人教版高一物理必修二7.5天體運(yùn)動(dòng)之相對(duì)論介紹-課件

相對(duì)論簡(jiǎn)介1、相對(duì)論的產(chǎn)生背景：故事的主人公大家都很熟悉——阿爾伯特?愛(ài)因斯坦，這個(gè)智商最高的人也有著和普通人一樣的童年，愛(ài)因斯坦是一個(gè)反抗權(quán)威的人，他被父母留在德國(guó)上高中，但他覺(jué)得德國(guó)的教育體系過(guò)于死板充滿了軍國(guó)主義，所以他就輟學(xué)了。隨后跟隨自己的父親去了意大利，他的父親在意大利開了一個(gè)發(fā)電廠，而在當(dāng)時(shí)電磁學(xué)成熟了并沒(méi)有幾年，不過(guò)卻對(duì)人們工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了翻天覆地的變化。隨后愛(ài)因斯坦又游手好閑了幾年，然后去了瑞士學(xué)習(xí)，畢業(yè)之后也沒(méi)有讀研而是去了專利局當(dāng)了一個(gè)普通的職員相當(dāng)于現(xiàn)在的公務(wù)員。但也正是這份很閑的工作給了愛(ài)因斯坦充分的思考時(shí)間。1905年年僅25歲的愛(ài)因斯坦寫了5篇論文，其中有三篇論文投給了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界著名的期刊《物理學(xué)年鑒》，這三篇論文在我們現(xiàn)在看來(lái)每一篇都足以獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第一篇論文愛(ài)因斯坦計(jì)算了原子的大小，證明了物質(zhì)即微粒的觀點(diǎn)是正確的。第二篇奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。第三篇也是我們主要要說(shuō)的，介紹了相對(duì)論思想即《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，后人稱作“狹義相對(duì)論”。狹義相對(duì)論到底講了些什么？在講狹義相對(duì)論之前我們先來(lái)介紹下所有鋪墊狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦時(shí)期學(xué)習(xí)的是有著近300年歷史的牛頓力學(xué)。牛頓力學(xué)解釋了引力作用，我們知道物體的自由落體運(yùn)動(dòng)是因?yàn)榈厍蛞ΓｎD自己也發(fā)現(xiàn)自己的公式并不能解釋所有的力，因?yàn)椴⒉皇侵挥凶杂陕潴w的物體才會(huì)運(yùn)動(dòng)。牛頓的這個(gè)疑問(wèn)直到19世紀(jì)才得到解答，一直到人們發(fā)現(xiàn)電磁力提出了“場(chǎng)”的概念。我們知道1831年法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，同年麥克斯韋出生，后來(lái)兩人成為了忘年交，兩個(gè)人共同構(gòu)筑了電磁學(xué)的科學(xué)理論體系。我們重點(diǎn)來(lái)說(shuō)一下麥克斯韋，麥克斯韋通過(guò)自己的方程組預(yù)言了電磁波的存在，還推導(dǎo)出了電磁波的傳輸速度接近于每秒鐘30萬(wàn)公里。這與當(dāng)時(shí)測(cè)量的光速十分接近，進(jìn)而證明了光也是一種電磁波。相對(duì)論的主要矛盾就要從這里說(shuō)起。麥克斯韋的方程組說(shuō)光速應(yīng)該是一個(gè)恒定值，但在信奉經(jīng)典伽利略相對(duì)性的人看來(lái)這是不可理喻的。按照伽利略的相對(duì)性，兩個(gè)人向相反方向走，一個(gè)人的速度是3m/s，另一個(gè)人的速度是4m/s，那么兩個(gè)人的相對(duì)速度應(yīng)該是7m/s才對(duì)，所以光速怎么可能是恒定值？這里還要說(shuō)到另外一個(gè)理論—以太學(xué)說(shuō)。以太理論的提出實(shí)際上是為了解決物理學(xué)的兩大疑問(wèn)，第一個(gè)疑問(wèn)，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界認(rèn)為任何物質(zhì)的傳播都需要介質(zhì)，可是光為什么可以在真空中傳播呢？所以以太理論猜測(cè)真空當(dāng)中并不是什么都沒(méi)有，而是存在一種物質(zhì)以太。第二個(gè)疑問(wèn)也就是我們剛才說(shuō)的伽利略相對(duì)性。起初我們認(rèn)為地球是靜止的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。我們又認(rèn)為太陽(yáng)是絕對(duì)靜止的，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)在銀河系中也是不停運(yùn)動(dòng)的。直到后來(lái)又發(fā)現(xiàn)從另一個(gè)星系來(lái)看銀河系也在運(yùn)動(dòng)。所以人類一直在尋找一個(gè)絕對(duì)靜止的物體，以太學(xué)說(shuō)則完美的解決了這一問(wèn)題，人們猜測(cè)以太就是一直尋找的世界上絕對(duì)靜止的物質(zhì)。以太理論說(shuō)的就是：宇宙當(dāng)中充斥著一種看不見摸不著，無(wú)色無(wú)味也沒(méi)有任何屬性的物質(zhì)叫做以太，正是因?yàn)橐蕴拇嬖诠獠拍軌蛟谡婵债?dāng)中傳播。當(dāng)然這套理論在我們今天看來(lái)是很荒謬的，可在當(dāng)時(shí)引起了不小的轟動(dòng)，直到后來(lái)有兩個(gè)人做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)宣告以太理論的失敗，這兩個(gè)人就是邁克爾遜和莫雷。