4．了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别. 教学重点以爱因斯坦狭义相对论的两个原理为基础.通过对一些简单的情况分析.逻辑地推理.得到的一系列惊人的重要结论.并且所有推论都与事实很好地相符. ——精英家教网—— 暑假天气热？在家里学北京名师课程， 4．了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别. 教学重点以爱因斯坦狭义相对论的两个原理为基础.通过对一些简单的情况分析.逻辑地推理.得到的一系列惊人的重要结论.并且所有推论都与事实很好地相符. 教学难点 “同时 的相对性的理解 学生疑点 “同时 的相对性 学生易错点 绝对时空观和相对时空观 教学资源 【】 题目列表(包括答案和解析) 近代物理以相对论和量子力学为基础，下列说法中正确的有（ ）A．经典力学中的质量、时间和空间与参考系的运动无关B．解决微观粒子的运动规律时，经典力学的规律不再适用C．原子核反应过程中的质量亏损现象违背了质量守恒定律D．光电效应现象说明，光具有粒子性，光电效应的规律只能用量子理论来解释 近代物理以相对论和量子力学为基础，下列说法中正确的有（&&& ） A．经典力学中的质量、时间和空间与参考系的运动无关 B．解决微观粒子的运动规律时，经典力学的规律不再适用 C．原子核反应过程中的质量亏损现象违背了质量守恒定律 D．光电效应现象说明，光具有粒子性，光电效应的规律只能用量子理论来解释 十六、物理学家于今年9月评出十个最美的物理实验。这种“美”是一种经典概念：最简单的仪器和设备，最根本、最单纯的科学结论。其实，科学美蕴藏于各门科学的实验之中，有待于我们在学习过程中不断地感悟和发现。 46.伽利略的自由落体实验和加速度实验均被选为最美的实验。&&& 在加速度实验中，伽利略将光滑直木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面由静止滑下；并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究铜球的运动路程与时间的关系。亚里士多德曾预言铜球的运动速度是均匀不变的，伽利略却证明铜球运动的路程与时间的平方成正比。请将亚里士多德的预言和伽利略的结论分别用公式表示（其中路程用s、速度用v、加速度用a、时间用t表示）。亚里士多德的预言：　　　　；伽利略的结论：　　　　。　　伽利略的两个实验之所以成功，主要原因是在自由落体实验中，忽略了空气阻力，抓住了重力这一主要因素。在加速度实验中，伽利略选用光滑直木板槽和铜球进行实验研究铜球运动，是为了减小铜球运动过程中的　　　，同时抓住　　　这一主要因素。47.阅读下列材料：①早在1785年，卡文迪许在测定空气组成时，除去空气中的O2、N2等已知气体后，发现最后总是留下一个体积不足总体积1/200的小气泡。②1892年，瑞利在测定氮气密度时，从空气中得到的氮气密度为1.2572g/L，而从氨分解得到的氮气密度为1.2508g/L。两者相差0.0064g/L。③瑞利和拉姆赛共同研究后认为：以上两个实验中的“小误差”可能有某种必然的联系，并预测大气中含有某种较重的未知气体。经反复实验，他们终于发现了化学性质极不活泼的惰性气体——氩。请回答下列问题：空气缓慢通过下图a～d装置时，依次除去的气体是…………………（　　）A.O2、N2、H2O、CO2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& B.CO2、H2O、O2、N2C.H2O、CO2、N2、O2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& D.N2、O2、CO2、H2O材料①②中的“小误差”对测定空气组成和氮气密度的实验而言是　　　（填“主要因素”或“次要因素”）。材料③中科学家抓住了“小误差”而获得重大发现说明　　　　　　　。48.某学生为了证明植物呼吸时放出二气化碳，设计了如下图的实验装置，其中绿色植物生长旺盛。将装置在黑暗中放置24小时后观察结果。试分析：该装置放在黑暗中的作用是　　　；该实验除须在黑暗中完成外，还应注意　　　　。在实验中，有同学提出，需要同时进行另一组其他条件相同但不放植物的实验。你认为有没有意义？简述原因。 近代物理以相对论和量子力学为基础，下列说法中正确的有（　　）A、经典力学中的质量、时间和空间与参考系的运动无关B、解决微观粒子的运动规律时，经典力学的规律不再适用C、原子核反应过程中的质量亏损现象违背了质量守恒定律D、光电效应现象说明，光具有粒子性，光电效应的规律只能用量子理论来解释 近代物理以相对论和量子力学为基础，下列说法中正确的有（　　）A．