时间和空间的相对性.ppt

1、第二节 时间和空间的相对性,经典的时空概念 我们在学习力学时，总要涉及时间间隔和空间距离的计算或测量。早在牛顿建立经典力学时，就考虑并形成了绝对时空的概念。他认为全宇宙都在这共同的时间中发展。两个理想的钟，不论它们是否有相对运动，它们的快慢总是一样的。两个事件同时发生，任何观察者，不论他们是否有相对运动，都认为是同时发生的。所以时间的概念是绝对的。世界万物都在共同的空间里，或静止或运动。空间任何两点的距离，比如一个理想刚性杆的长度，对任何观者来说，不论它们是否有相对运动，测量的结果都是相同的。所以说空间也是绝对的。经典的时空观念就是绝对的时空观念。,如课本图15.1-1所示，以地面作为S参照系

2、，火车为S参照系，火车以速度向右运动。设有一束光在火车里沿车运行方向传播，速度为c，按经典时空概念，在S系内测量此光束的速度应为cc。这与光速不变原理相矛盾。为解决此矛盾必须改变经典的时空观念。,狭义相对论的时空概念 爱因斯坦在研究电磁规律的同时，也分析了时间和空间的概念，指出了经典时空概念的局限性。研究时空的性质需要进行测量，光或电磁波是测量时空的唯一工具，从而是了解时空性质不可缺少的因素。以下，简单地介绍狭义相对论的时空概念。,(1)“同时”的相对性 ,情况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 讲解关键：在各个参考系中光速都为c 情况2：地面上同时发生的两个事件，对

3、于运动的火车也不是同时的（利用相对运动原理）,在相隔一定距离的两点发生的事件是否同时，需用光讯号来测量。爱因斯坦提供了一种测量方法，可以作为同时的定义。在两点连线的中点设立一光讯号的探测装置，在每个事件发生的同时各发射一光讯号，如果位于中点的探测装置同时接收到这两个光讯号，则这两个事件是同时发生的。如果不是同时发生的，也可以根据两光讯号到达的先后，来判断两事件发生的先后。,一列火车以速度向右行驶，如图所示。A和B为车首尾处的两点，C为A和B连线的中点。A和B是在事件发生时，地面上与A和B分别对应的两点，C为A和B连线的中点。车从左侧开来，当行至图示位置时，A和B各发射一光讯号，代表两个事件。如

4、果在C点同时接收到这两个光讯号，则在地面上判断，两讯号是同时发生的。而火车向右行驶，设在车上C点的探测装置必然先接收到A发出的光讯号。反之，如果A、B两点发出的两光讯号被C点的装置同时接收到，则车内的观者认为A和B两讯号同时发出，而地面的观者必然认为B处的光讯号比A处的光讯号先发出。可见同时性是相对的，而不是绝对的。,(2)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：,空间两点的距离，比如理想刚性杆的长度，当它静止时，称为静止长度，简称静长。有一刚性杆静止在火车内，沿车行进方向放置，其静长为l0。火车以速度运动，当地面上要测量随车一起运动的刚性杆长度时，需用地面

5、上静止的尺同时读出刚性杆两端对准的刻度，这样测得的长度l要小于静长l0。这种效应称为运动距离的缩短，可以证明， 运动距离缩短的效应是相对的。火车里的人测量静止在地面上沿运动方向而放置的刚性杆长度，也小于其静长。,例1 一观察者测得运动着的米尺长0.5m， 问此尺以多大的速度接近观察者？,结束,目录,解：由长度收缩公式：,结束,目录,练习1 一张宣传画5m见方，平行地贴于铁 路旁边的墙上，一高速列车以 2108m/s 速度接近此宣传画，这张画由司机测量将成 为什么样子？,结束,目录,解：由长度收缩公式：,画面的尺寸为 53.7 m2,结束,目录,作业,P106 1 2 3,(3)时间间隔的相对性

6、,在站台上看运动火车上的钟,在火车上看运动站台上的钟,在一惯性系内，同一地点发生的两事件的时间(间隔)，称为原时。原时为静止的钟所记录的时间。比如，在一列运动的火车中，相对火车静止的钟记录的发生在火车上同一地点的两件事的原时为，在地面看来，火车以速度运动，这两件事并非发生在同一地点，地面上的钟测量该两事件的时间间隔t要大于原时，这种效应称为运动时间的膨胀。在地面上看来，运动的钟走得慢些，所以又称这个效应为运动时钟的变慢。可以证明 为运动钟的速度，c为光速。质量为电子质量207倍的子的寿命为2.2610-6秒(原时)，当它以0.998c而高速运动时，测得其寿命为3010-6秒，完全符合运动时间的

7、膨胀效应。运动时间的膨胀效应是相对的，在火车中的人观察，地面向后运动，地面的钟走得比车内的钟慢些。,相对速度与动钟延缓效应 ( =1s）,V（米/秒） 0.1c=3107 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,例2 远方的一颗星以0.8c的速度离开我 们，接受到它辐射出来的闪光按 5昼夜的周 期变化，求固定在此星上的参考系测得的闪 光周期。,结束,目录,解：固定在此星上的参照系测得的闪光 周期为固有时间0,时间t =5既包括地球上测得的闪光周期,在此星上测得的闪光周期为5/3昼夜,结束,

8、目录, ,还包括光信号传递的时间v/c ，即：,练习2 假设宇宙飞船从地球射出，沿直线 到达月球，距离是3.84108m，它的速率 在地球上被量得为0.30c。根据地球上的时 钟，这次旅行花多长时间？根据宇宙飞船所 做的测量，地球和月球的距离是多少？怎样 根据这个算得的距离，求出宇宙飞船上时钟 所读出的旅行时间？,结束,目录,解：设地球至月球的距离为H0,飞船的速度为v,地 球上的观察者测得飞船从地球到月球的时间为t,在飞船上测量，地球到月球的距离H为,在飞船上测量，飞船的旅行时间为：,结束,目录,飞船的飞行时间也可以这样求得：对于飞船 上的观察者来说，从地球出发及到达月球这两事 件都发生在飞船上，他所测得的时间为固有时间 0由时间膨胀公式可得:,结束,目录,狭义相对论的时间和空间概念不再是绝对的，而是相对的，和运动密切相关。如果运动速度比光速小得多，即c，运动时间的膨胀和运动距离的缩短都可以忽略。日常生活和大部分工程技术中，所涉及的物体的运动速度都远小于光速，经典时空的概念仍然适用。,(4)时空相对性的实验