人教版高中物理選修（3-4）-15.2《時(shí)間和空間的相對(duì)性》參考課件

1、第二節(jié)第二節(jié) 時(shí)間和空間的相對(duì)性時(shí)間和空間的相對(duì)性 經(jīng)典的時(shí)空概念 我們?cè)趯W(xué)習(xí)力學(xué)時(shí)，總要涉及時(shí)間間隔我們?cè)趯W(xué)習(xí)力學(xué)時(shí)，總要涉及時(shí)間間隔和空間距離的計(jì)算或測(cè)量。早在牛頓建立經(jīng)和空間距離的計(jì)算或測(cè)量。早在牛頓建立經(jīng)典力學(xué)時(shí)，就考慮并形成了絕對(duì)時(shí)空的概念。典力學(xué)時(shí)，就考慮并形成了絕對(duì)時(shí)空的概念。他認(rèn)為全宇宙都在這共同的時(shí)間中發(fā)展。他認(rèn)為全宇宙都在這共同的時(shí)間中發(fā)展。 兩個(gè)理想的鐘，不論它們是否有相對(duì)運(yùn)兩個(gè)理想的鐘，不論它們是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們的快慢總是一樣的。兩個(gè)事件同時(shí)動(dòng)，它們的快慢總是一樣的。兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，任何觀察者，不論他們是否有相對(duì)運(yùn)發(fā)生，任何觀察者，不論他們是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，都認(rèn)為是同

2、時(shí)發(fā)生的。所以時(shí)間的概念動(dòng)，都認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生的。所以時(shí)間的概念是絕對(duì)的。是絕對(duì)的。 經(jīng)典的時(shí)空概念 世界萬(wàn)物都在共同的空間里，或靜止或運(yùn)世界萬(wàn)物都在共同的空間里，或靜止或運(yùn)動(dòng)?？臻g任何兩點(diǎn)的距離，比如一個(gè)理想剛動(dòng)?？臻g任何兩點(diǎn)的距離，比如一個(gè)理想剛性桿的長(zhǎng)度，對(duì)任何觀者來(lái)說，不論它們是性桿的長(zhǎng)度，對(duì)任何觀者來(lái)說，不論它們是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的結(jié)果都是相同的。所否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的結(jié)果都是相同的。所以說空間也是絕對(duì)的。經(jīng)典的時(shí)空觀念就是以說空間也是絕對(duì)的。經(jīng)典的時(shí)空觀念就是絕對(duì)的時(shí)空觀念。絕對(duì)的時(shí)空觀念。 如課本圖15.1-1所示，以地面作為S參照系，火車為S參照系，火車以速度向右運(yùn)動(dòng)。設(shè)有一束

3、光在火車?yán)镅剀囘\(yùn)行方向傳播，速度為c，按經(jīng)典時(shí)空概念，在S系內(nèi)測(cè)量此光束的速度應(yīng)為cc。這與光速不變?cè)硐嗝?。為解決此矛盾必須改變經(jīng)典的時(shí)空觀念。 狹義相對(duì)論的時(shí)空概念狹義相對(duì)論的時(shí)空概念 愛因斯坦在研究電磁規(guī)律的同時(shí)，也分析了時(shí)間和空間的概念，指出了經(jīng)典時(shí)空概念的局限性。研究時(shí)空的性質(zhì)需要進(jìn)行測(cè)量，光或電磁波是測(cè)量時(shí)空的唯一工具，從而是了解時(shí)空性質(zhì)不可缺少的因素。以下，簡(jiǎn)單地介紹狹義相對(duì)論的時(shí)空概念。(1)“同時(shí)同時(shí)”的相對(duì)性的相對(duì)性情況情況1：對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，：對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于地面就不是同時(shí)的對(duì)于地面就不是同時(shí)的講解關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為

4、講解關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為c 情況情況2：地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)：地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車也不是同時(shí)的（利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理）的火車也不是同時(shí)的（利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理） 在相隔一定距離的兩點(diǎn)發(fā)生的事件是在相隔一定距離的兩點(diǎn)發(fā)生的事件是否同時(shí)，需用光訊號(hào)來(lái)測(cè)量。愛因斯坦提否同時(shí)，需用光訊號(hào)來(lái)測(cè)量。愛因斯坦提供了一種測(cè)量方法，可以作為同時(shí)的定義。供了一種測(cè)量方法，可以作為同時(shí)的定義。在兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)設(shè)立一光訊號(hào)的探測(cè)裝在兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)設(shè)立一光訊號(hào)的探測(cè)裝置，在每個(gè)事件發(fā)生的同時(shí)各發(fā)射一光訊置，在每個(gè)事件發(fā)生的同時(shí)各發(fā)射一光訊號(hào)，如果位于中點(diǎn)的探測(cè)裝置同時(shí)接收到號(hào)，如果位于

