2022年高中物理中相对论初步知识归纳总结.docx
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1、精品_精品资料_其次讲相对论初步学问相对论是本世纪物理学的最宏大的成就之一,它标志着物理学的重大进展,使一些物理学的基本概念发生了深刻的变革.狭义相对论提出了新的时空观,建立了高速运动物体的力学规律,揭露了质量和能量的内在联系,构成了近代物理学的两大支柱之一. 2.1狭义相对论基本原理2、 1、 1 、伽利略相对性原理1632 年,伽利略发表了关于两种世界体系的对话一书,作出了如下概述:相对任何惯性系,力学规律都具有相同的形式,换言之, 在描述力学的规律上, 一切惯性系都是等价的.这一原理称为伽利略相对性原理,或经典力学的相对性系原理.其中“惯性系”是指凡是牛顿运动定律成立的参照系.2、 1、
2、 2 、狭义相对论的基本原理19 世纪中叶,麦克斯韦在总结前人争论电磁现象的基础上,建立了完整的电磁理论,又称麦克斯韦电磁场方程组.麦克斯韦电磁理论不但能够说明当时已知的电磁现象, 而且预言了电磁波的存在,确认光是波长较短的电磁波,电磁波在真空中的传播速度为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_一常数,c3.0108 米/ 秒,并很快为试验所证明.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关.假如光波也和声波一样,是靠一种媒质(以太)传播的,那么光速相对于确定静止的以太就应当是不变的. 科学家们为了查找以太做了大量的试验,其
3、中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷试验最为闻名.这个试验不但没能证明以太的存在,相反却宣判了以太的死刑,证明光速相对于的球是各向同性的.但是这却与经典的运动学理论相冲突.爱因斯坦分析了物理学的进展,特殊是电磁理论,摆脱了确定时空观的束缚,科学的提出了两条假设,作为狭义相对论的两条基本原理:1、狭义相对论的相对性原理在全部的惯性系中,物理定律都具有相同的表达形式.这条原理是力学相对性原理的推广,它不仅适用于力学定律,乃至适合电磁学,光学等全部物理定律.狭义相对论的相对性原理说明物理学定律与惯性参照系的挑选无 关,或者说一切惯性系都是等价的,人们不论在哪个惯性系中做试验,都不能确定该惯性系是静止的,仍
4、是在作匀速直线运动.2、光速不变原理在全部的惯性系中,测得真空中的光速都等于c,与光源的运动无关.迈克耳孙莫雷试验是光速不变原理的有力的试验证明.大事任何一个现象称为一个大事.物质运动可以看做一连串大事的进展过程,大事可以有各种详细内容,如开头讲演、火车到站、粒子衰变等,但它总是在肯定的的点于肯定时刻发生,因此我们用四个坐标(x, y, z, t)代表一个大事.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_222间隔设两大事(x1 , y1, z1 ,t1 )与(x2 , y2 , z2 , t2 ),我们定义这两大事的间隔为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_221s2c 2
5、ttx2x1y2y1z2z1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_间隔不变性设两大事在某一参考系中的时空坐标为( 其间隔为x1, y1 , z1 ,t1 )与(x2 , y2 , z2 ,t 2 ),可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2t1s2c 2 t2x2x1y2y1z2z1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_222在另一参考系中观看这两大事的时空坐标为(x , y , z,t )与(x , y, z , t ),可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其间隔为ttcs2 2221 2xx212yy211111zz 2212222可编辑资料 -
6、- - 欢迎下载精品_精品资料_由光速不变性可得s2s2这种关系称为间隔不变性.它表示两大事的间隔不因参考系变换而转变.它是相对论时空观的一个基本关系.2、 1、 3 、相对论的试验基础斐索试验上世纪人们用“以太”理论来说明电磁现象,认为电磁场是一种布满整个空间的特殊介质“以太”的运动状态.麦克斯韦方程在相对以太静止的参考系中才精确成立,于是人们提出的球或其他运动物体是否带着以太运动?斐索试验(1851年)就是测定运动媒质的光速试验.其试验装置如图2 1 所示.光由光源L 射出后,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_经半透镜 P 分为两束,一束透过P 到镜M 1 ,然后反射到M 2
7、 ,再经镜M 3 到 P ,其中一可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_部分透过 P 到目镜 T.另一束由P 反射后,经镜M 3 、 M 2 和M 1 再回到 P 时,一部分被可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_反射,亦到目镜T.光线传播途中置有水管,整个装置是固定于的球上的,当管中水不流淌时,两光束经受的时间相等,因而到达目镜中无位相差.当水管中的水流淌时,两束光中一束顺水流传播,一束逆水流传播.M 3M 2设水管的长度皆为l ,水Pl的流速为 v ,折射率为 n,cM 1LT可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_光在水中的速度为n .设水完全带动以太,就光顺
8、水的传播速度为图 2-1-1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_cvcvn,逆水为 n.c可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_如水完全不带动以太,光对装置的速度顺逆水均为n.如部分被带动,令带动系数(曳可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_引系数)为k,就顺水为目镜 T 的时差为ckv nc,逆水为 nkv, k多少由试验测定,这时两束光到达可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t2lckv n2l4lkvc2kvcnn可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_k11斐索测量干涉现象的变化,测得n ,所以光在介质参考系中的传播速度为可编辑资料
9、- - - 欢迎下载精品_精品资料_uc1 n1 vcos n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中 是光线传播方向与介质运动方向间的夹角.现在我们知道,匀速运动介质中的光速可由相对论的速度合成公式求得,设介质可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_(水)相对试验室沿X 轴方向以速度v 运动,选cs 系固定在介质上,在s 上观看,介质可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_中的光速各方向都是n,所以光相对试验室的速度u 为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ncvcvunncv1v1cn2ccv1vncncvvnn 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精
