高二物理人教版选修3-4 第十五章第二节 时间和空间的相对性课件

时间和空间的相对性 一、“同时”的相对性思考与讨论：老师站在讲台前提问，坐在同一排上的一前一后的同学A 和同学B 举手了，老师说：“我看到两位同学同时举手了。”那么，按照你们现有的理论分析一下：两位同学的确是同时举手的吗？参考答案：老师同时看到举手（现象），说明两位同学举手这一事件所发出的光线同时到达老师的眼睛，由于同学A离开老师的距离近，光线传播需要的时间少，所以同学B应该比同学A先举手（这才是本质）。 日常生活中我们都相信“所见即所得”，对于眼睛看到的现象我们毫不犹豫的就认为是事物的本质，很少会深入思考，主要原因是低速的宏观世界里，光线传播的速度实在太快了，由于光线传播引起的时间差实在太微小了，但是精确的理论不能有丝毫误差，那么如此细微的差别也必须考虑在内。 狭义相对论简介 根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此，对不同的观察者来说，“同时”是相对的 v光源 我认为闪光到达车厢的前壁和后壁是“同时”的我认为闪光先到达后壁，后到达前壁 到底是谁错了？同时的相对性 同 时 的 相 对 性 在相对火车K静止的坐标系中观察，火车K中点有一光源发出光同时到达AB两车厢壁，则在运动的火车L中静止的人观察到光到达AB两壁是否还相同？试分析？光 先 到 达 A侧 壁 ，后 到 达 B侧 壁 分析过程：火车L中的人以自己为参考系认为自己静止不动，则火车K 以速度v 向自己驶来，闪光发出的时候还在车厢中点，但是闪光在飞向车厢前后壁的过程中，火车向B 端驶过一小段距离，所以闪光到达A车厢壁的路程短，应该先照亮A 车厢壁。 地面上的人认为A、B 两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线平行的人来说哪个事件先发生？地面上的人凭什么认为A、B 两个事件同时发生？典例精析 参考答案：A、B 两个事件的发生可以看成两盏灯发出的闪光，它们同时发生则意味着发出的闪光同时到达了A、B 连线的中点 ，地面上的观察者以此判定A、B 两事件同时发生。火箭上的人以自己为参考系认为自己静止不动，而地面在向自己飞来，因此在闪光飞向中点的过程中，中点在向自己移动，因此他认为同时传到中点的光线并非同时发出的，而是B先发出，因为B离中点远，所以他认为B事件先发生。 v一火车以速度V 匀速行驶，地面有一人利用固定在地面上的尺子同时读出M、N两点的坐标，得出地面坐标系中杆的长度，对于车上的观察者会如何评论地面观察者的测量过程呢？试分析。 车上的观察者认为，地面参考系的人先读取N点的读数，而后才在M 点读数。 车上的人认为地面观察者把杆长测短了！二、长度的相对性 结论长度收缩效应或尺缩效应：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。 21 cvll对于这个结论我们需要了解： 1、这个效应是真实存在的，并非幻觉。 2、仅在沿着运动方向上的长度会收缩，垂直于运动方向上的长度不会收缩。 3、这个效应是相对的，即高速运动的物体上的人也会看到地面上的物体沿运动方向长度变短。 4、物体的运动速度越大收缩效应越明显。 三、时间间隔的相对性一列在平直轨道上以速度v 高速运行的列车上固定一长为l 的细杆，列车从地面上静止的观察者A 身边经过。试分析：列车上的观察者B 和地面上的观察者A 认为杆通过观察者A 的时间间隔各为多少？ B A l v 列车上的观察者B 认为该事件经历的时间间隔为tl/v 地面的观察者认为细杆长为l，通过自己所用的时间为: 22 11 cvtv cvlvlt 22 11 cvtcvtt 该表达式中涉及两个惯性参考系中的时间，其中一个参考系是相对时钟静止的，则其读出的是“固有时间间隔”，称为原时，而运动的惯性参考系中测出的时间称为“坐标时间间隔”t，由表达式可以看出t，说明运动的时钟所描述的物理过程变慢了，动钟变慢。 B A l v 结论时间膨胀或者动钟变慢效应：地面上看，运动的物体上的时间进程比地面上慢。21 cvt 对于这个结论我们需要了解： 1、运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征，即并非感觉上变慢，而是真实的变慢。2、这个时间进程包括物理、化学过程、生命过程，甚至人的动作、人的新陈代谢都变慢了。 3、这个效应是相对的，即运动的物体上的人认为一切都很正常，而地面上的时间进程变慢了。 4、运动的速度越大，这个效应越明显。 运 动 的 钟 走 得 慢时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢） y x xy vo oss d B 12 369时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢）的简要推导：在参考系S中,光线来回所需时间为t2d/cxyos d12 369 12 3691x 2x12 369 那么，相对参考系S静止的钟测出的时间为t，这个时间称为固有时间间隔，或者原时。而在参考系S中,看到光线应该沿着斜边从x1到达x2，根据几何关系不难得出下列表达式： 222 12 cvtvc dt变 形 可 得 ： 222 22 tvdtc 尺缩效应的简要推导： 一列火车如图示，AB两点间平放一个标尺，为了测出尺长，采用了激光测距的方法。让A处的光源发出光射到平面镜B上，被B反射后被A接收，光从A发出到光被A接收。 S SA Bv 在火车参考系S中观察者测得的长度为相对自己静止的长度l0，使用的时间为固有时间间隔t，两者满足关系式：2l 0=ct 在地面参考系S中观察者测得的长度为标尺相对自己运动时的长度l，使用的时间为坐标时间间隔t，在激光向右到达平面镜B的过程中满足： l+vt1=ct1;向左回到A的过程中满足： lvt2=ct2;BA A Bvt1 vA Bvt2 221 1 cvtttt而 ： 20 1 cvll所 以 ： 1.A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度vb和vc朝同一方向飞行，vbvc。地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？ 由动钟变慢效应，速度越大，时间变慢效应越明显，所以在地面上的观察者来看，C 上的钟走得最慢，B 次之，A 上（地面上）的钟走得最快。 典例精析 四、相对论时空观子验证尺缩钟慢效应：有文献报道在高为1981m的山顶上测得563个子进入大气层，在海平面测得408个。示意如图所示，已知 子下降速率为0.995c，低速运动时的半衰期0为2.2s，c表示真空中光速.试解释上述测得结果。 根据经典理论进行计算，过程如下： 6.695.056321 6-80 102.2103995.0 19810 tnn与实际测到的结果相差很大。再用相对论的理论来解释一下，看看会有多大差距呢？ 以地面为参考系，由于子运行速度极快，所以其物理进程变慢，子的半衰期应该大于2.2s，具体分析如下 ： s102.2995.01 102.2-1 5-2620 cv 9.4565.056321 58 102.2103995.0 19810 tnn与观测数据符合的较好，如果以子为参考系，则山高1981米仅相当于，而其半衰期仍为2.2s ，代入公式得到和上述一样的表达式，结果还是456.9，说明此类问题用原有的经典理论已经无法解释，而相对论则可完美的进行解释。 2995.0-11981 铯 原 子 钟 验 证 ：爱因斯坦曾经预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。理 论预言值 飞行原子钟读数减地面钟读数 s10 9实验结果 原子钟编号平均值引力效应运动学效应总的净效应 向东航行 向西航行120361408447 -57-74-55-51 +277+284+266+2661059 1096 7273 14144 18179 21275 18184 2340 再 见