高中物理 6.4相對論的速度變換公式 質(zhì)能關(guān)系課件 教科版選修3-4.ppt

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相對論,科學(xué)的旗手—愛因斯坦,1909—1914 進(jìn)入大學(xué)工作 （蘇黎世、布拉格等地）,1914—1933 柏林大學(xué)教授、德國物理研究所所長、院士,1916 提出廣義相對論,1933—1955 美國普林斯頓大學(xué)高級研究所研究員,1955.4.18 逝世,1879-1955,相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦創(chuàng)立，分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。相對論的基本假設(shè)是光速不變原理，相對性原理和等效原理。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”，“四維時空”“彎曲空間”等全新的概念。,第一節(jié) 牛頓力學(xué)中運(yùn)動的相對性,慣性系：,牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系．,相對于這個慣性系做勻速直線運(yùn)動的 另一個參考系也是慣性系,在參考系中的物體F合=0時，物體保持靜止或勻速運(yùn)動，這樣的參考系就叫慣性系。,思考：什么是非慣性系？,伽利略相對性原理：,力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 這個論述叫做伽利略相對性原理 （又叫經(jīng)典相對性原理）,(3)表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的．,伽利略相對性原理的三種表述,(1)表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的．,(2)表述二：通過任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都不可能發(fā)現(xiàn) 慣性系是處于絕對靜止?fàn)顟B(tài)還是在做勻速直線運(yùn)動．,經(jīng)典時空觀：（絕對時空觀）,時間和空間彼此獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，且不受物質(zhì)運(yùn)動的影響．,(1)同時的絕對性：在一個參考系中同時發(fā)生的事件， 在其他參考系中觀察也是同時的．,(2)時間間隔的絕對性：任何事件經(jīng)歷的時間在不同的參考系中測量都是相同的．,(3)長度的絕對性：無論選用什么參考系，對空間兩點(diǎn)距離的測量結(jié)果是相同的．,(4)物體的質(zhì)量不隨物體的運(yùn)動而改變．,因此，在經(jīng)典時空觀下，長度、時間、質(zhì)量這三個基本物理量都與參考系的選擇無關(guān)．,伽利略速度變換,在絕對時空觀下：,v＝u＋v′,v＝u－v′,在相對地面以速率u開行的車廂內(nèi)，某人相對于車廂以速率v′向前急跑時相對地面的速率,如果他向后跑時，相對于地面的速率,,例：如圖所示，在列車車廂的光滑水平面上有一個質(zhì)量為m＝5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)，現(xiàn)在給小球一個水平向前的F＝5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時，車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？,【方法總結(jié)】 在兩個慣性系中，雖然觀察到的結(jié)果并不相同，一個10 m/s，另一個30 m/s，但我們卻應(yīng)用了同樣的運(yùn)動定律和速度合成法則．,第二節(jié) 狹義相對論的兩個基本假設(shè),狹義相對論提出的歷史背景,19世紀(jì)后半葉，關(guān)于電磁場的研究不斷深入，人們認(rèn)識到了光的電磁本質(zhì)．我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大且有限的速度傳播的，因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導(dǎo)致了相對論的出現(xiàn)．,矛盾之一：光速問題,對慣性系S，光源發(fā)出的光速是c,對慣性系S’，光源發(fā)出的光速是c-v,若慣性系S’相對于S以速度v 運(yùn)動,,為什么電磁規(guī)律對兩個慣性系不一樣了呢？,為什么呢？？?,狹義相對論的兩個基本假設(shè),狹義相對性原理,物理規(guī)律(力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等)對于 所有慣性系都具有相同的形式,愛因斯坦把伽利略的力學(xué)相對性原理推廣到了 電磁物理規(guī)律和一切其他物理規(guī)律，成為第一 個假設(shè)．,狹義相對論的兩個基本假設(shè),光速不變原理,在任何慣性系中，光在真空中的速度恒為c， 與光源的運(yùn)動和觀測者的運(yùn)動無關(guān),光速不變原理與伽利略速度疊加原理是針鋒 相對的，具有觀念上的革命性．,例.下列幾種說法： ①所有慣性系統(tǒng)對物理基本規(guī)律都是等價的． ②在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)． ③在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速度都相同． 