高中物理沪科技版（2020）必修第二册第二节 相对论初步优质课件ppt

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爱因斯坦建立相对论建立的背景
1900年物理学家开尔文在回顾了物理学取得的伟大成就之后，充满信心地宣称，物理学的大厦已经基本完成，剩下的只是一些修饰工作。在展望20世纪物理学前景时也承认，明朗的物理学天空中还有两朵小小的乌云：黑体辐射和迈克尔逊—莫雷实验。这两让物理学家头疼的问题最终都被爱因斯坦解决并创立了量子力学和相对论。
很久以前，直到17世纪，有很多科学家一直认为光速是无限的，光传播不需要时间，这当然是错误的。
1、伽利略测量光速的设想：在两个相距数千米的山顶上，一个人开启灯光，并同时计时，当第二个人看到第一个人灯笼时同时开启灯笼，第一个人看到后计时停止，以此计算光速。（只是设想）
真空中光速c=3×108m/s
2、丹麦天文学家罗默最早通过对“木卫一”的观测，首次计算出光速为2.2×108m/s，比较接近但误差有点大。（说明光速是有限的）
3、19世纪法国物理学家菲索和傅科分别用旋转齿轮和旋转镜面的方法，对光速进行了测量，得出相当精确的结果2.997×108m/s，接近真空中实际光速。
二、伽利略的相对性原理
内容：力学规律在任何惯性系中都具有相同的形式。
伽利略的想象实验：在匀速直线运动的船里，做任何物理实验都与在地面上结论相同。
但英国物理学家麦克斯韦在1864年证明光是电磁波，并计算出光在真空的传播速度是c=3×108m/s，且不涉及任何参考系。 与伽利略的相对性原理相矛盾
三、狭义相对论理论基础
爱因斯坦在1905年提出两条基本原理，从而建立了全新的理论就是狭义相对论。 1、相对性原理：物理规律包括电磁规律，在所有惯性参考系中都具有相同的形式。 2、光速不变原理：真空中的光速在所有惯性系中都是相同的，与光源和观测都的速度无关。
牛顿认为，空间是一个可以容纳一切物体而又广阔无边的无限大箱子，时间则是均匀流逝的长河，没有起点也没有终点。物体在空间中运动，时间则标记物体运动，但物体的运动并不会影响时间与空间，也就是说，牛顿认为空间与时间是绝对的。 爱因斯坦的狭义相对论里，空间和时间不再是绝对的而是相对的。
狭义相对论：运动的空间和时间会随着速度而变化
1、同时的相对性：在一个参考系中同时发生的事件，在另一个参考系中不再同时。
2、时间膨胀（钟慢效应）： 在惯性参考系中，运动的时钟比静止的钟要走得慢。（时间不再是绝对的而是相对的）
时间膨胀不是钟表出了问题，而是狭义相对论的时空性质造成的
3、长度收缩（尺缩效应）： 狭义相对论告诉我们，物体沿运动方向的长度会缩短。
长度收缩也是相对的，一列高铁过桥时，桥上的人认为高铁变短了，高铁上的人认为桥变短了
4、质量变大： 狭义相对论告诉我们，运动物体的质量也是变化的，速度越大，运动质量就越大，并且任何静止质量不为零的物体，其速度都不可能等于或超过光速。
爱因斯坦质能关系方程 E=mc2
五、广义相对论的基本原理
1、等效原理：一个均匀引力场与一个做匀加速运动的参考系是等价的。
2、广义相对性原理：物理规律在任何参考系中都具有相同的形式。 这就是爱因斯坦后期研究的大统一场理论，未能完成
五、广义相对论的实验验证
广义相对论是狭义相对论的推广，也是牛顿引力理论的推广，是我们理解天体物理和宇宙学的理论基础。 在广义相对论中，引力不再是超距作用，而是时空弯曲的结果：物质分布导致时空弯曲，物体又在弯曲的时空中运动。
美国物理学家惠勒说：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动
1、水星近日点的进动： 水星近日点的进动比较大，其中大部分可以用牛顿力学解释，但剩余部分即每100年43″的进动值无法解释，而广义相对论计算出的值是43.03″,这一进动完全是空间弯曲造成的。
2、光线偏折： 按照广义相对论，光在引力场中并不是沿直线传播的，当光掠过大质量天体时会发生偏折。
广义相对论推出，当光掠过太阳时，会发生1.75″的偏折。如果把光当做小球，高速通过太阳时受引力发生偏折，用牛顿定律好像也可以解释，但偏折只有广义相对论的一半。英国天文学家爱丁顿利用日全食对光经过太阳时的偏折进行了观测，证实了广义相对论的正确性。
3、钟表变慢： 按照广义相对论，引力场中的钟表也会变慢，引力场越强，钟慢效应越明显。
1971年物理学家哈菲勒将铯原子钟由民航飞机携带，在万米高空沿赤道环绕飞行，结果与广义相对论的预言符合极好。
4、引力红移： 引力场发出的光被极远处的观测者接收时波长会变长，也就是引力红移。引力场越强，红移越大。
5、引力波： 1916年，爱因斯坦根据广义相对论，预言了引力波的存在质量分布导致时空弯曲，质量分布的变化将导致时空弯曲程度的变化，这种变化会以波的形式以光速向外传播，就是引力波。
2016年美国引力波观测台，探测到了13亿光年外两个黑洞碰撞合并时所发出的引力波。