高中物理时间和空间的相对性课件新人教版选修3.ppt

第二节时空相对性 在日常生活和生产中 用时钟测量时间 用米尺测量长度 也是司空见惯的事情 我们知道 无论是运动的描述 还是运动规律的说明 都跟时间和长度的测量有关 在研究运动时 必须选定适当的参考系 对于不同的参考系 长度和时间的测量结果是否是一样的 对上述问题的讨论 物理学家进行了长期的探索 于是 物理学经历了一场关于时空观的根本性变革 从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论 爱因斯坦的狭义相对论告诉我们 运动的时钟变慢 运动的尺子在运动的方向上缩短 这到底是为什么 这些结论是如何从狭义相对论的两个基本假设得出的呢 一 时间间隔的相对性 图5 2 1的a图 以车上的人作为参考系 a b 过程 h h t 2h c 图5 2 1的b图 以站台上的人作为参考系 a d a c 过程 aca c t 由图5 2 1的a图得出 t 2h c 由图5 2 1的b图得出aca c t 以上面两式消去h可得 因为v t 上面的推导公式表明在地面上观测 火车上的时间进程变慢了 车上的一切物理过程 化学过程和生命过程都变慢了 时钟走得慢了 人的心脏跳动 呼吸 消化 思维活动和一切生理过程都变慢了 这就是时间间隔的相对性 也称为 时间膨胀 或 钟慢效应 练习 1 假如有一对孪生兄弟a和b 其中b乘坐速度为v 0 9c的火箭飞往大角星 牧夫座a 而后又飞回地球 根据a在地球上的观测 大角星离地球有40万光年远 这次b往返飞行的时间为80 8年 如果b在离开地球时 他们的年龄都为20岁 试问当b回到地球时 他们的年龄各有多大 解 设b在飞船惯性系中经历时间为t 根据时间延缓效应应得 所以b回到地球时得年龄为20 35 2 55 2 岁 讨论与交流 火车上的人自己会有时间变慢的感觉吗 解析 火车上的人自己不会有时间变慢的感觉 由于火车上的钟和火车上的所以过程一起变慢了 而火车上的人是用火车上的钟来测量时间的 因此即使火车的速度接近光速 火车上的人也不会发现火车中的过程变慢的现象 而火车上的人会认为地面上的时间进程比火车上的慢 因为在他们看来 地面正以相同的速度朝相反的方向运动 也就是说 火车上的观察者与地面上的观察者都认为对方的钟比自己的钟走得较慢 这正是时间得相对性的反映 二 空间距离的相对性 测量一个火车站站台的长度 设定2个观察者 小明坐在火车头里 小芳站在站台上 他们每人各有一个钟 各自用自己的钟来测量站台ab的长度 由于时间的相对性 小明测得的时间 t 比小芳测得的时间 t要短 所以有小明测出的站台长度l v t 比小芳测出的长度l v t要短 因此 它们有如下关系 这个推导公式表明当物体相当于观察者运动时 在运动方向上 观察者认为它的长度要缩短 严格的数学推导表明垂直于运动方向的长度则不会发生变化 这就是空间距离的相对性 也称为 长度收缩 或 尺缩效应 练习 2 原长为15m的飞船以v 9 103m s的速率相对地面匀速飞行时 从地面上测量 它的长度是多少 假设飞船的速率v 0 95c 从地面上测量 它的长度又是多少 解 当飞船的速度为v 9 103m s时 当飞船的速率v 0 95c时 绝对时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的 是绝对的 时间和空间之间也是没有联系的 相对论时空观认为有物质才有时间和空间 时间和空间与物质的运动状态有关 三 相对论的时空观 绝对时空观与相对论时空观的区别 相对的 相对的 绝对的 绝对的 与运动无关 绝对的 与运动联系 相对的 练习和测试题 1 下列说法正确的是 a 世界的过去 现在和将来都只有量的变化 而不会发生质的变化b 时间和空间不依赖人们的意识而存在c 时间和空间是绝对的d 时间和空间是紧密联系 不可分割的 d 2 一张正方形的宣传画 正贴在铁路旁的墙上 一高速列车驶过时 在车上的司机看到这张宣传画画成了什么样子 解析 取列车为惯性系 宣传画相对于列车高速运动 根据尺缩效应 宣传画在运动方向上将变窄 但在垂直运动方向上没有发生变化 答案 宣传画变成了长方形 此画的高度不变 宽度变窄了 3 一只长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子 它们的长度都是在静止状态下的测量的 以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况 a 标尺收缩变短 因此在某些位置上 管子能完全遮住它b 标尺收缩变短 因此在某些位置上 标尺从管子的两端伸出来c 两者都收缩 且收缩量相等 因此在某个位置 管子恰好遮住标尺d 所有这些都与观察者的运动情况有关 d 4 以8km s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1min 地面上的人认为它走过这1min 实际 上花了多少时间 解 卫星上观测到的时间为 t 1min 卫星运动的速度为v 8 103m s 所以地面上的观测到的时间为 5 一支静止时长30m的火箭以3km s的速度从观察者的身边掠过 观察者测得火箭的长度应为多少 火箭上的人测得火箭的长度应为多少 如果火箭的速度为光的二分之一呢 解 根据长度的相对性 利用公式可得 火箭相当于火