物理：15.2《时间和空间的相对性》PPT课件(新人教版 选修3-4)

Copyright2004-2009版权所有盗版必究相对论简介19世纪后半叶，关于电磁场的研究不断深入，人们认识到了光的电磁本质．我们已经知道，电磁波是以巨大且有限的速度传播的，因此在电磁场的研究中不断遇到一些矛盾，这些矛盾导致了相对论的出现．相对论不仅给出了物体在高速运动时所遵循的规律，而且改变了我们对于时间和空间的认识，它的建立在物理学和哲学的发展史上树立了一座重要的里程碑．Copyright2004-2009版权所有盗版必究相对论简介牛顿力学适用宏观物体的低速（与光速相比）运动适用宏观物体的低速（与光速相比）运动研究微观粒子的运动研究宏观物体的高速（与光速相比）运动Copyright2004-2009版权所有盗版必究Copyright2004-2009版权所有盗版必究经典的相对性原理有关相对性的思考？一群大学生说说笑笑，跑来问爱因斯坦，什么叫相对论．他回答说：“你坐在一个漂亮姑娘旁边，坐了两小时，觉得只过了一分钟；如果你紧挨着一个火炉，只坐了一分钟，却觉得象过了两个小时．这就是相对论．”Copyright2004-2009版权所有盗版必究狭义相对论的两个假设上述的矛盾使我们面临两个选择，要么放弃麦克斯韦的电磁理论，要么否定特殊参考系的存在．爱因斯坦选择了后者．并提出了两个假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的爱因斯坦的相对性原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的光速不变原理Copyright2004-2009版权所有盗版必究15.2《时间和空间的相对性》Copyright2004-2009版权所有盗版必究同时性的相对性和时间延缓时间的概念与同时性相连系。一、同时性的相对性tx,1tx,211,tx22,txSuSxxOO同时发生还同时发生吗？1、同时性的相对性21tt？Copyright2004-2009版权所有盗版必究tx,1tx,211,tx22,txSuSxxOO同时发生21tt不同时发生沿两个惯性系相对运动的方向配置的两个事件，若在一个惯性系中这两个事件同时发生，则在另一惯性系中观测，总是处于前一个惯性系运动后方的事件先发生。先发生后发生Copyright2004-2009版权所有盗版必究2、通过特例说明SuSABccMxx理想的闪光实验不,光先到达A光同时到达A和B在S系中观测，事件1先发生，闪光先到达A点，即：在运动后方的事件先发生。光速不变同时性的相对性Copyright2004-2009版权所有盗版必究结论：1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的关键：在各个参考系中光速都为c2、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关键：相对运动Copyright2004-2009版权所有盗版必究对不同参考系，沿相对速度方向配置的同样的两个事件之间的时间间隔是不同的。时间的量度是相对的。但是，沿垂直于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是绝对的ABuuS系S'系BA3、时间的量度是相对的Copyright2004-2009版权所有盗版必究时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟Copyright2004-2009版权所有盗版必究高速运行的列车上，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．由光速不变原理便得到不同的时间间隔Copyright2004-2009版权所有盗版必究时间间隔的相对性对于车厢内的人：对于车厢外的人：cht22224vcht2tch2tv21cvttCopyright2004-2009版权所有盗版必究相对速度与动钟延缓效应(τ=1s）•V（米/秒）•0.1c=3×107•0.5c•0.8c•0.9c•0.99c•0.999c•0.9998c•T(秒)•1.01•1.15•1.67•2.29•7.1•22.4•50Copyright2004-2009版权所有盗版必究在一个惯性系中观测，另一个做匀速直线运动的惯性系中同地发生的两个事件的时间间隔变大。这称为时间延缓效应。因为任何过程都是由一系列相继发生的事件构成的，所以时间延缓效应表明：例如，与S系中一系列静止同步钟的“1秒”相比，运动钟的“1秒”长动钟变慢。在对称情况下，时间延缓是相对的。在一个惯性系中观测，运动惯性系中的任何过程（包括物理、化学和生命过程）的节奏变慢。Copyright2004-2009版权所有盗版必究在求解涉及同地发生的事件的问题时，为了计算方便一般应该：先确定哪个是原时(同地时)，然后再找出对应的测时。【例】飞船以（32400km/h）的速率相对地面飞行。飞船上的钟走了5秒，问用地面上的钟测量经过了几秒？13ms109u原时s5tscutt000000002.510310915128322测时=?低速情况，时间延缓效应很难发现！定义事件Copyright2004-2009版权所有盗版必究时间延缓效应的实验验证子的寿命实验子在高空大气顶层形成，静止平均寿命为2.1510－6s，速率为0.995c.若无时间膨胀效应，只能走640m就消失了，地面观测不到。前可飞行6400m,实际上可到达地面。衰变10995.0112在地面上看其寿命膨胀倍，B.Rossi,D.B.Hall1941Copyright2004-2009版权所有盗版必究【例】孪生子佯谬和孪生子效应1961年，美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出，寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为50次，而分裂的周期大约是2.4年，照此计算，人的寿命应为120岁。因此，用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。设想有一对孪生兄弟，哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。在各自的参考系中，哥哥和弟弟的细胞分裂周期都是2.4年。但由于时间延缓效应，在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比2.4年长，他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长，弟弟也比自己年轻。假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁年轻就成了难以回答的问题。Copyright2004-2009版权所有盗版必究问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬（twinparadox）。如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为孪生子效应。1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了203±10ns，而按广义相对论预言运动钟变慢184±23ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。Copyright2004-2009版权所有盗版必究Copyright2004-2009版权所有盗版必究早在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μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．Copyright2004-2009版权所有盗版必究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。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。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。相对论的时空观Copyright2004-2009版权所有盗版必究二、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：0ll0ll201cvllCopyright2004-2009版权所有盗版必究注意：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）S′O′X′Y′ABOSXYu1x●lCopyright2004-2009版权所有盗版必究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小斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉.Copyright2004-2009版权所有盗版必究小结一、“同时”是相对的二、长度的相对性三、时间间隔的相对性201cvtt201cvllCopyright2004-2009版权所有盗版必究201cvtt201cvll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．Copyright2004-2009版权所有盗版必究