经典力学中的质量、时间和空间与参考系的运动无关B．解决微观粒子的运动规律时，经典力学的规律不再适用C．原子核反应过程中的质量亏损现象违背了质量守恒定律D．光电效应现象说明，光具有粒子性，光电效应的规律只能用量子理论来解释 精英家教网新版app上线啦！用app只需扫描书本条形码就能找到作业，家长给孩子检查作业更省心，同学们作业对答案更方便，扫描上方二维码立刻安装！ 请输入姓名 请输入手机号相对论简介 我的图书馆 相对论简介 　　狭义相对论 　　早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？ 　　与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊，用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。 　　但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢？ 　　19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国着名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。” 　　爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多着作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以太绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？ 　　爱因斯坦喜欢阅读哲学着作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在所着的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。 　　日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。 　　什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何测出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是无意义的。 　　光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速非无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。 　　相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。 　　爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了着名的质能关系式：E=mc^2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。 　　广义相对论 　　1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。 　　1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇着名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始为他鸣不平，1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。1912年，爱因斯坦当上了教授，1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。 　　在此期间，爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广，对于他来说，有两个问题使他不安。第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受完成广义相对论。 　　1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。 　　1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。 　　爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，着名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物，他在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。 馆藏&45645 TA的推荐TA的最新馆藏[转]&[转]& 喜欢该文的人也喜欢当前位置： >> 第5章 从绝对时空观到相对论时空观 第5章 从绝对时空观到 相对论时空观? 5.1 ? ? 一 二 伽利略相对性原理、经典力学时空观 伽利略相对性原理 先后顺序颠倒 相对论时空观、洛伦兹坐标变换式? 5.2??一二迈克耳孙-莫雷实验和洛伦兹坐标变换式狭义相对论时空观
