《广义相对论简介》课件
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光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
等效原理
课题研究
(一)爱因斯坦的贡献 (二)方兴未艾的宇宙学 (三)有趣的相对论佯谬 (四)黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的 建立. 组织：小组（2-3人） 方案：利用图书馆、互联网资源写一篇 爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章. 要求：文章的时间脉络清晰，无科学性 错误.
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
2.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．
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．
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．
三、广义相对论的几个结论
1.物质的引力使光线发生弯曲
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
如果飞船做匀速 直线运动，船上观察 者记录下的光的径迹 是一条直线（虚线）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引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 测到太阳后面 的恒星，最好 的观测时间是 发生日全食的 时候．
太阳
太阳
太阳
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，证 实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论 的最早证实．
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
2.等效原理：
2.等效原理：
图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀 加速运动的参考系等价
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。
图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀 加速运动的参考系等价
三、广义相对论的几个结论
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
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
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
2
6.质能方程
5.相对论质量
m
m0 v 1 c
2
6.质能方程
E mc
2
一、超越狭义相对论的思考
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题：
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题
一、超越狭义相对论的思考
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架；
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架； 2.非惯性系问题
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架； 2.非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系，为什么 惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法 解释 .
圆盘上的人认为：盘上存在引力场， 方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引 力势较低，得出：引力势较低的位置，时 间进程比较慢．
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，靠近边缘的位置引 力势较低，得出：引力势较低的位置，时 间进程比较慢．
二、广义相对性原理和等效原理
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的 爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在 不同的惯性参考系中，一切物理规律都有 是相同的；
透镜效应
透镜效应
星体
透镜效应
星体
透镜效应
星体
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．
星体
星体
星体
无 法 观 测
星体
无 法 观 测
黑 洞
星体
无 法 观 测
黑 洞
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．
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的 爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在 不同的惯性参考系中，一切物理规律都有 是相同的； 爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理 规律都是相同的，称为广义相对性原理。
3.引力红移
各 类 星 体 对 比
3.引力红移
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，哪 里的发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．
由于物质的存在，实际空间并不
是均匀的，空间发生了“弯曲”：
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
等 效 原 理
对于时空观的认识
对于时空观的认识 狭义相对论 广义相对论
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 广义相对论
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的 2.光速不变原理
真空中的光速在不同的惯性参考系中 是相同的，光速与光源、观察者间的相对 运动没有关系。
二、由狭义相对论推出的几个结论
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
t
t 0
v 1 c
2
u v 4.速度变换公式 u u v 1 c2
5.相对论质量
5.相对论质量
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2
5.相对论质量
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Βιβλιοθήκη Baidu
狭义、广义相对论比较
狭义、广义相对论比较
狭义相对论
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 爱因斯 不同的惯性 坦相对 参考系中一 性原理 切物理规律 都是相同的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 爱因斯 不同的惯性 坦相对 参考系中一 性原理 切物理规律 都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
t
t 0
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2
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
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4.速度变换公式
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
广义相对论简介
复 习
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的 2.光速不变原理
三、广义相对论的几个结论
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
三、广义相对论的几个结论
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
如果飞船做匀速 直线运动，船上观察 者记录下的光的径迹 是一条直线（虚线）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
等效原理
课题研究
(一)爱因斯坦的贡献 (二)方兴未艾的宇宙学 (三)有趣的相对论佯谬 (四)黑洞的研究爱因斯坦与狭义相对论的 建立. 组织：小组（2-3人） 方案：利用图书馆、互联网资源写一篇 爱因斯坦与狭义相对论建立的科普小文章. 要求：文章的时间脉络清晰，无科学性 错误.
