必修时空观和相对论时空观市公开课金奖市赛课一等奖课件

第二节：经典时空观与相对论时空观广东翁源第一高级中学物理组：赵书华10/10/1经典时空观与相对时空观第1页前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本内容。牛顿力学基础就是以牛顿命名那三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以后两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术发展起了巨大推进作用，同时本身也得到了很大发展。不过，进入二十世纪，物理学研究领域开始深入到了微观高速领域，微观高速如原子、电子粒子，光、电磁涉及粒子衰变，速度为光速或靠近光速空间尺度10/10/2经典时空观与相对时空观第2页这时人们发觉牛顿力学在这些领域不再适用物理学发展要求对牛顿力学以及一些长久认为是不言自明基本观念作出根本性变革，

物理学需要一场革命！二十世纪初诞生相对论和量子力学就是这场从经典物理向近代物理变革标志本节介绍相对论基础知识10/10/3经典时空观与相对时空观第3页.伽利略相对性原理对于第一个问题，牛顿力学回答是干脆：第一个问题对于不一样参考系，基本力学定律形式是完全一样吗？对于任何惯性参考系，牛顿定律都成立，这也就是说，对于不一样惯性参考系，力学基本定律——牛顿定律形式是一样。这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理一、经典力课时空观10/10/4经典时空观与相对时空观第4页甲乙惯性参考系牛顿定律适用参考系相对惯性系作匀速直线运动参考系例甲乙站台10/10/5经典时空观与相对时空观第5页选择参考系不一样，对运动描述就不一样：比如：让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系非惯性系10/10/6经典时空观与相对时空观第6页第二个问题相对于不一样参考系长度和时间测量是一样吗？对于空间和时间测量问题，牛顿力学是用绝对空间和绝对时间概念往返答。.绝对时空观所谓绝对空间是指长度量度与参考系无关；绝对时间是指时间量度与参考系无关这就是说，两点之间距离，不论在那个惯性系中测量都是一样；一样，前后发生两个事件之间时间，不论在那个惯性系中测量都是一样10/10/7经典时空观与相对时空观第7页假如甲测小球下落时间为假如乙测小球下落时间为例甲乙站台10/10/8经典时空观与相对时空观第8页牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言与外界任何事物无关，而永远是相同和不动”，“绝正确、真正和数学上时间自己流逝着，并因为它本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”按照这种观点：时间和空间是彼此独立，互不相关而且独立于物质和运动之外，不受物质和运动影响。——绝对时空观10/10/9经典时空观与相对时空观第9页依据绝对时空观，得出几个结论同时绝对性时间间隔绝对性空间距离绝对性质量恒定不变10/10/10经典时空观与相对时空观第10页牛顿伽利略相对性原理和绝对时空观是作为两个基本假设提出来，它之所以为人们接收承认一方面是牛顿力学在解决力学问题获得巨大功；其次观察结果与人们经验相符。不过十九世纪中叶，人们在研究与物体运动相关电磁现象时，发觉在电磁现象规律不符合相对性原理其中最经典就是光速问题10/10/11经典时空观与相对时空观第11页这一结论还尤其为以后很多准确试验所证实，最著名是1887年迈克尔逊和莫雷所做试验。它们都明确无误地证实光速测量结果与光源和测量者相对运动无关，亦即与参考系无关。可见光和电磁波运动不服从伽利略相对原理.任何参考系中测得光在真空速率都应该是这一数值10/10/12经典时空观与相对时空观第12页伽利略相对原理和电磁规律矛盾促使人们思索下述问题：绝对时空观观念是不是需要修正？迷惑？？？这个时候整个物理学界陷入10/10/13经典时空观与相对时空观第13页爱因斯坦:Einstein当代时空创始人20世纪最伟大科学家爱因斯坦对这个问题进行了深入研究，并在19发表了论文《论动体电动力学》在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义回答10/10/14经典时空观与相对时空观第14页

相对论时空观念与人们固有时空观念差异很大，极难被普通人所了解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又经常弄不懂这伟大内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿诗句:

