高中物理奥林匹克竞赛专题-相对论课件.ppt
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1、2022-11-22高中物理奥林匹克竞赛高中物理奥林匹克竞赛专题专题-相对论相对论 1687 1687年,牛顿在他的自然哲学的数学原理一书年,牛顿在他的自然哲学的数学原理一书中对时间和空间作如下表述中对时间和空间作如下表述 :绝对的、真实的、纯数学的时间,就其自身和其本绝对的、真实的、纯数学的时间,就其自身和其本质而言,是永远均匀流动的,不依赖于任何外界事物。质而言,是永远均匀流动的,不依赖于任何外界事物。绝对的空间,就其本性而言,是与外界事物无关绝对的空间,就其本性而言,是与外界事物无关而永远是相同和不动的。而永远是相同和不动的。牛顿的绝对时空观:牛顿的绝对时空观:时间和空间都是绝对的,与物
2、质的存在和运动无关。时间和空间都是绝对的,与物质的存在和运动无关。4.1.1 经典力学时空观 4.1.2 伽利略变换原点原点 与与 重合时,重合时,作为计时起点,作为计时起点,伽利略时空变换式:伽利略时空变换式:或或于是有:于是有:或或伽利略速度变换式:伽利略速度变换式:或或于是有:于是有:或或速度变换矢量式:速度变换矢量式:速度变换矢量式:速度变换矢量式:对速度变换式两边对时间求导对速度变换式两边对时间求导 加速度变换矢量式:加速度变换矢量式:结论:结论:牛顿运动方程在任意两个不同惯性参考系中其形牛顿运动方程在任意两个不同惯性参考系中其形式保持不变。式保持不变。力学相对性原理:力学规律对于一
3、切惯性参考系都是力学相对性原理:力学规律对于一切惯性参考系都是等价的。等价的。2)电磁场方程组不服从伽利略变换电磁场方程组不服从伽利略变换4)迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验的莫雷实验的 0 结果结果1)牛顿运动定律只适用于低速运动的物体。对于高牛顿运动定律只适用于低速运动的物体。对于高速运动的粒子,牛顿力学不再适用。速运动的粒子,牛顿力学不再适用。与参照系无关与参照系无关3)光速与参照系无关的结论与牛顿时空观完全排斥)光速与参照系无关的结论与牛顿时空观完全排斥4.2.1 4.2.1 迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验 光顺着以太方向传播光顺着以太方向传播 光逆着以太方向传播光逆着以太方向传播 往返一
4、次所需时间:往返一次所需时间:光路(光路(1 1)光路(光路(2)光相对于地球的速度垂直于以太的方向。光相对于地球的速度垂直于以太的方向。往返一次需要时间往返一次需要时间 因为因为由由两束光的光程差:两束光的光程差:将仪器旋转将仪器旋转9090,由于光程差改变量,由于光程差改变量 。引起的条纹移动:引起的条纹移动:零结果!零结果!光速:光速:所选光波长:所选光波长:地球绕太阳的公转速度:地球绕太阳的公转速度:干涉仪臂长约:干涉仪臂长约:莫克尔逊莫克尔逊莫雷实验的目的:想证明莫雷实验的目的:想证明“以太以太”的存在,的存在,但是结果恰与预期相反,实验结果否定了以太的存在。但是结果恰与预期相反,实
5、验结果否定了以太的存在。从而从根本上动摇了静止以太假设,使绝对时空观念从而从根本上动摇了静止以太假设,使绝对时空观念遇到了严重的困难。遇到了严重的困难。相对论的建立经历了几十年的时间,相对论的建立经历了几十年的时间,1905年爱因斯年爱因斯坦发表了论动体的电动力学宣告了相对论的诞坦发表了论动体的电动力学宣告了相对论的诞生。生。爱因斯坦相对论分为狭义相对论和广义相对论。爱因斯坦相对论分为狭义相对论和广义相对论。4.2.2 狭义相对论基本原理 狭义相对论的两条基本假设:狭义相对论的两条基本假设:狭义相对论的相对性原理:狭义相对论的相对性原理:在所有惯性系中,物在所有惯性系中,物理定律的表达形式都相
6、同。即:物理定律与惯性系理定律的表达形式都相同。即:物理定律与惯性系的选择无关,所有惯性系都是等价的。(不存在的选择无关,所有惯性系都是等价的。(不存在“以太以太”这种特殊的物质)这种特殊的物质)光速不变原理:光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速在所有惯性系中,真空中的光速具有相同的量值具有相同的量值c。(光速为常量)。(光速为常量)4.3.1 同时的相对性 由于光速不变,在某一个惯性系中同时发生的两个事件,由于光速不变,在某一个惯性系中同时发生的两个事件,在另一相对它运动的其它惯性系中并不一定是同时发生的,在另一相对它运动的其它惯性系中并不一定是同时发生的,这个结论称为这个结论称为“同
7、时的相对性同时的相对性”。爱因斯坦列车爱因斯坦列车在列车中部一光源发出光信号,在列在列车中部一光源发出光信号,在列车中车中 AB 两个接收器同时收到光信号两个接收器同时收到光信号但在地面来看,但在地面来看,由于光速不变,由于光速不变,A 先收到,先收到,B 后收到后收到 。例例4-1(1)某惯性系中一观察者,测得两事件同时刻、)某惯性系中一观察者,测得两事件同时刻、同地点发生,则在其它惯性系中,它们不同时发生。同地点发生,则在其它惯性系中,它们不同时发生。(3)在某惯性系中同时、不同地发生的两件事,)在某惯性系中同时、不同地发生的两件事,在其它惯性系中必不同时发生。在其它惯性系中必不同时发生。
8、(2)在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事,)在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事,在其它惯性系中必同时发生。在其它惯性系中必同时发生。正确的说法是:正确的说法是:(A)(1).(3);(B)(1).(2).(3);(C)(3);(D)(2).(3)C 4.3.2 时间的膨胀从第二式中消去从第二式中消去d,有,有解得:解得:原时:原时:在在S系中系中同一地点同一地点先后发生的两个事件的时间间隔。先后发生的两个事件的时间间隔。测时:测时:在在S系中记录下该两事件的时间间隔。系中记录下该两事件的时间间隔。结论:结论:测时大于原时,时间测量上的这种效应通常叫做测时大于原时,时间测量上的这种效应通
9、常叫做时间膨胀效应。时间膨胀效应。如在飞船上的钟测得一人吸烟用了如在飞船上的钟测得一人吸烟用了3分钟。分钟。在地面上测得这个人吸烟可能用了在地面上测得这个人吸烟可能用了5分钟。分钟。动钟变慢动钟变慢CAIa.慢慢慢慢.双双生生子子佯佯谬谬例例4-2带正电的带正电的 介子是一种不稳定的粒子,以其自身介子是一种不稳定的粒子,以其自身为参考系测得的平均寿命为为参考系测得的平均寿命为2.510-8s,此后衰变为一,此后衰变为一个个 子和一个中微子。今产生一束子和一个中微子。今产生一束 介子,在实验室介子,在实验室测得它的速度测得它的速度 u=0.99c,它在衰变前通过的平均距离,它在衰变前通过的平均距
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