人教版高一物理必修二7．5天体运动之相对论介绍 课件（共26张）

(共26张PPT)
相对论简介
1、相对论的产生背景：
故事的主人公大家都很熟悉——阿尔伯特?爱因斯坦，这个智商最高的人也有着和普通人一样的童年，爱因斯坦是一个反抗权威的人，他被父母留在德国上高中，但他觉得德国的教育体系过于死板充满了军国主义，所以他就辍学了。随后跟随自己的父亲去了意大利，他的父亲在意大利开了一个发电厂，而在当时电磁学成熟了并没有几年，不过却对人们工业的发展带来了翻天覆地的变化。随后爱因斯坦又游手好闲了几年，然后去了瑞士学习，毕业之后也没有读研而是去了专利局当了一个普通的职员相当于现在的公务员。但也正是这份很闲的工作给了爱因斯坦充分的思考时间。1905年年仅25岁的爱因斯坦写了5篇论文，其中有三篇论文投给了当时物理学界著名的期刊《物理学年鉴》，这三篇论文在我们现在看来每一篇都足以获得诺贝尔物理学奖。第一篇论文爱因斯坦计算了原子的大小，证明了物质即微粒的观点是正确的。第二篇奠定了量子力学的基础。第三篇也是我们主要要说的，介绍了相对论思想即《论动体的电动力学》，后人称作“狭义相对论”。狭义相对论到底讲了些什么？在讲狭义相对论之前我们先来介绍下所有铺垫狭义相对论的理论基础。
爱因斯坦时期学习的是有着近300年历史的牛顿力学。牛顿力学解释了引力作用，我们知道物体的自由落体运动是因为地球引力，但牛顿自己也发现自己的公式并不能解释所有的力，因为并不是只有自由落体的物体才会运动。牛顿的这个疑问直到19世纪才得到解答，一直到人们发现电磁力提出了“场”的概念。我们知道1831年法拉第提出了电磁感应定律，同年麦克斯韦出生，后来两人成为了忘年交，两个人共同构筑了电磁学的科学理论体系。我们重点来说一下麦克斯韦，麦克斯韦通过自己的方程组预言了电磁波的存在，还推导出了电磁波的传输速度接近于每秒钟30万公里。这与当时测量的光速十分接近，进而证明了光也是一种电磁波。相对论的主要矛盾就要从这里说起。麦克斯韦的方程组说光速应该是一个恒定值，但在信奉经典伽利略相对性的人看来这是不可理喻的。按照伽利略的相对性，两个人向相反方向走，一个人的速度是3m/s，另一个人的速度是4m/s，那么两个人的相对速度应该是7m/s才对，所以光速怎么可能是恒定值？这里还要说到另外一个理论—以太学说。以太理论的提出实际上是为了解决物理学的两大疑问，第一个疑问，当时的物理学界认为任何物质的传播都需要介质，可是光为什么可以在真空中传播呢？
所以以太理论猜测真空当中并不是什么都没有，而是存在一种物质以太。第二个疑问也就是我们刚才说的伽利略相对性。起初我们认为地球是静止的，后来发现地球绕着太阳转。我们又认为太阳是绝对静止的，后来又发现太阳在银河系中也是不停运动的。直到后来又发现从另一个星系来看银河系也在运动。所以人类一直在寻找一个绝对静止的物体，以太学说则完美的解决了这一问题，人们猜测以太就是一直寻找的世界上绝对静止的物质。以太理论说的就是：宇宙当中充斥着一种看不见摸不着，无色无味也没有任何属性的物质叫做以太，正是因为以太的存在光才能够在真空当中传播。当然这套理论在我们今天看来是很荒谬的，可在当时引起了不小的轰动，直到后来有两个人做了一个实验宣告以太理论的失败，这两个人就是迈克尔逊和莫雷。1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做了一个用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的著名实验，结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否定了以太的存在，从而动摇了经典物理学的基础，成为近代物理学的一个开端，在物理学的发展史上占有十分重要的地位
然而深信着以太理论的人们仍然在寻找最后的反击。1892年一个叫菲茨杰拉德的爱尔兰人提出了一个假说叫做“菲茨杰拉德收缩”他认为以太风的压力会压缩物质，因此正面对着以太风的光并不是光速不变的，而是由于以太风的压力使光速和路程都变小了，所以时间才不变。但这个假说并不能反正，因为如果你想测出这段距离就必须保持和这段路程有相同的速度和方向，因此测量的尺子也被压缩了。一年之后荷兰物理学家洛伦兹用数学公式描述了菲茨杰拉德的假说，也就是我们今天听到的洛伦兹变换。
那么迈克尔逊莫雷实验中的光速恒定到底是为什么呢？
当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：
（1）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。
（2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。
（3）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。
正是因为物理学界出现了巨大的分歧，才给了爱因斯坦统一力学的机会，爱因斯坦的聪明之处在于既然我们无法和事实争辩那么就一定是我们的常识出现了错误。于是灵机一动既然想不通那就不想了直接把光速恒定变成原理，既然找不到绝对静止的物质那就不找了，我们只研究相对性并且把伽利略的相对性扩大，从力学扩展到所有自然定律。所以爱因斯坦就有了狭义相对论的两条基本假设，第一条假设：凡是相对于彼此是一致运动的参考系，光在期间真空中的速度都一样。第二条假设：凡是相对于彼此是一致运动的参考系所有自然定律都一样（一致运动指的是相对静止或者匀速运动的参考系）而狭义相对论的所有理论都是基于这两条假设产生的。
在菲茨杰拉德和洛伦兹的想象中，路程是因为受到了以太风的压力才收缩的，可爱因斯坦却不这么认为，他认为造成路程压缩的是运动本身，我们都知道v=s/t，如果想使速度不变我们只能同时调整两个参数s和t，是否可能存在这样一种现象即在不同观察者看来，两者的路程和时间都会不一样呢？因此爱因斯坦的基本设定初步获得了两个果实，一个是时间膨胀效应（即动钟变慢），一个是长度收缩效应（即动尺变短）。这两个果实在当时的世界观是具有颠覆性的，因为人们一直相信世界上存在着一个宇宙时间，人们公用着这个时间。不过在爱因斯坦看来时间是独立的，彼此的时间因运动速度不同而产生了差异。接下来我们就具体来看一下如何理解时间膨胀和长度收缩效应。
2、时间膨胀效应：
由光速不变原理便得到不同的时间间隔
高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．
根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．
3、同时的相对性
在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．
同时是相对的
车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．
车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁
站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁
结论：1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的
关键：在各个参考系中光速都为c
2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的
关键：相对运动
相对论的时空观
牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。
而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。
人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。
4.长度收缩效应
(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同．
(2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止长度小，但在垂直于杆的运动方向上，杆的长度没有变化．
(3)相对长度公式：是：
.
