1、专题十 相对论简介【基本内容】一、狭义相对论1狭义相对论的两个假设：（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理定律都是相同的。（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。即光速与光源的运动和观察者的运动无关。2同时的相对性：（1）经典的时空观：在一个参考系中不同地点发生的两个同时事件，在另一个参考系中观察也是同时的。（2）相对论的时空观：在一个参考系中的两个同时事件，在另一个参考系中不一定是同时的。即“同时”是相对的。（3）“同时性”在狭义相对论中的理解：由于光速不变，即光速在任何惯性系中都是相同的，那么当另一惯性系的速度能够和光速相比时，同时性就是相对的。即在一
2、个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中就不一定是同时发生的。3长度的相对性：（1）经典的时空观：一根长杆的长度，不会因为观察者是否与杆有相对运动而不同。（2）相对论的时空观：“长度”也有相对性。一根长杆沿自身长度方向运动，观察其长度总比静止时要小，但在沿垂直于杆的运动方向上观察，杆的长度没有变化。（3）相对长度的公式在不同的参考系中观察，物体的长度是相对的。对某一参考系静止的物体观察长度为l。，另一个参考系沿其长度方向以速度 v 运动时，在另一参考系观察到该物体的长度为 l，有： 故l l。即当物体沿其长度方向相对于观测者运动时，测得长度比静止长度小。沿垂直于其长度方向运动时，测得长度与静
3、止长度相同。4时间间隔的相对性：（1）经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们发生的时间间隔总是相同的。（2）相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们发生的时间间隔是不同的。惯性参考系的速度越大，惯性参考系中的物理过程进行得越慢，在惯性参考系中的一切化学和生命过程都变慢了。（3）相对时间间隔的公式 上式中 t 为地面的人观察的时间间隔， t为车上的人观察的时间间隔，v 为一个参考系（车）相对另一参考系（地面）的运动速度。故t t 。即从“地面”参考系观察，相对运动的另一个参考系（车）上的时间进程变慢了。（4）时间进程对于同一个参考系（惯性系）是没有变化的，而从
4、另一个参考系来看这个参考系才会有变化。时间进程要能感觉出来必须是两个参考系的相对速度很大，大到能和光速相比。 5相对论的时空观：（1）物理学认为空间和时间是脱离物质而存在的，是绝对的，空间和时间也是没有联系的，经典时空观是相对论在低速运动时的特例。（2）相对论认为有物质才有空间和时间，空间和时间与物质的运动有关，是物质运动普遍规律。6相对论速度变换公式：设 A 参考系相对 B 参考系的速度为 v ，物体相对 A 参考系的速度为u，相对 B 参考系的速度为u，则当u与v在同一直线上时，有： 7相对论质量：当物体以速度为 v 运动时的质量为 m ，静止时的质量m0： 在速度很大时，运动质量明显大于
5、静止质量。8质能方程： E=mc2 设 E 为物体运动时的能量， E0 为静止时的能量，动能Ek为：Ek = E 一 E0二、广义相对论9广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相同的。10等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。【典例分析】例1地面上的人认为A、B两个事件是同时发生的。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线在A端外侧向A飞行的人来说，哪个事件先发生？解析（1）B事件先发生。（2）设A、B发出闪光，“两闪光相遇”作为一个事件，发生在线段AB的中点O点，这在不同的参考系中看都是一样的。因为光速与光源的运动和观察者的运动无关。“相遇在中点”这个现象，在地面参考系
6、中可以解释为：两个闪光同时发出，且传播的速率又相同，当然是“相遇在中点”。对于在火箭上的人来说，地面正在向火箭运动，从闪光发生到“两闪光相遇”，线段中点向火箭的方向运动了一段距离，因此，闪光B比闪光A传播的距离远，既然两个闪光的光速相同，一定是B事件先发生。【例2】有一宇宙飞船对地以v的速度飞行。宇航员在飞船内沿同方向测得光速为c ，则在地面的观察者来看，光速应为v+c吗？解析由相对论速度变换公式： 式中uc ，代入公式可得可见：在地面观察者来看，光速应为c ，不是v+c 。例3判断下列说法是否正确（ ）A在以0.001c的速度竖直升空的火箭上向前方发出的光，对地速度一定比c大；B在以0.00
7、1c的速度竖直升空的火箭上向后方发出的光，对地速度一定比c小；C在以0.001c的速度竖直升空的火箭上向水平方向发出的光，对地速度一定等于c；D在以0.001c的速度竖直升空的火箭上向任何方向发出的光，对地速度一定都为c。解析（1）本题易误选A或B。这是按经典力学的相对性原理得出的，与“光速不变原理”相矛盾。狭义相对论的基本假设-光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，即光速与光源的运动和观察者的运动无关。（2）由“光速不变原理”知，真空中的光速相对于火箭的速度为c，则相对于地面的速度也为c，这对不同的惯性系都是相同的。应选CD。例4俩同学在讨论相对论问题时，提出一个假设：一
