经典时空观与相对论时空观.ppt

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1、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广东翁源第一高级中学物理组：赵书华物理组：赵书华7/11/20251经典时空观与相对时空观前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律，牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律，这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得到了很大发展。同时自身也得到了很大发展。但是，进入二十世纪，但是，进入二十世纪，物

2、理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，微观微观高速高速如原子、电子粒子，如原子、电子粒子，光、电磁波及粒子衰变，速度光、电磁波及粒子衰变，速度为光速或接近光速为光速或接近光速空间尺度空间尺度7/11/20252经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，物理学需要一场革命！物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的二十世纪初

3、诞生的相对论相对论和和量子力学量子力学就是这场就是这场从从经典物理经典物理向向近代物理近代物理变革的标志变革的标志本节介绍本节介绍相对论相对论的基础知识的基础知识7/11/20253经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观.伽利略相对性原理伽利略相对性原理对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：第一个问题第一个问题对于不同的参照系，对于不同的参照系，基本力学定律的形式是完全一样吗？基本力学定律的形式是完全一样吗？对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，这也就是说，对于不同的惯性参照系，这也就是说，对于不同的惯性参照系，

4、力学的基本定律力学的基本定律牛顿定律的形式是一样的。牛顿定律的形式是一样的。这一结论称作这一结论称作伽利略相对性原理伽利略相对性原理或或力学相对性原理力学相对性原理一、一、经典力学时空观经典力学时空观7/11/20254经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观甲甲 乙乙惯性参照系惯性参照系牛顿定律适用的参照系牛顿定律适用的参照系相对惯性系作匀速直线运动的参照系相对惯性系作匀速直线运动的参照系例例甲甲乙乙站台站台7/11/20255经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观选择的参考系不同，对运动的描述就不同：选择的参考系不同，对运动的描述就不同：例如：让两小球从同一高度同时自由下落。例如

5、让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系惯性系非非惯性系惯性系7/11/20256经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第二个问题第二个问题相对于不同的参照系长度和时间的相对于不同的参照系长度和时间的测量是一样的吗？测量是一样的吗？对于空间和时间测量的问题，对于空间和时间测量的问题，牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。.绝对时空观绝对时空观所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；绝对时间是指时间的量度与参照系无关绝对时间是指时间的

6、量度与参照系无关这就是说，两点之间的距离，这就是说，两点之间的距离，无论在那个惯性系中测量都是一样的；无论在那个惯性系中测量都是一样的；同样，前后发生的两个事件之间的时间，同样，前后发生的两个事件之间的时间，无论在那个惯性系中测量都是一样的无论在那个惯性系中测量都是一样的7/11/20257经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观如果如果甲甲测的小球测的小球下落时间为下落时间为如果如果乙乙测的小球测的小球下落时间为下落时间为例例甲甲乙乙站台站台7/11/20258经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观牛顿本人曾说：牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言绝对空间，就其本性而言与外界任何

7、事物无关，而永远是相同的和不动的与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。并由于它的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，按照这种观点：时间和空间是彼此独立，互不相关并且独立于物质和运动之外的，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影响。不受物质和运动的影响。绝对时空观绝对时空观7/11/20259经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观根据绝对时空观，得出几个结论根据绝对时空观，得出几个结论同时绝对性

8、同时绝对性时间间隔的绝对性时间间隔的绝对性空间距离的绝对性空间距离的绝对性质量恒定不变质量恒定不变7/11/202510经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观牛顿的牛顿的伽利略相对性原理伽利略相对性原理和和绝对时空观绝对时空观是作为两个基本假设提出来的，是作为两个基本假设提出来的，它之所以为人们接受承认它之所以为人们接受承认一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；另一方面观察结果与人们的经验相符。另一方面观察结果与人们的经验相符。但是十九世纪中叶，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，人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，

9、发现发现在电磁现象的规律不符合在电磁现象的规律不符合相对性原理相对性原理其中最典型的就是其中最典型的就是光速的问题光速的问题7/11/202511经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是最著名的是18871887年迈克尔逊和莫雷年迈克尔逊和莫雷所做的实验。所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理可见光和电磁波的运动不服从

10、伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值速率都应该是这一数值7/11/202512经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观伽利略相对原理和电磁规律的矛盾伽利略相对原理和电磁规律的矛盾促使人们思考下述问题：促使人们思考下述问题：绝对时空观的观念是不是需要绝对时空观的观念是不是需要修正？修正？困惑困惑？这个时候整个物理学界陷入这个时候整个物理学界陷入7/11/202513经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观爱因斯坦爱因斯坦:Einstein:Einstein现代时空的创始人现代时空的创始人2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家

11、爱因斯坦爱因斯坦对这个问题进行对这个问题进行了深入研究，了深入研究，并在并在19051905年发表了论文年发表了论文论动体的电动力学论动体的电动力学在这篇论文里对上述问题在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意至整个科学界都有变革意义的回答义的回答7/11/202514经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观 相相相相对对对对论论论论的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差别别别别很很很很大大大大，很很很很难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所理

12、理理理解解解解。人人人人们们们们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又常常常常常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大的的的的内内内内容容容容。这这这这使使使使人人人人们们们们想想想想起起起起英英英英国国国国诗诗诗诗人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为

