相对论ppt课件

星体
宇宙中很可能存在黑洞，它
不辐射电磁波，因此无法直接 观测，但是它的巨大质量和极 小的体积使其附近产生极强的 引力场，引力透镜是探索黑洞 的途径之一．
无
法
黑
星体
观
洞
测
32
时间间隔与引力场有关
引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出 现差别．
对于高速转动的圆盘，除了 转动轴的位置外，各点都在做 加速运动，越是靠近边缘，加 速度越大，方向指向盘心．
3、时间和空间相互独立、互不相关。
4
相对论简黑介体辐两射朵乌云
光速问
19世纪后半叶，关于电磁场的研究不题断深入，
人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电
磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁
场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了
相对论的出现．
量子力学
相对论
相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规
15
狭义相对论的其他三个结论 下面，我们学习狭义相对论的三个重要结论…
相对论的速度叠加公式 相对论质量 质能方程
16
相对论的速度叠加公式
v
u
车外的人看到车上人
相对地面的速度为：
u v
u

1
uv c2
17
相对论质量
物体的运动速度不能无限增加，那么物体的质 量是否随着速度而变化？
严格的论证表明，物体高速（与光速相比） 运动时的质量与它静止时的质量之间有下面的 关系：
地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论， 靠近边缘部位的时间进程较慢．
圆盘上的人认为：盘上存在引力场，方向由盘心指向边缘， 引力势较低，得出：引力势较低的位置，时间进程比较慢． 33
时间间隔与引力场有关
各 类 星 体 对 比
宇宙中有一类恒星，体积很小，质量却很大，叫做矮星，
引力势比地球低的多，矮星表面的时间进程比较慢，那里的发
杆的长度与引力场有关 由于物质的存在，实际空间并不是均匀的，空间 发生了“弯曲”：
36
对于时空观的认识
狭义相对论
广义相对论
时空性质和物 质的运动有关
时 空 观
物质本身的存在决 定时空的性质
惯性系平权
所有参考系平权
光速恒定
等效原理
37
6返0 回地4球8.时00，他60比.00
8呆0 在地3球6.上00的弟60弟.00 9年0 纪要2小6.。10 60.00
95
18.71 60.00
99
8.53 60.00
99.9 2.78 60.00
99.997 1.17 60.00
100 0
60.00
孪生子佯谬
13
狭义相对论结论三 长度的相对性
结果会相同吗？
在不同参 考系中观 察物体的 运动情况
22
非惯性系和惯性系
a a
光滑表面
以车厢为参考系，当列车加速运行时，小球会相
对于车厢加速向后运动．
23
非惯性系和惯性系
加速运动的 列车是个非 惯性参考系
为了让牛顿定律在 非惯性系中能够成 立，引入惯性力．
Fi m a
光滑表面 24
广义相对论简介
速
速在不同惯
恒
性参考系中
定
都是相等的
一个均匀的引
等
力场与一个做
效
匀加速运动的
原
参考系等价
理
28
广义相对论简介
等效原理和广义相对性原理是广义相对论的 两个基本原理
预言与实验验证: ①引力使光线偏析(日全食的星体视位置偏离) ②引力使空间弯曲(雷达回波延迟) ③引力使时间延缓(引力红移)
29
广义相对论简介
律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它
的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重
要的里程碑．
5
相对论简介 牛顿力学
适用宏观物体的低速 （与光速相比）运动
研究微观粒子的运动
研究宏观物体的高速 （与光速相比）运动
66
矛盾之二：光速问题
7
麦克耳孙一莫雷实验
• 1887年的麦克耳孙 --莫雷实验得到的 结果：
t1
t2
t t2 t1
时间间隔的相对性：从地面上观 察，飞船上的时间比地面上慢
t
1 ( v )2 12 c
飞船速度一飞对船孪中1生子地球中上1 与的光一速百个小进时行的分星际小时旅的 分行比，另钟一数个则呆分钟在数 0地球上6。0.作00为宇60航.00 2员0 的哥5哥8.乘70飞船60高.00 4速0 飞离5地5.球00，当60他.00
光 源
a
在一个引力可以忽 半 略的宇宙空间有一艘宇 透 宙飞船在做匀加速直线 明 运动，船上的观察者记 屏 录光的径迹是一条抛物
线．
假设飞船静止，而在船尾存在一个巨大的物体，在它 的引力场作用下，飞船内的物理过程受到影响．
等效原理
物体的引力能使光线弯曲 30
广义相对论简介
通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引
事实相符，这就证明了它的正确性
10
狭义相对论结论一 同时的相对性
我看到闪光到达车厢的前 壁和后壁是“同时”的
v
光源
我看到闪光先到达后 壁，后到达前壁
根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此，
对不同的观察者来说，“同时”是相对的
11
狭义相对论结论二 时间间隔的相对性
t1’
t2v t2’ t1
• 不论光源与观察者 做怎样的相对运动， 光相对于观察者的
速度都是一样的!
8
9
三、狭义相对论的两个基本假设
狭义相对论的两个基本假设
狭义相对性原理： 在不同的惯性参考 系中，一切物理规 律都是相同的
光速不变原理： 真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是 相同的
到目前为止，这两个基本原理的所有推论都与
a
G ma
26
爱因斯坦密封仓实验
仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还 是非惯性系
m a
地球
a m
a
无地球
27
广义相对论简介Βιβλιοθήκη 狭义相对论广义相对论
爱因 斯坦 相对
不同的惯性
任何参考系
参考系中一 更进一步 （包括非惯性
广义 相对
性原
切物理规律
系）中物理规
性原
理
都是相同的
律都是相同的
理
光
真空中的光
你为什么对N端读数早、
对M端读数迟呢？
v
M
N 又是谁
错了？
我在同时测量M、
N两点的坐标！
长度的相对性：一条沿自身长度 方向运动的杆，其长度总比静止 时的长度小
l l0
1 (v)2 c 14
狭义相对论简介
小
时钟变慢
长度缩短
结
t
1 (v)2
c
孪生子佯谬
l l0
1 (v)2 c
力场引起的光线弯曲．
由于太阳
引力场的作

