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1、第十四章 狭义相对论114.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观一一. 同时性的相对性同时性的相对性S SccM AB以一个假想汽车为例：以一个假想汽车为例：汽车汽车地面参考系地面参考系A、B 处分别放置一光信号处分别放置一光信号接收器接收器中点中点 M 处放置一光信号处放置一光信号发生器发生器t = t = 0 时时, M 发出一光信号发出一光信号A 、B 同时接收到光信号同时接收到光信号1、2 两事件同时发生两事件同时发生事件事件1：A 接收到光信号接收到光信号事件事件2：B 接收到光信号接收到光信号(车上放置一套装置车上放置一套装置)第十四章 狭义相对论2S14.3 狭义相对论的时空
2、观狭义相对论的时空观ccSBM闪光发生在闪光发生在M 处处光速仍为光速仍为 cA 、B 处的接收器随处的接收器随 S 运动运动A 比比 B 早接收到光信号早接收到光信号1事件事件先于先于2 事件发生事件发生事件事件 1 发生发生事件事件 2 发生发生A由洛仑兹变换：由洛仑兹变换：可给出可给出t 和和t 的关系的关系第十四章 狭义相对论3“ “同时同时同时同时” ”的相对性的相对性的相对性的相对性 事件的同时性因参照系的选择而异。事件的同时性因参照系的选择而异。14.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观结论结论 ：沿两个惯性系运动方向，沿两个惯性系运动方向，不同地点不同地点发生的两个事件，发
3、生的两个事件，在其中一个惯性系中是在其中一个惯性系中是同时同时的，的， 在另一惯性系中观察则在另一惯性系中观察则不不同时同时，所以同时具有，所以同时具有相对相对意义；只有在意义；只有在同一地点同一地点， 同一同一时时刻刻发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是发生的两个事件，在其他惯性系中观察也是同时同时的的 .第十四章 狭义相对论414.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观结论结论: 同时性的相对性是同时性的相对性是光速不变原理光速不变原理的的直接结果。直接结果。 同时性是相对的。同时性是相对的。(“同时同时”只是针对某一惯性系而言，只是针对某一惯性系而言， 没有绝对的意义，只有相对意义没
4、有绝对的意义，只有相对意义)同时性的相对性同时性的相对性否定否定了各个了各个惯性系惯性系具有具有统一时间统一时间的的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。可能性，否定了牛顿的绝对时空观。(1)在在S中中同时同地同时同地发生的事件，在任何惯发生的事件，在任何惯 性系中测都是性系中测都是同时同时发生的。发生的。(2) 在在S中中同时不同地同时不同地发生的事件，在发生的事件，在S中是中是不不同时同时的。的。(3) 在在S中中不同时不同地不同时不同地发生的事件，在发生的事件，在S中一般是中一般是不不同时同时的。的。第十五章 狭义相对论514.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观谁先动手谁先动手？第十四章
5、 狭义相对论614.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观思考：思考：事件事件1：子弹出膛：子弹出膛子弹子弹在实验室参考系在实验室参考系S系中，应先开枪后中靶。系中，应先开枪后中靶。在高速运动的参考系在高速运动的参考系S中，是否能先中靶，后开枪？中，是否能先中靶，后开枪？有因果律联系的两事件的时序会不会颠倒？有因果律联系的两事件的时序会不会颠倒？事件事件2：中靶：中靶第十四章 狭义相对论714.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观0有有因果联系因果联系的两事件的时序的两事件的时序不会颠倒不会颠倒因为：因为：子弹速度子弹速度信号传递速度信号传递速度所以：所以：事件事件1:事件事件2:S：S
6、：第十四章 狭义相对论814.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观二二. 时间延缓时间延缓第十四章 狭义相对论914.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观二二. 时间延缓时间延缓问题问题:O 处的闪光光源处的闪光光源发出一光信号发出一光信号事件事件1:事件事件2:O 处的接收器处的接收器接接收到该光信号收到该光信号在在S、S 系中，两事件发生的系中，两事件发生的时间间隔时间间隔之间的关系？之间的关系？ 在在S 系的系的 O 处放置一处放置一闪光光源闪光光源和一和一信号接收器信号接收器，在竖直，在竖直方向距离方向距离 O 点点 h 的位置处放置一的位置处放置一平面反射镜平面反射镜 MS
