15.2时间和空间的相对性hao

15.2时间和空间的相对性在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论．一、“同时”的相对性车厢上的人和地面上的人看到车厢中间灯光到达前后车厢的先后是不一样的．车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁动画A判断技巧：结论：1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的关键：在各个参考系中光速都为c2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的关键：相对运动二、时间间隔的相对性在站台上看运动火车上的钟在火车上看运动站台上的钟高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的．由光速不变原理便得到不同的时间间隔动画演示对于车厢内的人：对于车厢外的人：ch22224vchth21cvt相对速度与动钟延缓效应(τ=1s）•V（米/秒）•0.1c=3×107•0.5c•0.8c•0.9c•0.99c•0.999c•0.9998c•T(秒)•1.01•1.15•1.67•2.29•7.1•22.4•50三、长度的相对性如图，小车以高速v运行，其左侧有一个激光源，右侧是反射镜。光脉冲由S发出，被反射镜M反射后又回到S。现在从车厢参考系和地面参考系两种观点去分析此现象。在车厢参考系上，测得的车厢长度记为L0，光脉冲在两侧车厢板之间往返一次所需时间/c2L2t00在地面参考系上，测得车厢长度记为L，由光速不变原理，地面上看到光脉冲的速度仍然为c。由于车厢在运动，所以光脉冲在车厢两侧之间往返一次所用的时间Δt可以分成两部分之和：Δt=Δt1+Δt2，Δt1为光脉冲由S→M所用时间；Δt2为光脉冲由M→S所用时间，如图所示。由几何关系可得：L+vΔt1=cΔt1L=cΔt2+vΔt2可得:Δt1=L/(c-v)Δt2=L/(c+v))v-(c2Lc2221ttt21cvt又/c2L2t00201cvLLv车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：0ll0ll201cvll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动尺变短（空间收缩效应）S′O′X′Y′ABOSXYu1x●l结论:一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度小在垂直于运动方向上，杆的长度没有发生变化四、时空相对性的验证早在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μ子的数量，结果与相对论预言完全一致．时空相对性的宏观验证根据相对论，时间在运动中会进行的比较缓慢，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．1971年，科学家将铯原子钟放在喷气式飞机中作环球飞行，然后与地面的基准钟对照．实验结果与理论预言符合的很好．这是相对论的第一次宏观验证．21cvt201cvll当两个参考系的相对速度可与光速相比时，时间与空间的相对性才比较明显．狭义相对论的结论已经完全得到证实，实际上它已经成为微观粒子研究的基础之一．牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，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、时间更进一步的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。五、相对论的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)思考：•对于地面上的人认为Ａ、Ｂ两个事件同时发生，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线飞行的人来说，哪个事件先发生？ＡＢ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，vB＜vC．对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是A．时钟A走得最慢B．时钟B走得最慢C．时钟C走得最慢D．时钟C走得最快(C)如果有一支静止时长30m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30mB．地面上的观察者测得的火箭长小于30mC．地面上的观察者测得的火箭长大于30mD．火箭上的观察者测得的火箭长为30m(BD)小结一、“同时”是相对的二、长度的相对性三、时间间隔的相对性21cvt201cvll通俗简单地说，就是在高速运动的前提下，“同时具有相对性，动钟变慢，动尺变短，运动物体质量变大”。著名的双生子佯缪．相对论早有科学的解释．爱因斯坦的解释是，在近光速旅行时，宇宙飞船上的时间变慢了（时间延缓效应，也叫“动钟变慢”），从而让伊芙保持了年轻。史蒂芬·霍金在他的科普名著《时间简史》第二章中也指出，只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言，“双生子佯缪”才是悖论。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间，相反地，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于他在何处并如何运动。“双生子佯谬”这个问题的关键是周游天外的伊芙需要回到出发点和亚当团聚。倘若伊芙的飞船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的。伊芙的飞行路线必然是有来有去，或是转一个圈子。在亚当看来，伊芙是在作变速运动；当然，在伊芙看来，亚当相对于她也在作变速运动。按照“动钟变慢”理论，亚当看伊芙的钟变慢、和伊芙看亚当的钟变慢这种对称性，只有当亚当和伊芙之间的相对运动是匀速直线运动时才能保持。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这个对称性了。进一步说，如果亚当留在地球上，他相对于大量宇宙天体并没有作变速运动，在亚当看来，只有伊芙在作变速运动。在伊芙看来，情况与亚当大大不同，她不但看到亚当在作变速运动，而且整个宇宙都在作变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称。那么，到底谁年轻呢？谁相对于整个宇宙作更多的变速运动，谁就会活得更长久。因此，在时间旅行之后返航的伊芙，比亚当年轻。有趣的是，伊芙的飞船在近光速或超光速飞行时需要消耗巨大的能量，这意味着要保持年轻，需要付出非同寻常的代价。按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。