第二节 时间和空间的相对性(新)

1、复习复习1.伽利略相对性原理是什么？伽利略相对性原理是什么？ 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的2.狭义相对论的两个基本假设是什么？狭义相对论的两个基本假设是什么？ 狭义相对性原理：在不同的狭义相对性原理：在不同的惯性参惯性参考系考系，一切物理规律一切物理规律都是相同的都是相同的 光速不变原理：光速不变原理：真空中的光速真空中的光速在不在不同的惯性参考系中是同的惯性参考系中是相同相同的，光速与的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。光源、观察者间的相对运动没有关系。一、一、“同时同时”的相对性的相对性 车厢里的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达车厢里的人和地面

2、上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是否一样？前后车厢的先后是否一样？链接链接链接链接车上车上的观察者认为光的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁同时到达车厢的前后两壁站台上站台上的观察者认为光的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁先到车厢后壁后到前壁结论：结论： 1.1.对于运动的火车上同时发对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是生的两个事件，对于地面就不是同时的。同时的。关键：在各个参考系中光速都为关键：在各个参考系中光速都为c c 2. 2.地面上同时发生的两个事地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时件，对于运动的火车也不是同时的。的。关键：相对运动关键：相对运动一

3、、一、“同时同时”的相对性的相对性 二、时间间隔的相对性二、时间间隔的相对性在站台上看运在站台上看运动火车上的钟动火车上的钟在火车上看运在火车上看运动站台上的钟动站台上的钟 高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪高速运行的列车上，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射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的。斜线传播的。二、时间间隔的相对性二、时间间隔的相对性对于车厢内的人：对于车厢内的人：对于车厢外的人：对于车厢外的人：cht202224vchth201cvtt二、时间间隔的相对性二、

4、时间间隔的相对性 通过前面的讨论我们看到在不同参通过前面的讨论我们看到在不同参考系中，考系中，时间间隔是相对的。时间间隔是相对的。练习：相对速度与动钟延缓效应练习：相对速度与动钟延缓效应(t0=1s）v（米（米/秒）秒） t(秒秒) 201cvtt二、时间间隔的相对性二、时间间隔的相对性1.01 1.151.67 2.297.122.4 50 0.1c=3107 0.5c 0.8c 0.9c 0.99c 0.999c 0.9998c 练练1、有三个完全相同的时钟，时钟、有三个完全相同的时钟，时钟A放放在地面上，时钟在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭分别放在两个火箭上，以速度上，以速度vB和和

5、vC朝同一方向飞行，朝同一方向飞行，vBvC。对于地面上的观察者来说，则以下说。对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是（法中正确的是（ ）A时钟时钟A走得最慢走得最慢B时钟时钟B走得最慢走得最慢C时钟时钟C走得最慢走得最慢D时钟时钟C走得最快走得最快三、长度的相对性三、长度的相对性 三、长度的相对性三、长度的相对性 高速运动的火车高速运动的火车如图，小车以高速如图，小车以高速v运行，运行，其左侧有一个激光源，右其左侧有一个激光源，右侧是反射镜。光脉冲由侧是反射镜。光脉冲由S发发出，被反射镜出，被反射镜M反射后又反射后又回到回到S。现在从车厢参考系。现在从车厢参考系和地面参考系两种观点去和

6、地面参考系两种观点去分析此现象。分析此现象。在车厢参考系上在车厢参考系上，测得的车厢长度记为，测得的车厢长度记为L0，光，光脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间t0=?t0= 2t0=2L0c可得可得:三、长度的相对性三、长度的相对性 MSvLvt1ct1MSvLvt2ct2在地面参考系上在地面参考系上，光脉冲在两侧车，光脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间厢板之间往返一次所需时间t=?在地面参考系上在地面参考系上，测得车厢长度记测得车厢长度记为为L，由光速不变原理，地面上看，由光速不变原理，地面上看到光脉冲的速度仍然为到光脉冲的速度仍然为c。由于车。由于车

7、厢在运动，所以光脉冲在车厢两侧厢在运动，所以光脉冲在车厢两侧之间往返一次所用的时间之间往返一次所用的时间t可以分可以分成两部分之和：成两部分之和：t=t1+t2，t1为光脉冲由为光脉冲由SM所用时间；所用时间；t2为光脉冲由为光脉冲由MS所用时间，如图所示。由几何关系可得：所用时间，如图所示。由几何关系可得：L+vt1=ct1Lvt2=ct2t2=t1=L/(c-v)L/(c+v)三、长度的相对性三、长度的相对性 MSvLvt1ct1MSvLvt2ct2在地面参考系上在地面参考系上，光脉冲在两侧车，光脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间厢板之间往返一次所需时间t=?201cvLLt2=L/(c

8、+v)t1=L/(c-v)t= t1+t2=2Lcc2-v2t0= 2t0=2L0c201cvtt三、长度的相对性三、长度的相对性 v v车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：0ll0ll201cvll小结：小结：注意：注意：长度缩短效应长度缩短效应只发生在只发生在相对运动的方向上。相对运动的方向上。如上例中的如上例中的X轴方向上轴方向上，在，在Y轴方向上无轴方向上无长度缩短效应。长度缩短效应。动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应） 一条沿自身长度方向运动的杆，一条沿自身长度方向运动的杆，其总长度比静止时的长度小其总长

9、度比静止时的长度小三、长度的相对性三、长度的相对性 练练2、如果有一支静止时长、如果有一支静止时长30 m的火箭，的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是（掠过，以下说法中正确的是（ ）A.地面上的观察者测得的火箭长为地面上的观察者测得的火箭长为30 mB.地面上的观察者测得的火箭长小于地面上的观察者测得的火箭长小于30 mC.地面上的观察者测得的火箭长大于地面上的观察者测得的火箭长大于30 mD.火箭上的观察者测得的火箭长为火箭上的观察者测得的火箭长为30 m三、长度的相对性三、长度的相对性 四、时空相对性的实验验证四、时空相对

10、性的实验验证 根据相对论，时根据相对论，时间在运动中会进行间在运动中会进行的比较缓慢，也就的比较缓慢，也就是说，在空间中高是说，在空间中高速移动的时钟，比速移动的时钟，比固定于地面上的时固定于地面上的时钟走得慢。钟走得慢。19711971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环年，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。言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。 早在早在19411941年，科学家年，科学家通过对宇宙线的观测证实通过对宇宙线的观测证实了相对论的结论，

11、美国科了相对论的结论，美国科学家罗西和霍尔在不同高学家罗西和霍尔在不同高度统计了宇宙线中度统计了宇宙线中子的子的数量，结果与相对论预言数量，结果与相对论预言完全一致。完全一致。四、时空相对性的实验验证四、时空相对性的实验验证 牛顿牛顿物理学的物理学的绝对时空观绝对时空观：物理学的：物理学的空空间与时间间与时间是绝对分离是绝对分离没有联系没有联系的，脱离物的，脱离物质而单独存在，质而单独存在，与物质的运动无关与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间，而相对论认为：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。空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。础上，不断发展、不断完善起来的。五、相对论的时空观五、相对论的时空观小小 结结一、一、“同时同时”是相对的是相对的三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性二、长度的相对性二、长度的相对性201cvtt201cvll今日作业：今日作业：1、阅读教材，把教材后的练习做在书上。、阅读教材，把教材后的练习做在书上