物理必修ii滬科版愛因斯坦心目中的宇宙課件

1、6.3 愛因斯坦心目中愛因斯坦心目中的宇宙的宇宙愛因斯坦列車愛因斯坦列車由于光速不變由于光速不變，在一個(gè)慣性系中同時(shí)不同地點(diǎn)發(fā)，在一個(gè)慣性系中同時(shí)不同地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中不再是同時(shí)系中不再是同時(shí)發(fā)發(fā)生生的了。的了。在列車（在列車（SS系）中部一光源發(fā)出光信號(hào)，在列車系）中部一光源發(fā)出光信號(hào)，在列車中中 A A、B B 兩個(gè)接收器同時(shí)收到光信號(hào)兩個(gè)接收器同時(shí)收到光信號(hào)。但在地面（。但在地面（S S系）來看，系）來看，由于由于光速不變光速不變，A A 先收到，先收到，B B 后收到后收到 。ABv vxyoxyox yo SxyoSdcdt/2udtu22

2、22 tudtcS 系中系中：S 系中系中：解得解得22/112cucdt22/1cut0t固有時(shí)間固有時(shí)間0t固有時(shí)固有時(shí)間最短間最短0M1M2M同一參考系中同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間間同一參考系中同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間間隔（或者說，由同一只時(shí)鐘測(cè)出的時(shí)間間隔）隔（或者說，由同一只時(shí)鐘測(cè)出的時(shí)間間隔）稱為稱為固有時(shí)間固有時(shí)間。固有時(shí)間最短。固有時(shí)間最短。x yo SxyoSdudtu0M1M2MS S系中，光脈沖的發(fā)射和接收是在不同地點(diǎn)發(fā)生系中，光脈沖的發(fā)射和接收是在不同地點(diǎn)發(fā)生的。的。S S系中觀察者必須用兩個(gè)完全對(duì)準(zhǔn)的鐘系中觀察者必須用兩個(gè)完全對(duì)準(zhǔn)的鐘MM1 1和和MM2 2來測(cè)量。

3、來測(cè)量。S S系中測(cè)出的系中測(cè)出的 t t 不是固有時(shí)間。不是固有時(shí)間。x yo SxyoSdudtu0M1M2M相對(duì)于一個(gè)變化過程運(yùn)動(dòng)的鐘所測(cè)量出的變化相對(duì)于一個(gè)變化過程運(yùn)動(dòng)的鐘所測(cè)量出的變化過程的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，這一效應(yīng)稱為過程的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，這一效應(yīng)稱為時(shí)間延緩時(shí)間延緩效應(yīng)效應(yīng)，也叫，也叫動(dòng)鐘變慢動(dòng)鐘變慢。（1 1）這是時(shí)間本身的一種客觀特性）這是時(shí)間本身的一種客觀特性（3 3）低速空間相對(duì)論效應(yīng)可忽略。）低速空間相對(duì)論效應(yīng)可忽略。（2 2）動(dòng)鐘變慢是相對(duì)的）動(dòng)鐘變慢是相對(duì)的。到底是哪個(gè)鐘走得慢了呢？到底是哪個(gè)鐘走得慢了呢？a.慢慢慢慢.“雙生子佯雙生子佯謬謬”由動(dòng)鐘變慢產(chǎn)生了由動(dòng)鐘變慢產(chǎn)

4、生了“雙生子佯謬雙生子佯謬”。這個(gè)問題。這個(gè)問題的關(guān)鍵是周游天外的乙要回到出發(fā)點(diǎn)。倘若乙的關(guān)鍵是周游天外的乙要回到出發(fā)點(diǎn)。倘若乙的飛船僅僅作勻速直線運(yùn)動(dòng)，是辦不到這一點(diǎn)的飛船僅僅作勻速直線運(yùn)動(dòng)，是辦不到這一點(diǎn)的。乙的飛行路線必然是有來有去，或是轉(zhuǎn)一的。乙的飛行路線必然是有來有去，或是轉(zhuǎn)一個(gè)圈子。；在此在甲看來，乙是在作有速度變個(gè)圈子。；在此在甲看來，乙是在作有速度變化的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，在乙看來，甲相對(duì)于他也在化的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，在乙看來，甲相對(duì)于他也在作變速運(yùn)動(dòng)。按照動(dòng)鐘變慢的理論，甲看乙鐘作變速運(yùn)動(dòng)。按照動(dòng)鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢這種對(duì)稱性，只有當(dāng)甲和變慢，乙看甲鐘變慢這種對(duì)稱性，只

