152时间和空间的相对性

在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？导入新课第十五章相对论简介教学目标一、知识与技能（1）同时的相对性（2）运动长度的收缩（3）时间间隔的相对（4）了解时空相对性的验证（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别二、过程与方法（1）理解同时相对性的推演过程（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程。三、情感态度和价值观（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论教学重难点教学重、难点从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。本节导航一、“同时”的相对性二、长度的相对性三、时间间隔的相对性四、时空相对性的验证五、相对论的时空观一、”同时“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。事例1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。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。AB事例2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。AB在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以A和B开枪动作的先后是相对的。光速不变性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果的现象。概念经典力学狭义相对论光速相对的绝对的同时绝对的相对的不可能有物理联系的两事件的次序绝对的相对的可能有物理联系的两事件的次序绝对的绝对的如谁先动手问题二、长度的相对性v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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。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.结论伽莫夫的著名科普读物《物理世界的奇遇》：该城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切如图中一样的变扁了。三、时间间隔的相对性a图以车上的人作为参考系AB推导过程hh△t＇=2h/cb图以站台上的人作为参考系ADA′C推导过程ACA＇=c△t由a图得出△t＇=2h/c由b图得出ACA＇=c△t以上面两式消去h可得：因为vc，所以总有△t△t＇2)(1cvtt上面的推导公式表明在地面上观测，火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳动、呼吸、消化、思维活动和一切生理过程都变慢了……这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。2)(1cvtt我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？甲事例1这里有两种答案：（1）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。（2）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“双生子佯谬”。甲问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系，互相之间才是等价的。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称性。所以由对称性引起的两难是不存在的。那么，到底谁年轻呢？四、时空相对性的验证1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是μ子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。μ子从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的μ子的确比未经旅行的同类年轻了。我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也就不存在了。实验一1971年铯原子钟实验将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验二地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了。然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！——霍金《时间简史》这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。五、相对论的时空观绝对时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的。相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关。绝对时空观与相对论时空观的区别：绝对时空观相对论时空观光速同时时间与空间相对的相对的绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动联系，相对的一、“同时”是相对的二、长度的相对性三、时间间隔的相对性201cvtt201cvll课堂小结四、用微观和宏观两个实验对时空的相对性进行了验证。五、绝对时空观与相对论时空观的区别。1、下列说法正确的是（）A、世界的过去、现在和将来都只有量的变化，而不会发生质的变化B、时间和空间不依赖人们的意识而存在C、时间和空间是绝对的D、时间和空间是紧密联系、不可分割的D课堂练习2、一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看到这张宣传画画成了什么样子？解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化。答案：宣传画变成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了。3、一只长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下的测量的，以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况（）A、标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B、标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来C、两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺D、所有这些都与观察者的运动情况有关D4、以8km/s的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了1min，地面上的人认为它走过这1min“实际”上花了多少时间？min)106.31(min)103108(11)(1102832cvtt解：卫星上观测到的时间为△t＇＝1min，卫星运动的速度为v＝8×103m/s，所以地面上的观测到的时间为