时间和空间的相对性讲义

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,第十,五,五章,相,相对,论,论简,介,介,时间,和,和空,间,间的,相,相对,性,性,教学目标,一、,知,知识,与,与技,能,能,（1,）,）同,时,时的,相,相对,性,性,（2,）,）运,动,动长,度,度的,收,收缩,（3,）,）时,间,间间,隔,隔的,相,相对,（4,）,）了,解,解时,空,空相,对,对性,的,的验,证,证,（5,）,）了,解,解相,对,对论,时,时空,观,观与,经,经典,物,物理,时,时空,观,观的,主,主要,区,区别,二、,过,过程,与,与方,法,法,（1,）,）理,解,解同,时,时相,对,对性,的,的推,演,演过,程,程,（2,）,）理,解,解从,“,“同,时,时相,对,对性,”,”出,发,发得,出,出“,运,运动,长,长度,和,和时,间,间间,隔,隔的,相,相对,性,性”,的,的过,程,程。,三、,情,情感,态,态度,和,和价,值,值观,（1,）,）体,会,会相,对,对论,崭,崭新,的,的时,空,空观,，,，体,会,会相,对,对论,的,的建,立,立对,人,人类,认,认识,世,世界,的,的影,响,响。,（2,）,）辩,证,证地,看,看待,经,经典,物,物理,理,理论,教学重难点,教学,重,重、,难,难点,从“,同,同时,”,”的,相,相对,性,性得,出,出运,动,动长,度,度和,时,时间,间,间隔,的,的相,对,对性,。,。,本节导航,一、,“,“同,时,时”,的,的相,对,对性,二、,长,长度,的,的相,对,对性,三、,时,时间,间,间隔,的,的相,对,对性,四、,时,时空,相,相对,性,性的,验,验证,五、,相,相对,论,论的,时,时空,观,观,一、,”,”同,时,时“,的,的相,对,对性,在经,典,典物,理,理家,的,的头,脑,脑中,，,，如,果,果两,个,个事,件,件在,一,一个,参,参考,系,系中,看,看来,是,是同,时,时的,，,，在,另,另一,个,个参,考,考系,中,中看,来,来也,一,一定,是,是同,时,时的,，,，但,是,是如,果,果接,受,受爱,因,因斯,坦,坦的,两,两个,假,假设,，,，我,们,们会,得,得出,“,“同,时,时是,相,相对,的,的”,这,这样,一,一个,结,结论,。,。,同时是相对的,事例1,按照狭义,相,相对论，,不,不仅“同,时,时”是相,对,对的，有,时,时候，甚,至,至事情的,先,先后也都,是,是相对的,。,。,一节长为10米的,列,列车，A,在,在车后部,，,，B在车,前,前部。当,列,列车以0.6c的,高,高速度通,过,过一个站,台,台的时候,突然站,台,台上的人,看,看到A先,向,向B开枪,过了12.5毫,微,微秒,B,又,又向A发,射,射。因而,站,站台上的,人,人作证：,这,这场枪战,是,是由A挑,起,起的。但,是,是，车上,的,的乘客却,提,提供相反,的,的情况，,他,他们说，,是,是B先开,枪,枪，过了10毫微,秒,秒，A才,动,动手。事,件,件是由B,发,发动的。,A,B,事例2,到底是谁,先,先动手呢,？,？没有绝,对,对的答案,。,。在这个,具,具体事件,中,中，谁先,谁,谁后是有,相,相对性的,。,。在列车,参,参考系中,，,，B先A,后,后，而在,车,车站参考,系,系中则是A先B后,。,。,A,B,在十几个,毫,毫微秒时,间,间内，光,信,信号走不,到,到十米远,，,，所以A,和,和B开枪,动,动作的先,后,后是相对,的,的。