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
2.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．
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．
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．
三、广义相对论的几个结论
1.物质的引力使光线发生弯曲
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
如果飞船做匀速 直线运动，船上观察 者记录下的光的径迹 是一条直线（虚线）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引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 测到太阳后面 的恒星，最好 的观测时间是 发生日全食的 时候．
太阳
太阳
太阳
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，证 实了爱因斯坦的预言，这是对广义相对论 的最早证实．
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
2.等效原理：
2.等效原理：
图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀 加速运动的参考系等价
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。
图15.4-1 一个均匀的引力场与一个做匀 加速运动的参考系等价
三、广义相对论的几个结论
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质
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
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 广义相对论
广 义 相 对 性 原 理
爱因斯 不同的惯性 任何参考系 更进一步 （包括非惯性 坦相对 参考系中一 系）中物理规 性原理 切物理规律 都是相同的 律都是相同的 光 速 恒 定
2
6.质能方程
5.相对论质量
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m0 v 1 c
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6.质能方程
E mc
2
一、超越狭义相对论的思考
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题：
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题
一、超越狭义相对论的思考
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
太阳
通常物体的引力场都太弱，20世纪只 能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
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3.动钟变慢
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架；
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架； 2.非惯性系问题
一、超越狭义相对论的思考
爱因斯坦思考狭义相对论无法解决的 两个问题： 1.引力问题 万有引力定律无法纳人狭义相对论的 理论框架； 2.非惯性系问题 狭义相对论只适用于惯性系，为什么 惯性系具有这样的地位？狭义相对论无法 解释 .
圆盘上的人认为：盘上存在引力场， 方向由盘心指向边缘，靠近边缘的位置引 力势较低，得出：引力势较低的位置，时 间进程比较慢．
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，靠近边缘的位置引 力势较低，得出：引力势较低的位置，时 间进程比较慢．
二、广义相对性原理和等效原理
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的 爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在 不同的惯性参考系中，一切物理规律都有 是相同的；
透镜效应
透镜效应
星体
透镜效应
星体
透镜效应
星体
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．
星体
星体
星体
无 法 观 测
星体
无 法 观 测
黑 洞
星体
无 法 观 测
黑 洞
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．
二、广义相对性原理和等效原理
1.广义相对性原理：在任何参考系中， 物理规律都是相同的。 伽利略相对性原理力学规律在任何 惯性系都是相同的 爱因斯坦狭义相对性原理(1905年) 在 不同的惯性参考系中，一切物理规律都有 是相同的； 爱因斯坦广义相对论原理（1916年） 在任何参考系中(包括非惯系）所有的物理 规律都是相同的，称为广义相对性原理。
3.引力红移
各 类 星 体 对 比
3.引力红移
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，哪 里的发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．
由于物质的存在，实际空间并不
是均匀的，空间发生了“弯曲”：
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
等 效 原 理
对于时空观的认识
对于时空观的认识 狭义相对论 广义相对论
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 广义相对论
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
2.引力场的存在使得空间不同位置的时 间进程出现差别．
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
光速恒定 时 空 观
广义相对论 物质本身的存在 决定时空的性质 所有参考系平权
对于时空观的认识 狭义相对论 时空性质和物 质的运动有关 惯性系平权
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的 2.光速不变原理
真空中的光速在不同的惯性参考系中 是相同的，光速与光源、观察者间的相对 运动没有关系。
二、由狭义相对论推出的几个结论
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
t
t 0
v 1 c
2
u v 4.速度变换公式 u u v 1 c2
5.相对论质量
5.相对论质量
m
m0 v 1 c
2
5.相对论质量
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m0 v 1 c
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狭义、广义相对论比较
狭义、广义相对论比较
狭义相对论
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 爱因斯 不同的惯性 坦相对 参考系中一 性原理 切物理规律 都是相同的
狭义、广义相对论比较
狭义相对论 爱因斯 不同的惯性 坦相对 参考系中一 性原理 切物理规律 都是相同的 光 速 恒 定
真空中的光 速在不同惯 性参考系中 都是相等的
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3.动钟变慢
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二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
l l0 v 1 c
2
3.动钟变慢
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4.速度变换公式
二、由狭义相对论推出的几个结论 1.“同时”的相对性 2.动尺变短
广义相对论简介
复 习
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一、狭义相对论的两点假设：
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一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的
复 习
一、狭义相对论的两点假设：
1.狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律 都是相同的 2.光速不变原理
三、广义相对论的几个结论
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲
三、广义相对论的几个结论
飞船外观察者看 到这束光是直线传播 的（水平向右）
如果飞船做匀速 直线运动，船上观察 者记录下的光的径迹 是一条直线（虚线）
图24 -10 在加速运动的 飞船中光线发生弯曲