人教版高中物理选修3-4 15.2-时间和空间的相对性（45张）.ppt

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 时间和空间的相对性 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。 同时是相对的 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。   A B 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。 A B 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： 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′ O S X Y ● 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 A B 推导过程 h h △ t ＇ =2h/c b 图以站台上的人作为参考系 A D A′ 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 v△t ＇ 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”。 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 乙 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 乙 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 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 D 4 、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？ 解：卫星上观测到的时间为 △ t ＇ ＝ 1min ，卫星运动的速度为 v ＝ 8×10 3 m/s ，所以地面上的观测到的时间为