第02節(jié)經(jīng)典時空觀與相對論時空觀課件

2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀1第二節(jié)：經(jīng)典時空觀與相對論時空觀龍川隆師中學(xué)巫達(dá)文2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀1第二節(jié)：經(jīng)典時空2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀22022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀2牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所說:"如果說我看得遠(yuǎn),那是因為我站在巨人們的肩上。"經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀4前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的那三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，微觀高速如原子、電子粒子，光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速空間尺度2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀4前面幾章介紹了經(jīng)2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀5這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，

物理學(xué)需要一場革命！二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志本節(jié)介紹相對論的基礎(chǔ)知識2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀5這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓【討論與交流】：在勻速前進(jìn)的車廂中的自由落體，相對于車廂靜止的觀察者做什么樣的運動？相對于地面靜止的觀察者做什么樣的運動？相對于車廂靜止的觀察者是做自由落體運動。相對于地面靜止的觀察者做平拋運動。同一物體的運動，我們所選擇的參考系不同，對它的運動的描述可能不同。一、經(jīng)典時空觀【討論與交流】：在勻速前進(jìn)的車廂中的自相對于車廂靜止的觀察者2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀7選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律慣性系非慣性系2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀7選擇的參考系不同2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀8.伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的：第一個問題對于不同的參照系，基本力學(xué)定律的形式是完全一樣嗎？對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，這也就是說，對于不同的慣性參照系，力學(xué)的基本定律——牛頓定律的形式是一樣的。這一結(jié)論稱作伽利略相對性原理或力學(xué)相對性原理一、經(jīng)典力學(xué)時空觀2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀8.伽利略相對“薩爾瓦阿弟”大船1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過的實驗：伽利略相對性原理:在彼此作勻速直線運動的慣性系中，一切力學(xué)現(xiàn)象都具有相同的規(guī)律?！八_爾瓦阿弟”大船1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀10第二個問題相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？對于空間和時間測量的問題，牛頓力學(xué)是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。.絕對時空觀所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關(guān)；絕對時間是指時間的量度與參照系無關(guān)這就是說，兩點之間的距離，無論在那個慣性系中測量都是一樣的；同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，無論在那個慣性系中測量都是一樣的2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀10第二個問題相對2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀11牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言與外界任何事物無關(guān)，而永遠(yuǎn)是相同的和不動的”，“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)上的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關(guān)地流逝著?！卑凑者@種觀點：時間和空間是彼此獨立，互不相關(guān)并且獨立于物質(zhì)和運動之外的，不受物質(zhì)和運動的影響?！^對時空觀2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀11牛頓本人曾說：2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀12根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結(jié)論同時絕對性時間間隔的絕對性空間距離的絕對性質(zhì)量恒定不變2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀12根據(jù)絕對時空觀2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀13牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀是作為兩個基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理其中最典型的就是光速的問題2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀13牛頓的伽利略相2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀14這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)?？梢姽夂碗姶挪ǖ倪\動不服從伽利略相對原理.任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀14這一結(jié)論還特別2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀15伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾促使人們思考下述問題：絕對時空觀的觀念是不是需要修正？困惑？？？這個時候整個物理學(xué)界陷入2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀15伽利略相對原理2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀16愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家愛因斯坦對這個問題進(jìn)行了深入研究，并在1905年發(fā)表了論文《論動體的電動力學(xué)》在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學(xué)界乃至整個科學(xué)界都有變革意義的回答2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀16愛因斯坦:E2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀17

相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:

自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道:上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀17相對論2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀18在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設(shè)并在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了狹義相對論力學(xué)二、狹義相對論時空觀.愛因斯坦假設(shè)

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，前者是后者的推廣2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀18在這篇論文中，2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀19這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)。

光速不變原理在任何慣性系中，自由空間（真空）中的光速具有相同的量值也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何，在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的，就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀19這就使得相對性2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀20

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)光速不變原理在任何慣性系中，自由空間（真空）中的光速具有相同的量值

Einstein

的相對性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀20愛因斯坦相對2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀21觀念上的變革革命性(相對性)光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的（不變）絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，不變的相對的與運動有關(guān)，相對的隨速度增加而增大2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀21觀念上的變2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀22、狹義相對論時空觀、同時相對性設(shè)想一列火車以速度v勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在經(jīng)過地面O點時發(fā)出一光信號.2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀22、狹義相對論2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀23、同時相對性2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀23、同時相對性2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀242022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀242、光速不變原理