10、品_精品资料_cv 1 n1n 2.M 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_由此可知,由相对论的观点,根本不M 2需要“以太”的假说,更谈不到曳引系数了.M迈克尔孙莫来试验S迈克尔孙莫来于1887 年利用灵敏的T干涉仪,妄想用光学方法测定的球的确定可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_运动.试验时先使干涉仪的一臂与的球的运动方向平行,另一臂与的球的运动方向图 2-1-2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_垂直.依据经典的理论,在运动的系统中,光速应当各向不等,因而可看到干涉条纹.0再使整个仪器转过90 ,就应当发觉条纹的移到,由条纹移动的总数,就可算出的球运
11、0动的速度 v.迈克尔孙莫来试验的装置如图2-1-2所示,使一束由光源S 射来的平行光,到达对光线倾斜45 角的半镀银镜面M上,被分成两束相互垂直的相干光.其中透可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_射部分沿MM 2 方向前进,被镜M 2 反射回来,到M上,再部分的反射后沿MT进行.反可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_射部分沿MM 1 方行进行,被镜反射回来后再到达M上,光线部分透过,也沿MT进行.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_这两束光在MT方向上相互干涉. 而在 T 处观看或摄影, 由于MM 2 臂沿着的球运动方向,可编辑资料 - - - 欢迎下载精
12、品_精品资料_臂 MM 1 垂直于的球运动方向,如MM 2=MM 1 =l ,的球的运动速度为v,就两束光回可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_到 M点的时间差为2tlvcc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_当仪器绕竖直轴旋转900 角,使方向,就两束光到达M的时差为2MM 1 变为沿的球运动方向,MM 2 垂直于的球运动可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t lvcc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_我们知道, 当时间差的转变量是光波的一个周期T1 时,就引起一条干涉条纹的移动,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_0所以,当仪器
13、转动90 后,在望远镜T 处看到的干涉条纹移动的总数为tt 2lv22NT1c,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中 是波长,当l= 11 米, v3104米 / 秒, c3108 米 / 秒 ,所用光波的波长可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_5.910 7 米时,就 N 0.4 ,这相当于在仪器旋转前为明条纹,旋转以后几乎变为1暗条纹.但是他们在试验中测得 N 100 ,而且无论是在白天、夜晚以及一年中的所有季节进行试验,始终得到否定的结果,就是说光学的方法亦测不出所在参考系(的球) 的运动状态.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ 2、 2伽利略变
14、换2、 2 、 1 伽利略变换( 1) 如图 2-2-1 所示,有两个惯性系 S 和 S , 它们对应的坐标轴相互平行,且yyuOOutzzPx,y,zx ,y ,z 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_当 t= t =0 时,两系的坐标原点合.O 与 O 重图 2-2-1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_设 S 系相对于 S 系沿 x 轴正方向以速度u 运动.同一质点 P 在某一时刻在S 系中的时空坐标为x,y,z,t ,在 S系中的时空坐标为( x,y ,z ),t 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_x
15、xutyyzzt t即r y yz zrut或1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_x=xtt即rr ut可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式( 1)称为伽利略时空坐标变换公式.()将式( 1 )中的空间坐标分别对时间求一次导数得:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_vdxdxxudtdtvdyy vydtvdzz vzdtvxu即 v vu可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dxvxdtvdyydtvdzdx dt dy dt dzxuvu1v y
16、v可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_zz或dtdt即 vvu( 2 )可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式( 2)称为伽利略速度变换公式.( 3)将式( 2)再对时间求一次导数得可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_advxxdtdvydvxaxdtdvy可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_aydtzadvz dtaydtzdvza dt即 aa可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_axaxa ya yaza zaa( 3 )可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式( 3)说明
17、在伽利略变换下加速度保持不变.式(3)称为伽利略加速度变换公式.2、 2、 2经典力学的时空观11( 1)t= t ,或 t= t( 4)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_111.( 2) r=x2y 2z 2 x2x 2 y2y 2z2z 21,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ r =x2y 2z 2x2x 2 y2y 2 z2z 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_因 x2x1 x2utx1utx2x1, y2y1y2y1,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_z2z1z2z1, 所以 rr( 5)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_
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