时间和空间的相对性

时间和空间的相对性知道狭义相对论关于时空相对性的主要结论了解经典时空观与相对论时空观的主要区别，体会相对论时空观的建立对人类认识世界的影响通过实例，了解时间和空间的相对性，体会相对论时空观与低速世界情境的差异教学目标同时的相对性，长度的相对性，时间间隔的相对性。教学重点教学难点相对论的时空观。我们在学习力学时，总要涉及时间间隔和空间距离的计算或测量。早在牛顿建立经典力学时就考虑并形成了绝对时空的概念。他认为全宇宙都在这共同的时间中发展。两个理想的钟，不论它们是否有相对运动，它们的快慢总是一样的。两个事件同时发生，任何观察者，不论他们是否有相对运动，都认为是同时发生的。所以时间的概念是绝对的。牛顿世界万物都在共同的空间里，或静止或运动。空间任何两点的距离，比如一个理想刚性杆的长度，对任何观察者来说，不论它们是否有相对运动，测量的结果都是相同的。所以说空间也是绝对的。经典的时空观念就是绝对的时空观念。牛顿在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的。但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。通过光速不变原理和相对性原理讨论典型的同时性问题理解不同参考系下同时具有相对性理解同时的相对性不违背因果律同时的相对性在相隔一定距离的两点发生的事件是否同时，需用光讯号来测量。爱因斯坦提供了一种测量方法，可以作为同时的定义。如果位于中点的探测装置同时接收到这两个光讯号，则这两个事件是同时发生的。如果不是同时发生的，也可以根据两光讯号到达的先后，来判断两事件发生的先后。在两点连线的中点设立一光讯号的探测装置，在每个事件发生的同时各发射一光讯号。“同时”的定义一列火车在沿平直轨道上飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光。车上的观察者认为：车厢是惯性系，光向前、后传播的速度相同。光同时到达车厢的前后两壁同时的区分性车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的。一列火车在沿平直轨道上飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光。同时的区分性站台上的观察者认为：地面是一个惯性系，光向前后传播的速度相同。但在光的传播过程中，车厢向前行进了一段距离光向前传播的路程长些光先到车厢后壁后到前壁地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车是否也不是同时的呢？此时根据相对运动的对称性，地面上观察者的思维与上个问题中火车上观察者的思维是一样的，火车上观察者的思维与上个问题中地面上观察者的思维是一样的。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同时的相对性的反思车上、车下两位观察者推理的根据相同，都是狭义相对论的两个假设。他们都没有错。同时是相对的为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？火车运动的速度远远小于光速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离。地面观察者不会发现闪光到达前、后壁的时间差。同时的相对性的反思列车K的某车厢的中央发出了一个闪光，车厢中的人认为闪光同时到达了前后两壁（事件A和B）。不同的是，列车K静止在车站里，另一列火车L从旁边呼啸而过。那么，在运动的火车L里，观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生？L里的观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生。理解相对论中长度的测量方法理解不同参考系中物体长度的变化了解相对论长度变换公式长度的相对性假设杆MN沿着车厢运动的方向固定在火车上（如图），与车一起运动。火车上的观察者认为：杆是静止的。他利用固定在火车上的坐标轴，读出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长。长度的相对性要使这种测量有意义，地面观察者必须同时读出M、N两点的坐标。地面观察者利用固定在地面上的坐标轴，读出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长l。假设杆MN沿着车厢运动的方向固定在火车上（如图），与车一起运动。长度的相对性根据前面的讨论你并没有同时测量M、N两点的坐标我在同时测量M、N两点的坐标火车上的观察者认为，地面观察者测得的杆长比自己测得的数值小一些长度的相对性杆相对于车是静止的与杆相对静止的人认为杆长是与杆相对运动的人认为杆长是l固有长度或本征长度长度的相对性严格的数学推导还证明，在垂直于运动方向上，杆的长度没有变化空间收缩效应是相对的。火车里的人测量静止在地面上的沿运动方向而放置的刚性杆长度，也小于其静长。