《遼寧省大連市高中物理 第十五章 相對論簡介 15.2 時間和空間的相對性課件 新人教版選修3-4.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《遼寧省大連市高中物理 第十五章 相對論簡介 15.2 時間和空間的相對性課件 新人教版選修3-4.ppt（44頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、在日常生活和生產(chǎn)中，用時鐘測量時間，用米尺測量長度，也是司空見慣的事情。無論是運動的描述，還是運動規(guī)律的說明，都跟時間和長度的測量有關(guān)。對于不同的參考系，長度和時間的測量結(jié)果是否是一樣的？對上述問題的討論，物理學(xué)經(jīng)歷了一場關(guān)于時空觀的變革，從牛頓時代的經(jīng)典力學(xué)跨越到愛因斯坦的相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：運動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮短。這到底是為什么？,第十五章相對論簡介,時間和空間的相對性,一、知識與技能（1）同時的相對性（2）運動長度的收縮（3）時間間隔的相對（4）了解時空相對性的驗證（5）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀的主要區(qū)別,二、過程與方法（1）理解同時相對性

2、的推演過程（2）理解從“同時相對性”出發(fā)得出“運動長度和時間間隔的相對性”的過程。,三、情感態(tài)度和價值觀（1）體會相對論嶄新的時空觀，體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響。（2）辯證地看待經(jīng)典物理理論,教學(xué)重、難點從“同時”的相對性得出運動長度和時間間隔的相對性。,一、“同時”的相對性二、長度的相對性三、時間間隔的相對性四、時空相對性的驗證五、相對論的時空觀,一、”同時“的相對性,在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中看來是同時的，在另一個參考系中看來也一定是同時的，但是如果接受愛因斯坦的兩個假設(shè)，我們會得出“同時是相對的”這樣一個結(jié)論。,,按照狹義相對論，不僅“同時”是相對的，有時

3、候，甚至事情的先后也都是相對的。,一節(jié)長為10米的列車，A在車后部，B在車前部。當(dāng)列車以0.6c的高速度通過一個站臺的時候,突然站臺上的人看到A先向B開槍,過了12.5毫微秒,B又向A發(fā)射。因而站臺上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情況，他們說，是B先開槍，過了10毫微秒，A才動手。事件是由B發(fā)動的。,到底是誰先動手呢？沒有絕對的答案。在這個具體事件中，誰先誰后是有相對性的。在列車參考系中，B先A后，而在車站參考系中則是A先B后。,,在十幾個毫微秒時間內(nèi)，光信號走不到十米遠(yuǎn)，所以A和B開槍動作的先后是相對的。,光速不變性保證了因果關(guān)系的成立，保證我們不會看到任何倒因

4、為果的現(xiàn)象。,二、長度的相對性,,,,,,,,,,v,,車上的人看到的車廂的長度：,車外的人看到的車廂的長度：,,,注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運動的方向上。如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應(yīng)。,動尺變短（空間收縮效應(yīng)）,一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比、桿靜止時的長度小。,斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.,結(jié)論,伽莫夫的著名科普讀物物理世界的奇遇：該城市里的光速異乎尋常地小，當(dāng)他騎自行車高速行駛時，發(fā)現(xiàn)周圍的一切如圖中一樣的變扁了。,三、時間間隔的相對性,a圖以車上的人作為參考系,,,,A,B,推導(dǎo)過程,h,h,t=2h/c,b圖以站臺上

5、的人作為參考系,,,A,D,A,,,,C,推導(dǎo)過程,ACA=ct,由a圖得出t=2h/c,由b圖得出ACA=ct,以上面兩式消去h可得：,因為vt,上面的推導(dǎo)公式表明在地面上觀測，火車上的時間進(jìn)程變慢了，車上的一切物理過程、化學(xué)過程和生命過程都變慢了：時鐘走得慢了，人的心臟跳動、呼吸、消化、思維活動和一切生理過程都變慢了這就是時間間隔的相對性，也稱為“時間膨脹”或“鐘慢效應(yīng)”。,我們設(shè)想甲、乙是一對孿生弟兄。他們計劃做一次高速飛船旅行，來檢驗一下狹義相對論。甲留在發(fā)射基地，乙周游天外。當(dāng)飛船再度回到基地時，是甲比乙年輕，還是乙比甲年輕？,,這里有兩種答案：（1）甲看乙船上的鐘變慢了，所以，甲說