当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显，狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一．
例1．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．
【解析】　根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.
例2．用相对论的观点判断，下列说法正确的是(　　)
A．时间是绝对的，空间是相对的
B．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总不会改变
C．在地面上的人看来，高速运动的飞船中的时钟会变慢，但是飞船中的宇航员却看到时钟是准确的
D．在地面上的人看来，高速运动的飞船在运动方向上会变窄，而飞船中的宇航员却感觉到地面上的人看起来比飞船中的人扁一些
E．当物体运动的速度v?c时，“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计
【解析】　时间和空间都是相对的，故选项A、B的说法错误；根据“时间膨胀”和“长度收缩”效应，选项C、D的说法正确；当速度v?c时，
≈1，所以“时间膨胀”和“长度收缩”效应可忽略不计，故选项E说法正确．
例3.地面上长100
km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30
km/s的速度掠过，则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少？如果火箭的速度达到0.6c，则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少？
【解析】　当火箭速度较低时，长度基本不变，还是100
km.当火箭的速度达到0.6c时，由相对论长度公式
代入相应的数据解得：l＝100×
km＝80
km.
5.狭义相对论的其他结论
（1）．相对论速度变换公式
以高速火车为例如图所示，设车对地面的速度为v，车上的人以速度u′沿着
火车前进的方向相对火车运动，那么他相对地面的速度u为
.
这一公式仅适用于u′与v在一直线上的情况，当u′与v相反时，u′取负值．
a.若粒子运动方向与火车运动方向相反，则u′取负值．
b.如果v?c，u′?c时，u′v/c2可忽略不计，这时相对论的速度变换公式可近似为u＝u′＋v.
c.若u′＝c，v＝c，则u＝c，表明一切物体的速度都不能超过光速．
d.该变换公式只适用于同一直线上匀速运动速度的变换，对于更复杂的情况不适用．
（2）相对论质量
?按照牛顿力学，物体的质量是不变的，因此一定的力作用在物体上，产生的加速度也是一定的，这样，经过足够长的时间以后物体就可以达到任意大的速度．
?相对论的速度叠加公式表明，物体的运动速度不能无限增加，严格的论证证实了这一点，实际上，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系
a.式中m0是物体静止时的质量(也称为静质量)，m是物体以速度v运动时的质量，这个关系式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．
b.微观粒子的运动速度很大，它的质量明显大于光子质量，像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后，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．
c.微观粒子的速度很大，因此粒子质量明显大于静质量．
（3）质能方程：相对论另一个重要结论就是大家都很熟悉的爱因斯坦质能方程
，式中m是物体的质量，E是它具有的能量。
对质能方程的理解
爱因斯坦质能方程E＝mc2.
它表达了物体的质量和它所具有的能量关系：一定的质量总是和一定的能量相对应．
a.静止物体所对应的能量为E0＝m0c2，这种能量称为物体的静质能，每个有静质量的物体都有静质能．
b.由质能关系式可得ΔE＝Δmc2.
其中Δm表示质量的变化量，该式意味着当质量减少Δm时，要释放出ΔE＝Δmc2的能量．
(3)物体的总能量E为动能Ek与静质能E0之和，即E＝Ek＋E0＝mc2(m为物体运动时的质量)．
6．广义相对论的基本原理
(1)广义相对性原理：在任何参考系中物理规律都是相同的．
(2)等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价．
广义相对论的几个结论
(1)光线在引力场中弯曲．
(2)引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现偏差(引力红移)．
(3)水星近日点的进动。（行星绕太阳一周后，椭圆轨道长轴也随之有一点转动，叫做进动）
狭义、广义相对论比较
爱因斯坦相对性原理
狭义相对论
不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的
真空中的光速在不同惯性参考系中都是相等的
更进一步
广义相对论
任何参考系（包括非惯性系）中物理规律都是相同的
一个均匀的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
等效原理
光速恒定
谢谢
THANKS
FOR
WATCHING