,光速不变,性,性保证了,因,因果关系,的,的成立，,保,保证我们,不,不会看到,任,任何倒因,为,为果的现,象,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,的相对性,v,车上的人,看,看到的车,厢,厢的长度,：,：,车外的人,看,看到的车,厢,厢的长度,：,：,注意：,长度缩短,效,效应只发生在相对运动,的,的方向上,。,。如上例中,的,的X轴方向上,，,，在Y轴方向上,无,无长度缩短,效,效应。,动尺变短,（,（空间收,缩,缩效应）,S,O,X,Y,O,S,X,Y,一条沿自身长,度,度方向运,动,动的杆，其,长,长度总比,、,、杆静止,时,时的长度,小,小。,斐克小伙,剑,剑术精，,出刺迅捷,如,如流星，,由于空间,收,收缩性，,长剑变成,小,小铁钉.,结论,伽莫夫的,著,著名科普,读,读物物,理,理世界的,奇,奇遇：,该,该城市里,的,的光速异,乎,乎寻常地,小,小，当他,骑,骑自行车,高,高速行驶,时,时，发现,周,周围的一,切,切如图中,一,一样的变,扁,扁了。,三、时间,间,间隔的相,对,对性,a图以车,上,上的人作,为,为参考系,A,B,推导过程,h,h,t,=2h/c,b图以站,台,台上的人,作,作为参考,系,系,A,D,A,C,推导过程,ACA,=c,t,由a图得,出,出t=2h/c,由b图得,出,出ACA,=ct,以上面两,式,式消去h,可,可得：,因为vt,上面的推,导,导公式表,明,明在地面,上,上观测，,火,火车上的,时,时间进程,变,变慢了，,车,车上的一,切,切物理过,程,程、化学,过,过程和生,命,命过程都,变,变慢了：,时,时钟走得,慢,慢了，人,的,的心脏跳,动,动、呼吸,、,、消化、,思,思维活动,和,和一切生,理,理过程都,变,变慢了,这就是,时,时间间隔,的,的相对性,，,，也称为,“,“时间膨,胀,胀”或“,钟,钟慢效应,”,”。,我们设想,甲,甲、乙是,一,一对孪生,弟,弟兄。他,们,们计划做,一,一次高速,飞,飞船旅行,，,，来检验,一,一下狭义,相,相对论。,甲,甲留在发,射,射基地，,乙,乙周游天,外,外。当飞,船,船再度回,到,到基地时,，,，是甲比,乙,乙年轻，,还,还是乙比,甲,甲年轻？,甲,乙,事例1,这里有,两,两种答,案,案：（1）甲,看,看乙船,上,上的钟,变,变慢了,，,，所以,，,，甲说,乙,乙应该,比,比他更,年,年轻一,些,些。（2）乙,也,也看到,基,基地的,钟,钟变慢,了,了，所,以,以乙说,甲,甲应该,比,比他更,年,年轻些,。,。这是,个,个有名,的,的疑难,，,，叫“双生子,佯,佯谬”。,甲,乙,问题的,关,关键是,乙,乙要回,到,到出发,点,点。乙,的,的飞行,路,路线必,然,然是有,来,来有去,，,，或者,是,是转一,个,个圈子,。,。因此,，,，在甲,看,看来，,乙,乙是在,做,做有速,度,度变化,的,的运动,，,，在乙,看,看来，,甲,甲相对,于,于他也,在,在做变,速,速运动,。,。,按照运,动,动钟变,慢,慢的理,论,论，甲,看,看乙钟,变,变慢，,乙,乙看甲,钟,钟变慢,这,这种对,称,称性，只有当,甲,甲和乙,的,的相对,运,运动速,度,度不变,时,时，才,能,能保持。或者,说,说，只,有,有互相,作,作匀速,直,直线运,动,动的两,个,个惯性,参,参考系,，,，互,相,相之间,才,才是等,价,价的。,一,一旦出,现,现了变速的,相,相对运,动,动，就,不,不能使,用,用这种,对,对称性,了,了。,甲和乙,都,都生活,在,在宇宙,间,间。他,们,们周围,还,还有大,量,量天体,。,。因此,，,，双生,子,子问题,中,中有三,个,个因素,：,：甲、,乙,乙和他,们,们周围,的,的宇宙,，,，如果,甲,甲留在,基,基地上,，,，他相,对,对于大,量,量天体,并,并没有,做,做变速,运,运动。,在,在甲看,来,来，只,有,有乙在,做,做变速,运,运动。