江苏省宝应县高中物理 第六章 相对论 6.4 相对论的速度变换定律 质量和能量的关系课件 教科版选修3-4

1、 科学的旗手科学的旗手爱因斯坦爱因斯坦 190919091914 1914 进入大学工作进入大学工作 （苏黎世、布拉格等地）（苏黎世、布拉格等地） 19141933 柏林大学教授、 德国物理研究所所长、院士 1916 提出广义相对论 19331955 美国普林斯顿大学 高级研究所研究员 1955.4.18 逝世 1879-1955 相对论是关于时空和引力的基本理论，相对论是关于时空和引力的基本理论， 主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论 (特殊相对论特殊相对论)和广义相对论和广义相对论(一般相对论一般相对论)。 相对论的基本假设是光速不变原理，相相对论的基本假设

2、是光速不变原理，相 对性原理和等效原理。相对论和量子力对性原理和等效原理。相对论和量子力 学是现代物理学的两大基本支柱。相对学是现代物理学的两大基本支柱。相对 论极大的改变了人类对宇宙和自然的论极大的改变了人类对宇宙和自然的 “常识性常识性”观念，提出了观念，提出了“同时的相对同时的相对 性性”，“四维时空四维时空”“”“弯曲空间弯曲空间”等全等全 新的概念。新的概念。 牛顿力学中运动的相对性牛顿力学中运动的相对性 惯性系：惯性系： 牛顿运动定律能够成立的参考系牛顿运动定律能够成立的参考系 相对于这个惯性系做匀速直线运动的相对于这个惯性系做匀速直线运动的 另一个参考系也是惯性系另一个参考系也是

3、惯性系 在参考系中的物体在参考系中的物体F合 合=0时，物体保 时，物体保 持静止或匀速运动，这样的参考系持静止或匀速运动，这样的参考系 就叫惯性系。就叫惯性系。 思考：什么是非惯性系？思考：什么是非惯性系？ 伽利略相对性原理伽利略相对性原理： 力学规律力学规律在任何惯性系中都是相同的。在任何惯性系中都是相同的。 这个论述叫做伽利略相对性原理这个论述叫做伽利略相对性原理 （又叫经典相对性原理又叫经典相对性原理） (3)表述三：任何惯性参考系都是平权的表述三：任何惯性参考系都是平权的 伽利略相对性原理的三种表述伽利略相对性原理的三种表述 (1)表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的表述一：力学

4、规律在任何惯性系中都是相同的 (2)表述二：通过任何力学实验，都不可能发现表述二：通过任何力学实验，都不可能发现 惯性系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动惯性系是处于绝对静止状态还是在做匀速直线运动 经典时空观经典时空观：（绝对时空观）：（绝对时空观） 时间和空间彼此独立、互不关联，且不受时间和空间彼此独立、互不关联，且不受 物质运动的影响物质运动的影响 (1)同时的绝对性：在一个参考系中同时发生的事件，同时的绝对性：在一个参考系中同时发生的事件， 在其他参考系中观察也是同时的在其他参考系中观察也是同时的 (2)时间间隔的绝对性：任何事件经历的时间在不同的时间间隔的绝对性：任何事件经历的时

5、间在不同的 参考系中测量都是相同的参考系中测量都是相同的 (3)长度的绝对性：无论选用什么参考系，对空间两长度的绝对性：无论选用什么参考系，对空间两 点距离的测量结果是相同的点距离的测量结果是相同的 (4)物体的质量不随物体的运动而改变物体的质量不随物体的运动而改变 因此，在经典时空观下，长度、时间、质量这三个基因此，在经典时空观下，长度、时间、质量这三个基 本物理量都与参考系的选择无关本物理量都与参考系的选择无关 伽利略速度变换伽利略速度变换 在在绝对时空观绝对时空观下：下： vuv vuv 在相对地面以速率在相对地面以速率u开行的车厢内，某人相对于车厢开行的车厢内，某人相对于车厢 以速率以

6、速率v向前急跑时相对地面的速率向前急跑时相对地面的速率v 如果他向后跑时，相对于地面的速率如果他向后跑时，相对于地面的速率v 例：例：如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个 质量为质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以的小球，正随车厢一起以20 m/s的速的速 度匀速前进，现在给小球一个水平向前的度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F5 N的的 拉力作用，求经拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面的观时，车厢里的观察者和地面的观 察者看到小球的速度分别是多少？察者看到小球的速度分别是多少？ 【方法总结】【方法总结】在两个惯性系中，虽然观察在两个