?三广义相对论的创立5.1伽利略相对性原理 经典力学时空观? 时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础。 ? 在两个相对作直线运动的参照系中，时间的测量是绝对的， 空间的测量也是绝对的，与参照系无关。 ? 这种对时间和空间的认识称为经典力学时空观。 ? 例如，小车以较低的速度沿水平轨道先后通过点A和B 。 ? 地面上的人与车上的人测得车通过 A、B 两点间的距离 和时间 相同。一伽利略相对性原理? 设K′系相对K系以速度u沿x轴方向作匀速直线运动， 这两个参照系都是惯性系。 ? 在两个参照系上建立直角坐标系,当两个坐标系的原点重合时作为计时的起点。 ? 对任一个质点P在K系和K′系中的坐标，在经典力学时空观下遵从关系：x? ? x ? ut y? ? y z ? ? z t ? ? t伽利略变换一伽利略变换伽利略相对性原理x? ? x ? uty? ? yv? ? vx ? u xv? ? vy y速度a? ? a x xz? ? z t? ? ta? ? a y y加速度v? ? vz za? ? a z z? 这些变换关系称为伽利略相对性原理。 ? 它是经典力学时空观的核心。一逆变换伽利略相对性原理x ? x? ? ut ?y ? y?vx ? v? ? u xvy ? v? y速度a x ? a? xz ? z? t ? t?a y ? a? y加速度vz ? v? za z ? a? z? 坐标变换关系和速度变换关系都是相对的。 ? 表明两个惯性系是等价的。? 对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的。一伽利略相对性原理? 牛顿经典力学时空观的本质之一在于时间间隔的绝对性与 同时的绝对性，认为时间是与所选参照系无关的量。? K系：?t ? t2 ? t1? ? ? K′系： ?t? ? t2 ? t1 ? t2 ? t1 ? ?t? t1 ? t1 ? t2 ? t2一伽利略相对性原理? ? l0 ? x2 ? x1 ? ?x?? 牛顿经典力学时空观的本质之二在于空间间隔的绝对性。 ? 标尺相对K′系静止，其长度 ? 在K系测量其长度? 当? 则? ? t2 ? t1 , t2 ? t1l ? x2 ? x1 ? ?x?x ? x2 ? x1? ? ? ? ? x2 ? ut2 ? ? ? x1 ? ut1? ? ? ? ? x2 ? x1 ? ?x?一伽利略相对性原理? 伽利略实验 ― 匀速直线运动的大船 ? 人跳向船尾不会比跳向船头更远, 虽然跳在空中时,脚下 的船向着反方向移动。 ? 在船尾把东西扔给船头 的同伴时, 所用的力不比 两人换位置后用的力更大。 水滴将象船静止时一样, 准确地滴进下面的罐子, 一滴也不会滴向罐子之外, 虽然水滴在空中时, 船已行驶了一段距离。一伽利略相对性原理? 总之，经典力学时空观的核心价值体系是存在独立于运动 之外的绝对时空。 ? 这类时空观也称为绝对时空观。 ? 该时空观还认为质量、加速度和力也是与惯性参照系无关 的量。 ? 运动定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，? 即运动定律在伽利略变换下是协变的。根据伽利略变换计算二先后顺序颠倒球 投 出 前球 投 出 后? cdd ?t1 ? c? v ? ? c?vd ?t2 ? c?v?t1 ? ?t 2结果: 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球？二先后顺序颠倒? 据史书记载，九百多年前发生了一次超新星爆发事件。 ? 爆发出现在1054 年，在开始的23天中这颗超新星非常亮， 白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到1056年 3月，历时22个月。 ? 这次爆发的残骸就形成了金牛座中的蟹状星云。A? ? c?vB? c二A 点光线到达地球所需时间先后顺序颠倒B 点光线到达 t ? l B地球所需时间l tA ? c?vc理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约?t ? t B ? t A ? 