時間和空間的相對性

1、 在日常生活和生產(chǎn)中，用時鐘測量時間，在日常生活和生產(chǎn)中，用時鐘測量時間， 用米尺測量長度，也是司空見慣的事情。無論用米尺測量長度，也是司空見慣的事情。無論 是運動的描述，還是運動規(guī)律的說明，都跟時是運動的描述，還是運動規(guī)律的說明，都跟時 間和長度的測量有關(guān)。對于不同的參考系，長間和長度的測量有關(guān)。對于不同的參考系，長 度和時間的測量結(jié)果是否是一樣的？對上述問度和時間的測量結(jié)果是否是一樣的？對上述問 題的討論，物理學經(jīng)歷了一場關(guān)于時空觀的變題的討論，物理學經(jīng)歷了一場關(guān)于時空觀的變 革，從牛頓時代的經(jīng)典力學跨越到愛因斯坦的革，從牛頓時代的經(jīng)典力學跨越到愛因斯坦的 相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴

2、我們：運相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：運 動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮 短。這到底是為什么？短。這到底是為什么？ 導入新課 第十五章第十五章 相對論簡介相對論簡介 教學目標 一、知識與技能一、知識與技能 （1 1）同時的相對性）同時的相對性 （2 2）運動長度的收縮）運動長度的收縮 （3 3）時間間隔的相對）時間間隔的相對 （4 4）了解時空相對性的驗證）了解時空相對性的驗證 （5 5）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀 的主要區(qū)別的主要區(qū)別 二、過程與方法二、過程與方法 （1 1）理解同時相對性的推演

3、過程）理解同時相對性的推演過程 （2 2）理解從）理解從“同時相對性同時相對性”出發(fā)得出出發(fā)得出 “運動長度和時間間隔的相對性運動長度和時間間隔的相對性”的過程。的過程。 三、情感態(tài)度和價值觀三、情感態(tài)度和價值觀 （1 1）體會相對論嶄新的時空觀，體會相）體會相對論嶄新的時空觀，體會相 對論的建立對人類認識世界的影響。對論的建立對人類認識世界的影響。 （2 2）辯證地看待經(jīng)典物理理論）辯證地看待經(jīng)典物理理論 教學重難點 教學重、難點教學重、難點 從從“同時同時”的相對性得出運動長的相對性得出運動長 度和時間間隔的相對性。度和時間間隔的相對性。 本節(jié)導航 一、一、“同時同時”的相對性的相對性 二

4、、長度的相對性二、長度的相對性 三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性 四、時空相對性的驗證四、時空相對性的驗證 五、相對論的時空觀五、相對論的時空觀 一、一、”同時同時“的相對性的相對性 事例事例1 按照狹義相對論，不僅按照狹義相對論，不僅“同時同時”是是 相對的，有時候，甚至事情的先后也都相對的，有時候，甚至事情的先后也都 是相對的。是相對的。 一節(jié)長為一節(jié)長為10米的列車，米的列車， A在車后部，在車后部，B在車前部。在車前部。 當列車以當列車以0.6c的高速度通過的高速度通過 一個站臺的時候一個站臺的時候,突然站臺突然站臺 上的人看到上的人看到A先向先向B開槍開槍,過過 了了12.5

5、毫微秒毫微秒,B又向又向A發(fā)射。發(fā)射。 因而站臺上的人作證：這場因而站臺上的人作證：這場 槍戰(zhàn)是由槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，挑起的。但是， 車上的乘客卻提供相反的情車上的乘客卻提供相反的情 況，他們說，是況，他們說，是B先開槍，先開槍， 過了過了10毫微秒，毫微秒，A才動手。才動手。 事件是由事件是由B發(fā)動的。發(fā)動的。 A B 事例事例2 到底是誰先動手呢？到底是誰先動手呢？ 沒有絕對的答案。在沒有絕對的答案。在 這個具體事件中，誰這個具體事件中，誰 先誰后是有相對性的。先誰后是有相對性的。 在列車參考系中，在列車參考系中，B 先先A后，而在車站參后，而在車站參 考系中則是考系中則是A先先B后。