1887年邁克爾遜和莫雷在美國(guó)克利夫蘭做了一個(gè)用邁克爾遜干涉儀測(cè)量?jī)纱怪惫獾墓馑俨钪档闹麑?shí)驗(yàn)，結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此否定了以太的存在，從而動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個(gè)開端，在物理學(xué)的發(fā)展史上占有十分重要的地位然而深信著以太理論的人們?nèi)匀辉趯ふ易詈蟮姆磽簟?892年一個(gè)叫菲茨杰拉德的愛(ài)爾蘭人提出了一個(gè)假說(shuō)叫做“菲茨杰拉德收縮”他認(rèn)為以太風(fēng)的壓力會(huì)壓縮物質(zhì)，因此正面對(duì)著以太風(fēng)的光并不是光速不變的，而是由于以太風(fēng)的壓力使光速和路程都變小了，所以時(shí)間才不變。但這個(gè)假說(shuō)并不能反正，因?yàn)槿绻阆霚y(cè)出這段距離就必須保持和這段路程有相同的速度和方向，因此測(cè)量的尺子也被壓縮了。一年之后荷蘭物理學(xué)家洛倫茲用數(shù)學(xué)公式描述了菲茨杰拉德的假說(shuō)，也就是我們今天聽到的洛倫茲變換。

那么邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)中的光速恒定到底是為什么呢？當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能：（1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。（2）牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁理論都對(duì)，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。（3）牛頓力學(xué)與伽利略變換不對(duì)，應(yīng)存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學(xué)要作修改，修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。正是因?yàn)槲锢韺W(xué)界出現(xiàn)了巨大的分歧，才給了愛(ài)因斯坦統(tǒng)一力學(xué)的機(jī)會(huì)，愛(ài)因斯坦的聰明之處在于既然我們無(wú)法和事實(shí)爭(zhēng)辯那么就一定是我們的常識(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。于是靈機(jī)一動(dòng)既然想不通那就不想了直接把光速恒定變成原理，既然找不到絕對(duì)靜止的物質(zhì)那就不找了，我們只研究相對(duì)性并且把伽利略的相對(duì)性擴(kuò)大，從力學(xué)擴(kuò)展到所有自然定律。所以愛(ài)因斯坦就有了狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)，第一條假設(shè)：凡是相對(duì)于彼此是一致運(yùn)動(dòng)的參考系，光在期間真空中的速度都一樣。第二條假設(shè)：凡是相對(duì)于彼此是一致運(yùn)動(dòng)的參考系所有自然定律都一樣（一致運(yùn)動(dòng)指的是相對(duì)靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)的參考系）而狹義相對(duì)論的所有理論都是基于這兩條假設(shè)產(chǎn)生的。在菲茨杰拉德和洛倫茲的想象中，路程是因?yàn)槭艿搅艘蕴L(fēng)的壓力才收縮的，可愛(ài)因斯坦卻不這么認(rèn)為，他認(rèn)為造成路程壓縮的是運(yùn)動(dòng)本身，我們都知道v=s/t，如果想使速度不變我們只能同時(shí)調(diào)整兩個(gè)參數(shù)s和t，是否可能存在這樣一種現(xiàn)象即在不同觀察者看來(lái)，兩者的路程和時(shí)間都會(huì)不一樣呢？因此愛(ài)因斯坦的基本設(shè)定初步獲得了兩個(gè)果實(shí)，一個(gè)是時(shí)間膨脹效應(yīng)（即動(dòng)鐘變慢），一個(gè)是長(zhǎng)度收縮效應(yīng)（即動(dòng)尺變短）。這兩個(gè)果實(shí)在當(dāng)時(shí)的世界觀是具有顛覆性的，因?yàn)槿藗円恢毕嘈攀澜缟洗嬖谥粋€(gè)宇宙時(shí)間，人們公用著這個(gè)時(shí)間。不過(guò)在愛(ài)因斯坦看來(lái)時(shí)間是獨(dú)立的，彼此的時(shí)間因運(yùn)動(dòng)速度不同而產(chǎn)生了差異。接下來(lái)我們就具體來(lái)看一下如何理解時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。2、時(shí)間膨脹效應(yīng)：由光速不變?cè)肀愕玫讲煌臅r(shí)間間隔高速運(yùn)行的列車上，由車廂底部發(fā)出的閃光，對(duì)于車上的人來(lái)說(shuō)，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認(rèn)為被接收的反射光是沿斜線傳播的．根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間在運(yùn)動(dòng)中會(huì)進(jìn)行的比較緩慢，也就是說(shuō)，在空間中高速移動(dòng)的時(shí)鐘，比固定于地面上的時(shí)鐘走得慢．1971年，科學(xué)家將銫原子鐘放在噴氣式飛機(jī)中作環(huán)球飛行，然后與地面的基準(zhǔn)鐘對(duì)照．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言符合的很好．這是相對(duì)論的第一次宏觀驗(yàn)證．