對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運動狀態(tài)無關(guān)。即誰測真空中的光速都是c

,與慣性系的選擇及光源無關(guān)。

例：宇宙飛船以20萬km/s的速度飛行,人在飛船上向前發(fā)一束光,光在飛船中以光速c傳播,地球上的人測得光速多大？萬Km/s按運動合成得:實際測得:萬Km/s愛因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展注意一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律2、光速不變原理對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播2、狹義相對論的基本公設(shè)為解決矛盾，愛因斯坦于1905年提出狹義相對論，其前提是兩條基本假設(shè)：（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。（2）光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同。2、狹義相對論的基本公設(shè)為解決矛盾，愛因斯坦于1905年提出3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到是同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察很可能是不同時的。

火車運動時，車上的小明觀察到：兩個車門同時打開。3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到是同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察很可能是不同時的。

火車運動時，站臺上的小芳觀察到：后門先開，前門后開。同時的相對性是針對發(fā)生在不同地點的事件而言的3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到時間間隔的相對性對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：h時間間隔的相對性對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：h3、相對論的時空觀②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，觀察者看到它變慢了。運動速度越大，效果越明顯。3、相對論的時空觀②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時（1）相對時間

狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結(jié)論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。1、相對性原理（1）相對時間1、相對性原理3、相對論的時空觀③運動的物體變短：一個物體相對于觀察者靜止時，長度測量值最大；運動時，在運動方向上觀察的長度縮短，速度越快，縮得越短。3、相對論的時空觀③運動的物體變短：一個物體相對于觀察者靜3、相對論的時空觀④運動的物體質(zhì)量變大：當(dāng)速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大。如果物體的運動速度比光速小得多時，物體運動時的質(zhì)量與物體靜止時的質(zhì)量相等。

特別提醒①

相對論把原來認(rèn)為毫無聯(lián)系的時間、空間和物質(zhì)運動密切聯(lián)系起來，揭示了它們之間的依賴關(guān)系。是時空觀發(fā)展史上的一次大變革。②相對論并沒有完全否認(rèn)經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在物質(zhì)運動速度遠(yuǎn)小于光速時的近似結(jié)果。3、相對論的時空觀④運動的物體質(zhì)量變大：當(dāng)速度接近光速時，2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀341)沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生。2)

對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。結(jié)論即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關(guān)。

S'相對S系的速度越大，在S系測兩事件的時間間隔就越長。2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀341)2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀35時間延緩（動鐘變慢）

愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)一個沿閉合路線運動返回原地時，它記錄的時間比原地不動的鐘會慢一些。這已被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行實驗所證實。相對論預(yù)言慢(184±23)×10

-

9s實測慢(203±10)×10-

9s221cutt-￠=DD2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀35時間延緩（動鐘2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀36雙生子佯謬sss是一對雙生子。乘高速飛船到太空ss和遨游一段s比自己老了，根據(jù)運動的相對性，和ss運動的時鐘變慢了，但運動是相對的，都認(rèn)為對方的鐘在運動，這將會導(dǎo)致雙方都認(rèn)為對方的鐘變慢了的矛盾結(jié)論。這就是時鐘佯謬。若時間后返回地球，發(fā)現(xiàn)對方將會得出s也發(fā)現(xiàn)對方比自己老了的矛盾結(jié)論。稱為雙生子佯謬。s

實際上這種謬誤是不會發(fā)生的，由于兩個時鐘或兩個雙生子的運動狀態(tài)并不對稱（例如，飛離、返回要經(jīng)歷加、減速運動過程），其結(jié)果一定是的時鐘變慢了，ss

雙生子一定比年輕。s附：時鐘佯謬雙生子佯謬時鐘佯謬雙生子佯謬與2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀36雙生子佯謬ss2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀37S′O′X′Y′OSXY●特別注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應(yīng)動尺變短（空間收縮效應(yīng)）斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀37S′O′X2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀38檢測題

有關(guān)科學(xué)家和涉及的事實，正確的說法是

A．哥白尼創(chuàng)立了日心說

B．伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律

C.惠更斯解決了彈性碰撞問題

D．愛因斯坦提出了量子論(AC)2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀38檢測題2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀39檢測題