6、后。 A B 在十幾個毫微秒時間內(nèi)，光信號走不到十在十幾個毫微秒時間內(nèi)，光信號走不到十 米遠，所以米遠，所以A A和和B B開槍動作的先后是相對的。開槍動作的先后是相對的。 光速不變性保證了因果關(guān)系的成立，保證光速不變性保證了因果關(guān)系的成立，保證 我們不會看到任何倒因為果的現(xiàn)象。我們不會看到任何倒因為果的現(xiàn)象。 概概 念念經(jīng)典力學經(jīng)典力學狹義相對論狹義相對論 光光 速速相對的相對的絕對的絕對的 同同 時時絕對的絕對的相對的相對的 不可能有物理不可能有物理 聯(lián)系的兩事件聯(lián)系的兩事件 的次序的次序 絕對的絕對的相對的相對的 可能有物理聯(lián)可能有物理聯(lián) 系的兩事件的系的兩事件的 次序次序 絕對的絕對的

7、絕對的絕對的 如誰先動手問題如誰先動手問題 二、長度的相對性二、長度的相對性 v v 車上的人看到的車廂的長度：車上的人看到的車廂的長度： 車外的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度： 0 l l 0 l l 2 0 1 c v ll 注意：注意： 長度縮短效應長度縮短效應只發(fā)生在只發(fā)生在相對運動的方向上。相對運動的方向上。 如上例中的如上例中的 X X 軸方向上，在軸方向上，在Y Y 軸方向上無軸方向上無長度長度 縮短效應?？s短效應。 動尺變短（空間收縮效應） S S O O X X YY A B O O S S X X Y Y u 1 x l 一條一條沿自身長度方向運動沿自身長度方

8、向運動的桿，的桿， 其長度總比、桿靜止時的長度小。其長度總比、桿靜止時的長度小。 斐克小伙劍術(shù)精，斐克小伙劍術(shù)精， 出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星， 由于空間收縮性，由于空間收縮性， 長劍變成小鐵釘長劍變成小鐵釘. . 結(jié)論結(jié)論 伽莫夫的著名科普讀物伽莫夫的著名科普讀物物理世界的奇遇物理世界的奇遇：該城市里的光：該城市里的光 速異乎尋常地小，當他騎自行車高速行駛時，發(fā)現(xiàn)周圍的一切速異乎尋常地小，當他騎自行車高速行駛時，發(fā)現(xiàn)周圍的一切 如圖中一樣的變扁了。如圖中一樣的變扁了。 三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性 a圖以車上的人作為參考系圖以車上的人作為參考系 A B 推導過程 hh t=2

9、h/c=2h/c b圖以站臺上的人作為參考系圖以站臺上的人作為參考系 AD A C 推導過程 ACA=ct 由由a a圖得出圖得出t t=2h/c =2h/c 由由b b圖得出圖得出ACAACA=c=ct t 以上面兩式消去以上面兩式消去h h可得：可得： 因為因為vcvtt t 2 )(1 c v tt 上面的推導公式表明在地面上觀測，火車上的上面的推導公式表明在地面上觀測，火車上的 時間進程變慢了，車上的一切物理過程、化學過程時間進程變慢了，車上的一切物理過程、化學過程 和生命過程都變慢了：時鐘走得慢了，人的心臟跳和生命過程都變慢了：時鐘走得慢了，人的心臟跳 動、呼吸、消化、思維活動和一切

10、生理過程都變慢動、呼吸、消化、思維活動和一切生理過程都變慢 了了這就是時間間隔的相對性，也稱為這就是時間間隔的相對性，也稱為“時間膨時間膨 脹脹”或或“鐘慢效應鐘慢效應”。 2 )(1 c v tt 我們設想甲、我們設想甲、 乙是一對孿生弟兄。乙是一對孿生弟兄。 他們計劃做一次高他們計劃做一次高 速飛船旅行，來檢速飛船旅行，來檢 驗一下狹義相對論。驗一下狹義相對論。 甲留在發(fā)射基地，甲留在發(fā)射基地， 乙周游天外。當飛乙周游天外。當飛 船再度回到基地時，船再度回到基地時， 是甲比乙年輕，還是甲比乙年輕，還 是乙比甲年輕？是乙比甲年輕？ 甲甲 乙乙 事例事例1 這里有兩種這里有兩種 答案：（答案：

