时间和空间的相对性讲义dpml

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？,导入新课,第十五章 相对论简介,时间和空间的相对性,教学目标,一、知识与技能,（1）同时的相对性,（2）运动长度的收缩,（3）时间间隔的相对,（4）了解时空相对性的验证,（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别,二、过程与方法,（1）理解同时相对性的推演过程,（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程。,三、情感态度和价值观,（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。,（2）辩证地看待经典物理理论,教学重难点,教学重、难点,从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。,本节导航,一、“同时”的相对性,二、长度的相对性,三、时间间隔的相对性,四、时空相对性的验证,五、相对论的时空观,一、”同时“的相对性,在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。,同时是相对的,事例1,按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。,一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。,A,B,事例2,到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。,A,B,在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以A和B开枪动作的先后是相对的。,光速不变性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果的现象。,概 念,经典力学,狭义相对论,光 速,相对的,绝对的,同 时,绝对的,相对的,不可能有物理联系的两事件的次序,绝对的,相对的,可能有物理联系的两事件的次序,绝对的,绝对的,如谁先动手问题,二、长度的相对性,v,车上的人看到的车厢的长度：,车外的人看到的车厢的长度：,注意：,长度缩短效应,只发生在,相对运动的方向上。,如上例中的,X,轴方向上，在,Y,轴方向上无,长度缩短效应。,动尺变短（空间收缩效应）,S,O,X,Y,O,S,X,Y,一条,沿自身长度方向运动,的杆，其长度总比、杆静止时的长度小。,斐克小伙剑术精，,出刺迅捷如流星，,由于空间收缩性，,长剑变成小铁钉.,结论,伽莫夫的著名科普读物物理世界的奇遇：该城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切如图中一样的变扁了。,三、时间间隔的相对性,a图以车上的人作为参考系,A,B,推导过程,h,h,t,=2h/c,b图以站台上的人作为参考系,A,D,A,C,推导过程,ACA,=c,t,由a图得出t=2h/c,由b图得出ACA=ct,以上面两式消去h可得：,因为vt,上面的推导公式表明在地面上观测，火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳动、呼吸、消化、思维活动和一切生理过程都变慢了这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。,我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？,甲,乙,事例1,这里有两种答案：（1）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。（2）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“,双生子佯谬,”。,甲,乙,问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。,按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，,只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持,。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系，互相之间才是等价的。一旦出现了,变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。,甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的,不对称性,。所以由对称性引起的两难是不存在的。,那么，到底谁年轻呢？,四、时空相对性的验证,1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。子 从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，,旅行后的子的确比未经旅行的同类年轻了,。,我们似乎可以这样作结论了：,谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久,。佯谬也就不存在了。,实验一,1971年铯原子钟实验,将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。,实验二,地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。,这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。,上述实验表明，,相对于惯性系转速越大的钟走得越慢,。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是,孪生子效应,了。,然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！,霍金时间简史,这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。,五、相对论的时空观,绝对时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的。,相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关。,绝对时空观与相对论时空观的区别：,绝对时空观,相对论时空观,光速,同时,时间与空间,相对的,相对的,绝对的,绝对的,与运动无关，绝对的,与运动联系，相对的,一、“同时”是相对的,二、长度的相对性,三、时间间隔的相对性,课堂小结,四、用微观和宏观两个实验对时空的相对性进行了验证。,五、绝对时空观与相对论时空观的区别。,1、下列说法正确的是（）,A、世界的过去、现在和将来都只有量的变,化，而不会发生质的变化,B、时间和空间不依赖人们的意识而存在,C、时间和空间是绝对的,D、时间和空间是紧密联系、不可分割的,D,课堂练习,2、一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看到这张宣传画画成了什么样子？,解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化。,答案：宣传画变成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了。,3、一只长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下的测量的，以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况（）,A、标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它,B、标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来,C、两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺,D、所有这些都与观察者的运动情况有关,D,4、以8km/s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1min，地面上的人认为它走过这1min“实际”上花了多少时间？,解：卫星上观测到的时间为,t,1min，卫星运动的速度为v810,3,m/s，所以地面上的观测到的时间为,