1、二、時(shí)間和空間的相對(duì)性,人教版高中物理選修3-4第十五章,長(zhǎng)沙縣一中莫 德 智,主要內(nèi)容,狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè),自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律； 強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向 幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)怼?對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解,時(shí)空的相對(duì)性,（一）“同時(shí)”的相對(duì)性,假設(shè)一列火車(chē)在沿平直軌道飛快地勻速行駛。車(chē)廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車(chē)廂的前壁和后壁，這是兩個(gè)事件。,時(shí)空的相對(duì)性,（一）“同時(shí)”的相對(duì)性,判斷A、B兩事件是否同時(shí)發(fā)生的辦法是，當(dāng)A、B兩事

2、件發(fā)生時(shí)，假若在A、B事件發(fā)生時(shí)分別事件處有光源發(fā)出了光，經(jīng)過(guò)相同距離后同時(shí)到達(dá)某點(diǎn)，我們就說(shuō)A、B這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。或者說(shuō)在距離A、B兩事件發(fā)生處的某人眼睛發(fā)出的光同時(shí)到達(dá)了A、B兩事件發(fā)生地，我們就說(shuō)A、B兩事件是同時(shí)。,“同時(shí)”的判斷方法：,時(shí)空的相對(duì)性,1、經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)的，則在另一個(gè)參考系中一定也是同時(shí)的。,（1）若以車(chē)為參考系：光相對(duì)前、后壁的相對(duì)距離均為L(zhǎng)/2，相對(duì)速度均為c，故所需時(shí)間均為,解得：,解得：,（2）若以地為參考系：,時(shí)空的相對(duì)性,2.狹義相對(duì)論認(rèn)為：同時(shí)是相對(duì)的，不同速度的參考系，事件發(fā)生的先后不同。,車(chē)上的觀察者認(rèn)為兩個(gè)事

3、件是同時(shí)的。,地面觀察者認(rèn)為閃光先到后壁,地面觀察者認(rèn)為：地面也是一個(gè)慣性參考系，閃光向前、向后傳播的速度對(duì)地面也是c，但是在閃光飛向兩壁的過(guò)程中，車(chē)廂向前行進(jìn)了一段距離，如圖所示，向前的光傳播的路程長(zhǎng)些，到達(dá)前壁的時(shí)刻也就晚些，后壁事件先發(fā)生 。,時(shí)空的相對(duì)性,（二）長(zhǎng)度的相對(duì)性,假設(shè)桿MN沿著車(chē)廂運(yùn)動(dòng)的方向固定在火車(chē)上與車(chē)一起運(yùn)動(dòng)。,車(chē)上觀察者：在運(yùn)動(dòng)的車(chē)上觀察者相對(duì)桿是靜止的，在測(cè)量桿的長(zhǎng)短時(shí)，只要讀出桿兩端點(diǎn)M、N的位置坐標(biāo)，坐標(biāo)之差就是他測(cè)出的桿的長(zhǎng)度,時(shí)空的相對(duì)性,地面上的觀察者：在地面上的觀察者讀數(shù)時(shí)，桿是運(yùn)動(dòng)的，故必須同時(shí)讀出M、N兩點(diǎn)的坐標(biāo)才有意義。,所謂同時(shí)，可認(rèn)為觀察者的

4、眼睛的發(fā)出的光必須同時(shí)到達(dá)M、N兩點(diǎn)，從而確定M、N兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直尺上的坐標(biāo)值。,時(shí)空的相對(duì)性,在他看來(lái)，地上觀察者相對(duì)他向左運(yùn)動(dòng)，地上觀察者眼睛發(fā)出的光，由于桿的運(yùn)動(dòng)，光線會(huì)先到達(dá)后端N，即先在N點(diǎn)讀數(shù)，而后才讀M點(diǎn)的讀數(shù)，在這期間桿已經(jīng)相對(duì)地面向右運(yùn)動(dòng)了一段，因此車(chē)上觀察者斷定，地面觀察者測(cè)得的桿長(zhǎng)會(huì)比自己測(cè)得的數(shù)值小了一些。,盡管地面上觀察者認(rèn)為自己對(duì)M、N兩端的讀數(shù)是同時(shí)的，但火車(chē)上的觀察者則認(rèn)為地面觀察者讀數(shù)時(shí)不同時(shí)。,時(shí)空的相對(duì)性,通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，如果與桿相對(duì)靜止的人認(rèn)為桿長(zhǎng)為 ，與桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)的人認(rèn)為長(zhǎng)度為,那么兩者之間關(guān)系是：,，,結(jié)論： 一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長(zhǎng)度總比

