電子教案新概念物理01時(shí)空與運(yùn)動(dòng)

第一節(jié)相對(duì)論時(shí)空觀引言

1881年美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜和莫雷設(shè)計(jì)了一套精密的光學(xué)儀器，測(cè)量相對(duì)于地球在各個(gè)不同方向上傳播的光速。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)光的速度在各個(gè)方向上都一樣。

1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，這時(shí)邁克耳遜和莫雷實(shí)驗(yàn)之謎才被解開(kāi)。狹義相對(duì)論是從它的兩個(gè)基本原理(又稱(chēng)基本假設(shè))出發(fā)，很自然地產(chǎn)生了?；驹碇唬汗馑俨蛔?cè)?，即在真空中的光速的大小是一恒量，?duì)所有作勻速直線運(yùn)動(dòng)的觀察者而言都具有相同的值?！?.1相對(duì)論時(shí)空觀一、時(shí)間的相對(duì)性1、如何校對(duì)不同地點(diǎn)A和B的兩個(gè)時(shí)鐘？討論同一參考中不同地點(diǎn)的鐘ABdctA36129tB=tA+d/c36129uS’SAB車(chē)尾B’A’車(chē)頭cc

在參考系S′中校準(zhǔn)同步的兩個(gè)鐘，在參考系S中看是否還同步呢?

設(shè)有兩個(gè)觀測(cè)者，S′可用列車(chē)中部的燈來(lái)校準(zhǔn)車(chē)頭和車(chē)尾的鐘。開(kāi)燈后，燈光同時(shí)到達(dá)車(chē)頭和車(chē)尾。

地面上的S

看來(lái)、燈光向前和向后的速率也都是c，但由于列車(chē)以速度u向前運(yùn)動(dòng)，傳到車(chē)尾的燈光比傳到車(chē)頭的燈光少走一段路，因而燈光先到車(chē)尾，后到車(chē)頭。uS’SAB車(chē)尾B’A’車(chē)頭cc

所以S′校準(zhǔn)了的兩個(gè)鐘，S看來(lái)并未校準(zhǔn)。換句話說(shuō)，從S′看是同時(shí)的兩件事，從S看一先一后，發(fā)生于不同時(shí)刻。就是說(shuō)同時(shí)的概念是相對(duì)的，與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)情形有關(guān)uS’SAB車(chē)尾B’A’車(chē)頭cc2、時(shí)間膨脹TimeDilationuS’SABuS’SABhhllut光豎直來(lái)回時(shí)間向上的To=2h/c光沿一等腰三角形的兩腰傳播所需時(shí)間T=2l/cS’系(相對(duì)靜止)觀測(cè)S系(相對(duì)運(yùn)動(dòng))觀測(cè)uS’SABhllutS系(相對(duì)運(yùn)動(dòng))觀測(cè)幾何關(guān)系：

l2=h2+(ut/2)2(Tc/2)2=(Toc/2)2+(ut/2)2To2c2=

T2(c2-u2)

表明從靜止觀測(cè)者看運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢了；或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)參考系中測(cè)量某地的時(shí)間膨脹了。這種膨脹稱(chēng)為愛(ài)因斯坦膨脹。To是與鐘相對(duì)靜止觀測(cè)者讀得的時(shí)間稱(chēng)為固有時(shí)間，也稱(chēng)本征時(shí)間或原時(shí)，γ稱(chēng)為時(shí)間膨脹因子。ToT=β12ucβ=1/γ=12βS’B’A’u二、長(zhǎng)度的相對(duì)性觀測(cè)者S’的測(cè)量很簡(jiǎn)單，用米尺從車(chē)頭A’量到車(chē)尾B’，就得到列車(chē)長(zhǎng)度Lo。這個(gè)長(zhǎng)度稱(chēng)為列車(chē)固有長(zhǎng)度，又稱(chēng)本征長(zhǎng)度，因?yàn)槭怯膳c它相當(dāng)靜止的觀測(cè)者量得的。

站臺(tái)觀測(cè)者S

如何量運(yùn)動(dòng)列車(chē)的長(zhǎng)度呢?我們可在某一時(shí)刻同時(shí)記下車(chē)頭和車(chē)尾經(jīng)過(guò)站臺(tái)的位置A和B，然后用米尺量出站臺(tái)上這兩點(diǎn)之間的距離L，就是他量得的列車(chē)長(zhǎng)度，但是同時(shí)是相對(duì)的，從S來(lái)看A與A’和B與B’

同時(shí)對(duì)齊，所以AB就是車(chē)長(zhǎng)。S’SABB’A’u

但從S’來(lái)看，A和B兩處的鐘并沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)。站臺(tái)向后掠過(guò)，B處的鐘比A處的慢了一些，A與A’先對(duì)齊，B與

B’

后對(duì)齊，在A與A’

對(duì)齊時(shí)他看到下面情形，uS’SABB’A’所以列車(chē)要比AB長(zhǎng)，這就是說(shuō)，長(zhǎng)度是相對(duì)的，靜止觀測(cè)者看到的運(yùn)動(dòng)物體縮短了。S’系：從車(chē)尾向車(chē)頭發(fā)射一束光，返回所用時(shí)間：T。=2Lo/cS系：光從車(chē)尾傳到車(chē)頭的時(shí)間：

T’=L/(c-u)

從車(chē)頭返回車(chē)尾的時(shí)間：

T”=L/(c+u)S’SABB’A’u總的時(shí)間：

T=T’+T”=L/(c-u)+L/(c+u)=2L/c(1-β2

)時(shí)間膨脹公式：

T=To/(1-β2)1/2=2Lo/c(1-β2)1/2T=2L/c(1-β2)=2Lo/c(1-β2)1/2Loβ12=LS’SABB’A’u

它表明從靜止觀測(cè)者來(lái)看運(yùn)動(dòng)的尺子縮短了，縮短因子與