7、惯性系中，虽然观察 到的结果并不相同，一个到的结果并不相同，一个10 m/s，另一个，另一个30 m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速，但我们却应用了同样的运动定律和速 度合成法则度合成法则 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 狭义相对论提出的历史背景狭义相对论提出的历史背景 1919世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入， 人们认识到了光的电磁本质我们已经知道，电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场的研究中不断遇到一些矛盾矛

8、盾，这些矛盾导致了，这些矛盾导致了 相对论的出现相对论的出现 矛盾之一：光速问题 对惯性系S，光源发出的光速是c 对惯性系S，光源发出的光速是c-v 若惯性系S相对于S以速度v 运动 为什么电磁规律 对两个惯性系不 一样了呢？ 为什么为什么 呢？呢？? ? 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 狭义相对性原理狭义相对性原理 物理规律物理规律(力学、电磁学、光学等力学、电磁学、光学等)对于对于 所有惯性系都具有相同的形式所有惯性系都具有相同的形式 爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了 电磁物理规律和一切其他物理规律，成为第一电磁物理规律和一

9、切其他物理规律，成为第一 个假设个假设 狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设 光速不变原理光速不变原理 在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为在任何惯性系中，光在真空中的速度恒为c， 与光源的运动和观测者的运动无关与光源的运动和观测者的运动无关 光速不变原理与伽利略速度叠加原理是针锋光速不变原理与伽利略速度叠加原理是针锋 相对的，具有观念上的革命性相对的，具有观念上的革命性 例例.下列几种说法：下列几种说法： 所有惯性系统对物理基本规律都是等价的所有惯性系统对物理基本规律都是等价的 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关 在任

10、何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相 同同 关于上述说法关于上述说法() A只有是正确的只有是正确的 B只有是正确的只有是正确的 C只有是正确的只有是正确的 D三种说法都是正确的三种说法都是正确的 D 例例. CD判断下列说法是否正确判断下列说法是否正确( ) A在以在以 1 1000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光， 竖直方向升空的火箭上向前发出的光， 对地速度一定比对地速度一定比 c 大 大 B在以在以 1 1000c 竖直方向升空的火箭上向后发出的光， 竖直方向升空的火箭上向后发出的光， 对箭速度一定对箭速度一定比比 c 大

11、大 C在以在以 1 1000c 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发 竖直方向升空的火箭上沿水平方向发 出的光，对地速度为出的光，对地速度为 c 时间、长度的相对性时间、长度的相对性 同时的相对性同时的相对性 在一个参考系中观察同时发生的两件事，在在一个参考系中观察同时发生的两件事，在 另一参考系中观察不同时发生另一参考系中观察不同时发生 在车厢内观察在车厢内观察 在站台上观察在站台上观察 狭义相对论简介 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 v 光源 我看到闪光到达车厢的 前壁和后壁是“同时” 的 我看到闪光先到达后 壁，后到达前壁 到底是 谁错了？

12、同时的相对性 如果在车厢运动的速度远小于光速时，如果在车厢运动的速度远小于光速时， 在光到达车壁时间内，车厢运动的距在光到达车壁时间内，车厢运动的距 离观察不出来，所以经典时空观中的离观察不出来，所以经典时空观中的 同时的绝对性是在参考系低速运动的同时的绝对性是在参考系低速运动的 情况下得出的结论。情况下得出的结论。 例：如图所示，沿铁道排列的例：如图所示，沿铁道排列的A、B两电杆正中央安装两电杆正中央安装 一闪光装置一闪光装置C，光信号到达，光信号到达A电杆称为事件电杆称为事件1，到达，到达B电电 杆称为事件杆称为事件2.则则() A在地面观察者看来，事件在地面观察者看来，事件1比事件比事件

13、2先发生；从车厢先发生；从车厢 中观察者看来，事件中观察者看来，事件1、2同时发生同时发生 B在地面观察者看来，事件在地面观察者看来，事件1比事件比事件2后发生；从车厢后发生；从车厢 中观察者看来，事件中观察者看来，事件1、2同时发生同时发生 C在地面观察者看来，事件在地面观察者看来，事件1、2同时发生；从车厢中同时发生；从车厢中 观察者看来，事件观察者看来，事件2比事件比事件1后发生后发生 D在地面观察者看来，事件在地面观察者看来，事件1、2同时发生；从车厢中同时发生；从车厢中 观察者看来，事件观察者看来，事件2比事件比事件1先发生先发生 D 运动时钟的变慢运动时钟的变慢 u 固有时为固有时

