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1、第四节第四节第四节第四节相对论中的相对论中的 同时性、长度同时性、长度和时间和时间1爱因斯坦列车爱因斯坦列车一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性 由于光速不变，在由于光速不变，在S系中不同地点同时发系中不同地点同时发生的两个事件，在生的两个事件，在S系中不系中不再再是同时的了。是同时的了。 在列车中部一光在列车中部一光源发出光信号，在列源发出光信号，在列车车中中 AB 两个接收器两个接收器同时收到光信号，同时收到光信号， 但在地面来看，由于光速不变，但在地面来看，由于光速不变，A 先收到，先收到，B 后收到后收到 。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对
2、性一、同时概念的相对性21. 在在 S 系中系中不同地点不同地点同时发生同时发生的两事件，的两事件，由由在在 S 系中这两个事件不是同时发生的。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中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性32. 在在 S 系中系中相同地点相同地点同时发生同时发生的两事件，的两事件，由由在在 S 系中这两个事件是同时发生的。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中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性43.明确几点明确几点. 在在 S 系中系中不同地点不同地点同时发生同时发生的两事件，
3、的两事件，在在 S 系中这两个事件系中这两个事件不是同时发生不是同时发生的。的。.在在 S 系中系中相同地点相同地点同时发生同时发生的两事件，的两事件，在在 S 系中这两个事件是系中这两个事件是同时发生同时发生的。的。.当当 vc 时，时，低速空间低速空间“同时性同时性”与参照系无关。与参照系无关。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性5.同时性没有绝对意义。同时性没有绝对意义。.有因果关系的事件，因果关系不因坐有因果关系的事件，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
4、违反因果率。谓谁先谁后。超光速信号违反因果率。当当时时4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性6在在S中：中：先开枪，后鸟死先开枪，后鸟死是否能发生先鸟死，后开枪？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由因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的前前事件事件1后后事件事件2开枪开枪鸟死鸟死在在S中：中：时序时序: 两个事件发生的时间顺序。两个事件发生的时间顺序。子弹子弹v在在S中：中：在在S中中4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性7播放教学片播放教学片 CD7
5、 同时的相对性同时的相对性 4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性8例例.（1）某惯性系中一观察者，测得两事某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。中，它们不同时发生。（3）在某惯性系中同时、不同地发生的在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在其它惯性系中必不同时发生。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。的两件事，在其它惯性系中必同时发生。 正确的说法是：
6、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中的同时性长度和时间 / 一、同时概念的相对性一、同时概念的相对性9二、长度收缩二、长度收缩 假设尺子和假设尺子和 S 系系以以 v 向右运动，向右运动，在在 S 系中系中同时测量同时测量运动的尺子的两端运动的尺子的两端由由有有S 系中测量相对静系中测量相对静止的尺子长度为止的尺子长度为4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩10l0 称为固有长度称为固有长度，即，即相对物体静止的参相对物体静止的参照系所测量的长度
7、。照系所测量的长度。l 称为相对论长度称为相对论长度，即相对物体运动的参，即相对物体运动的参照系所测量的长度。照系所测量的长度。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩113.明确几点明确几点.观察运动的物体其长度要收缩，收缩观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向。只出现在运动方向。.同一物体速度不同，测量的长度不同。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。物体静止时长度测量值最大。.低速空间相对论效应可忽略。低速空间相对论效应可忽略。.长度收缩是相对的，长度收缩是相对的，S系看系看S系中的物系中的物体收缩，反之，体收缩，反
8、之，S系看系看S系中的物体也收缩。系中的物体也收缩。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩12地球上宏观物体最大速度地球上宏观物体最大速度103m/s，比光速比光速小小5个数量级，在这样的速度下长度收缩约个数量级，在这样的速度下长度收缩约10-10，故可忽略不计。故可忽略不计。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩13播放动画播放动画4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩14播放教学片播放教学片 CD7 长度收缩长度收缩 4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时
9、间 / 二、长度收缩二、长度收缩15例例1.宇宙飞船相对于地面以速度宇宙飞船相对于地面以速度 v 作匀速作匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号，经过飞船尾部发出一个光讯号，经过 t （飞（飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，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则由此可知飞船的固有长度为 A 4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩16例例2.一固有长度为一固有长度为 L0=90 m的飞船，沿船的飞船，沿船长方向相对地球以长方向相对地球以 v =0.80 c 的速