25年实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ? 物质飞散速度A B? ? c?vv ? 1500km/s? cl = 5000 光年15 C 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难二症结：先后顺序颠倒? ? ? c ' ? c ?u ?对于两个不同的惯性参照系 光速满足伽利略变换吗 ？s经典力学时空观 受到严峻的挑战！ys'o' z'y'? c? uox' xz5.2 相对论时空观 洛伦兹坐标变换式? 声音和机械波不能在真空传播，必须要有传播的媒质。 ? 光和电磁波却能在真空中传播，于是，人们认为真空不空， 充满称为“以太”的物质。 ? “以太（aether）”一词来源于古希腊，原意为高空。 ? 笛卡尔最早把它用以表示一种充满宇宙的、能传递相互作 用的无质量的物质。? “以太”无处不在。? 太阳光之所以能传到地球，就是因为太阳到地球的空间充 满着“以太”。5.2 相对论时空观 洛伦兹坐标变换式? 如果“以太”存在，那么1725 年英国天文学家布拉德雷 发现的光行差现象，意味着“以太”相对于太阳静止而相 对于地球运动。 ? 光行差：在地球上观察恒星，一年内其视位置所发生的改 变。 ? 如果“以太”相对于地球运动，? 就应该可以通过某种方式探测到。一迈克耳孙-莫雷实验和 洛伦兹坐标变换式? 1879 年，著名物理学家麦克斯韦 提出了一种测定方法： ? 让光线分别在平行和垂直于地球 运动方向等距离往返传播，平行于 地球运动方向所花的时间将会略大 于垂直方向的时间。 ? 1881 年，美国物理学家迈克尔逊 根据麦克斯韦提出的原理设计了一个 极为精密的实验，未发现任何时间差。一迈克耳孙-莫雷实验和 洛伦兹坐标变换式? 1887 年，迈克尔逊再度与莫雷合作， ? 以更高精度重复实验。 ? 他们考虑光速远大于一般物体速度。? 即使不同方向的光速是不相同的，也很难测量得出来。 ? 麦克尔逊-莫雷实验的巧妙之点正是在于他们不去测量不同方向的光速值本身，而是测量不同方向的速度之间的差。M2G M1M2M2sG T? vG? c? -vM1c 2 ? v2? c? -vGc 2 ? v2（从K?系看）GM2 ? GM1 ? lT设“以太”参考系为K系，实验室为 ? 系 KsG M1GGM2GM2? vl l t1 ? ? c?v c?vt2 ?2l c 1? v c2 2v2 两光束的光程差 ? ? c?t ? c ? t1 ? t2 ? ? l 2 cv2 望远镜中应看到干涉条纹移动 ?N ? ? ? 2l ?c 2 2Δ当整个装置旋转90°后， 两光束的光程差仍为v ? ? c?t ? l ? 2 c2l ? 10m, ? ? 500nm, v ? 3 ?10 m/s ?N ? 0.4 仪器可测量精度 ?N ? 0.014实验结果:?N ? 0未观察到地球相对于“以太”的运动。“以太”被判死刑！一迈克耳孙-莫雷实验和 洛伦兹坐标变换式? 1892 年，荷兰物理学家洛伦兹提出了收缩假说。 ? 并推导出不同运动状态的惯性参照系之间时空坐标的变换 关系式―洛伦兹变换：x? ? ? ? x ? ut ?y? ? yz? ? zu t ? ? ? (t ? 2 x ) c? ? 1 1? ? 2? ?u c时间与空间坐标有关！一? 逆变换：迈克耳孙-莫雷实验和 洛伦兹坐标变换式x ? ? ? x? ? ut ??y ? y?z ? z?u t ? ? (t ? ? 2 x?) c? ? 1 1? ? 2? ?u c? 当u ?? c? ?? 1? ?1? 洛伦兹变换退化为伽利略变换。一迈克耳孙-莫雷实验和 洛伦兹坐标变换式? 洛伦兹没有能够深刻认识到他所发现的变换的真正意义。? 1898 年，法国物理学家彭家勒提出：“光具有不变的速 度，它在一切方向上都是相同的”，他主张针对麦克尔逊 -莫雷实验的“零”结果，引入更普遍的观念。 ? 1904 年，他提出应建立一门全新的力学。? 他提出，物体的惯性随着速度的增加而增加，光速是不可 逾越的界限。? 他的这些观点已是相对论的雏形，但他也没有从牛顿绝对 时空观中解脱出来，因此未能做出根本性的理论突破。二狭义相对论时空观? 19 世纪末20 世纪初的一系列物理实验和理论探索，为建 立新的时空理论和物质运动理论准备了条件。 ? 担当这一重任的是爱因斯坦。 ? 1905 年9 月，年仅26 岁的 爱因斯坦发表了题为《论运动 物体中的电动力学》的论文，提出了狭义相对论的两条基本假设――相对性原理和光速不 变原理。二狭义相对论时空观爱因斯坦认为，根本不存在绝对静止的以太参照系。 同时性是相对的而不是绝对的。 