8、根10米长的梭镖，以光速穿过一根10米长的管子，它们的长度都是在静止的状态下测量的。下例是俩个同学对梭镖穿过管子的描述，最合理的叙述是（ ）A梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它；B管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来；C两者都收缩变短，且收缩量相等，因此在某个位置上，管子恰好能遮住梭镖D所有这些都与观察者的运动情况有关。解析（1）“尺缩效应”公式中的l 和l。是具有相对性的，到底是管子收缩变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参考系。（2）如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，由“尺缩效应”知梭镖看起来比管子短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它。
9、但是，如果你是和梭镖一起运动的，你看到的管子就缩短了，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来。（3）所有这些都与观察者的运动情况有关。应选D。【知识检测】1通常我们将地球和相对地面静止或匀速直线运动的物体参考系看成是惯性参考系。若以下列系统为参考系，属于非惯性系的有（ ）A停在地面的汽车。B绕地球做匀速圆周运动的飞船C在海上匀速直线运动的轮船D以较高速度匀速运动的磁悬浮列车2关于狭义相对论的说法，不正确的是（ ）A狭义相对论认为在不同的参考系中，一切物理规律都是相同的B狭义相对论认为在工切惯性系中，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运动的惯性系D狭义相对论任何
10、情况下都适用3关于质量和长度，下列说法正确的是（ ）A物体的质量与位置、运动状态无任何关系，是物质本身的属性B物体的质量与位置、运动状态有关，只是在低速运动的情况下，变化可忽略不计C物体的长度与运动状态无任何关系，是物质本身的属性D物体的长度与运动状态有关，只是在低速运动的情况下，变化可忽略不计4根据相对论判断下列说法是否正确（ ）A狭义相对论全面否定了经典力学B如果物体在地面上静止不动，任何人在任何参考系里测出的长度都一样C由E=mc2可知，质量可转变成能量 D物体速度越大，质量也变得起大5下列几种说法正确的是（ ）A所有惯性系中的基本规律都相同B在真空中，光的速度和光的频率与光源的运动状态
11、无关C在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同D惯性系中的观察者，观察一个与他做匀速相对运动的时钟，会看到这个时钟比与他相对静止时走得快些6A、B两架飞机沿地面上一足球场的长度方向在其上空高速飞过，且vAvB,则在飞机上的人对下面的观察结果正确的是（ ）AA机上的人观察到的足球场的长度比B机上的人观察到的足球场的长度大BA机上的人观察到的足球场的宽度比B机上的人观察到的足球场的长度小C两飞机上的人观察到的足球场的长度相同D两飞机上的人观察到的足球场的宽度相同答案1 B 2D 3BD 4D 5ABC 6D 8麦克耳逊-莫雷【课外阅读】简单说说狭义相对论“光速不变”是狭义相对论的假设。
12、 需要注意的是：光速不变是假设。以及由此推导出了的时间膨胀效应等问题。很多人脱离了这个假设来论证相对论的错误就不对了。 用经典物理来类比：就像前提是假设A物体静止,那么,B物体相对A物体时是相对运动的,故根本没有必要论证A物体是不是静止的。很多人忽视了这个假设,又站在B物体或C物体的角度,发现A物体是运动的,于是藉此否定A物体静止的说法,这个是不正确的. 假设就是假设,不需要验证。相对论的难理解之处在于,相对的对象是光速,而不是物体A或者物体B.但事实上,这个假设就是确定了一个静止的物体A而已。当然, 倘若你认可“光速不变”的假设不好，那你也可以建立一套另外的理论，需要假设或者不需要假设。但事
13、实上，一定会遇到假设的概念，例如：时间一致（恒定、不变）的假设，就是:时间对于任何物体是一致的，与观察者或运动无关，时间是不可以延长或是缩短的-这个的确比较符合人的思维习惯。 但事实上，时间的定义是个难题。目前国际公认的时间的单位是秒：铯原子的9192631770次固有微波振荡频率。问题就复杂了，任何状况下的铯原子的9192631770次固有微波振荡频率都是一样的吗？例如爱好者们常说的“超光速”情况下。 爱因斯坦相对论选择了“光速不变”这个相对的“参照物”来解释世界，正如他的名字：相对论。 所以,我们对相对论的评价，要么是：相对论可以解释高速运动世界和广阔的宇宙，或者：不能解释高速运动世界和广阔的宇宙。 而不存在对与错的问题.只存在能与不能的问题。你要是能以时间对于任何物体是一致的，与观察者或运动无关，时间是不可以延长或是缩短的.为假设来研究宇宙,那也是可以的。不过,这也还是相对论噢。