13、光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道后人续写道后人续写道:上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。7/11/202515经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观在在这篇论文中，爱因斯坦提出了这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设两个假设并在这两个假设的基础上构筑了并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学狭义相对论力学二

14、狭义相对论时空观二、狭义相对论时空观.爱因斯坦假设爱因斯坦假设1.1.爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较，和牛顿相对性原理比较，前者是后者的推广前者是后者的推广7/11/202516经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。2

15、2.光速不变原理光速不变原理在在任何惯性系中，任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值自由空间（真空）中的光速具有相同的量值也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的，光速都是相等的，就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上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爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论狭义相对论7/11/202517经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观 爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原

16、理物理学定律在所有的惯物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与就是说，物理学定律与惯性系的选择无关惯性系的选择无关光速不变原理光速不变原理在在任何惯性系中，自由任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速空间（真空）中的光速具有相同的量值具有相同的量值 EinsteinEinstein 的相对性理论的相对性理论 是是 NewtonNewton理论的发展理论的发展讨论讨论一切物一切物理规律理规律力学力学规律规律7/11/202518经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观 观念上的变革观念上的变革革命性革命性(相对性相对性)光速光速同时同时时间与空间时间与空

17、间质量质量经典时空观经典时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对的相对的绝对的（不变）绝对的（不变）绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的与运动无关，不变的相对的相对的与运动有关，相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大随速度增加而增大7/11/202519经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观、狭义相对论时空观狭义相对论时空观1.、同时相对性、同时相对性设想一列火车以速度设想一列火车以速度v v匀速向右运动，火车中匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面央有一信号灯，在经过地面O O点时发出一光信点时发出一光信号号.7/11/202520经典时空观与相

18、对时空观经典时空观与相对时空观1.、同时相对性、同时相对性7/11/202521经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观7/11/202522经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观 1 1)沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，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的后方那一事件先发生。察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。2 2)对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。结论结论即：时间量度是相对的，并且与相对运动

19、速度有关。即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。S S 相对相对S S 系的速度越大，在系的速度越大，在S S系测两事件的时间间隔系测两事件的时间间隔就越长。就越长。7/11/202523经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观2.时间延缓（动钟变慢）时间延缓（动钟变慢）爱因斯坦曾经言，爱因斯坦曾经言，两个校准好的钟，当一个两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。速环球飞行实验所证实。相对论预言 慢(18

20、4 23)10-9 s实 测 慢(203 10)10-9 s221cutt-=DD7/11/202524经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观双生子佯谬是一对双生子。是一对双生子。乘高速飞船到太空乘高速飞船到太空 和和遨游一段遨游一段 比自己老了，根据运动的相对性比自己老了，根据运动的相对性 ，和和运动的时钟变慢了，但运动是相对的，都认为对方的钟在运动，这将会导致都认为对方的钟在运动，这将会导致双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。若时间后返回地球时间后返回地球 ，发现对方发现对方 将会得出也发现也发现 对方比自己老了的矛

21、盾结论。称为双生子佯谬。对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的运动状态并不对称（的运动状态并不对称（例如，例如，飞离、返回要经历加、减速运动飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是过程），其结果一定是 的时钟变慢了，的时钟变慢了，双生子双生子 一定比一定比 年轻。年轻。附：7/11/202525经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观S SO O X X YYO O S SX XY Y 特别注意：特别注意：长度缩短效应长度缩短效应只发生在相对运动的方向上只发生在相对运动的方

22、向上如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，轴方向上，在在Y Y 轴方向上无轴方向上无长度缩短效应长度缩短效应3.动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应）斐克小伙斐克小伙剑术精，剑术精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉长剑变成小铁钉.7/11/202526经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观检测题检测题 有关科学家和涉及的事实，正确的说有关科学家和涉及的事实，正确的说法是法是 A哥白尼创立了日心说哥白尼创立了日心说 B伽利略发现了行星运动规律伽利略发现了行星运动规律 C.惠更斯解决了弹性碰撞问题惠更斯解决了弹性碰撞问题 D爱因斯坦提

23、出了量子论爱因斯坦提出了量子论(A C )7/11/202527经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观检测题 一列火车以速度一列火车以速度v相对地面运动如果地面上相对地面运动如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是的前壁和后壁，以下说法中正确的是 A火车上的人测得，闪光先到达前壁火车上的人测得，闪光先到达前壁B火车上的人测得，闪光先到达后壁火车上的人测得，闪光先到达后壁C火车上的人测得，闪光同时到达车厢火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁的前壁 和后壁和后壁D条件不足，无法确定条件不足，无法确定(A)7/1

24、1/202528经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观检测题p 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放在地面上，时放在地面上，时钟钟B、C分别放在两个火箭上，以速度分别放在两个火箭上，以速度vB和和vC朝同朝同一方向飞行，一方向飞行，vBvC 对于地面上的观察者来对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是说，则以下说法中正确的是p 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p 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(C)7/11/202529经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观检测题检测题如果有一支静止时长如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之一的火箭，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的速度从观察者的身边掠过，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(BD)7/11/202530经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观