在此基础上，他对洛仑兹变换式给予了全新的解释： 从根本上说，我们只能在物体的相对运动中来度量时间和空 间，根本找不到绝对时空坐标。 时间、空间、质量等物理量的量度，取决于测量者与被测量 者的相对运动状态。 他由此得出了狭义相对论的几个结论。二狭义相对论时空观? 1、运动的物体长度收缩? 一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。 ? 如果它相对于观察者以速度u 运动时，那么沿相对运动方 向上，它的长度要缩短。 ? 设物体相对于观察者静止 时它的长度为 ?l0 ，? 则运动时物体长度变为l ? l0 ?? ? 1 1? ? 2 ? 1二狭义相对论时空观? 例如高速列车上有一张桌子，车上的人在运动方向上测出 它的长度为1米，这个长度叫桌子的固有长度。 ? 桌子相对于地面是运动的，在地面上的人测量出桌子的长 度小于1米，这个效应叫长度收缩。 ? 收缩的程度决定于桌子相对于地面的运动速度， ? 并且这个收缩仅发生在运动方向上，? 在垂直于桌子运动方向的方向上没有长度收缩。二狭义相对论时空观? 2、运动使时钟变慢? 一只时钟相对于观察者静止时，它走得最快。 ? 如果它相对于观察者以速度u 运动时，那么它就走慢了。? 简单地说就是运动着的时钟变慢。? 设时钟相对于观察者静止时，某事件的时间间隔为 t ，0? 则运动时的时间间隔为t ? ? t0? ? 1 1? ? 2 ? 1二狭义相对论时空观? 爱因斯坦设计了一个“光钟”。 ? 将两面平行的镜子面对面放着，相距150000千米，一束光 在它们之间跳上跳下，来回一次的时间刚好是1秒。 ? 设想在地球上和经过地球向东高速飞行的飞船里各有一个 相同的光钟。 ? 在飞船里的人看来，光束直上直下地来回跳，150000千米 向上，150000千米向下。但是，在地球上的人看来，飞船 里的光束不是向上和向下运动，而是沿着一条对角线路径 运动。一条对角线的距离显然大于150000千米。二狭义相对论时空观? 考虑光速不变，在地球上的人看来，飞船里的光束来回一 次所需的时间应超过1秒。因此，在地球上的人认为飞船 里的钟走得慢。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观? 3、运动的物体质量增大 ? 如果物体静止时的质量为 m0 ， ? 则运动时质量增大为m ? ? m0? 这意味着物体的质量与时间和空间一样都具有相对性。 ? 这个效应在运动速度接近光速的宇宙射线和基本粒子中能明显测出来。二狭义相对论时空观? 4、光速是物质运动的极限速度? 在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速。x? ? ? ? x ? ut ?y? ? yz? ? zu t ? ? ? (t ? 2 x ) c? ? 1 1? ? 2? ?u c二狭义相对论时空观? 5、同时性是相对的? 如果两个独立事件在惯性系中是同一时刻但不在同一地点发 生，那么在相对于地面以匀速度运动的惯性系中测量，则它 们就不是同时发生的。或简单说同时性并不是绝对的。 ? 如何判断两事件是否同时？? 我们要判断Ａ、Ｂ两地发生的两事件是否同时，可在ＡＢ联 线的中点Ｃ处设一光讯号接收站。? 当Ｃ点同时接收到从Ａ、Ｂ两地发来的光讯号时，我们就可 断定Ａ、Ｂ两事件是同时发生的。二狭义相对论时空观? 由于光速有限，根据光速不变原理，不同地点发生的两事 件的同时性是相对的。 ? 例如，设想有一列火车相对于站台以匀速v 向右运动二狭义相对论时空观? 当列车的首、尾两点、与站台上的A、B两点重合时， ? 站台上同时在这两点发出闪光， ? 两闪光同时传到站台的中点Ｃ，? 站在车上的中点Ｃ′的人必然先接到来自车头A点的闪光，? 后接到来自车尾B的闪光。 ? 于是，对于车上的人来说，A 的闪光早于 B。? 这就是说，站台上的人认为是同时发生的事件，对于列车 上的人来说不是同时的。? 这就是同时性的相对性。二狭义相对论时空观? 同时具有相对性，时间的量度是相对的。二狭义相对论时空观? 1906 年，爱因斯坦又发表了一篇短文――《物质所含的 惯性同它们所含的质量有关吗？》， ? 提出了相对论的质能关系式 ? 即物体运动的能量E=mc2? 当某物质的质量发生变化时，必然要伴随能量变化，反之 亦然，这一公式为原子能的利用奠定了理论基础。 ? 这是一个具有划时代意义的理论公式，可以作为相对论的 标志。二? [例5-1]狭义相对论时空观l ? ? x2? ? x1?用洛伦兹变换验证长度的收缩公式 l ? l0 / ?? 证：K′系中静止的棒长? 根据洛伦兹变换，得： x ? ut2 x1 ? ut1 x2 ? x1 u (t2 ? t1 ) ?? 2 l ? ? ? 