10、度在一观的速度在一观测站的上空飞过，该站测的飞船长度及船测站的上空飞过，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？宇航员测前述时间间隔又是多少？.4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩174. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 二、长度收缩二、长度收缩18三、时钟延缓三、时钟延缓1. .运动的时钟变慢运动的时钟变慢 在在 S 系系同一地点同一地点 x 处发生两事件。处发生两事件。 S 系记录分别为系记录分别为 t1 和和 t2。.两事件时间间隔两事件时间间隔
11、t0 固有时间：固有时间：相对事件静止的参照系所测相对事件静止的参照系所测量的时间。量的时间。如在飞船上的钟测得一人吸烟用了如在飞船上的钟测得一人吸烟用了5分钟。分钟。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓19在在 S 系测得系测得两事件两事件时间间隔由时间间隔由在在 S 系系中观察中观察 S 系中的系中的时钟变慢了时钟变慢了-运动运动的时钟变慢。的时钟变慢。.4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓20 1971年美国科学家在地年美国科学家在地面对准精度为面对准精度为10-9秒铯原子秒铯原子钟，把钟，把4台原子
12、钟放到喷气台原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈，式飞机上绕地球飞行一圈，然后返回地面与地面静止的然后返回地面与地面静止的比较，结果慢了比较，结果慢了59毫微秒。毫微秒。与相对论值只差用与相对论值只差用10，后，后来将原子钟放到飞船上实验来将原子钟放到飞船上实验精度进一步提高。精度进一步提高。在地面上测得这个人吸烟可能用了在地面上测得这个人吸烟可能用了8分钟。分钟。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓212.明确几点明确几点.运动的时钟变慢。不同系下事件经历运动的时钟变慢。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。的时间间隔不同。时间空间
13、是相互联系的。.静止的时钟走的最快。固有时间最短。静止的时钟走的最快。固有时间最短。.低速空间相对论效应可忽略。低速空间相对论效应可忽略。.时钟变慢是相对的，时钟变慢是相对的，S系看系看S系中的时系中的时钟变慢，反之钟变慢，反之 S系看系看S系中的时钟也变慢。系中的时钟也变慢。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓22a.慢慢慢慢.4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓23 双生子佯谬双生子佯谬4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓241905年年10月，德国月，德国杂
14、志志物理年物理年鉴刊登了一篇刊登了一篇关于运关于运动物体的物体的电动力学力学的的论文，它宣告了狭文，它宣告了狭义相相对论假假说的的问世。正是世。正是这篇看似很普通的篇看似很普通的论文，文，建立了全新的建立了全新的时空空观念，并向明念，并向明显简单的同的同时性性观念提出了挑念提出了挑战。由。由爱因斯坦狭因斯坦狭义相相对论可以得出运可以得出运动的物体存在的物体存在时间膨膨胀效效应,于是于是, 在在1911年年4月波隆月波隆哲学大会上，法国物理学家哲学大会上，法国物理学家P朗之万用双生子朗之万用双生子实验来来质疑狭疑狭义相相对论的的时间膨膨胀效效应，设想的想的实验是是这样的：一的：一对双胞胎，一个留
15、在地球上，另一个乘双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球行的双胞胎回到地球时只不只不过两两岁，而他的兄弟早，而他的兄弟早已死去了，因已死去了，因为地球上已地球上已经过了了200年了。年了。 这就是著名的就是著名的双生子双生子详谬。双生子佯。双生子佯谬说明狭明狭义相相对论在在逻辑自洽性上自洽性上还存在不完善的地方。存在不完善的地方。25播放播放CAI4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓26播放播放CAI4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 /
16、 三、时钟延缓三、时钟延缓27播放教学片播放教学片 CD7 时钟变慢时钟变慢 4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓28例：例：介子的寿命。介子的寿命。 介子在实验室中的寿命为介子在实验室中的寿命为2.1510 6s，进入大气后，进入大气后 介子衰变，介子衰变，正电子或负电子正电子或负电子中微子中微子反中微子反中微子速度为速度为0.998c，从高空到地面约从高空到地面约 10Km，问：问： 介子能否到达地面。介子能否到达地面。解解1：以地面为参照系以地面为参照系 介子寿命延长。介子寿命延长。用经典时空观用经典时空观 介子所走路程介子所走路程4. SR中
17、的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓29还没到达地面，就已经衰变了。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深的矿井中也测到了 介子。介子。用相对论时空观用相对论时空观 介子所走路程介子所走路程由由地面地面 S 系系观测观测 介子寿命介子寿命4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓30地面地面 S 系系观测观测 介子运动距离介子运动距离解解2： 以以 介子为参照系运动距离缩短。介子为参照系运动距离缩短。完全能够到达地面。完全能够到达地面
18、。S 系系 介子所走路程介子所走路程距离缩短，同样可到达地面。距离缩短，同样可到达地面。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓31例例2.观测者观测者甲甲和和乙乙分别静止在两个惯性参分别静止在两个惯性参照系照系 K 和和 K 中，甲测得在同一地点发生中，甲测得在同一地点发生的两个事件间隔为的两个事件间隔为 4s，而乙测得这两个事，而乙测得这两个事件的时间间隔为件的时间间隔为 5s，求：求：K 相对于相对于 K 的运动速度的运动速度. 解解:因两个事件在因两个事件在 K 系中同一地点发生系中同一地点发生,则则根据时钟变慢公式根据时钟变慢公式,有有甲相对事件是静止的测量的是固有时间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，乙相对事件是运动的，测量的是相对论时间相对论时间t =5s 。4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓32解得解得4. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 / 三、时钟延缓三、时钟延缓334. SR中的同时性长度和时间中的同时性长度和时间 34