5、中點(diǎn)的探測(cè)裝置同時(shí)接收到這兩個(gè)光訊號(hào)，則這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生這兩個(gè)光訊號(hào)，則這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。如果不是同時(shí)發(fā)生的，也可以根據(jù)兩的。如果不是同時(shí)發(fā)生的，也可以根據(jù)兩光訊號(hào)到達(dá)的先后，來(lái)判斷兩事件發(fā)生的光訊號(hào)到達(dá)的先后，來(lái)判斷兩事件發(fā)生的先后。先后。 一列火車以速度一列火車以速度向右行駛，如圖所示。向右行駛，如圖所示。A A和和B B為車首尾處的兩點(diǎn)，為車首尾處的兩點(diǎn)，C C為為A A和和B B連線的中點(diǎn)。連線的中點(diǎn)。A A和和B B是在事件發(fā)生時(shí)，地面上與是在事件發(fā)生時(shí)，地面上與A A和和B B分別對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，C C為為A A和和B B連線的中點(diǎn)。車從左側(cè)開來(lái)，當(dāng)行至圖示連

6、線的中點(diǎn)。車從左側(cè)開來(lái)，當(dāng)行至圖示位置時(shí)，位置時(shí)，A A和和B B各發(fā)射一光訊號(hào)，代表兩個(gè)事件。如各發(fā)射一光訊號(hào)，代表兩個(gè)事件。如果在果在C C點(diǎn)同時(shí)接收到這兩個(gè)光訊號(hào)，則在地面上判點(diǎn)同時(shí)接收到這兩個(gè)光訊號(hào)，則在地面上判斷，兩訊號(hào)是同時(shí)發(fā)生的。而火車向右行駛，設(shè)在斷，兩訊號(hào)是同時(shí)發(fā)生的。而火車向右行駛，設(shè)在車上車上C C點(diǎn)的探測(cè)裝置必然先接收到點(diǎn)的探測(cè)裝置必然先接收到A A發(fā)出的光訊號(hào)。發(fā)出的光訊號(hào)。反之，如果反之，如果A A、B B兩點(diǎn)發(fā)出的兩光訊號(hào)被兩點(diǎn)發(fā)出的兩光訊號(hào)被C C點(diǎn)的裝點(diǎn)的裝置同時(shí)接收到，則車內(nèi)的觀者認(rèn)為置同時(shí)接收到，則車內(nèi)的觀者認(rèn)為A A和和B B兩訊號(hào)同兩訊號(hào)同時(shí)發(fā)出，而地

7、面的觀者必然認(rèn)為時(shí)發(fā)出，而地面的觀者必然認(rèn)為B B處的光訊號(hào)比處的光訊號(hào)比A A處的光訊號(hào)先發(fā)出?？梢娡瑫r(shí)性是相對(duì)的，而不是處的光訊號(hào)先發(fā)出?？梢娡瑫r(shí)性是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。絕對(duì)的。(2)(2)長(zhǎng)度的相對(duì)性長(zhǎng)度的相對(duì)性 v v車上的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車上的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車外的人看到的車廂的長(zhǎng)度：車外的人看到的車廂的長(zhǎng)度：llll21cvll 空間兩點(diǎn)的距離，比如理想剛性桿的長(zhǎng)度，當(dāng)它空間兩點(diǎn)的距離，比如理想剛性桿的長(zhǎng)度，當(dāng)它靜止時(shí)，稱為靜止長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱靜長(zhǎng)。有一剛性桿靜止時(shí)，稱為靜止長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱靜長(zhǎng)。有一剛性桿靜止在火車內(nèi)，沿車行進(jìn)方向放置，其靜長(zhǎng)為靜止在火車內(nèi)，沿車行進(jìn)方向放置，其靜長(zhǎng)