11、（1）甲看）甲看 乙船上的鐘變慢乙船上的鐘變慢 了，所以，甲說了，所以，甲說 乙應該比他更年乙應該比他更年 輕一些。（輕一些。（2）乙）乙 也看到基地的鐘也看到基地的鐘 變慢了，所以乙變慢了，所以乙 說甲應該比他更說甲應該比他更 年輕些。這是個年輕些。這是個 有名的疑難，叫有名的疑難，叫 “雙生子佯謬雙生子佯謬”。 甲甲 乙乙 問題的關(guān)鍵是乙要回到出發(fā)點。乙的飛行路線必然是有問題的關(guān)鍵是乙要回到出發(fā)點。乙的飛行路線必然是有 來有去，或者是轉(zhuǎn)一個圈子。因此，在甲看來，乙是在做有來有去，或者是轉(zhuǎn)一個圈子。因此，在甲看來，乙是在做有 速度變化的運動，在乙看來，甲相對于他也在做變速運動。速度變化的運動

12、，在乙看來，甲相對于他也在做變速運動。 按照運動鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢按照運動鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢 這種對稱性，這種對稱性，只有當甲和乙的相對運動速度不變時，才能保只有當甲和乙的相對運動速度不變時，才能保 持持?；蛘哒f，只有互相作勻速直線運動的兩個慣性參考系，?；蛘哒f，只有互相作勻速直線運動的兩個慣性參考系， 互相之間才是等價的。一旦出現(xiàn)了互相之間才是等價的。一旦出現(xiàn)了變速的相對運動，就不能變速的相對運動，就不能 使用這種對稱性了。使用這種對稱性了。 甲和乙都生活在宇宙間。他們周圍還有大量天體。因此，甲和乙都生活在宇宙間。他們周圍還有大量天體。因此， 雙生

13、子問題中有三個因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如果雙生子問題中有三個因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如果 甲留在基地上，他相對于大量天體并沒有做變速運動。在甲甲留在基地上，他相對于大量天體并沒有做變速運動。在甲 看來，只有乙在做變速運動。在乙看來，情況與甲不同。他看來，只有乙在做變速運動。在乙看來，情況與甲不同。他 不但看到甲在做變速運動不但看到甲在做變速運動,而且整個宇宙都在做變速運動。一而且整個宇宙都在做變速運動。一 邊是整個周圍的宇宙，一邊只是一個飛船，這是明顯的邊是整個周圍的宇宙，一邊只是一個飛船，這是明顯的不對不對 稱性稱性。所以由對稱性引起的兩難是不存在的。所以由對稱性引起的兩難是不存

14、在的。 那么，到底誰年輕呢？那么，到底誰年輕呢？ 四、時空相對性的驗證四、時空相對性的驗證 1966年，真的做了一次雙生子旅游實驗，用來年，真的做了一次雙生子旅游實驗，用來 判斷到底那個壽命長，同時也一勞永逸地結(jié)束了純判斷到底那個壽命長，同時也一勞永逸地結(jié)束了純 理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是子。旅途子。旅途 也不在天外，而是一個直徑大約為十四米的圓環(huán)。也不在天外，而是一個直徑大約為十四米的圓環(huán)。 子子 從一點出發(fā)沿著圓軌道運動再回到出發(fā)點，這同從一點出發(fā)沿著圓軌道運動再回到出發(fā)點，這同 乙的旅行方式是一樣的。實驗的結(jié)果是，乙的旅行方式是一樣的。實驗的

15、結(jié)果是，旅行后的旅行后的 子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了。 我們似乎可以這樣作結(jié)論了：我們似乎可以這樣作結(jié)論了：誰相對于整個宇誰相對于整個宇 宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久。佯謬也。佯謬也 就不存在了。就不存在了。 19711971年銫原子鐘實驗年銫原子鐘實驗 將銫原子鐘將銫原子鐘 放在飛機上，沿放在飛機上，沿 赤道向東和向西赤道向東和向西 繞地球一周，回繞地球一周，回 到原處后，分別到原處后，分別 比靜止在地面上比靜止在地面上 的鐘慢的鐘慢59納秒和納秒和 快快273納秒。納秒。 地球以一定的角速度地球以一定的角速度 向東轉(zhuǎn)