5、桿靜止的長(zhǎng)度小,動(dòng)尺縮短,時(shí)空的相對(duì)性,（三）時(shí)間間隔的相對(duì)性,以高速列車(chē)為例。假設(shè)一列以速度 高速運(yùn)動(dòng)的列車(chē)上有一根長(zhǎng)為 的細(xì)桿，觀察者B在列車(chē)上，觀察者A在地面上。,觀察者B認(rèn)為A相對(duì)自己以 運(yùn)動(dòng)向左運(yùn)動(dòng)，所以A從細(xì)桿頭到細(xì)桿尾所用時(shí)間為,時(shí)空的相對(duì)性,而觀察者A則認(rèn)為桿以速度 運(yùn)動(dòng)，由于長(zhǎng)度的相對(duì)性，他發(fā)現(xiàn)桿的長(zhǎng)度變成了,所需的時(shí)間為：,兩時(shí)間相比易得：,動(dòng)鐘變慢,時(shí)空的相對(duì)性,從地面上觀察，飛船上的時(shí)間進(jìn)程比地面上慢。由于飛船在運(yùn)動(dòng)，車(chē)上一切物理、化學(xué)過(guò)程和生命過(guò)程都變慢了；時(shí)鐘走得慢了，化學(xué)反應(yīng)慢了，甚至人的動(dòng)作、人的新陳代謝也變慢了，可是飛船上的人自己沒(méi)有這種感覺(jué)，他們反而認(rèn)為地面

6、上的時(shí)間進(jìn)程比飛船上的慢，因?yàn)樗麄兛吹?，地面正以同樣的速度朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。,時(shí)空的相對(duì)性,縮短率的證明,對(duì)于車(chē)廂內(nèi)的人：,對(duì)于車(chē)廂外的人：,得：,解得：,時(shí)空的相對(duì)性,（四）時(shí)空相對(duì)性的驗(yàn)證,1子在大氣中的含量實(shí)際值比經(jīng)典的理論值大，只有用狹義相對(duì)論才能得到解釋。子在低速時(shí)的平均壽命為30s，若以099c或更高的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均壽命將要大于30s，因此在地面上觀察，它將飛行較長(zhǎng)的距離才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠淞Ｗ?，即在低空處觀察到的子數(shù)量較多。,時(shí)空的相對(duì)性,21971年將四只銫原子鐘調(diào)整同步，然后把它們分別放在兩架?chē)姎馐斤w機(jī)環(huán)球飛行，一架向東，一架向西。兩架飛機(jī)各繞地球飛行一周后回到地面，與留在地面上的銫原子鐘進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：向東飛行時(shí)兩只原子鐘的讀數(shù)比地球上的原子鐘讀數(shù)平均慢了5910-9秒；而向西飛行時(shí)四只原于鐘的讀數(shù)比地球上的原子鐘的讀數(shù)平均快了27310-9秒在實(shí)驗(yàn)誤差之內(nèi)這些結(jié)果與方程預(yù)言值相符。,時(shí)空的相對(duì)性,（五）相對(duì)論時(shí)空觀,2相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，時(shí)間和空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。,1絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對(duì)的，時(shí)間和空間之間也是沒(méi)有聯(lián)系的。,時(shí)空的相對(duì)性,【例題】假設(shè)