就与局限性
时间均匀地自行流逝,空间像广阔无边的舞台,时间和空间彼此独立、互不关联,都不影响物质及其运动。时间和空间独立与物体及其运动而存在的。这是绝对时空观,也叫牛顿力学时空观。
牛顿力学时空观
爱因斯坦时空观
相对时空观中,时间和空间被联系在一起,它们互相联系又互相制约,物质的运动对时间和空间有一定的影响。爱因斯坦还把时间看作第四维,与三维的空间一起组成了四维时空。
三、牛顿力学的成就与局限性
经典时空观 狭义相对论时空观
光速 相对的 绝对的(不变)
同时 绝对的 相对的
时间与空间 与运动无关 与运动有关
质量 与运动无关 随速度增大而增大
三、牛顿力学的成就与局限性
经典力学
狭义相对论
广义相对论
量子力学
互为补充,互不矛盾,互不否定,
共同支撑起物理学科的骨架。
宏观低速
高速
微观世界
强引力
四、练习与应用
教材第70页
1. 一列火车以速度v相对地面运动。如果地面上的人测得,某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁后壁,那么按照火车上人的测量,闪光先到达前壁还是后壁?火车上的人怎样解释自己的测量结果?
解:
按照火车上的人测量,闪光先到达前壁。由于地面上的人测得闪光同时到达前、后壁,而在光向前、后壁传播的过程中,火车要相对于地面向前运动一段距离,所以光源发出的位置一定离前壁较近。
这个事实对于车上、车下的人都是一样的。在车上的人看来,既然发光点离前壁较近,各个方向的光速又是一样的, 当然闪光先到达前壁。
四、练习与应用
教材第70页
2. 以约8 km/s的速度运行的人造地球卫星上一只完好的手表走过了1 min,地面上的人认为它走过这 1 min“实际”上花了多少时间?
解:
四、练习与应用
教材第70页
3. 一枚静止时长30m的火箭以3km/s的速度从观察者的身边掠过,观察者测得火箭的长度应为多少?火箭上的人测得火箭的长度应为多少?如果火箭的速度为光速的一半呢?
解:
速度为3km/s时,观察者测得火箭的长度约为30m,火箭上的人测得火箭的长度为30m。
速度为c/2时,观察者测得火箭的长度约为26m,火箭上的人测得火箭的长度为30m。