,在,在乙看,来,来，情,况,况与甲,不,不同。,他,他不但,看,看到甲,在,在做变,速,速运动,而且,整,整个宇,宙,宙都在,做,做变速,运,运动。,一,一边是,整,整个周,围,围的宇,宙,宙，一,边,边只是,一,一个飞,船,船，这,是,是明显,的,的不对称,性,性。所以,由,由对称,性,性引起,的,的两难,是,是不存,在,在的。,那么，,到,到底谁,年,年轻呢,？,？,四、时,空,空相对,性,性的验,证,证,1966年，,真,真的做,了,了一次,双,双生子,旅,旅游实,验,验，用,来,来判断,到,到底那,个,个寿命,长,长，同,时,时也一,劳,劳永逸,地,地结束,了,了纯理,论,论的争,论,论。不,过,过旅游,的,的不是,人,人，仍,然,然是,子,子。旅,途,途也不,在,在天外,，,，而是,一,一个直,径,径大约,为,为十四,米,米的圆,环,环。,子,子 从,一,一点出,发,发沿着,圆,圆轨道,运,运动再,回,回到出,发,发点，,这,这同乙,的,的旅行,方,方式是,一,一样的,。,。实验,的,的结果,是,是，旅行后的子,的,的确比未经旅,行,行的同类年轻,了,了。,我们似乎可以,这,这样作结论了,：,：谁相对于整个,宇,宇宙做更多的,变,变速运动，谁,就,就会活得更长,久,久。佯谬也就不,存,存在了。,实验一,1971年铯,原,原子钟实验,将铯原子钟放,在,在飞机上，沿,赤,赤道向东和向,西,西绕地球一周,，,，回到原处后,，,，分别比静止,在,在地面上的钟,慢,慢59纳秒和,快,快273纳秒,。,。,实验二,地球以一定的,角,角速度向东转,，,，地面不是惯,性,性系，而从地,心,心指向太阳的,参,参考系是惯性,系,系（忽略地球,公,公转）。飞机,的,的速度总小于,地,地球自转速度,，,，所以无论飞,机,机向东还是向,西,西，它相对于,惯,惯性系都是向,东,东，只是前者,速,速度大，后者,小,小。而地面上,的,的钟的转速度,介,介于二者之间,。,。,这暗示着，人,要,要活得更长久,，,，应该不断地,向,向东飞去，使,得,得地球的转动,速,速度叠加上飞,机,机的速度。,上述实验表明,，,，相对于惯性系,转,转速越大的钟,走,走得越慢。这和孪生子,问,问题所预期的,效,效应是一致的,。,。所以似也不,应,应再说：“孪,生,生子佯谬”，,而,而应是孪生子效应了。,然而人们所获,得,得的比一秒还,短,短得多的生命,延,延长，远远不,及,及劣质飞机餐,对,对健康的残害,！,！,霍金时,间,间简史,这暗示着，人,要,要活得更长久,，,，应该不断地,向,向东飞去，使,得,得地球的转动,速,速度叠加上飞,机,机的速度。,五、相对论的,时,时空观,绝对时空观认,为,为时间和空间,是,是脱离物质而,存,存在的，是绝,对,对的，时间和,空,空间之间也是,没,没有联系的。,相对论时空观,认,认为有物质才,有,有时间和空间,，,，时间和空间,与,与物质的运动,状,状态有关。,绝对时空观与,相,相对论时空观,的,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,绝对的,与运动联系，,相,相对的,一、“同时”,是,是相对的,二、长度的相,对,对性,三、时间间隔,的,的相对性,课堂小结,四、用微观和,宏,宏观两个实验,对,对时空的相对,性,性进行了验证,。,。,五、绝对时空,观,观与相对论时,空,空观的区别。,1、下列说法,正,正确的是（,）,）,A、世界的过,去,去、现在和将,来,来都只有量的,变,变,化，而不会发,生,生质的变化,B、时间和空,间,间不依赖人们,的,的意识而存在,C、时间和空,间,间是绝对的,D、时间和空,间,间是紧密联系,、,、不可分割的,D,课堂练习,2、一张正方,形