時(shí)間和空間的相對(duì)性.ppt

1、第二節(jié) 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。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)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)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。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)理想剛性桿的長(zhǎng)度，對(duì)任何觀者來(lái)說(shuō)，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。所以說(shuō)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。,如課本圖15.1-1所示，以地面作為S參照系

2、，火車為S參照系，火車以速度向右運(yùn)動(dòng)。設(shè)有一束光在火車?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 愛(ài)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)”的相對(duì)性 ,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c 情況2：地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)

3、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）,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(ài)因斯坦提供了一種測(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)兩光訊號(hào)到達(dá)的先后，來(lái)判斷兩事件發(fā)生的先后。,一列火車以速度向右行駛，如圖所示。A和B為車首尾處的兩點(diǎn)，C為A和B連線的中點(diǎn)。A和B是在事件發(fā)生時(shí)，地面上與A和B分別對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，C為A和B連線的中點(diǎn)。車從左側(cè)開(kāi)來(lái)，當(dāng)行至圖示位置時(shí)，A和B各發(fā)射一光訊號(hào)，代表兩個(gè)事件。如

4、果在C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)在車上C點(diǎn)的探測(cè)裝置必然先接收到A發(fā)出的光訊號(hào)。反之，如果A、B兩點(diǎn)發(fā)出的兩光訊號(hào)被C點(diǎn)的裝置同時(shí)接收到，則車內(nèi)的觀者認(rèn)為A和B兩訊號(hào)同時(shí)發(fā)出，而地面的觀者必然認(rèn)為B處的光訊號(hào)比A處的光訊號(hào)先發(fā)出?？梢?jiàn)同時(shí)性是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。,(2)長(zhǎng)度的相對(duì)性 -,v,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：,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)。有一剛性桿靜止在火車內(nèi)，沿車行進(jìn)方向放置，其靜長(zhǎng)為l0?；疖囈运俣冗\(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

5、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l要小于靜長(zhǎng)l0。這種效應(yīng)稱為運(yùn)動(dòng)距離的縮短，可以證明， 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，也小于其靜長(zhǎng)。,例1 一觀察者測(cè)得運(yùn)動(dòng)著的米尺長(zhǎng)0.5m， 問(wèn)此尺以多大的速度接近觀察者？,結(jié)束,目錄,解：由長(zhǎng)度收縮公式：,結(jié)束,目錄,練習(xí)1 一張宣傳畫5m見(jiàn)方，平行地貼于鐵 路旁邊的墻上，一高速列車以 2108m/s 速度接近此宣傳畫，這張畫由司機(jī)測(cè)量將成 為什么樣子？,結(jié)束,目錄,解：由長(zhǎng)度收縮公式：,畫面的尺寸為 53.7 m2,結(jié)束,目錄,作業(yè),P106 1 2 3,(3)時(shí)間間隔的相對(duì)性

6、,在站臺(tái)上看運(yùn)動(dòng)火車上的鐘,在火車上看運(yùn)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(間隔)，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)，火車以速度運(yùn)動(dòng)，這兩件事并非發(fā)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t要大于原時(shí)，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)效應(yīng)為運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的變慢?？梢宰C明 為運(yùn)動(dòng)鐘的速度，c為光速。質(zhì)量為電子質(zhì)量207倍的子的壽命為2.2610-6秒(原時(shí))，當(dāng)它以0.998c而高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)得其壽命為3010-6秒，完全符合運(yùn)動(dòng)時(shí)間的

7、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) ( =1s）,V（米/秒） 0.1c=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c,T(秒) 1.01 1.15 1.67 2.29 7.1 22.4 50,例2 遠(yuǎn)方的一顆星以0.8c的速度離開(kāi)我 們，接受到它輻射出來(lái)的閃光按 5晝夜的周 期變化，求固定在此星上的參考系測(cè)得的閃 光周期。,結(jié)束,目錄,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0,時(shí)間t =5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5/3晝夜,結(jié)束,

8、目錄, ,還包括光信號(hào)傳遞的時(shí)間v/c ，即：,練習(xí)2 假設(shè)宇宙飛船從地球射出，沿直線 到達(dá)月球，距離是3.84108m，它的速率 在地球上被量得為0.30c。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，求出宇宙飛船上時(shí)鐘 所讀出的旅行時(shí)間？,結(jié)束,目錄,解：設(shè)地球至月球的距離為H0,飛船的速度為v,地 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H為,在飛船上測(cè)量，飛船的旅行時(shí)間為：,結(jié)束,目錄,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(shuō)，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 0由時(shí)間膨脹公式可得:,結(jié)束,目錄,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)時(shí)空相對(duì)性的實(shí)驗(yàn)