4相对论的同时性长度时间

第四节相对论中的同时性、长度和时间爱因斯坦列车一、同时概念的相对性由于光速不变，在S系中不同地点同时发生的两个事件，在S’系中不再是同时的了。在列车中部一光源发出光信号，在列车中AB两个接收器同时收到光信号，ABvxyo'x'y'o但在地面来看，由于光速不变，A先收到，B后收到。§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性oyzxS'o'z'x'Sv'y'1x'2x1.在S’系中不同地点同时发生的两事件，,''21tt0't)/''(2cxvtt0'x,''21xx由02/'cxv在S系中这两个事件不是同时发生的。§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性2.在S’系中相同地点同时发生的两事件，,''21tt0't)/''(2cxvtt0'x,''21xx由0oyzxS'o'z'x'Sv'y'x在S系中这两个事件是同时发生的。§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性3.明确几点①.在S’系中不同地点同时发生的两事件，在S系中这两个事件不是同时发生的。②.在S’系中相同地点同时发生的两事件，在S系中这两个事件是同时发生的。③.当vc时，)/''(2cxvtt2)/(11cv't1低速空间“同时性”与参照系无关。§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性④.同时性没有绝对意义。⑤.有因果关系的事件，因果关系不因坐标系变化而改变。无因果关系的事件无所谓谁先谁后。超光速信号违反因果率。)/('2cxvtt)1(2txcvt)1(cucvtcu当0t0't时§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性在S中：先开枪，后鸟死是否能发生先鸟死，后开枪？由因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的前事件1后事件2开枪鸟死在S中：时序:两个事件发生的时间顺序。子弹v在S’中：0t0't在S’中)1('cucvtt§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性播放教学片CD7同时的相对性§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性例.（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在其它惯性系中必不同时发生。（2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在其它惯性系中必同时发生。正确的说法是：(A)(1).(3)(B)(1).(2).(3)(C)(3)(D)(2).(3)[C]§4.SR中的同时性长度和时间/一、同时概念的相对性二、长度收缩'ooyzxS'z'x'Sv'y1x2x'1x'2x假设尺子和S’系以v向右运动，'''12xxx在S系中同时测量运动的尺子的两端,21tt0t12xxxl0ll)('tvxx0l由有ll0S’系中测量相对静止的尺子长度为§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩oyzxS'o'z'x'Sv'y1x2x'1x'2x0llll00ll20)/(1cvll0称为固有长度，即相对物体静止的参照系所测量的长度。l称为相对论长度，即相对物体运动的参照系所测量的长度。§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩3.明确几点①.观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向。20)/(1cvll②.同一物体速度不同，测量的长度不同。物体静止时长度测量值最大。③.低速空间相对论效应可忽略。，cv0ll④.长度收缩是相对的，S系看S’系中的物体收缩，反之，S’系看S系中的物体也收缩。§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩地球上宏观物体最大速度103m/s，比光速小5个数量级，在这样的速度下长度收缩约1010，故可忽略不计。§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩播放动画§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩播放教学片CD7长度收缩§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩例1.宇宙飞船相对于地面以速度v作匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号，经过t（飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为tc)A(tv)B(2/1)C(cvtc2/1)D(cvtc[A]§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩例2.一固有长度为L0=90m的飞船，沿船长方向相对地球以v=0.80c的速度在一观测站的上空飞过，该站测的飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少？船中宇航员测前述时间间隔又是多少？解：观测站测船身长)m(54)s(1025.2/7vLt通过时间cvLL/120.§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩0Lv通过是观测站以该过程对宇航员而言，vLt/0)s(1075.37§4.SR中的同时性长度和时间/二、长度收缩三、时钟延缓1.运动的时钟变慢在S’系同一地点x’处发生两事件。S’系记录分别为t1’和t2’。..oyzxS'o'z'x'Sv'y两事件时间间隔'''12ttt0tt0固有时间：相对事件静止的参照系所测量的时间。0'x如在飞船上的钟测得一人吸烟用了5分钟。§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓在S系测得两事件时间间隔由)/''(2cxvtt0'x,'0tt0tt在S系中观察S’系中的时钟变慢了----运动的时钟变慢。0tt20)/(1cvtt..oyzxS'o'z'x'Sv'y§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓1971年美国科学家在地面对准精度为109秒铯原子钟，把4台原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈，然后返回地面与地面静止的比较，结果慢了59毫微秒。与相对论值只差用10％，后来将原子钟放到飞船上实验精度进一步提高。在地面上测得这个人吸烟可能用了8分钟。§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓2.明确几点①.运动的时钟变慢。不同系下事件经历的时间间隔不同。时间空间是相互联系的。②.静止的时钟走的最快。固有时间最短。③.低速空间相对论效应可忽略。0tt0tt，cv0'ttt④.时钟变慢是相对的，S系看S’系中的时钟变慢，反之S’系看S系中的时钟也变慢。§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓，1a..慢慢..§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓双生子佯谬§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓1905年10月，德国杂志《物理年鉴》刊登了一篇《关于运动物体的电动力学》的论文，它宣告了狭义相对论假说的问世。正是这篇看似很普通的论文，建立了全新的时空观念，并向明显简单的同时性观念提出了挑战。由爱因斯坦狭义相对论可以得出运动的物体存在时间膨胀效应,于是,在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P．朗之万用双生子实验来质疑狭义相对论的时间膨胀效应，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自洽性上还存在不完善的地方。播放CAI§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓播放CAI§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓播放教学片CD7时钟变慢§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓例：介子的寿命。介子在实验室中的寿命为2.1510–6s，进入大气后介子衰变，e正电子或负电子中微子反中微子速度为0.998c，从高空到地面约10Km，问：介子能否到达地面。解1：以地面为参照系介子寿命延长。用经典时空观介子所走路程§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓681015.2103998.0y)m(644还没到达地面，就已经衰变了。但实际探测仪器不仅在地面，甚至在地下3km深的矿井中也测到了介子。用相对论时空观介子所走路程由地面S系观测介子寿命20)/(1cv0tts100.34626)/998.0(11015.2cc0998.0cy§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓地面S系观测介子运动距离cy998.086103998.01034)m(10190解2：以介子为参照系运动距离缩短。完全能够到达地面。S’系介子所走路程/'yy20)/(1cvy2998.0110190)m(644距离缩短，同样可到达地面。§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓例2.观测者甲和乙分别静止在两个惯性参照系K和K’中，甲测得在同一地点发生的两个事件间隔为4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为5s，求：K’相对于K的运动速度.解:因两个事件在K系中同一地点发生,则根据时钟变慢公式,有0tt甲相对事件是静止的测量的是固有时间t0=4s，乙相对事件是运动的，测量的是相对论时间t=5s。§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓解得cttv2/1220]/1[m/s108.1)5/3(8c0tt220/1cvttc2/122]5/41[§4.SR中的同时性长度和时间/三、时钟延缓§4.SR中的同时性长度和时间