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1、第二节：经典时空观 与相对论时空观广东翁源第一高级中学 物理组：赵书华*1经典时空观与相对时空观前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容 。 牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律， 这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里， 牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用， 同时自身也得到了很大发展。 但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，微观高速如原子、电子粒子，光、电磁波及粒子衰变，速度 为光速或接近光速空间尺度Date2经典时空观与相对时空观这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期认为是不言自明的基本观念作出根本性的
2、变革，物理学需要一场革命！二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场 从经典物理向近代物理变革的标志本节介绍相对论的基础知识Date3经典时空观与相对时空观. 伽利略相对性原理对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：第一个问题对于不同的参照系，基本力学定律的形式是完全一样吗？对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立， 这也就是说，对于不同的惯性参照系， 力学的基本定律牛顿定律的形式是一样的。这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理一、 经典力学时空观Date4经典时空观与相对时空观甲 乙惯性参照系牛顿定律适用的参照系相对惯性系作匀速直线运动的参照系例甲乙站台Date5经典时空观与相对时空观选择的参
3、考系不同，对运动的描述就不同：例如：让两小球从同一高度同时自由下落。符合牛顿运动定律不符合牛顿运动定律惯性系非惯性系Date6经典时空观与相对时空观第二个问题相对于不同的参照系长度和时间的 测量是一样的吗？对于空间和时间测量的问题， 牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。. 绝对时空观所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关； 绝对时间是指时间的量度与参照系无关 这就是说，两点之间的距离， 无论在那个惯性系中测量都是一样的； 同样，前后发生的两个事件之间的时间， 无论在那个惯性系中测量都是一样的Date7经典时空观与相对时空观如果甲测的小球 下落时间为如果乙测的小球 下落时间为例甲乙站台D
4、ate8经典时空观与相对时空观牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”按照这种观点：时间和空间是彼此独立， 互不相关并且独立于物质和运动之外的， 不受物质和运动的影响。绝对时空观Date9经典时空观与相对时空观根据绝对时空观，得出几个 结论p同时绝对性p时间间隔的绝对性p空间距离的绝对性p质量恒定不变Date10经典时空观与相对时空观牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观 是作为两个基本假设提出来的， 它之所以为人们接受承认 一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的
5、巨大功； 另一方面观察结果与人们的经验相符。 但是十九世纪中叶， 人们在研究与物体运动有关的电磁现象时， 发现在电磁现象的规律不符合相对性原理其中最典型的就是光速的问题Date11经典时空观与相对时空观这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是这一数值Date12经典时空观与相对时空观伽利略相对原理和电磁规律的矛盾 促使人们思考下述问题：绝对时空观的观念是不是需要 修正？困惑 ？这个时
6、候整个物理学界陷入Date13经典时空观与相对时空观爱因斯坦: Einstein现代时空的创始人20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题进行 了深入研究，并在1905年发表了论文 论动体的电动力学在这篇论文里对上述问题 作出了对整个物理学界乃 至整个科学界都有变革意 义的回答Date14经典时空观与相对时空观相对论的时空观念与人们固相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被有的时空观念差别很大，很难被 普通人所理解。人们都称赞爱因普通人所理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟 大的内容。这使人们想起英国诗大的内容。这使人们想起英国诗 人波谱歌
7、颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句: :自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。 后人续写道后人续写道: : 上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后， 魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。Date15经典时空观与相对时空观在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学二、狭义相对论时空观. 爱因斯坦假设1. 爱因斯坦相对性原理物理学定律在所有的惯性系中都是一样的， 也就是说，物理学定律与惯性系的
8、选择无关爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较， 前者是后者的推广Date16经典时空观与相对时空观这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。2. 光速不变原理在任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何， 在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的 光速都是相等的，就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上 爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论Date17经典时空观与相对时空观爱因斯坦相对性原理物理学定律在所有的惯 性系中都是一样的，也 就是说，物理学定律与 惯性系的选择无关光速不变原理在任何惯性系中，
9、自由 空间（真空）中的光速 具有相同的量值 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展讨论一切物 理规律力学 规律Date18经典时空观与相对时空观 观念上的变革革命性(相对性)光速同时时间与空间质量经典时空观狭义相对论时空观相对的绝对的（不变）绝对的与运动无关，绝对的与运动无关，不变的相对的与运动有关，相对的随速度增加而增大Date19经典时空观与相对时空观、 狭义相对论时空观1.1.、同时相对性、同时相对性设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中 央有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信 号.Date20经典时空观与相对时空观1. 1.、同时相对性、同时相对性Date21经
10、典时空观与相对时空观Date22经典时空观与相对时空观1) 沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件， 在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观 察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。2) 对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。 结论即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。S相对S 系的速度越大，在S系测两事件的时间间隔 就越长。Date23经典时空观与相对时空观2.时间延缓（动钟变慢）爱因斯坦曾经言， 两个校准好的钟，当一个 沿闭合路线运动返回原地 时，它记录的时间比原地 不动的钟会慢一些。这已 被高精度的铯原子钟超音 速环球飞行实验所证实。相对论预言 慢 ( 184
11、23 ) 10 - 9 s实 测 慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s22 1cutt -=DDDate24经典时空观与相对时空观双生子佯谬是一对双生子。 乘高速飞船到太空 和遨游一段 比自己老了，根据运动的相对性 ， 和运动的时钟变慢了，但运动是相对的 ，都认为对方的钟在运动，这将会导致 双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。 若 时间后返回地球 ， 发现对方 将会得出 也发现 对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬 。实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子 的运动状态并不对称（ 例如， 飞离、返回要经历加、减速运动 过程），其结果一定是 的时钟变慢了，
12、双生子 一定比 年轻 。附：Date25经典时空观与相对时空观SO X YO SXY 特别注意： 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3.动尺变短（空间收缩效应）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.Date26经典时空观与相对时空观检测题有关科学家和涉及的事实，正确的 说法是 A哥白尼创立了日心说B伽利略发现了行星运动规律C. 惠更斯解决了弹性碰撞问题D爱因斯坦提出了量子论( A C )( A C )Date27经典时空观与相对时空观检测题一列火车以速度v相对地面运动如果地面 上的人测得，某光源发出的闪
13、光同时到达车 厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是 A火车上的人测得，闪光先到达前壁 B火车上的人测得，闪光先到达后壁 C火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁 D条件不足，无法确定( A )( A )Date28经典时空观与相对时空观检测题p 有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时 钟B、C分别放在两个火箭上，以速度vB和vC朝 同一方向飞行，vBvC 对于地面上的观察者 来说，则以下说法中正确的是p A时钟A走得最慢 B时钟B走得最慢p C时钟C走得最慢 D时钟C走得最快( C )( C )Date29经典时空观与相对时空观检测题如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之 一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的 是 A地面上的观察者测得的火箭长为30 m B地面上的观察者测得的火箭长小于30 m C地面上的观察者测得的火箭长大于30 m D火箭上的观察者测得的火箭长为30 m( BD )( BD )Date30经典时空观与相对时空观