用，我们有
可能观测到
太阳
太阳后面的 恒星，最好
的观测时间
是发生日全
食的时候．
1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测31， 证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实．
广义相对论简介
星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种 现象叫做引力透镜效应．
光的频率比同种的原子在地球上发光频率低，看起来偏红，这
个现象叫做引力红移．
34
杆的长度与引力场有关 引力场的存在使得空间不同位置的杆的长度出
现了差别．
引力势 由高到 低变化
地面上看到：越是靠近边缘，速度越大．根据狭义相对论， 靠近边缘部位的杆的长度较短．
圆盘上的人认为：引力势较低的位置，杆的长度越短． 35
2
二、伽利略速度变换
设车厢对地速率为u，行人对车速率为vˊ向前时：
则人对地的速度为v=u+ vˊ
设车厢对地速率为u，行人对车速率为vˊ向后时：
则人对地的速度为v=u- vˊ
参考系不同，速 率也不同，速率随参 考系的变化关系式称 为伽利略变换公式。
3
三、经典时空观（绝对时空观）
1、绝对的、真正的、数学的时间 在均匀地、与任何外界事物无关地 流逝着。 2、绝对空间永远相同、不动，与 外界事物无关。
m
m0
1

v
2

c
m为运动质量
m0为静止质量
18
相对论质量
微观粒子的速度很高，它的质量明显的大 于静止质量．在研究制造回旋加速器时必须考虑 相对论效应的影响．
1988年，中国第
一座高能粒子加速
器——北京正负电
子对撞机首次对撞
成功
19
质能方程 物体的能量和质量之间存在着某种联系：
物体的能量和质量之 间存在密切的联系，他们 的关系是：
牛顿第二定律的表达式
惯性力的定义式
F ma
注意不 要混淆
Fi ma
“－”号表示惯性力的方向 与非惯性系的加速度方向相反．
“m”应该叫做惯性质量． 25
非惯性系和惯性系
以加速上升的电梯为参考
系，我们可以认为乘坐电梯
的人除了受到重力的作用，
还受到一个向下的惯性力，
a
重力和惯性力的合力使人感
受到了超重．
无地球爱因斯坦密封仓实验仓内的人想通过力学实验判断仓是惯性系还是非惯性系27广义相对论简介狭义相对论广义相对论不同的惯性参考系中一切物理规律都是相同的任何参考系包括非惯性系中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一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价更进一步斯坦相对广义相对28等效原理和广义相对性原理是广义相对论的两个基本原理预言与实验验证
第六章 相对论
1
一、伽利略相对性原理
惯性参照系：
牛顿第一、第二定律（见牛顿运动定律）在其中有效 的参照系，简称惯性系。如果s为一惯性参照系，则任何对 于s作匀速直线运动的参照系都是惯性参照系；而对于s作 加速运动的参照系则是非惯性参照系。所有的惯性参照系 都是等效的。 惯性参照系即惯性系。
对于任何惯性参照系 ，力学现象都以同样的 规律进行。即：牛顿力学的规律都具有相同的形式。 这就是经典力学的相对性原理。也叫做伽利略相对 性原理。
E mc2
爱因斯坦
这就是著名的质能方程 20
狭义相对论的结论
相对论速度 相对论
变换公式
质量
u

u v 1 uv
c
m
m
0
1 v2 c2
质能方程
E = mc 2 Δ E =Δ mc 2
相对论质量是 能量的量度
一定的质量相对 应于一定的能量21
非惯性系和惯性系
如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考 系称作惯性参考系，牛顿运动定律不能成立的参考系 则是非惯性参考系．