2　时间和空间的相对性 (4).ppt

相对论简介,相对论的诞生时间和空间的相对性,沈震华,19世纪30年代，爱因斯坦提出了“虫洞”理论所谓“虫洞”是宇宙中的隧道，它能扭曲空间，可以让原本相隔亿万千米的地方近在咫尺科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方,“如果你希望知道地球距今一百万年后的样子，我可以告诉你方法”格林说：“先建好一艘太空船，然后以接近光速的高速度开始飞行当你在高速飞行的飞船上过了一年返回地球时，走出飞船后你会发现地球上已经过了100万年你已经到了地球上的未来”,19世纪末物理学取得了巨大的成就：,形成了完整的科学体系,被赞誉为：“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”！,1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系惯性系。注意：相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。2、非惯性系牛顿定律不成立的参考系就是非惯性系。,以地面为参考系，球是静止的，合力为零；可是以加速运动车厢为参考系，球确是加速向左运动的，根据牛顿第二定律，可知其合力不为零。,车厢是“非惯性系”,一、对惯性系和非惯性系的认识,一、对惯性系和非惯性系的认识,特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。,二、经典相对性原理与狭义相对性原理,1、伽利略相对性原理第一种表述：力学规律在任何惯性系中都是相同的.第二种表述：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动.第三种表述：任何惯性系都是平权的。,但是十九世纪中叶，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，发现电磁现象的规律不符合相对性原理。,电磁波的速度等于光速c,v,光速,光速,实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的,二、经典相对性原理与狭义相对性原理,迈克尔孙莫雷模拟实验,证明：光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，即与参考系无关。可见光和电磁波的运动不服从相对性原理.（光速都是恒定的）,上述的矛盾使物理学家面临两个选择修补：修正现有的理论，去迎合实验结果(这相对比较容易，但常常无效)创新：彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系”，创立全新的理论。,二、经典相对性原理与狭义相对性原理,2、狭义相对论的两个基本假设狭义相对性原理在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的。光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。,就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论,二、经典相对性原理与狭义相对性原理,3、对两个基本假设的正确理解,自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；强调真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。,三、“同时”的相对性,大家观察下面的动画，回答问题吧！,车上的观察者认为声音是同时到达车厢的前后两壁的；地面上的观察者认为声音是先到车厢后壁后到前壁的。,车厢上的人和地面上的人听到声音的先后一样吗？,要是把钟声换成灯泡发出的灯光呢？,车里的人认为光是同时到达前后壁的,v,车外的人认为光是先到达后壁的,三、“同时”的相对性,在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论,1、对于运动的车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的。2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的。,三、“同时”的相对性,四、长度的相对性,v,车上的人看到的车厢的长度：,车外的人看到的车厢的长度：,四、长度的相对性,注意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上如上例中的X轴方向上，在Y轴方向上无长度缩短效应,动尺变短（空间收缩效应）,结论：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度。在垂直于运动方向上，杆的长度没有发生变化。,五、时间间隔的相对性,对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的,对车厢外的人来说，被接收的反射光是沿斜线传播的,五、时间间隔的相对性,由光速不变原理便得到不同的时间间隔,高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的,对于车厢内的人：,对于车厢外的人：,h,五、时间间隔的相对性,在相对运动的参考系中观测，时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀。,五、理解时空相对性的验证,1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照实验结果与理论预言符合的很好这是相对论的第一次宏观验证,相对速度与动钟延缓效应,(=1秒）,V（米/秒）0.1c=31070.5c0.8c0.9c0.99c0.999c0.9998c,T(秒)1.011.151.672.297.122.450,早在1941年，科学家通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中子的数量，结果与相对论预言完全一致,五、理解时空相对性的验证,当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显,狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一,五、理解时空相对性的验证,六、对相对论时空观的理解,牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。