16、，地面不是慣性系，向東轉(zhuǎn)，地面不是慣性系， 而從地心指向太陽的參考而從地心指向太陽的參考 系是慣性系（忽略地球公系是慣性系（忽略地球公 轉(zhuǎn)）。飛機的速度總小于轉(zhuǎn)）。飛機的速度總小于 地球自轉(zhuǎn)速度，所以無論地球自轉(zhuǎn)速度，所以無論 飛機向東還是向西，它相飛機向東還是向西，它相 對于慣性系都是向東，只對于慣性系都是向東，只 是前者速度大，后者小。是前者速度大，后者小。 而地面上的鐘的轉(zhuǎn)速度介而地面上的鐘的轉(zhuǎn)速度介 于二者之間。于二者之間。 這暗示著，這暗示著， 人要活得更長人要活得更長 久，應該不斷久，應該不斷 地向東飛去，地向東飛去， 使得地球的轉(zhuǎn)使得地球的轉(zhuǎn) 動速度疊加上動速度疊加上 飛機的速度

17、。飛機的速度。 上述實驗表明，上述實驗表明，相對于慣性系轉(zhuǎn)速越大的鐘走相對于慣性系轉(zhuǎn)速越大的鐘走 得越慢得越慢。這和孿生子問題所預期的效應是一致的。這和孿生子問題所預期的效應是一致的。 所以似也不應再說：所以似也不應再說：“孿生子佯謬孿生子佯謬”，而應是，而應是孿生孿生 子效應子效應了。了。 然而人們所獲得的然而人們所獲得的 比一秒還短得多的生命比一秒還短得多的生命 延長，遠遠不及劣質(zhì)飛延長，遠遠不及劣質(zhì)飛 機餐對健康的殘害！機餐對健康的殘害！ 霍金霍金時間簡史時間簡史 這暗示著，人要活這暗示著，人要活 得更長久，應該不斷地得更長久，應該不斷地 向東飛去，使得地球的向東飛去，使得地球的 轉(zhuǎn)動速

18、度疊加上飛機的轉(zhuǎn)動速度疊加上飛機的 速度。速度。 五、相對論的時空觀五、相對論的時空觀 絕對時空觀認為時間和空間是脫離物質(zhì)絕對時空觀認為時間和空間是脫離物質(zhì) 而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是 沒有聯(lián)系的。沒有聯(lián)系的。 相對論時空觀認為有物質(zhì)才有時間和空相對論時空觀認為有物質(zhì)才有時間和空 間，時間和空間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。間，時間和空間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。 絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別：絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別： 絕對時空觀絕對時空觀相對論時空觀相對論時空觀 光速光速 同時同時 時間與時間與 空間空間 相對的相對的 相對的相對的 絕對的絕對

19、的 絕對的絕對的 與運動無關(guān)，與運動無關(guān)， 絕對的絕對的 與運動聯(lián)系，與運動聯(lián)系， 相對的相對的 一、一、“同時同時”是相對的是相對的 二、長度的相對性二、長度的相對性 三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性 2 0 1 c v t t 2 0 1 c v ll 課堂小結(jié) 四、用微觀和宏觀兩個實驗對時空的四、用微觀和宏觀兩個實驗對時空的 相對性進行了驗證。相對性進行了驗證。 五、絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)五、絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū) 別。別。 1 1、下列說法正確的是（、下列說法正確的是（ ） A A、世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變、世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變 化，而不會發(fā)

20、生質(zhì)的變化化，而不會發(fā)生質(zhì)的變化 B B、時間和空間不依賴人們的意識而存在、時間和空間不依賴人們的意識而存在 C C、時間和空間是絕對的、時間和空間是絕對的 D D、時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的、時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的 D 課堂練習 2、一張正方形的宣傳畫，正貼在鐵路旁的、一張正方形的宣傳畫，正貼在鐵路旁的 墻上，一高速列車駛過時，在車上的司機看到這墻上，一高速列車駛過時，在車上的司機看到這 張宣傳畫畫成了什么樣子？張宣傳畫畫成了什么樣子？ 解析：取列車為慣性系，宣傳畫相對于列車解析：取列車為慣性系，宣傳畫相對于列車 高速運動，根據(jù)尺縮效應，宣傳畫在運動方向上高速運動，根據(jù)尺縮效應，宣傳畫在運動方向上 將變窄，但在垂直運動方向上沒有發(fā)生變化。將變窄，但在垂