自然界和自然界规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。后人续写道:上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。10/10/15经典时空观与相对时空观第15页在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设并在这两个假设基础上构筑了狭义相对论力学二、狭义相对论时空观.爱因斯坦假设

爱因斯坦相对性原理物理学定律在全部惯性系中都是一样，也就是说，物理学定律与惯性系选择无关爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，前者是后者推广10/10/16经典时空观与相对时空观第16页这就使得相对性原理不但适合用于力学现象，而且适合用于全部物理现象，包含电磁现象在内。

光速不变原理在任何惯性系中，自由空间（真空）中光速含有相同量值也就是说，不论光源与观察者相对运动怎样，在任一惯性系中观察者所观察到真空中光速都是相等，就是在看来如此简单且最普通两个假设基础上爱因斯坦建立了一套完整理论——狭义相对论10/10/17经典时空观与相对时空观第17页

爱因斯坦相对性原理物理学定律在全部惯性系中都是一样，也就是说，物理学定律与惯性系选择无关光速不变原理在任何惯性系中，自由空间（真空）中光速含有相同量值

Einstein相对性理论是Newton理论发展讨论一切物理规律力学规律10/10/18经典时空观与相对时空观第18页观念上变革革命性(相对性)光速同时时间与空间质量经典时空观狭义相对论时空观相对绝对（不变）绝对与运动无关，绝对与运动无关，不变相对与运动有关，相对随速度增加而增大10/10/19经典时空观与相对时空观第19页、狭义相对论时空观、同时相对性构想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信号.10/10/20经典时空观与相对时空观第20页、同时相对性10/10/21经典时空观与相对时空观第21页10/10/22经典时空观与相对时空观第22页1)沿两惯性系相对运动方向发生两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动后方那一事件先发生。2)

对不一样参考系，一样两事件之间时间间隔是不一样。结论即：时间量度是相正确，而且与相对运动速度相关。

S'相对S系速度越大，在S系测两事件时间间隔就越长。10/10/23经典时空观与相对时空观第23页时间延缓（动钟变慢）爱因斯坦曾经言，两个校准好钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它统计时间比原地不动钟会慢一些。这已被高精度铯原子钟超音速环球飞行试验所证实。相对论预言慢(184±23)×10

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9s实测慢(203±10)×10-

9s221cutt-¢=DD10/10/24经典时空观与相对时空观第24页双生子佯谬sss是一对双生子。乘高速飞船到太空ss和遨游一段s比自己老了，依据运动相对性，和ss运动时钟变慢了，但运动是相对，都认为对方钟在运动，这将会造成双方都认为对方钟变慢了矛盾结论。这就是时钟佯谬。若时间后返回地球，发觉对方将会得出s也发觉对方比自己老了矛盾结论。称为双生子佯谬。s实际上这种谬误是不会发生，因为两个时钟或两个双生子运动状态并不对称（比如，飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是时钟变慢了，ss双生子一定比年轻。s附：时钟佯谬双生子佯谬时钟佯谬双生子佯谬与10/10/25经典时空观与相对时空观第25页S′O′X′Y′OSXY●尤其注意：长度缩短效应只发生在相对运动方向上如上例中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）斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，因为空间收缩性，长剑变成小铁钉.10/10/26经典时空观与相对时空观第26页检测题相关科学家和包括事实，正确说法是A．哥白尼创建了日心说B．伽利略发觉了行星运动规律C.惠更斯处理了弹性碰撞问题D．爱因斯坦提出了量子论(AC)10/10/27经典时空观与相对时空观第27页检测题一列火车以速度v相对地面运动．假如地面上人测得，某光源发出闪光同时抵达车厢前壁和后壁，以下说法中正确是A．火车上人测得，闪光先抵达前壁B．火车上人测得，闪光先抵达后壁C．火车上人测得，闪光同时抵达车厢前壁和后壁D．条件不足，无法确定(A)10/10/28经典时空观与相对时空观第28页检测题有三个完全相同时钟，时钟A放在地面上，时钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB＜vC．对于地面上观察者来说，则以下说法中正确是A．时钟A走得最慢B