3、同時(shí)的相對(duì)性在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中看來(lái)是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中看來(lái)也一定是同時(shí)的，但是如果接受愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，我們會(huì)得出“同時(shí)是相對(duì)的”這樣一個(gè)結(jié)論．同時(shí)是相對(duì)的車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達(dá)前后車廂的先后是不一樣的．車上的觀察者認(rèn)為光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁站臺(tái)上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁結(jié)論：1、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于地面就不是同時(shí)的關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為c 2、地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車也不是同時(shí)的關(guān)鍵：相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)論的時(shí)空觀牛頓物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀：物理學(xué)的空間與時(shí)間是絕對(duì)分離沒(méi)有聯(lián)系的，脫離物質(zhì)而單獨(dú)存在，與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。而相對(duì)論認(rèn)為：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。人類對(duì)于空間、時(shí)間更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)而形成的新的時(shí)空觀，是建立在新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和相關(guān)結(jié)論與傳統(tǒng)觀念不一致的矛盾基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展、不斷完善起來(lái)的。4.長(zhǎng)度收縮效應(yīng)(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同．(2)相對(duì)論的時(shí)空觀：“長(zhǎng)度”也具有相對(duì)性，一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比靜止長(zhǎng)度小，但在垂直于桿的運(yùn)動(dòng)方向上，桿的長(zhǎng)度沒(méi)有變化．(3)相對(duì)長(zhǎng)度公式：是：.當(dāng)兩個(gè)參考系的相對(duì)速度可與光速相比時(shí)，時(shí)間與空間的相對(duì)性才比較明顯，狹義相對(duì)論的結(jié)論已經(jīng)完全得到證實(shí)，實(shí)際上它已經(jīng)成為微觀粒子研究的基礎(chǔ)之一．例1．假設(shè)有一天某人坐在“神舟”號(hào)飛船上，以0.5c的速度遨游太空，當(dāng)他打開一個(gè)光源時(shí)飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為________，飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為________，在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是________．【解析】根據(jù)狹義相對(duì)論的假設(shè)，真空中的光速相對(duì)于不同的慣性參考系是相同的，即在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c.例2．用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷，下列說(shuō)法正確的是()A．時(shí)間是絕對(duì)的，空間是相對(duì)的B．時(shí)間和空間都是絕對(duì)的，在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長(zhǎng)度總不會(huì)改變C．在地面上的人看來(lái)，高速運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變慢，但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的D．在地面上的人看來(lái)，高速運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄，而飛船中的宇航員卻感覺(jué)到地面上的人看起來(lái)比飛船中的人扁一些E．當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v?c時(shí)，“時(shí)間膨脹”和“長(zhǎng)度收縮”效應(yīng)可忽略不計(jì)【解析】時(shí)間和空間都是相對(duì)的，故選項(xiàng)A、B的說(shuō)法錯(cuò)誤；根據(jù)“時(shí)間膨脹”和“長(zhǎng)度收縮”效應(yīng)，選項(xiàng)C、D的說(shuō)法正確；當(dāng)速度v?c時(shí)，≈1，所以“時(shí)間膨脹”和“長(zhǎng)度收縮”效應(yīng)可忽略不計(jì)，故選項(xiàng)E說(shuō)法正確．例3.