1、第6章,相对论与天体物理,第1讲 牛顿眼中的世界 爱因斯坦眼中的世界,目标定位 1.知道经典力学的相对性原理，知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设. 2.知道狭义相对论的几个主要结论. 3.了解绝对时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论的建立对人类认识世界的影响. 4.知道相对论速度变换公式,栏目索引 CONTENTS PAGE,一、牛顿眼中的世界,1经典力学的相对性原理 (1)经典力学的相对性原理： 规律在任何 系中都是相同的 (2)惯性系：处于 或 直线运动状态的物体,力学,惯性,静止,匀速,2绝对时空观 (1)绝对时空观：时间和空间是 的 (2)绝对时间：“同时”是绝对的，时间
2、也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质 关，与运动 关 (3)绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的 参考系，力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间 关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在,无,无,惯性,无,绝对,二、爱因斯坦眼中的世界,1狭义相对论的两条基本原理 (1)狭义相对性原理： 规律(力学、电磁学、光学等)对于所有 系都具有相同的形式 (2)光速不变原理：在任何 系中，光在真空中的速度恒为 ，与光源的运动和观测者的运动 关,物理,惯性,惯性,无,c,2狭义相对论中的时间与空间 (1)同时是相对的 狭义相对论中的“同时”不再具有绝对的意义，不同惯性参考系的观
3、察者对两个事件是否“同时”发生的回答可能是不同的，这与观察者所在参考系的运动 ，即“同时”是 的,有关,相对,时间延缓效应 同一个物理过程，乘客测得时间为t，站台上的观察者测得的时间为t，则t与t的关系为：t,(2)长度是相对的 在狭义相对论时空观中，长度也与观察者的运动状态有关 长度缩短效应 地面观察者测得的长度为l，相对观察者静止时测得的长度为l0，则ll0 3相对论的速度叠加 狭义相对论的速度叠加公式为u u是物体相对静止参考系的速度，v是运动参考系相对静止参考系的速度，u是物体相对运动参考系的速度,一、对狭义相对论的理解,1各物理量有可能因为所选择参考系的不同而不同，但是它们遵从的物理
4、规律是相同的 2光速不变原理强调真空中的光速不变，与光源、观察者间的相对运动没有关系 3狭义相对论中的“同时”相对性、运动的时钟变慢、长度的收缩等效应只有在高速运动的情况下才会有明显的观测结果，在低速世界(vc)中这些效应可以忽略,例1 如图1所示，考虑几个问题：,图1,(1)如图所示，参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？ (2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动，人看到的光速应是多少？ (3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动，人看到的光速又是多少？,解析 根据狭义相对论理论，光速是不变的，都应是c. 答案 (1)c (2)c (3)c,二、时间和空间的相对性,例2
5、如图2所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是( ) A同时被照亮 BA先被照亮 CC先被照亮 D无法判断,图2,解析 因列车沿AC方向接近光速行驶，根据“同时”的相对性，即前边的事件先发生，后边的事件后发生可知C先被照亮 答案 C,例3 在一飞船上测得飞船的长度为100 m，高度为10 m当飞船以0.6c的速度从你身边经过时，按你的测量，飞船有多高、多长？ 解析 因为长度收缩只发生在运动的方向上，与运动垂直的方向上没有这种效应，故测得的飞船的高度仍为原高度10 m设飞船原长为l0
6、，观测到飞船的长度为l，则 根据尺缩效应有ll0 100 m80 m.,所以测量的飞船的高度和长度分别为10 m、80 m. 答案 测量的飞船的高度和长度分别为10 m、80 m.,三、对相对论速度变换公式的理解,设参考系相对地面的运动速度为v，参考系中的物体以速度u沿参考系运动的方向相对参考系运动，那么物体相对地面的速度u .,1当物体运动方向与参考系相对地面的运动方向相反时，公式中的u取负值 2若物体运动方向与参考系运动方向不共线，此式不可用 3由公式可知：u一定比uv小，但当u和v都比c小得多时，可认为uuv，这就是低速下的近似，即经典力学中的速度叠加 4当uvc时，uc，证明了光速是速
7、度的极限，也反证了光速不变原理,例4 一粒子以0.05c的速率相对实验室参考系运动此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速度为0.8c，电子的衰变方向与粒子运动方向相同求电子相对于实验室参考系的速度,解析 已知v0.05c，u0.8c. 由相对论速度叠加公式得,答案 0.817c,对狭义相对论的理解,1关于狭义相对论，下列说法不正确的是( ) A狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的 B狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光源的运动无关 C狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系 D狭义相对论任何情况下都适用,解析 根据狭义相对论的基本假设可知，选项A
8、、B正确； 狭义相对论只涉及惯性参考系，不涉及非惯性参考系，选项D错误，选项C正确 答案 D,2如图3所示，A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在以速度vB和vC朝同一方向飞行的两枚火箭上，且vBvC.地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个时钟走得最快？,时间和空间的相对性r,图3,解析 地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大根据公式t 可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢；由t 知tt，故地面上的钟走得最快,答案 火箭C上的时钟走得最慢，地面上的钟走得最快,3长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了一艘宇宙飞船的船身长度为L090 m，相对地面以u0.8c的速度在一观测站的上空飞过 (1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？,答案 2.25107 s,(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少？,答案 3.75107 s,4一高能加速器沿相反方向射出两个质点，速度均为0.6c，则它们的相对速度是多少？ 解析 以其中任意一个质点为运动参考系，要求的就是另一个质点在该运动参考系下的运动速度u.由题意知，运动参考系相对静止参考系的速度v0.6c，质点相对于静止参考系的速度u0.6c.,可解得u0.88c，即该质点相对于运动参考系(另一质点)的速度大小为0.88c.,答案 0.88c,
