2021-2022学年高二物理竞赛课件：相对论动力学

1、相对论动力学2例：在引力场中自由飞行的航天飞机 恒星参考系是惯性系。 恒星参考系有引力，不是惯性系。而航天飞机内惯性力和引力抵消可以看成不受力，是局域惯性系。引力惯性力恒星牛顿观点：广义相对论观点： 而航天飞机相对恒星参考系有加速度，不是惯性系。3等效原理和局域惯性系失重现象加速度和引力等效4 引力被惯性力精确抵消，自由下落的电梯内的区域无引力场。引力惯性力mI g地球自由下落的小电梯gmg gmI,mg“加速度产生的惯性力”与“真实的引力”等价。等效原理： 参考系的加速度和引力场等效。 因此，它与一个没有引力场、没有加速度的惯性系等效，任何物理实验都不能把二者区分开小电梯是一个“局域惯性系”

2、。5在宇宙飞船中 在每一事件的时空点的邻域内，都存在一个局域惯性系，即与在引力场中自由降落的粒子共动的参考系。在此局域惯性系中，一切物理定律服从狭义相对论（如光速不变，时间延迟，长度收缩等）。 “强等效原理”：6引力和时空 在引力场中发生的物理过程，在远处（无引力）观察，其时间节奏比当地的原时慢，其空间距离比当地的原长短 设一匀速转动的圆盘，边缘处惯性离心力较大，引力场较强。Odt,dl 在t内，边缘相对O点可看成以速度v的匀速直线运动。由狭义相对论 “时缓尺缩”效应。7圆周长 2R 引力使空间成为非欧几里德的空间弯曲引力场中时间空间（四维空间）弯曲， 引力场越强，弯曲越严重。R周长收缩R不收

3、缩时间膨胀大质量天体8 光线按最短路线（短程线）行进，因此 在引力场中，光线象粒子被引力加速一样，变弯曲了。广义相对论预言的几个可观察效应光线的引力偏转大质量天体光线9星光的偏折角。日全食时拍摄太阳附近的星空照片，可测出1919年爱丁顿(Eddington)等测得1.98 0.16。1973年光学测量结果是1.60 0.13。近年用射电天文技术测得1.761 0.016。爱因斯坦预言星光偏转角为1.75。*S星的实际位置*星的视觉位置10光束在引力场中弯曲，还可解释如下：时刻1g引力场局域惯性系2g3g4g光束直线传播光束？ 在惯性系中时空平直，而在引力场（非惯性系）中时空弯曲。11由于时缓尺

4、缩效应，引力场中光速减小。雷达回波延迟 太阳引力使回波时间加长，称为雷达回波延迟。地球与水星间的雷达回波最大时间差可达240s。 1964年，夏皮罗（Shapiro）提出一个方法，由地球发射雷达脉冲，到达行星后返回地球，测量信号往返时间，比较雷达波远离太阳和靠近太阳两种情况下，回波时间的差异。 到上世纪70年代末，测量值与理论值之间的差约为1%，80年代利用火星表面的“海盗着陆舱”进行测量，不确定度降到了0.1%。12引力红移 在没有引力的情况下，每种元素辐射谱线的频率是确定的。 1961测太阳光谱中钠5896谱线的引力红移，结果与理论偏离小于5。 1971测太阳光谱中钾7699谱线的引力红移，结果与理论偏离小于6。 而在引力场中，由于时缓效应，谱线的频率变小，这称为引力红移。13H0 他们把发射14.4keV的光子的57Co放射源放在高度为H22.6m的塔顶，在塔底测量它射来的光子的频率，发现比在塔顶的频率0高了。地面附近的引力红移效应更为微弱。 1959年，庞德(R.V.Pound )和瑞布卡(Q.A.Rebka )在哈佛塔做了一个实验，理论值：实验结果为14水星近日点的进动 按严格平方反比律计算，行星轨道为闭合椭圆。 但实际天文学观测表明，行星轨道并不是严格闭合的，而是绕近日点有进动。 按牛顿