地面上長(zhǎng)100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過(guò)，則火箭上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長(zhǎng)度又是多少？【解析】當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長(zhǎng)度基本不變，還是100km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時(shí)，由相對(duì)論長(zhǎng)度公式代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l＝100×km＝80km.5.狹義相對(duì)論的其他結(jié)論（1）．相對(duì)論速度變換公式以高速火車為例如圖所示，設(shè)車對(duì)地面的速度為v，車上的人以速度u′沿著火車前進(jìn)的方向相對(duì)火車運(yùn)動(dòng)，那么他相對(duì)地面的速度u為.這一公式僅適用于u′與v在一直線上的情況，當(dāng)u′與v相反時(shí)，u′取負(fù)值．a(chǎn).若粒子運(yùn)動(dòng)方向與火車運(yùn)動(dòng)方向相反，則u′取負(fù)值．b.如果v?c，u′?c時(shí)，u′v/c2可忽略不計(jì)，這時(shí)相對(duì)論的速度變換公式可近似為u＝u′＋v.c.若u′＝c，v＝c，則u＝c，表明一切物體的速度都不能超過(guò)光速．d.該變換公式只適用于同一直線上勻速運(yùn)動(dòng)速度的變換，對(duì)于更復(fù)雜的情況不適用．（2）相對(duì)論質(zhì)量

按照牛頓力學(xué)，物體的質(zhì)量是不變的，因此一定的力作用在物體上，產(chǎn)生的加速度也是一定的，這樣，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以后物體就可以達(dá)到任意大的速度．

相對(duì)論的速度疊加公式表明，物體的運(yùn)動(dòng)速度不能無(wú)限增加，嚴(yán)格的論證證實(shí)了這一點(diǎn)，實(shí)際上，物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量m與靜止時(shí)的質(zhì)量m0之間有如下關(guān)系a.式中m0是物體靜止時(shí)的質(zhì)量(也稱為靜質(zhì)量)，m是物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，這個(gè)關(guān)系式稱為相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系，它表明物體的質(zhì)量會(huì)隨速度的增大而增大．b.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速度很大，它的質(zhì)量明顯大于光子質(zhì)量，像回旋加速器中被加速的粒子質(zhì)量會(huì)變大，導(dǎo)致做圓周運(yùn)動(dòng)的周期變大后，它的運(yùn)動(dòng)與加在D形盒上的交變電壓不再同步，回旋加速器的加速能量因此受到了限制．c.微觀粒子的速度很大，因此粒子質(zhì)量明顯大于靜質(zhì)量．（3）質(zhì)能方程：相對(duì)論另一個(gè)重要結(jié)論就是大家都很熟悉的愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程，式中m是物體的質(zhì)量，E是它具有的能量。對(duì)質(zhì)能方程的理解愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2.它表達(dá)了物體的質(zhì)量和它所具有的能量關(guān)系：一定的質(zhì)量總是和一定的能量相對(duì)應(yīng)．a(chǎn).靜止物體所對(duì)應(yīng)的能量為E0＝m0c2，這種能量稱為物體的靜質(zhì)能，每個(gè)有靜質(zhì)量的物體都有靜質(zhì)能．b.由質(zhì)能關(guān)系式可得ΔE＝Δmc2.其中Δm表示質(zhì)量的變化量，該式意味著當(dāng)質(zhì)量減少Δm時(shí)，要釋放出ΔE＝Δmc2的能量．(3)物體的總能量E為動(dòng)能Ek與靜質(zhì)能E0之和，即E＝Ek＋E0＝mc2(m為物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量)．6．廣義相對(duì)論的基本原理(1)廣義相對(duì)性原理：在任何參考系中物理規(guī)律都是相同的．(2)等效原理：一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)．廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論(1)光線在引力場(chǎng)中彎曲．(2)引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)偏差(引力紅移)．(3)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。（行星繞太陽(yáng)一周后，橢圓軌道長(zhǎng)軸也隨之有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，叫做進(jìn)動(dòng)）狹義、廣義相對(duì)論比較愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理狹義相對(duì)論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的更進(jìn)一步廣義相對(duì)論

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的