一列火車以速度v相對地面運動．如果地面上的人測得，某光源發(fā)出的閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁，以下說法中正確的是A．火車上的人測得，閃光先到達(dá)前壁B．火車上的人測得，閃光先到達(dá)后壁C．火車上的人測得，閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁D．條件不足，無法確定(A)2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀39檢測題一列2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀40檢測題

有三個完全相同的時鐘，時鐘A放在地面上，時鐘B、C分別放在兩個火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飛行，vB＜vC．對于地面上的觀察者來說，則以下說法中正確的是

A．時鐘A走得最慢B．時鐘B走得最慢

C．時鐘C走得最慢D．時鐘C走得最快(C)2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀40檢測題有三2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀41檢測題如果有一支靜止時長30m的火箭，以光速的二分之一的速度從觀察者的身邊掠過，以下說法中正確的是A．地面上的觀察者測得的火箭長為30mB．地面上的觀察者測得的火箭長小于30mC．地面上的觀察者測得的火箭長大于30mD．火箭上的觀察者測得的火箭長為30m(BD)2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀41檢測題如果有一光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的（不變）絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，不變的相對的與運動有關(guān)，相對的隨速度增加而增大經(jīng)典時空觀與相對論時空觀練習(xí)光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的檢測題

一列火車以速度v相對地面運動．如果地面上的人測得，某光源發(fā)出的閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁，以下說法中正確的是A．火車上的人測得，閃光先到達(dá)前壁B．火車上的人測得，閃光先到達(dá)后壁C．火車上的人測得，閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁D．條件不足，無法確定(A)檢測題一列火車以速度v相對地面運動．如果地面上的人測得，2、運動的物體和靜止的物體相比不僅質(zhì)量變了，而且沿運動方向的長度和時間都要變化，都具有相對性。下面的事例可以幫助我們理解相對論

1971年8月的一天，一名前蘇聯(lián)飛行員例行飛行時，無意中“闖入”古埃及，他看到一座座金字塔剛剛奠起塔基……1982年一位北約飛行員在一次飛行訓(xùn)練中，視野里竟然出現(xiàn)了數(shù)百只恐龍，飛機(jī)竟然來到史前非洲大陸。

1970年一架272客機(jī)在飛向邁阿密國際機(jī)場的旅途中，也無故“失蹤”了10分鐘，10分鐘后，客機(jī)又在原來的地方出現(xiàn)。失蹤的一剎那，專家們的惟一的解釋是時間“靜止”不動了2、運動的物體和靜止的物體相比不僅質(zhì)量變了，而且沿運動方向的1994年初，一架意大利客機(jī)在非洲海岸上空飛行。突然，客機(jī)從控制室的雷達(dá)屏幕上消失了。正當(dāng)?shù)孛嫔系臋C(jī)場工作人員焦急萬分之際，客機(jī)又在原來的空域出現(xiàn)，雷達(dá)又追蹤到了客機(jī)的訊號。最后，這架客機(jī)安全降落在意大利境內(nèi)的機(jī)場。然而，客機(jī)上的機(jī)組人員和315名乘客，并不知道他們曾經(jīng)"失蹤"過。機(jī)長巴達(dá)里疑惑不解地說："我們的班機(jī)由馬尼拉起飛后，一直都很平穩(wěn)，沒有任何意外發(fā)生，但控制室竟說失去班機(jī)的蹤影，實在有點不尋常。"

不過，事實卻不容爭辨：到達(dá)機(jī)場時，每個乘客的手表都慢了20分鐘。1994年初，一架意大利客機(jī)在非洲海岸上空飛時間和空間是什么？時間和空間是什么？時間和空間是什么？時間和空間是什么？2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀48第二節(jié)：經(jīng)典時空觀與相對論時空觀龍川隆師中學(xué)巫達(dá)文2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀1第二節(jié)：經(jīng)典時空2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀492022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀2牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所說:"如果說我看得遠(yuǎn),那是因為我站在巨人們的肩上。"經(jīng)典力學(xué)金字塔的建立開普勒萬有引力定律牛頓三大定律牛頓伽利略、第谷哥白尼、亞里士多德笛卡爾、胡克、哈雷等牛頓所2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀51前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的那三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，同時自身也得到了很大發(fā)展。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，微觀高速如原子、電子粒子，光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速空間尺度2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀4前面幾章介紹了經(jīng)2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀52這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，