5、有當(dāng)甲和乙之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)才能保持。乙之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)才能保持。一旦出現(xiàn)了變速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不能使用這個(gè)一旦出現(xiàn)了變速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不能使用這個(gè)對(duì)稱性了。對(duì)稱性了。 在雙生子問題中有一個(gè)因素：甲、乙和他們周在雙生子問題中有一個(gè)因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如果甲留在地球上，他相對(duì)于大量圍的宇宙，如果甲留在地球上，他相對(duì)于大量天體并沒有作變速運(yùn)動(dòng)，在甲看來，只有乙在天體并沒有作變速運(yùn)動(dòng)，在甲看來，只有乙在作變速運(yùn)動(dòng)；在乙看來，情況與甲不同，他不作變速運(yùn)動(dòng)；在乙看來，情況與甲不同，他不但看到甲在作變速運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)宇宙都在作但看到甲在作變速運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)宇宙都在作變速運(yùn)

6、動(dòng)。一邊是整個(gè)周圍的宇宙，一邊只是變速運(yùn)動(dòng)。一邊是整個(gè)周圍的宇宙，一邊只是一個(gè)飛船，這是明顯的不對(duì)稱。那么，到底誰一個(gè)飛船，這是明顯的不對(duì)稱。那么，到底誰年輕呢？年輕呢？ 1966年，真的做了一次雙生子旅游實(shí)驗(yàn)，用來年，真的做了一次雙生子旅游實(shí)驗(yàn)，用來判斷到底那個(gè)壽命長(zhǎng)，同時(shí)也一勞逸地結(jié)束了判斷到底那個(gè)壽命長(zhǎng)，同時(shí)也一勞逸地結(jié)束了純理論的爭(zhēng)論。不過旅游的不是人，仍然是純理論的爭(zhēng)論。不過旅游的不是人，仍然是u子。旅途也不在天外，而是一個(gè)直徑大約為子。旅途也不在天外，而是一個(gè)直徑大約為14米的圓環(huán)。米的圓環(huán)。U子從一個(gè)出發(fā)點(diǎn)沿著圓軌道運(yùn)動(dòng)子從一個(gè)出發(fā)點(diǎn)沿著圓軌道運(yùn)動(dòng)回到出發(fā)點(diǎn)，這同乙的旅行方式是一

7、樣的。實(shí)回到出發(fā)點(diǎn)，這同乙的旅行方式是一樣的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，旅行后的驗(yàn)的結(jié)果是，旅行后的u子的確比未經(jīng)旅行的子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了。我們似乎可以這樣作結(jié)論了：誰同類年輕了。我們似乎可以這樣作結(jié)論了：誰相對(duì)于整個(gè)宇宙作更多的變速運(yùn)動(dòng)，誰就會(huì)活相對(duì)于整個(gè)宇宙作更多的變速運(yùn)動(dòng)，誰就會(huì)活得更長(zhǎng)久得更長(zhǎng)久。 例例1 1、 介子介子固有壽命固有壽命為為2.1510 6s，進(jìn)入大氣后進(jìn)入大氣后 介子飛行介子飛行速度速度為為0.998c，從高空到地面約從高空到地面約 10Km，問：?jiǎn)枺?介子能否到達(dá)地面。介子能否到達(dá)地面。e正電子或負(fù)正電子或負(fù)電子電子中微中微子子反中微反中微子子解：解：地面地面 S 系