14、为 0 在站台上观测 时间间隔为时间间隔为 由狭义相对论导出时间变换公式：由狭义相对论导出时间变换公式： 0 2 2 0 1 c u 注意：注意： （1）时钟延缓效应并不是钟由于相对运动而发生了物理结）时钟延缓效应并不是钟由于相对运动而发生了物理结 构上的变化，而是由相对运动的不同观测者对时间进行量构上的变化，而是由相对运动的不同观测者对时间进行量 度时引起的一种观测效应。度时引起的一种观测效应。 （2）当）当u远小于光速时，时间间隔相差很小，这就是人远小于光速时，时间间隔相差很小，这就是人 们能够接受经典时空观的原因。们能够接受经典时空观的原因。 例：哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地例：

15、哥哥乘坐宇宙飞船以接近光的速度离开地 球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥球去遨游太空，经过一段时间返回地球，哥哥 惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多则该现象惊奇地发现弟弟比自己要苍老许多则该现象 的科学解释是的科学解释是() A哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了哥哥在太空中发生了基因突变，停止生长了 B弟弟思念哥哥而加速生长了弟弟思念哥哥而加速生长了 C由相对论可知，物体速度越大，在其上时间由相对论可知，物体速度越大，在其上时间 进程就越慢，生理过程也越慢进程就越慢，生理过程也越慢 D这是神话，科学无法解释这是神话，科学无法解释 C 飞船速度飞船速度 与光速百与光速百 分比分比 飞船中飞

16、船中1 小时的分小时的分 钟数钟数 地球上地球上1 小时的小时的 分钟数分钟数 060.0060.00 2058.7060.00 4055.0060.00 6048.0060.00 8036.0060.00 9026.1060.00 9518.7160.00 998.5360.00 99.92.7860.00 99.9971.1760.00 100060.00 孪生子佯谬 一台以反物质为燃料 的时间机器，如果它 以接近光速的速度向 银河系中央飞去，那 么它将用21年的时间 抵达目的地，而根据 相对论原理，地球上 的时间在此期间却已 过去了3万年。 一对孪生子中 的一个进行星际旅 行，另一个则呆

17、在 地球上。作为宇航 员的哥哥乘飞船高 速飞离地球，当他 返回地球时，他比 呆在地球上的弟弟 年纪要小。 例：地面上例：地面上A、B两处同时发生爆炸对于两处同时发生爆炸对于 坐在火箭中沿坐在火箭中沿A、B发生地点的连线飞行的发生地点的连线飞行的 人来说，哪个爆炸先发生？人来说，哪个爆炸先发生？ 例：如下图所示，你站在水平木杆例：如下图所示，你站在水平木杆AB的中央附近，并的中央附近，并 且看到木杆落到地面上时是两端同时着地的，所以，且看到木杆落到地面上时是两端同时着地的，所以， 你认为这木杆是平着落到了地面上；而此时飞飞小姐你认为这木杆是平着落到了地面上；而此时飞飞小姐 正以接近光速的速度从你

18、前面掠过，她看到正以接近光速的速度从你前面掠过，她看到B端比端比A端端 先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的，她的先落地，因而她认为木杆是向右倾斜着落地的，她的 看法是看法是( ) A对的对的 B错的错的 C她应感觉到木杆在朝她应感觉到木杆在朝 她运动她运动 D她应感觉到木杆在远她应感觉到木杆在远 离她运动离她运动 AC 长度的相对性长度的相对性 狭义相对论简介 v 我在同时测量M、 N两点的坐标！ 你为什么对N端读数早、 对M端读数迟呢？ 长度的相对性长度的相对性 长度的相对性长度的相对性：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 2 0 1 ( ) v ll c 又是谁 错了？ 2 0 1 ( ) v ll c 一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比 静止时的长度小静止时的长度小 (动棒缩短）动棒缩短） 注意：注意： （1）长度收缩是由于相对运动而引起的观测效应，）长度收缩是由于相对运动而引起的观测效应， 棒的本身没有发生实质的变化。棒的本身没有发生实质的变化。 （2）由公式当）由公式当V等于等于c 时，长度为时，长度为0，当，当Vc时，时，L为负值，为负值， 没有意义，说明光速没有意义，说明光速C是物体运动速率的极限是物体运动速率的极限 例：惯性系例：惯性系S中