与杆相对运动的人观察到的杆长l总小于与杆相对静止的人观察到的杆长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动尺变短（空间收缩效应）长度的相对性的理解一观察者测得运动着的米尺长0.5m，问此尺以多大的速度接近观察者？解：由长度收缩公式：长度的相对性的理解为什么平时观察不到长度的相对性？长度的相对性的反思车辆、飞机等常见物体的运动速度v远远小于光速c所以日常生活中观察不到长度的相对性经典物理学认为，某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔总是相同的。乘坐飞机经过实验室上空的人测得的时间间隔一定也是1s守候在旁进行实验的人测得所用时间是1s但是，在相对论物理学看来，两者测得的时间并不一样。理解相对论时间间隔的相对性了解时间膨胀公式时间间隔的相对性高速运动的列车车厢中安装着一个墨水罐，每隔一定时间滴出一滴墨水。车上乘客认为两个事件的时间间隔是地面观察者认为两个事件的时间间隔是长度的相对性车上乘客与地面观察者测得的距离不同时间间隔的相对性车上乘客测得的距离地面观察者测得的距离与杆相对静止的人测得的长度时间间隔的相对性钟慢效应高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光时间间隔的相对性对于车上的人来说，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。对于车厢内的人：对于车厢外的人：时间间隔的相对性钟慢效应地面上人测得的时间与运动物体（飞船）相对静止的人测得的时间相对速度与动钟延缓效应从地面上观察，飞船上的时间进程比地面上慢但飞船上的人反而认为地面上的时间进程比飞船上的慢，因为他们看到地面正以同样的速度朝相反的方向运动。时间间隔的相对性的理解一个学说，总是先以有限数量的事实为基础提出科学的假设，然后依据这些假设进行逻辑推理，得出结论。只有在大量结论都与事实相符时，这个学说才能成为理论。微观世界中，许多情况下粒子的速度会达到光速的90%以上，时空的相对性不可忽略。时至今日，狭义相对论的所有结论不但已经完全得到证实，而且已经成为微观粒子研究的基础之一。学习μ子实验对相对论时空观的验证了解星际旅行的可行性了解双生子悖论狭义相对论的实验验证根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，也就是说，在空间中高速移动的时钟，比固定于地面上的时钟走得慢。1971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。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。时空相对性的实验验证早在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。时空相对性的实验验证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时空相对性的实验验证牛顿物理学的绝对时空观：相对论认为：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。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。相对论的时空观地面上的人认为A、B两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说，哪个事件先发生？B事件先发生。火箭上的人有如下推理地面在向火箭的方向运动，从闪光发生到两闪光相遇，线段中点向火箭的方向运动了一段距离，因此闪光B传播的距离比闪光A长些。既然两个闪光的光速相同，一定是闪光B发出得早一些。问题与练习一列火车以速度v相对地面运动（如图所示），如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，那么按照火车上的人的测量，闪光先到达前壁还是后壁？火车上的人怎样解释自己的测量结果？火车上的人测得，闪光先到达前壁问题与练习一枚静止时长30m的火箭以3km/s的速度从观察者的身边掠过，观察者测得火箭的长度应为多少？火箭上的人测得火箭的长度应为多少？如果火箭的速度为光速的二分之一呢？若火箭以3km/s的速度运动，则地面观察者测得的火箭长度为若火箭以光速的二分之一运动，则地面观察者测得火箭的长度为26m不管火箭的速度是多少，火箭上的人测得的火箭长度与静止时相同，30m问题与练习A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度和朝同一方向飞行，。地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？地面上的观察者认为C钟走得最慢，地面钟走得最快问题与练习以8km/s的速度运行的人造卫星上，一只完好的手表走过了1min，地面上的人认为它走过这1min“实际”花了多少时间？通过这个题目我们可以看到，即使对于人造卫星的飞快速度，相对论效应也是微不足道的。地面上观测到的时间为问题与练习