相对论简介

狭义相对论运动学的教学目标定位1.了解光速的测定体验光速不变与经典运动学理论的矛盾2.体验力学规律的相对性，了解爱因斯坦相对性原理3.体验同时的相对性，明白同时的相对性是爱因斯坦两个假设的推论4.体验时间间隔的相对性，明白时间间隔的相对性是爱因斯坦两个假设的推论5.体验长度的相对性，明白长度的相对性是爱因斯坦两个假设的推论6.知道相对论质量及质能方程光速不变体验经典理论对光速的理解若车上的人持一个手电筒，沿车运动反方向射出一束光，车上及路边的人观测到的光速各是多大？1、Michelson-Morlay实验（1881–1887）当时认为光在“以太”（ether）中以速度c传播。实验目的：干涉仪转90°，观测干涉条纹是否移动？实验结果：条纹无移动(零结果)。以太不存在，光速与参考系无关。光速不变的实验证据设“以太”相对太阳静止。221222112cuLcuLctttPAPPBP)1(222111cucLucLucLtPAP22ucv222222122cucLucLtPBP221222112cuLcuLctttPAPPBP干涉仪转90°后按照伽利略速度变换，时间间隔变成干涉仪转90°引起时间差的变化为2221cucLLtt由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数2221)(cuLLttcN对于589nms,mm,42110322uLL40.0N但实验值为0N与参考系无关。，这表明以太不存在，光速“还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”爱因斯坦对麦克尔逊－莫雷实验的评价：2、双星观测结果如果光速与光源运动有关22TvcLtvcLt1因此可能出现，同一时刻观测到同一颗星处于不同位置21tt可见光速与光源运动无关。发射理论是不对的。—从未观测到。001c电磁学理论给出真空中电磁波的传播速度为光速不变理论依据其中和都是与参考系无关的常数。00真空中光速与参考系无关（即与光源的运动和观察者的运动无关），不服从伽利略变换。1m是光在真空中1/299792458秒内所经过的距离。（长度测量方法）1983年国际规定：真空中的光速为物理常数1ms458792299c体验规律的相对性两种惯性参考下，牛顿第二定律,匀变速运动规律都成立v小车上的人观察到小球作自由落体运动分别求：以车为参考及以地面为参考两种情况下小球的加速度。爱因斯坦《论动体的电动力学》1905物理规律（包括力学规律）在一切惯性参考系中都具有相同的形式，即对物理规律来说，一切惯性系都是平等的。不存在任何一个特殊的惯性系，例如绝对静止的惯性系。相对性原理：体验同时的相对性v在车厢中部置一光源（到上下面及前后面的距离分别相同），已知车的长度与高度分别为l、h。光源闪亮一下，请计算以车为参考及以地面为参考两种情况下，光传到前后面及上下面所需要的时间。沿垂直于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是绝对的ABuu以地面为参考以车为参考BAchtt221222214uchtt以车为参考BA以地面为参考BABuAcltt2前后)(2uclt后)(2uclt前沿平行于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是相对的在一个参照系中测得同时发生的两个事件，在另一个参照系中测得的未必同时发生，相对论中同时只有相对的意义。结论：练习：P106练习1、2体验时间间隔的相对性clt202224121tvltc220/1cvt以车为参考lvltv21tc21v以地面为参考光源闪亮一下，请计算以车为参考及以地面为参考两种情况下，光从发射到再一次反射回光源所需要的时间。对不同参考系，同一过程所用时间的测量结果是不同的，相对静止系中测得的时间最短。结论：【例】飞船以（32400km/h）的速率相对地面飞行。飞船上的钟走了5秒，问用地面上的钟测量经过了几秒？13ms109u原时s5tscutt000000002.510310915128322测时=?低速情况，时间延缓效应很难发现！定义事件我国汉籍有“烂柯山”的故事。说一个樵夫进山砍柴，见俩神仙对弈，看得忘了时间，等下完，发现自己手里的斧子把已经烂掉了。其中有：“山中方七日，世上已千年”。求此故事中的“山中”与“世上”的相对速度是多少？体验长度的相对性clt0222/112cvclvclvclt22/1'cvtt220/1cvlll0vlv请计算以车为参考及以地面为参考两种情况下，对同一物体长度测量结果之间的关系。在相对运动方向上，一个参照系中测得的长度与另一个参照系中测得的长度不同，相对静止参考系中测得的长度长。结论：一观察者测得运动着的米尺长0.5m，问此尺以多大的速度接近观察者？l0v21c2=l10.5c2==c0l21l2=v0.08c=2.6×108m/s解：由长度收缩公式：【例】长度为5m的飞船，相对地面的速度为1-3ms109，在地面测量飞船长度（测长）为m999999998.4m)103/109(15283l长度收缩效应也很难测出。求有关问题时—先确定哪个是测长，再找原长。例3子是1936年由安德森（C.D.Anderson）等人在宇宙线中发现的。它可自发的衰变为一个电子和两个中微子。自发衰变的平均寿命子。地球上层大气中时，会形成丰富的62.1510s，当高能宇宙射线质子进入在离地面6000m高空产生的设来自太空的宇宙线，子，可否在衰变前到达地面？已知子相对于地球的运动速率为0.995uc时间延缓法2t152.1510sLut6418m在该时间内粒子运动的距离在衰变前可到达地面。长度缩短法S’动，S静S’静，S动Lu641.8m粒子寿命内，S系运动距离而S’系中测量的距离20'1Ll599m在衰变前，粒子可与地球相遇。【例】孪生子佯谬和孪生子效应1961年，美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出，寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为50次，而分裂的周期大约是2.4年，照此计算，人的寿命应为120岁。因此，用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。设想有一对孪生兄弟，哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。在各自的参考系中，哥哥和弟弟的细胞分裂周期都是2.4年。但由于时间延缓效应，在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比2.4年长，他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长，弟弟也比自己年轻。假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁年轻就成了难以回答的问题。问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬（twinparadox）。如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为孪生子效应。1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了203±10ns，而按广义相对论预言运动钟变慢184±23ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。E=mc20221mmvc