7、O MSO即即: 第十四章 狭义相对论1014.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观设设 t = t = 0 时刻，时刻，O 处的闪光光源发出一光信号处的闪光光源发出一光信号S O MS O MS O MOSSOS O M第十四章 狭义相对论1114.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观1.在某惯性系中，若二事件发生在在某惯性系中，若二事件发生在同一地点同一地点，则二事件之，则二事件之间的时间间隔称为间的时间间隔称为原时原时，或称，或称固有时间固有时间，记为，记为0记：记：时间膨胀时间膨胀（原时最短）（原时最短）3. 运动的钟比静止的钟读数小运动的钟比静止的钟读数小 时间延缓效应时间延
8、缓效应2. 当当u c 时，时， 运动惯性系中的时间节奏变慢了运动惯性系中的时间节奏变慢了 一切一切物理物理、化学化学、生命生命的节奏都变慢了。的节奏都变慢了。第十四章 狭义相对论1214.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观例例: - 介子是一种不稳定的粒子，从它产生到它衰变为介子是一种不稳定的粒子，从它产生到它衰变为 - 介子介子经历的时间即为它的寿命，已测得静止经历的时间即为它的寿命，已测得静止 - 介子的平均寿命介子的平均寿命 0 = 2 10-8s. 某加速器产生的某加速器产生的 - 介子以速率介子以速率 u = 0.98 c 相相对实验室运动。对实验室运动。求求: - 介子衰变
9、前在实验室中通过的平均距离。介子衰变前在实验室中通过的平均距离。解解: 研究对象：研究对象：- 介子介子S：实验室实验室S：- 介子介子事件事件1： - 介子产生介子产生事件事件2： - 介子衰变介子衰变S：- 介子静止介子静止t 0 原时原时S ：第十四章 狭义相对论1314.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观三三. 长度收缩长度收缩1. 运动长度的测量运动长度的测量 不要求同时测量不要求同时测量必须同时测量必须同时测量OSOSOS原长原长: 相对于棒静止的惯相对于棒静止的惯 性系测得棒的长度性系测得棒的长度第十四章 狭义相对论1414.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观2. 长
10、度收缩长度收缩利用洛沦兹正变换：利用洛沦兹正变换：观察者相对尺静止，测得的长度观察者相对尺静止，测得的长度 称为原长。称为原长。观察者相对尺运动，测得的长度观察者相对尺运动，测得的长度 。长度收缩长度收缩长度收缩是一种时空效应长度收缩是一种时空效应第十四章 狭义相对论1514.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观(2) 长度缩短效应长度缩短效应(3) 长度收缩效应是相对的。长度收缩效应是相对的。在不同惯性系中测量同一尺长，以原长为最长。在不同惯性系中测量同一尺长，以原长为最长。(5) 长度收缩效应显著与否决定于长度收缩效应显著与否决定于 因子。因子。(6) 长度收缩效应是同时性相对性的直接
11、结果。长度收缩效应是同时性相对性的直接结果。讨论讨论(1) 当当u c 时，时，(4) 长度收缩效应只发生在沿运动方向上，长度收缩效应只发生在沿运动方向上，垂直运动垂直运动方向的长度不发生收缩效应。方向的长度不发生收缩效应。一切惯性系都是等价的！一切惯性系都是等价的！如何理解？如何理解？第十四章 狭义相对论1614.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观例例:宇宙飞船以宇宙飞船以 0.8c 速度远离地球速度远离地球(退行速度退行速度 u = 0.8c )，在此过，在此过程中飞船向地球发出两光信号，其时间间隔为程中飞船向地球发出两光信号，其时间间隔为 tE .求求: 地球上接收到它发出的两个光
12、信号间隔地球上接收到它发出的两个光信号间隔 tR .解解令宇宙飞船为令宇宙飞船为 S 系，地面为系，地面为 S 系。则系。则 S 系中测得发出两光系中测得发出两光信号的时间间隔为信号的时间间隔为接收两光信号的时间间隔为接收两光信号的时间间隔为OSxO S O S 第十四章 狭义相对论1714.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观例例:地球地球-月球系中测得地月球系中测得地-月距离为月距离为 3.844108 m，一，一火箭以火箭以 0.8 c 的速率沿着从地球到月球的方向飞行，先经过地球的速率沿着从地球到月球的方向飞行，先经过地球 (事件事件1)，之后又经过月球，之后又经过月球 (事件事件2)。求求: 在地球在地球-月球系和火箭系中观测，火箭从地球飞经月球所需月球系和火箭系中观测，火箭从地球飞经月球所需要的时间。要的时间。 解解S:火箭从地球飞径月球的时间为火箭从地球飞径月球的时间为:研究对象：火箭研究对象：火箭S 地球地球-月球系；月球系；S 火箭系火箭系S :（原长）（原长）