8、為l l0 0?；疖囈运俣然疖囈运俣冗\(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)孛嫔弦獪y(cè)量隨車一起運(yùn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)孛嫔弦獪y(cè)量隨車一起運(yùn)動(dòng)的剛性桿長(zhǎng)度時(shí)，需用地面上靜止的尺同時(shí)讀動(dòng)的剛性桿長(zhǎng)度時(shí)，需用地面上靜止的尺同時(shí)讀出剛性桿兩端對(duì)準(zhǔn)的刻度，這樣測(cè)得的長(zhǎng)度出剛性桿兩端對(duì)準(zhǔn)的刻度，這樣測(cè)得的長(zhǎng)度l l要要小于靜長(zhǎng)小于靜長(zhǎng)l l0 0。這種效應(yīng)稱為運(yùn)動(dòng)距離的縮短，可。這種效應(yīng)稱為運(yùn)動(dòng)距離的縮短，可以證明，以證明， 運(yùn)動(dòng)距離縮短的效應(yīng)是相對(duì)的。火車?yán)锏娜藴y(cè)量運(yùn)動(dòng)距離縮短的效應(yīng)是相對(duì)的?；疖?yán)锏娜藴y(cè)量靜止在地面上沿運(yùn)動(dòng)方向而放置的剛性桿長(zhǎng)度，靜止在地面上沿運(yùn)動(dòng)方向而放置的剛性桿長(zhǎng)度，也小于其靜長(zhǎng)。也小于其靜長(zhǎng)。例例1 一觀察者測(cè)得運(yùn)動(dòng)著的

9、米尺長(zhǎng)一觀察者測(cè)得運(yùn)動(dòng)著的米尺長(zhǎng)0.5m，問此尺以多大的速度接近觀察者？問此尺以多大的速度接近觀察者？ l0v21c2=l1 0.5c2=c0l21l2=v0.08c=2.6108 m/s解：由長(zhǎng)度收縮公式：解：由長(zhǎng)度收縮公式：練習(xí)練習(xí)1 一張宣傳畫一張宣傳畫5m見方，平行地貼于鐵見方，平行地貼于鐵路旁邊的墻上，一高速列車以路旁邊的墻上，一高速列車以2108m/s速速度接近此宣傳畫，這張畫由司機(jī)測(cè)量將成為度接近此宣傳畫，這張畫由司機(jī)測(cè)量將成為什么樣子？什么樣子？ 2353.7m2()l0v21c2=l=1=hl0=5解：由長(zhǎng)度收縮公式：解：由長(zhǎng)度收縮公式：畫面的尺寸為畫面的尺寸為 53.7 m

10、2作業(yè)P106 1 2 3(3)時(shí)間間隔的相對(duì)性時(shí)間間隔的相對(duì)性在站臺(tái)上看運(yùn)在站臺(tái)上看運(yùn)動(dòng)火車上的鐘動(dòng)火車上的鐘在火車上看運(yùn)在火車上看運(yùn)動(dòng)站臺(tái)上的鐘動(dòng)站臺(tái)上的鐘在一慣性系內(nèi)，同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間在一慣性系內(nèi)，同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間( (間隔間隔) )，稱為原時(shí)。原時(shí)為靜止的鐘所記錄的時(shí)間。，稱為原時(shí)。原時(shí)為靜止的鐘所記錄的時(shí)間。比如，在一列運(yùn)動(dòng)的火車中，相對(duì)火車靜止的鐘記比如，在一列運(yùn)動(dòng)的火車中，相對(duì)火車靜止的鐘記錄的發(fā)生在火車上同一地點(diǎn)的兩件事的原時(shí)為錄的發(fā)生在火車上同一地點(diǎn)的兩件事的原時(shí)為，在地面看來(lái)，火車以速度在地面看來(lái)，火車以速度運(yùn)動(dòng)，這兩件事并非發(fā)運(yùn)動(dòng)，這兩件事并非發(fā)生在同

11、一地點(diǎn)，地面上的鐘測(cè)量該兩事件的時(shí)間間生在同一地點(diǎn)，地面上的鐘測(cè)量該兩事件的時(shí)間間隔隔t t要大于原時(shí)要大于原時(shí)，這種效應(yīng)稱為運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹。，這種效應(yīng)稱為運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹。在地面上看來(lái)，運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢些，所以又稱這個(gè)在地面上看來(lái)，運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢些，所以又稱這個(gè)效應(yīng)為運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的變慢。效應(yīng)為運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的變慢?？梢宰C明可以證明 可以證明可以證明為運(yùn)動(dòng)鐘的速度，為運(yùn)動(dòng)鐘的速度，c c為光速。質(zhì)量為電子質(zhì)量為光速。質(zhì)量為電子質(zhì)量207207倍的倍的子的壽命為子的壽命為2.262.261010-6-6秒秒( (原時(shí)原時(shí)) )，當(dāng)，當(dāng)它以它以0.998c0.998c而高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)得其壽命為而高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)得