物理學(xué)需要一場革命！二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志本節(jié)介紹相對論的基礎(chǔ)知識2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀5這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓【討論與交流】：在勻速前進(jìn)的車廂中的自由落體，相對于車廂靜止的觀察者做什么樣的運動？相對于地面靜止的觀察者做什么樣的運動？相對于車廂靜止的觀察者是做自由落體運動。相對于地面靜止的觀察者做平拋運動。同一物體的運動，我們所選擇的參考系不同，對它的運動的描述可能不同。一、經(jīng)典時空觀【討論與交流】：在勻速前進(jìn)的車廂中的自相對于車廂靜止的觀察者2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀54選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。符合牛頓運動定律不符合牛頓運動定律慣性系非慣性系2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀7選擇的參考系不同2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀55.伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的：第一個問題對于不同的參照系，基本力學(xué)定律的形式是完全一樣嗎？對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立，這也就是說，對于不同的慣性參照系，力學(xué)的基本定律——牛頓定律的形式是一樣的。這一結(jié)論稱作伽利略相對性原理或力學(xué)相對性原理一、經(jīng)典力學(xué)時空觀2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀8.伽利略相對“薩爾瓦阿弟”大船1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過的實驗：伽利略相對性原理:在彼此作勻速直線運動的慣性系中，一切力學(xué)現(xiàn)象都具有相同的規(guī)律。“薩爾瓦阿弟”大船1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀57第二個問題相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？對于空間和時間測量的問題，牛頓力學(xué)是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。.絕對時空觀所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關(guān)；絕對時間是指時間的量度與參照系無關(guān)這就是說，兩點之間的距離，無論在那個慣性系中測量都是一樣的；同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間，無論在那個慣性系中測量都是一樣的2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀10第二個問題相對2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀58牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言與外界任何事物無關(guān)，而永遠(yuǎn)是相同的和不動的”，“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)上的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關(guān)地流逝著?！卑凑者@種觀點：時間和空間是彼此獨立，互不相關(guān)并且獨立于物質(zhì)和運動之外的，不受物質(zhì)和運動的影響?！^對時空觀2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀11牛頓本人曾說：2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀59根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結(jié)論同時絕對性時間間隔的絕對性空間距離的絕對性質(zhì)量恒定不變2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀12根據(jù)絕對時空觀2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀60牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀是作為兩個基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運動有關(guān)的電磁現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理其中最典型的就是光速的問題2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀13牛頓的伽利略相2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀61這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)?？梢姽夂碗姶挪ǖ倪\動不服從伽利略相對原理.任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀14這一結(jié)論還特別2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀62伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾促使人們思考下述問題：絕對時空觀的觀念是不是需要修正？困惑？？？這個時候整個物理學(xué)界陷入2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀15伽利略相對原理2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀63愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家愛因斯坦對這個問題進(jìn)行了深入研究，并在1905年發(fā)表了論文《論動體的電動力學(xué)》在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學(xué)界乃至整個科學(xué)界都有變革意義的回答2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀16愛因斯坦:E2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀64

相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:

自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。后人續(xù)寫道:上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀17相對論2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀65在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設(shè)并在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了狹義相對論力學(xué)二、狹義相對論時空觀.愛因斯坦假設(shè)

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較，前者是后者的推廣2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀18在這篇論文中，2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀66這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)。

光速不變原理在任何慣性系中，自由空間（真空）中的光速具有相同的量值也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何，在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的光速都是相等的，就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀19這就使得相對性2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀67

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)光速不變原理在任何慣性系中，自由空間（真空）中的光速具有相同的量值

Einstein

的相對性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀20愛因斯坦相對2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀68觀念上的變革革命性(相對性)光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的（不變）絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，不變的相對的與運動有關(guān)，相對的隨速度增加而增大2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀21觀念上的變2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀69、狹義相對論時空觀、同時相對性設(shè)想一列火車以速度v勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在經(jīng)過地面O點時發(fā)出一光信號.2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀22、狹義相對論2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀70、同時相對性2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀23、同時相對性2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀712022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀242、光速不變原理

對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運動狀態(tài)無關(guān)。即誰測真空中的光速都是c