2 2 2 2 2 2 1? u / c 1? u / c 1? u / c 1 ? u 2 / c2 ? K系中必须同时测，即t2 ? t1l ? x2 ? x1l ? l0 1 ? u 2 / c 2 ? l0 / ?l? ?l 1 ? u 2 / c2? l0二狭义相对论时空观? [例5-2] 固有长度为5m的飞船以u＝9000 m/s相对地面匀 速飞行时，在地面上测得飞船的长度为多少？ ? 解：根据相对论尺缩关系得l ? l0 1 ? u 2 / c 2 ? 4. m? 这说明在远小于光速时相对论尺缩效应不明显。二? [例5-3]狭义相对论时空观2 1 1 H＋3 H? 4 He ? 0 n 1 2某种热核反应中各粒子的静质量是： ? 氘核 2 H 的静质量 1 ? 氚核 3 H 的静质量 1 ? 氦核 4 H 的静质量 2 ? 中子 ?1 0mD ? 3. kgmT ? 5. kgmHe ? 1. kgmn ? 1. kgn 的静质量求这一热核反应释放的能量是多少？二狭义相对论时空观? 解：热核反应造成的质量亏损为?m0 ? (mD ? mT ) ? (mHe ? mn ) ? 0. kg? 相应释放的能量为 ?E ? ?m ? c2 ? 2.799 ?10?12 J ? 而1K的这种核燃料所释放的能量为?E 2.799 ?10?12 ? ? 3.35 ?1014 J / kg mD ? mT 8.? 是1K优质煤燃烧所释放热量的1千多万倍。这类由于原子 核内部结构发生变化而释放出的巨大能量，称为核能。二狭义相对论时空观? 爱因斯坦的狭义相对论为核能利用奠定了基础。 ? 核电站只需消耗很少的核燃料， 就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输 量。核电的另一个优势是干净、无污染，几乎是零排放，是一种“绿色能源”。二狭义相对论时空观? 狭义相对论的建立是物理学发展史上的革命。 ? 它把空间、时间和物质的运动联系起来。 ? 狭义相对论很好地解释了以太漂移实验的“零”结果问题， “以太假说”彻底被清除出历史舞台。 ? 著名物理学家普朗克对狭义相对论给予很高的评价，并热 心进行宣传。? 爱因斯坦的老师著名数学家闵可夫斯基引进了时空坐标， 为狭义相对论找到了比较完美的数学形式，并进一步揭示 了时间的统一关系。二狭义相对论时空观? 狭义相对论的局限性： ? 它没有解决惯性系何以优于其他参照系之谜，也没有进一 步揭示时空与物质分布的关系。 ? 狭义相对论只有在引力场比较弱、引力的影响可以忽略的 情况下，其结论才是正确的。 ? 经过10 年的潜心研究，爱因斯坦终于在1915 年把狭义相 对论推广为广义相对论。三广义相对论的创立? 爱因斯坦建立广义相对论的突破口是把相对性原理推广到 加速运动的非惯性系。 ? 他接受了奥地利物理学家马赫的观点，认为非惯性系理论 一定要包括引力理论，而惯性质量和引力质量相等是解决 引力问题的关键。 ? 他以此为基础，提出等效原理：一个加速运动的非惯性体 系，等效于含有均匀引力场的惯性系。 ? 在等效原理的基础上，他又进一步提出了“广义协变原 理”，认为在任何参照系中，物理定律的数学形式都是相 同的。三广义相对论的创立? 广义相对论实质上是一种引力理论。 ? 在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何， 而遵循着非欧几何。 ? 19 世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几 何学的一种，它描写了非平直空间的性质。 ? 欧式几何所研究的范围是绝对的平的问题，在平面里画出 的三角形三条边都是直的，两点之间的距离也是直的，三 角形的内角和等于180度。 ? 但是我们生活在地球上，因此我们的空间是曲面，而不是 平面。三广义相对论的创立? 在球面上画三角形ABC，无论怎么画，这个三角形的内角 和都大于180度，两点间的最短距离不是直线而是曲线， 称为测地线，这个几何就是黎曼几何。三广义相对论的创立? 爱因斯坦选择了黎曼几何为广义相对论的时空模型。 ? 广义相对论认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空 间，而是弯曲的黎曼空间。 ? 空间的弯曲程度取决于物质在空间的几何分布。 ? 物质分布密度越大，则引力场的强度也越大，时空“弯曲” 越厉害。? 广义相对论用引力场揭示了引力的本质，彻底否定了牛顿的绝对时空观。三广义相对论的创立? 广义相对论成功地解决了如下三个重大问题： ? 第一，爱因斯坦用广义相对论成功地解释了水星近日点进 动问题。 ? 第二，爱因斯坦根据广义相对论，预言光线在强引力场中 要产生偏转，并计算出恒星光线经过太阳边缘时将发生 1.7 弧秒的偏转度。? 第三，爱因斯坦预言光线在强引力场中发生引力频移。? 