12、其壽命為30301010-6-6秒，完全符合運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)時(shí)秒，完全符合運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹效應(yīng)是相對(duì)的，在火車中的人觀察，地面間的膨脹效應(yīng)是相對(duì)的，在火車中的人觀察，地面向后運(yùn)動(dòng)，地面的鐘走得比車內(nèi)的鐘慢些。向后運(yùn)動(dòng)，地面的鐘走得比車內(nèi)的鐘慢些。相對(duì)速度與動(dòng)鐘延緩效應(yīng)相對(duì)速度與動(dòng)鐘延緩效應(yīng) ( =1s( =1s） V（米（米/秒）秒） 0.1c=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c T(秒秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50 例例2 遠(yuǎn)方的一顆星以遠(yuǎn)方的一顆星以0.8c的速度離開我的速度離開我

13、們，接受到它輻射出來(lái)的閃光按們，接受到它輻射出來(lái)的閃光按 5晝夜的周晝夜的周期變化，求固定在此星上的參考系測(cè)得的閃期變化，求固定在此星上的參考系測(cè)得的閃光周期。光周期。 解：固定在此星上的參照系測(cè)得的閃光解：固定在此星上的參照系測(cè)得的閃光周期為固有時(shí)間周期為固有時(shí)間0 0 時(shí)間時(shí)間t =5既包括地球上測(cè)得的閃光周期既包括地球上測(cè)得的閃光周期在此星上測(cè)得的閃光周期為在此星上測(cè)得的閃光周期為5/3晝夜晝夜t =vc+0=v21c2=tvc+1 ()v21c251 0.82=1+0.8=35t=vc+1 () ,還包括光信號(hào)傳遞的時(shí)間還包括光信號(hào)傳遞的時(shí)間v/c ，即：即：練習(xí)練習(xí)2 假設(shè)宇宙飛船從

14、地球射出，沿直線假設(shè)宇宙飛船從地球射出，沿直線到達(dá)月球，距離是到達(dá)月球，距離是3.84108m，它的速，它的速率在地球上被量得為率在地球上被量得為0.30c。根據(jù)地球上。根據(jù)地球上的時(shí)鐘，這次旅行花多長(zhǎng)時(shí)間？根據(jù)宇宙的時(shí)鐘，這次旅行花多長(zhǎng)時(shí)間？根據(jù)宇宙飛船所做的測(cè)量，地球和月球的距離是多飛船所做的測(cè)量，地球和月球的距離是多少？怎樣根據(jù)這個(gè)算得的距離，求出宇宙少？怎樣根據(jù)這個(gè)算得的距離，求出宇宙飛船上時(shí)鐘所讀出的旅行時(shí)間？飛船上時(shí)鐘所讀出的旅行時(shí)間？ 3.84108Htv0=0.33.01084.27s解：設(shè)地球至月球的距離為解：設(shè)地球至月球的距離為H0,飛船的速度為飛船的速度為v,地地球上的觀

15、察者測(cè)得飛船從地球到月球的時(shí)間為球上的觀察者測(cè)得飛船從地球到月球的時(shí)間為t在飛船上測(cè)量，地球到月球的距離在飛船上測(cè)量，地球到月球的距離H為為H0=v21c2H3.67108m=3.8410221-0.3在飛船上測(cè)量，飛船的旅行時(shí)間為：在飛船上測(cè)量，飛船的旅行時(shí)間為：3.67108Htv=0.33.01084.08s 飛船的飛行時(shí)間也可以這樣求得：對(duì)于飛船飛船的飛行時(shí)間也可以這樣求得：對(duì)于飛船上的觀察者來(lái)說，從地球出發(fā)及到達(dá)月球這兩事上的觀察者來(lái)說，從地球出發(fā)及到達(dá)月球這兩事件都發(fā)生在飛船上，他所測(cè)得的時(shí)間為固有時(shí)間件都發(fā)生在飛船上，他所測(cè)得的時(shí)間為固有時(shí)間0由時(shí)間膨脹公式可得由時(shí)間膨脹公式可得:4.08s4.27 1 0.32=t0=v21c2 狹義相對(duì)論的時(shí)間和空間概念不再是絕對(duì)的，而是相對(duì)的，和運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。如果運(yùn)動(dòng)速度比光速小得多，即c，運(yùn)動(dòng)時(shí)間的膨脹和運(yùn)動(dòng)距離的縮短都可以忽略。日常生活和大部分工程技術(shù)中，所涉及的物體的運(yùn)動(dòng)速度都遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)典時(shí)空的概念仍然適用。(4)(4)時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證