1、2.时间和空间的相对性 1.知道同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性。2.了解时空相对性的实验验证。3.知道狭义相对论的时空观:空间和时间与物质的运动状态有关。1 2 3 4 5 1.“同时”的相对性(1)经典的时空观:在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一惯性系中观察也是同时的。(2)相对论的时空观:“同时”具有相对性,即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件,在另一惯性系中观察不是同时的。1 2 3 4 5 2.“长度”的相对性(1)经典的时空观:一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。(2)相对论的时空观:“长度”也具有相对性,一条沿自身长度方向运动的
2、杆,其长度总比杆静止时的长度要小。在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。(3)相对论中杆的长度公式:l=l0 1-2,其中0 是与杆静止的人认为的长度,是与杆相对运动速度为的人认为的杆的长度。1 2 3 4 5 3.时间间隔的相对性(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性系中观察,它们的时间间隔总是相同的。(2)相对论的时空观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔是不同的,惯性系的速度越大,惯性系中的物理过程进行得越慢。非但如此,惯性系中的一切物理过程都变慢了。(3)相对时间间隔公式:t=1-2,式中 表示静止时惯性系中观察的时间间隔,表示以速度高速运动的参考系中观察同样两
3、件事的时间间隔。1 2 3 4 5 4.时空相对性的验证 根据相对论,时间在运动中会进行得比较缓慢,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。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子的数量,结果与相对论预言完全一致。1 2 3 4 5 5.相对论的时空观 牛顿物理学的绝对时空观:物理学的空间与时间是绝对的、分离的、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、时间的进一步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
4、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。一 二 三 一、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢”1.动尺变短:狭义相对论中的长度公式 l=l0 1-2中,0 是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度,而可以认为是杆沿自己的长度方向以速度运动时,静止的观察者测量的长度。还可以认为杆不动,而观察者沿杆的长度方向以速度运动时测出的杆的长度。一 二 三 2.动钟变慢:时间间隔的相对性公式 t=1-2 中,是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔,而 是相对于事件发生地以速度运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说:在相对运动的参考系中观测,事件变化过
5、程的时间间隔变大了,这叫作狭义相对论中的时间膨胀。一 二 三 二、“动钟变慢”公式的推导 两个完全相同的时钟,对好指针,一个放在静止的参考系中,一个放在运动的参考系中,运动的时钟走得比静止的要慢。一个物理事件发生在运动惯性系中,运动系中的观察者测量的时间是t,静止的参考系中测量的时间是t,结果是tt。甲一 二 三 例如,如图甲所示,在运动的车厢里的观察者看到从车厢底板发出的一束光经顶板反射又回到底板,事件发生的时间为=2 乙一 二 三 在地面上的观察者研究同一事件,经历的时间为 t,如图乙所示由几何关系有 ct=2 2+2 2,即t=422-2 由两式得 t=1-2。一 二 三 三、经典时空观
6、与相对论时空观的主要区别 1.实验基础不同。我们根据生活经验,通过对周围世界的观察最容易接受的是经典时空观(又叫绝对时空观),因为经典时空观是以vc的低速运动下的实验为基础建立的,而相对论时空观建立在光速不变的基础上,在高速运动的情形中,相对论效应才会明显,由于缺少高速运动中的生活经验,初学者难以接受。一 二 三 2.对时间、空间与物质的联系性认识不同。(1)经典时空观认为时间均匀流逝,与物质无关;空间是物质运动的场所,空间本身不受物质运动状态的影响;同时空间与时间也是没有联系的。总之一句话,时间、空间都是绝对的,不同参考系中观察同一物理过程时间是相同的,观察同一物体长度是相同的。(2)相对论
7、时空观认为物理过程的快慢与物体的运动状态有关,运动物体的长度也跟物体的运动状态有关。换句话说,不同参考系中观察同一物理过程时间可能不同,观察同一物体长度可能不同。空间和时间与物质的运动状态有关,同时,时间和空间也是有联系的。一 二 三 3.经典时空观的价值。经典时空观建立在实验的基础上,它的结论又受到无数次实践的检验。虽然相对论时空观更具有普遍性,但是经典时空观在低速运动时所得出的结论与实验事实符合得很好,由于宏观物体的速度不可能接近光速。所以经典时空观仍有存在的价值。类型一 类型二 长度的相对性【例1】长度测量与被测物体相对于观察者的运动有关,物体在运动方向上长度缩短了。一艘宇宙飞船的船身长
8、度为l0=90 m,相对地面以v=0.8c的速度从一观测站的上空飞过。(1)观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少?(2)宇航员测得船身通过观测站的时间间隔是多少?类型一 类型二 解析：(1)观测站测得船身的长度为l=l0 1-22=90 1-0.82 m=54 m通过观测站的时间间隔为t=54m0.8=2.25 10 7 s。(2)宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔为t=0=90m0.8=3.75 10 7 s。答案：(1)2.2510-7 s(2)3.7510-7 s 题后反思在和被测物体有相对运动的观察者看来,物体沿运动方向的长度变短了。类型一 类型二 时间的相对性【例2】半人马座星是离太阳系最近的恒星,它距地球4.01016m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马座星之间。若宇宙飞船的速度为0.999c,按地球上的时钟计算,飞船往返一次需多长时间?若以飞船上的时钟计算,往返一次的时间又为多少?类型一 类型二 解析：以地球上的时钟计算t=24.010160.9993108 s2.67108 s8.47 年;若以飞船上的时钟计算:因为 t=1-2所以得t=1-2=2.67 108 1-0.9992 s1.19107 s137.7天。答案：8.47年 137.7天 类型一 类型二 题后反思在运动的惯性参考系中观测时间具有延缓效应。