,與慣性系的選擇及光源無關(guān)。

例：宇宙飛船以20萬km/s的速度飛行,人在飛船上向前發(fā)一束光,光在飛船中以光速c傳播,地球上的人測得光速多大？萬Km/s按運動合成得:實際測得:萬Km/s愛因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展注意一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律2、光速不變原理對任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播2、狹義相對論的基本公設(shè)為解決矛盾，愛因斯坦于1905年提出狹義相對論，其前提是兩條基本假設(shè)：（1）相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。（2）光速不變原理：不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同。2、狹義相對論的基本公設(shè)為解決矛盾，愛因斯坦于1905年提出3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到是同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察很可能是不同時的。

火車運動時，車上的小明觀察到：兩個車門同時打開。3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到是同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察很可能是不同時的。

火車運動時，站臺上的小芳觀察到：后門先開，前門后開。同時的相對性是針對發(fā)生在不同地點的事件而言的3、相對論的時空觀①同時是相對的：在一個慣性參考系中觀察到時間間隔的相對性對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：h時間間隔的相對性對于車廂內(nèi)的人：對于車廂外的人：h3、相對論的時空觀②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時，走得快；相對于觀察者運動時，觀察者看到它變慢了。運動速度越大，效果越明顯。3、相對論的時空觀②運動的時鐘變慢：時鐘相對于觀察者靜止時（1）相對時間

狹義相對論認(rèn)為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結(jié)論的正確性，將一個鐘表留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。1、相對性原理（1）相對時間1、相對性原理3、相對論的時空觀③運動的物體變短：一個物體相對于觀察者靜止時，長度測量值最大；運動時，在運動方向上觀察的長度縮短，速度越快，縮得越短。3、相對論的時空觀③運動的物體變短：一個物體相對于觀察者靜3、相對論的時空觀④運動的物體質(zhì)量變大：當(dāng)速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大。如果物體的運動速度比光速小得多時，物體運動時的質(zhì)量與物體靜止時的質(zhì)量相等。

特別提醒①

相對論把原來認(rèn)為毫無聯(lián)系的時間、空間和物質(zhì)運動密切聯(lián)系起來，揭示了它們之間的依賴關(guān)系。是時空觀發(fā)展史上的一次大變革。②相對論并沒有完全否認(rèn)經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是相對論在物質(zhì)運動速度遠(yuǎn)小于光速時的近似結(jié)果。3、相對論的時空觀④運動的物體質(zhì)量變大：當(dāng)速度接近光速時，2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀811)沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生。2)

對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。結(jié)論即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關(guān)。

S'相對S系的速度越大，在S系測兩事件的時間間隔就越長。2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀341)2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀82時間延緩（動鐘變慢）

愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)一個沿閉合路線運動返回原地時，它記錄的時間比原地不動的鐘會慢一些。這已被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行實驗所證實。相對論預(yù)言慢(184±23)×10

-

9s實測慢(203±10)×10-

9s221cutt-￠=DD2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀35時間延緩（動鐘2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀83雙生子佯謬sss是一對雙生子。乘高速飛船到太空ss和遨游一段s比自己老了，根據(jù)運動的相對性，和ss運動的時鐘變慢了，但運動是相對的，都認(rèn)為對方的鐘在運動，這將會導(dǎo)致雙方都認(rèn)為對方的鐘變慢了的矛盾結(jié)論。這就是時鐘佯謬。若時間后返回地球，發(fā)現(xiàn)對方將會得出s也發(fā)現(xiàn)對方比自己老了的矛盾結(jié)論。稱為雙生子佯謬。s

實際上這種謬誤是不會發(fā)生的，由于兩個時鐘或兩個雙生子的運動狀態(tài)并不對稱（例如，飛離、返回要經(jīng)歷加、減速運動過程），其結(jié)果一定是的時鐘變慢了，ss

雙生子一定比年輕。s附：時鐘佯謬雙生子佯謬時鐘佯謬雙生子佯謬與2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀36雙生子佯謬ss2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀84S′O′X′Y′OSXY●特別注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應(yīng)動尺變短（空間收縮效應(yīng)）斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀37S′O′X2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀85檢測題

有關(guān)科學(xué)家和涉及的事實，正確的說法是

A．哥白尼創(chuàng)立了日心說

B．伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律

C.惠更斯解決了彈性碰撞問題

D．愛因斯坦提出了量子論(AC)2022/11/22經(jīng)典時空觀與相對時空觀38檢測題2022/11/23經(jīng)典時空觀與相對時空觀86檢測題

一列火車以速度v相對地面運動．如果地面上