广义相对论已成为现代宇宙理论的基础之一。三广义相对论的创立? 水星近日点进动问题? 1859 年，法国天文学家勒威耶发现水星轨道近日点的进 动，每100 年有38 秒的剩余值（今测值为42.6 秒）。 ? 他预测在水星轨道里面还有一颗尚未发现的行星或一个行 星群存在。 ? 但在天文观测中并未发现这颗行星。 ? 爱因斯坦根据广义相对论，推断这 是水星在太阳引力场中沿测地线运动 所造成的。 他计算出的进动值与观测值一致。三广义相对论的创立? 光线在强引力场中要产生偏转 ? 1919 年5 月，由英国天文学家、物理学家爱丁顿率领的 一支考察队在西非的普林西比岛对日全食进行了观测，发 现光线经过太阳边缘时发生了 1.61 弧秒的偏转。 ? 另一支英国科学考察队在南美的索布拉尔进行了日全食观测，其结果为1.98 弧秒。 ? 证实了爱因斯坦的预言。三广义相对论的创立? 光线在强引力场中发生引力频移? 根据广义相对论，在强引力场中时钟要变慢，所以巨大质 量星体表面传到地球的光的谱线应有红移现象（即波长变 长）。 ? 1925 年，美国天文学家 亚当斯在天文观测中证实了这个结果。三广义相对论的创立? 相对论使引力理论建立在十分简单的基础上，使质量与能 量统一起来，使惯性系与非惯性系统一起来，使惯性质量 与引力质量统一起来。 ? 相对论的创立，充分说明： ? 自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实 践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气； ? 创新意识、创新思想在科学研究中具有重大作用和意义。思考与讨论? 5.1 ? 5.2 ? 5.3 举出生活中需要用到相对性原理的实例。 在什么条件下洛伦兹变换可以过渡到伽利略变换？ 设计一种测量光速度的方法。? 5.4 从地面看匀速直线运动的物体在高速运动的方向上 长度收缩，那么从匀速直线运动的物体上在高速运动的方 向上看地面长度会变长吗？ ? 5.5 从地面看匀速直线运动参照系上的时钟变慢，那么 从匀速直线运动的参照系上看地面上的时钟会变快吗？ 从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观_教育学_高等教育_教育专区。从牛顿的...2.洛伦兹变换 根据变换的线性和间隔不变性式,可以导出相对论时空观坐标变化关系...从相对论出发谈时空观_法律资料_人文社科_专业资料。从相对论出发浅谈时空观 ...第5章 从绝对时空观到相... 暂无评价 54页 免费 ch08-2 相对论时空观 ...牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一_理学_高等教育_教育专区。介绍了...从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦,每一个伟大的物理学家都 对时间和空间是...近代物理论文 狭义相对论时空观 学院: 班级: 学号: 姓名: 狭义相对论时空观...这两条原理构成狭义相对论的基础,且从本质上改变了牛顿绝对时空观。既然按相对...第五章 经典力学与物理学的革命 第一节 经典力学...教学过程: 三、教学过程: 1.经典时空观 从参考系...以绝对时空观去认识和思考世界. 2.相对论时空观 ...14经典时空观和相对论时空观 习题_理化生_高中教育...利用降落伞从环月轨道舱降落到月球表面 D.月球车不...5-3-11 A.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三...引入绝对时空观的原因. (3)了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个...从不想起它们. ”的确,我们中的大多数人几乎从来不去细想 我们每天的时空观念...比较相对论时空观和牛顿经典时空观_理化生_高中教育...与物质的关系看法不同 牛顿经典时空观是绝对时空观,...从地面上的各种物体运动到各种现代化交通工具以及天体...5页 免费 第二节 时间和空间的相对... 26页 2...空间时空观”中可以很清楚地看 到牛顿绝对时空观和...相对论时空观是在狭义相对论中建立起来并在广义相对...且从本质上改变了牛顿绝对时空观.既 然按相 对性...爱因斯坦狭义相对论时空观的基本思 想可概括为: 1 ...如果行进到黑洞视界,时间甚到会停止.与狭义相对论... All rights reserved Powered by copyright ©right 。文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。