2021-2022学年高二物理竞赛课件：狭义相对论的基本原理(共14张PPT).pptx

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1、狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理河南城建学院 杜亚冰 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义相年先后创立了狭义相对论和广义相对论对论和广义相对论,他于他于1905年提年提出了光量子假设出了光量子假设,为此他于为此他于1921年年获得诺贝尔物理学奖获得诺贝尔物理学奖,他还在量子他还在量子理论方面作出很多的重要的贡献理论方面作出很多的重要的

2、贡献.狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理河南城建学院 杜亚冰狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理）爱因斯坦相对性原理：物理定律在：物理定律在所有所有的的惯性系中都具有相同的表达形式惯性系中都具有相同的表达形式.2）光速不变原理）光速不变原理：真空中真空中,光在任一惯性系中光在任一惯性系中沿各个方向的速度都是沿各个方向的速度都是C，它与光源或观察者的运，它与光源或观察者的运动无关动无关.关键概念：相对性和不变性关键概念：相对性和不变性.相对性原理是自然界的普遍规律相对性原理是自然界的普遍规律.所有的惯性参考系都是等价的所有的惯性参考系都是等价的.伽利略变换与伽利

3、略变换与狭义相对论的基本原理不符狭义相对论的基本原理不符.河南城建学院 杜亚冰1)1)爱因斯坦爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展的理论是牛顿理论的发展 爱因斯坦相对论适用于包括爱因斯坦相对论适用于包括力学定律力学定律和和电磁学电磁学定律定律在内的一切物理规律。在内的一切物理规律。注注 意意2)2)观念上的变革观念上的变革均与参考系无关均与参考系无关时间测量时间测量长度测量长度测量速度速度与参考系有关与参考系有关(相对性相对性)长度、时间的测量长度、时间的测量与参照系有关与参照系有关光速不变光速不变牛顿力学牛顿力学狭义相对狭义相对论力学论力学实验说明，伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对实验说明，

4、伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观不再适用，必须寻找新的变换，建立时空观不再适用，必须寻找新的变换，建立新的时空观新的时空观。河南城建学院 杜亚冰 同时的相对性同时的相对性 在牛顿力学中，时间是绝对的。两事件在惯性系在牛顿力学中，时间是绝对的。两事件在惯性系 S S 中观察是同时发生的，那么在另一惯性系中观察是同时发生的，那么在另一惯性系S S中观察中观察也是同时发生的。也是同时发生的。狭义相对论则认为：狭义相对论则认为：这两个事件在惯性系这两个事件在惯性系S S中观察中观察是同时的，而在惯性系是同时的，而在惯性系S S观察一般来说不再是同时观察一般来说不再是同时的了。这就是狭义相对

5、论的同时相对性。的了。这就是狭义相对论的同时相对性。同时性的相对性同时性的相对性-光速不变原理的直接结果光速不变原理的直接结果河南城建学院 杜亚冰事件事件 1：车厢：车厢后后壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号.事件事件 2：车厢：车厢前前壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号.以爱因斯坦火车（以爱因斯坦火车（Einstein train）为例为例说明说明同时性的相对性同时性的相对性河南城建学院 杜亚冰Einstein train地面参考系地面参考系在火车上在火车上分别放置两个光信号接收器。分别放置两个光信号接收器。中点中点M放置光信号发生器放置光信号发生器实验装置实验装置某时刻某时刻M

6、 发一光信号发一光信号事件事件1 1:接收到闪光接收到闪光事件事件2 2:接收到闪光接收到闪光 研究的问题：研究的问题：两事件发生的时间间隔两事件发生的时间间隔？河南城建学院 杜亚冰M 发出的闪光发出的闪光 光速为光速为A B同时接收到光信号同时接收到光信号事件事件1 1、事件、事件2 2 同时发生同时发生S S系中的观察者又如何看呢？系中的观察者又如何看呢？处闪光处闪光光速也为光速也为A、B 随随 S运动运动A迎着光迎着光，比比B 先收到光先收到光事件事件1 1、事件、事件2 2不同时发生不同时发生事件事件1 1先发生先发生 由于光速不变，由于光速不变，在一个惯性系中在一个惯性系中同时不同地

7、点同时不同地点发生的发生的两个事件，在另一个惯性两个事件，在另一个惯性系中不再是同时系中不再是同时发生发生的了。的了。河南城建学院 杜亚冰 时间的延缓时间的延缓 设想在一列以速度设想在一列以速度 v 匀速运动的车箱里匀速运动的车箱里,B有一台光有一台光讯号钟讯号钟,车箱顶部放置一面反射镜车箱顶部放置一面反射镜M,可使光脉冲反射可使光脉冲反射,设车箱高度为设车箱高度为d。运运 动动 的的 钟钟 走走 得得 慢慢河南城建学院 杜亚冰系系同一地点同一地点 B 发生两事件发生两事件在在 S 系中观测两事件系中观测两事件发射一光信号发射一光信号接受一光信号接受一光信号时间间隔时间间隔B河南城建学院 杜亚

8、冰在一个惯性系中在一个惯性系中,相对于观察者运动的钟比相对于相对于观察者运动的钟比相对于观察者静止的钟走得慢。这种效应称观察者静止的钟走得慢。这种效应称时间延缓时间延缓；或；或时间时间膨胀膨胀；或；或动钟变慢动钟变慢效应效应。因此因此固有时间固有时间固有固有时间时间 ：同一地点同一地点发生的发生的两两事件的时间间隔事件的时间间隔.两地两地时间时间 ：不同地点不同地点发生的发生的两两事件的时间间隔事件的时间间隔.河南城建学院 杜亚冰 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和

9、关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义时间联系在一起才有意义.2）时时空不互相独立，而是不可分割的整体空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带是建立不同惯性系间时空变换的纽带.3）时，时，.1）时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应.2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等寿命等.）注意注意河南城建学院 杜亚冰解：解：飞船参考系飞船参考系定为定为 S 系系地面参考系定为地面参考系定为 S 系系S中是原

10、时中是原时S中是两地时中是两地时 例例 以飞船以以飞船以v=9103m.s-1的速率相对于地面匀速飞的速率相对于地面匀速飞行。飞船上的钟走了行。飞船上的钟走了5s5s的时间，用地面上的钟测量是的时间，用地面上的钟测量是经过了多少时间？经过了多少时间？河南城建学院 杜亚冰 例例 设想有一光子火箭以设想有一光子火箭以 速率相对速率相对地球作直线运动地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录他，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去观测星云用去 10 min,则地球上的观察者测得此事则地球上的观察者测得此事用去多少时间用去多少时间？运动的钟似乎走慢了运动的钟似乎走慢了.解解:设火箭为设火箭为 系、地球为系、地球为 S 系系