關(guān)于上述說法( ),A．只有①②是正確的 B．只有①③是正確的 C．只有②③是正確的 D．三種說法都是正確的,D,例.,CD,第三節(jié) 時間、長度的相對性,同時的相對性,在一個參考系中觀察同時發(fā)生的兩件事，在另一參考系中觀察不同時發(fā)生,在車廂內(nèi)觀察,在站臺上觀察,狹義相對論簡介,,,,,,,,,根據(jù)光速不變假設(shè)，二人說法都是對的。因此，對不同的觀察者來說，“同時”是相對的,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光源,我看到閃光到達(dá)車廂的前壁和后壁是“同時”的,我看到閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁,到底是誰錯了？,同時的相對性,,如果在車廂運(yùn)動的速度遠(yuǎn)小于光速時，在光到達(dá)車壁時間內(nèi)，車廂運(yùn)動的距離觀察不出來，所以經(jīng)典時空觀中的同時的絕對性是在參考系低速運(yùn)動的情況下得出的結(jié)論。,例：如圖所示，沿鐵道排列的A、B兩電桿正中央安裝一閃光裝置C，光信號到達(dá)A電桿稱為事件1，到達(dá)B電桿稱為事件2.則( ) A．在地面觀察者看來，事件1比事件2先發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生 B．在地面觀察者看來，事件1比事件2后發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生 C．在地面觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2比事件1后發(fā)生 D．在地面觀察者看來，事件1、2同時發(fā)生；從車廂中觀察者看來，事件2比事件1先發(fā)生,D,運(yùn)動時鐘的變慢,,固有時為,在站臺上觀測,,時間間隔為,由狹義相對論導(dǎo)出時間變換公式：,注意：,（1）時鐘延緩效應(yīng)并不是鐘由于相對運(yùn)動而發(fā)生了物理結(jié)構(gòu)上的變化，而是由相對運(yùn)動的不同觀測者對時間進(jìn)行量度時引起的一種觀測效應(yīng)。,（2）當(dāng)u遠(yuǎn)小于光速時，時間間隔相差很小，這就是人們能夠接受經(jīng)典時空觀的原因。,例：哥哥乘坐宇宙飛船以接近光的速度離開地球去遨游太空，經(jīng)過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多．則該現(xiàn)象的科學(xué)解釋是( ) A．哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了 B．弟弟思念哥哥而加速生長了 C．由相對論可知，物體速度越大，在其上時間進(jìn)程就越慢，生理過程也越慢 D．這是神話，科學(xué)無法解釋,C,孿生子佯謬,一臺以反物質(zhì)為燃料的時間機(jī)器，如果它以接近光速的速度向銀河系中央飛去，那么它將用21年的時間抵達(dá)目的地，而根據(jù)相對論原理，地球上的時間在此期間卻已過去了3萬年。,一對孿生子中的一個進(jìn)行星際旅行，另一個則呆在地球上。作為宇航員的哥哥乘飛船高速飛離地球，當(dāng)他返回地球時，他比呆在地球上的弟弟年紀(jì)要小。,例：地面上A、B兩處同時發(fā)生爆炸．對于坐在火箭中沿A、B發(fā)生地點(diǎn)的連線飛行的人來說，哪個爆炸先發(fā)生？,例：如下圖所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且看到木桿落到地面上時是兩端同時著地的，所以，你認(rèn)為這木桿是平著落到了地面上；而此時飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過，她看到B端比A端先落地，因而她認(rèn)為木桿是向右傾斜著落地的，她的看法是( ),A．對的 B．錯的 C．她應(yīng)感覺到木桿在朝她運(yùn)動 D．她應(yīng)感覺到木桿在遠(yuǎn)離她運(yùn)動,AC,長度的相對性,狹義相對論簡介,,,,,,,,,,,,我在同時測量M、N兩點(diǎn)的坐標(biāo)！,你為什么對N端讀數(shù)早、對M端讀數(shù)遲呢？,長度的相對性,長度的相對性：一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比靜止時的長度小,,,又是誰錯了？,,一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比 靜止時的長度小 (動棒縮短）,注意：,（1）長度收縮是由于相對運(yùn)動而引起的觀測效應(yīng)，棒的本身沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)的變化。,（2）由公式當(dāng)V等于c 時，長度為0，當(dāng)Vc時，L為負(fù)值，沒有意義，說明光速C是物體運(yùn)動速率的極限,例：慣性系S中有一邊長為l的正方形(如圖A所示)，從相對S系沿x方向以接近光速飛行的飛行器上測得該正方形的圖象是( ),C,狹義相對論簡介,時鐘變慢,長度縮短,,,,,,孿生子佯謬,,小 結(jié),第四節(jié) 狹義相對論的其它結(jié)論,狹義相對論的其它結(jié)論,,,,,,,相對論速度變換公式,相對論 質(zhì)量,質(zhì)能方程,一定的質(zhì)量相對應(yīng)于一定的能量,相對論質(zhì)量是能量的量度,