6、乙應(yīng)該比他更年輕一些。（2）乙也看到基地的鐘變慢了，所以乙說甲應(yīng)該比他更年輕些。這是個有名的疑難，叫“雙生子佯謬”。,甲,乙,問題的關(guān)鍵是乙要回到出發(fā)點。乙的飛行路線必然是有來有去，或者是轉(zhuǎn)一個圈子。因此，在甲看來，乙是在做有速度變化的運動，在乙看來，甲相對于他也在做變速運動。按照運動鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢這種對稱性，只有當(dāng)甲和乙的相對運動速度不變時，才能保持?；蛘哒f，只有互相作勻速直線運動的兩個慣性參考系，互相之間才是等價的。一旦出現(xiàn)了變速的相對運動，就不能使用這種對稱性了。甲和乙都生活在宇宙間。他們周圍還有大量天體。因此，雙生子問題中有三個因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如

7、果甲留在基地上，他相對于大量天體并沒有做變速運動。在甲看來，只有乙在做變速運動。在乙看來，情況與甲不同。他不但看到甲在做變速運動,而且整個宇宙都在做變速運動。一邊是整個周圍的宇宙，一邊只是一個飛船，這是明顯的不對稱性。所以由對稱性引起的兩難是不存在的。那么，到底誰年輕呢？,四、時空相對性的驗證,1966年，真的做了一次雙生子旅游實驗，用來判斷到底那個壽命長，同時也一勞永逸地結(jié)束了純理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是子。旅途也不在天外，而是一個直徑大約為十四米的圓環(huán)。子從一點出發(fā)沿著圓軌道運動再回到出發(fā)點，這同乙的旅行方式是一樣的。實驗的結(jié)果是，旅行后的子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了。我們似乎可

8、以這樣作結(jié)論了：誰相對于整個宇宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久。佯謬也就不存在了。,實驗一,1971年銫原子鐘實驗,將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。,實驗二,地球以一定的角速度向東轉(zhuǎn)，地面不是慣性系，而從地心指向太陽的參考系是慣性系（忽略地球公轉(zhuǎn)）。飛機(jī)的速度總小于地球自轉(zhuǎn)速度，所以無論飛機(jī)向東還是向西，它相對于慣性系都是向東，只是前者速度大，后者小。而地面上的鐘的轉(zhuǎn)速度介于二者之間。,這暗示著，人要活得更長久，應(yīng)該不斷地向東飛去，使得地球的轉(zhuǎn)動速度疊加上飛機(jī)的速度。,,,上述實驗表明，相對于慣性系轉(zhuǎn)速越大的鐘走

9、得越慢。這和孿生子問題所預(yù)期的效應(yīng)是一致的。所以似也不應(yīng)再說：“孿生子佯謬”，而應(yīng)是孿生子效應(yīng)了。,然而人們所獲得的比一秒還短得多的生命延長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及劣質(zhì)飛機(jī)餐對健康的殘害！霍金時間簡史,這暗示著，人要活得更長久，應(yīng)該不斷地向東飛去，使得地球的轉(zhuǎn)動速度疊加上飛機(jī)的速度。,五、相對論的時空觀,絕對時空觀認(rèn)為時間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是沒有聯(lián)系的。相對論時空觀認(rèn)為有物質(zhì)才有時間和空間，時間和空間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。,絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別：,相對的,相對的,絕對的,絕對的,與運動無關(guān)，絕對的,與運動聯(lián)系，相對的,一、“同時”是相對的二、長度的相對性三、時間間

10、隔的相對性,四、用微觀和宏觀兩個實驗對時空的相對性進(jìn)行了驗證。,五、絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別。,1、下列說法正確的是（）A、世界的過去、現(xiàn)在和將來都只有量的變化，而不會發(fā)生質(zhì)的變化B、時間和空間不依賴人們的意識而存在C、時間和空間是絕對的D、時間和空間是緊密聯(lián)系、不可分割的,D,2、一張正方形的宣傳畫，正貼在鐵路旁的墻上，一高速列車駛過時，在車上的司機(jī)看到這張宣傳畫畫成了什么樣子？,解析：取列車為慣性系，宣傳畫相對于列車高速運動，根據(jù)尺縮效應(yīng)，宣傳畫在運動方向上將變窄，但在垂直運動方向上沒有發(fā)生變化。答案：宣傳畫變成了長方形，此畫的高度不變，寬度變窄了。,3、一只長的標(biāo)尺以相對論速度穿過一根幾米長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下的測量的，以下哪種敘述最恰當(dāng)?shù)孛枋隽藰?biāo)尺穿過管子的情況（）A、標(biāo)尺收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B、標(biāo)尺收縮變短，因此在某些位置上，標(biāo)尺從管子的兩端伸出來C、兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住標(biāo)尺D、所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān),D,4、以8km/s的速度運行的人造衛(wèi)星上一只完好的手表走過了1min，地面上的人認(rèn)為它走過這1min“實際”上花了多少時間？,解：衛(wèi)星上觀測到的時間為t1min，衛(wèi)星運動的速度為v8103m/s，所以地面上的觀測到的時間為,