8、系觀測(cè)觀測(cè) 介子壽命：介子壽命：20)/(1cvtt26)/998.0(11015.2ccs100 .346地面地面 S 系系觀測(cè)觀測(cè) 介子運(yùn)動(dòng)距離：介子運(yùn)動(dòng)距離：cty998. 086103998.01034)m(10190 介子介子完全能夠到達(dá)地面完全能夠到達(dá)地面x yo SxyoSABu1xS 系中系中：tulS 系中系中：tul220/1cutt而而所以有所以有220/1cull固有長(zhǎng)度固有長(zhǎng)度0l固有長(zhǎng)度最大固有長(zhǎng)度最大在相對(duì)于被測(cè)物體運(yùn)在相對(duì)于被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的參照系中，測(cè)量動(dòng)的參照系中，測(cè)量物體的長(zhǎng)度變短了，物體的長(zhǎng)度變短了，這就是長(zhǎng)度這就是長(zhǎng)度收縮效應(yīng)收縮效應(yīng)。220/1cull（

9、1 1）長(zhǎng)度收縮只出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向）長(zhǎng)度收縮只出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向（2 2）長(zhǎng)度收縮是相對(duì)的）長(zhǎng)度收縮是相對(duì)的（3 3）低速空間相對(duì)論效應(yīng)可忽略。）低速空間相對(duì)論效應(yīng)可忽略。解：解： 從高速運(yùn)動(dòng)的從高速運(yùn)動(dòng)的 介子（介子（S 系系）看來，）看來， 介子的運(yùn)動(dòng)距離介子的運(yùn)動(dòng)距離為：為：20)/(1cvyy2998. 0110000)m(632 介子介子可到達(dá)地面可到達(dá)地面)m(644而從高速運(yùn)動(dòng)的而從高速運(yùn)動(dòng)的 介子（介子（S 系系）看來，）看來，從高空到地面從高空到地面 的的10Km 距離縮短為：距離縮短為：0998. 0tcy681015. 2103998. 0)m(644實(shí)際探測(cè)儀器不僅在地面，甚

10、至在地下實(shí)際探測(cè)儀器不僅在地面，甚至在地下 3km 深的礦井中也測(cè)深的礦井中也測(cè)到了到了 介子。介子。例例1 1 介子介子固有壽命固有壽命為為2.1510 6s，進(jìn)入大氣后進(jìn)入大氣后 介子飛行介子飛行速度速度為為0.998c，從高空到地面約從高空到地面約 10Km，問：?jiǎn)枺?介子能否到達(dá)地面。介子能否到達(dá)地面。例例2、一固有長(zhǎng)度為一固有長(zhǎng)度為 L0= =90m 的飛船，沿船長(zhǎng)方向相對(duì)地球以的飛船，沿船長(zhǎng)方向相對(duì)地球以 v = =0.80c 的的速度在一觀測(cè)站的上空飛過，該站測(cè)得飛船長(zhǎng)度及船身通過觀測(cè)站的時(shí)間間速度在一觀測(cè)站的上空飛過，該站測(cè)得飛船長(zhǎng)度及船身通過觀測(cè)站的時(shí)間間隔各是多少？船中宇航員測(cè)得前述時(shí)間間隔又是多少？隔各是多少？船中宇航員測(cè)得前述時(shí)間間隔又是多少？)m(54)s(1025.2/7vLtcvLL/120vLt/0)s(1075.37解；解；觀測(cè)站測(cè)得飛船長(zhǎng)度：觀測(cè)站測(cè)得飛船長(zhǎng)度：觀測(cè)站測(cè)得時(shí)間間隔：觀測(cè)站測(cè)得時(shí)間間隔：宇航員測(cè)得時(shí)間間隔：宇航員測(cè)得時(shí)間間隔：例例3 3、一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中以一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中以0.6c 運(yùn)動(dòng)的粒子，飛運(yùn)動(dòng)的粒子，飛行行3m 后衰變。后衰變。問：?jiǎn)枺? .實(shí)驗(yàn)室測(cè)得這