經(jīng)典時空觀與相對論時空觀.ppt

2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,1,第二節(jié)：經(jīng)典時空觀與相對論時空觀,廣東翁源第一高級中學 物理組：趙書華,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,2,前面幾章介紹了經(jīng)典力學（牛頓力學）最基本的內(nèi)容。 牛頓力學的基礎就是以牛頓命名的那三條定律， 這一理論形成于十七世紀，在以后的兩個多世紀里， 牛頓力學對科學和技術的發(fā)展起了巨大的推動作用， 同時自身也得到了很大發(fā)展。 但是，進入二十世紀， 物理學研究的領域開始深入到了微觀高速領域，,微觀,高速,如原子、電子粒子，,光、電磁波及粒子衰變，速度為光速或接近光速,空間尺度,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,3,這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學在這些領域不再適用,物理學的發(fā)展要求對牛頓力學以及某些長期 認為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革， 物理學需要一場革命！,二十世紀初誕生的相對論和量子力學就是這場 從經(jīng)典物理向近代物理變革的標志,本節(jié)介紹相對論的基礎知識,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,4,. 伽利略相對性原理,對于第一個問題，牛頓力學的回答是干脆的：,對于任何慣性參照系，牛頓定律都成立， 這也就是說，對于不同的慣性參照系， 力學的基本定律牛頓定律的形式是一樣的。,這一結論稱作伽利略相對性原理或力學相對性原理,一、 經(jīng)典力學時空觀,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,5,甲,乙,慣性參照系,牛頓定律適用的參照系,相對慣性系作勻速直線運動的參照系,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,6,選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：,例如：讓兩小球從同一高度同時自由下落。,符合牛頓運動定律,不符合牛頓運動定律,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,7,對于空間和時間測量的問題， 牛頓力學是用絕對空間和絕對時間的概念來回答。,. 絕對時空觀,所謂絕對空間是指長度的量度與參照系無關； 絕對時間是指時間的量度與參照系無關,這就是說，兩點之間的距離， 無論在那個慣性系中測量都是一樣的； 同樣，前后發(fā)生的兩個事件之間的時間， 無論在那個慣性系中測量都是一樣的,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,8,如果甲測的小球下落時間為,如果乙測的小球下落時間為,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,9,牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言 與外界任何事物無關，而永遠是相同的和不動的”， “絕對的、真正的和數(shù)學上的時間自己流逝著， 并由于它的本性而均勻地與任何外界對象無關地流逝著?！?按照這種觀點：時間和空間是彼此獨立， 互不相關并且獨立于物質(zhì)和運動之外的， 不受物質(zhì)和運動的影響。,絕對時空觀,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,10,根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結論,同時絕對性 時間間隔的絕對性 空間距離的絕對性 質(zhì)量恒定不變,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,11,牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀 是作為兩個基本假設提出來的， 它之所以為人們接受承認 一方面是牛頓力學在解決力學問題獲得的巨大功； 另一方面觀察結果與人們的經(jīng)驗相符。,但是十九世紀中葉， 人們在研究與物體運動有關的電磁現(xiàn)象時， 發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理,其中最典型的就是光速的問題,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,12,這一結論還特別為后來的很多精確的實驗所證實， 最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。 它們都明確無誤地證明光速的測量結果與光源和 測量者的相對運動無關，亦即與參照系無關。 可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理.,任何參照系中測得的光在真空的 速率都應該是這一數(shù)值,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,13,伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾 促使人們思考下述問題：,絕對時空觀的觀念是不是需要修正？,困惑 ？,這個時候整個物理學界陷入,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,14,愛因斯坦: Einstein 現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人,20世紀最偉大的科學家 愛因斯坦對這個問題進行了深入研究， 并在1905年發(fā)表了論文論動體的電動力學 在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學界乃至整個科學界都有變革意義的回答,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,15,相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:,自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中， 上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。 后人續(xù)寫道: 上帝說完多少年之后， 魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,16,在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設 并在這兩個假設的基礎上構筑了狹義相對論力學,二、狹義相對論時空觀,. 愛因斯坦假設,愛因斯坦相對性原理,物理學定律在所有的慣性系中都是一樣的， 也就是說，物理學定律與慣性系的選擇無關,愛因斯坦相對性原理和牛頓相對性原理比較， 前者是后者的推廣,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,17,這就使得相對性原理不僅適用于力學現(xiàn)象， 而且適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)。,光速不變原理,在任何慣性系中， 自由空間（真空）中的光速具有相同的量值,也就是說，不管光源與觀察者的相對運動如何， 在任一慣性系中的觀察者所觀測到的真空中的 光速都是相等的，,就是在看來如此簡單且最一般的兩個假設的基礎上 愛因斯坦建立了一套完整的理論狹義相對論,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,18, Einstein 的相對性理論 是 Newton理論的發(fā)展,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,19, 觀念上的變革,(相對性),相對的,絕對的（不變）,絕對的,與運動無關，絕對的,與運動無關，不變的,相對的,與運動有關，相對的,隨速度增加而增大,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,20,、 狹義相對論時空觀,、同時相對性,設想一列火車以速度v勻速向右運動，火車中央有一信號燈，在經(jīng)過地面O點時發(fā)出一光信號.,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,21,、同時相對性,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,22,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,23,1) 沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中表現(xiàn)同時，在另一慣性系中觀察總是在前一慣性系運動的后方那一事件先發(fā)生。,2) 對不同參考系，同樣兩事件之間的時間間隔是不同的。,結論,即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關。 S相對S 系的速度越大，在S系測兩事件的時間間隔就越長。,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,24,時間延緩（動鐘變慢）,愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準好的鐘，當一個沿閉合路線運動返回原地時，它記錄的時間比原地不動的鐘會慢一些。這已被高精度的銫原子鐘超音速環(huán)球飛行實驗所證實。,相對論預言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s,實 測,慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,25,雙生子佯謬,實際上這種謬誤是不會發(fā)生的，由于兩個時鐘或兩個雙生子的運動狀態(tài)并不對稱（ 例如， 飛離、返回要經(jīng)歷加、減速運動過程），其結果一定是 的時鐘變慢了，,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,26,特別注意： 長度縮短效應只發(fā)生在相對運動的方向上 如上例中的 X 軸方向上， 在Y 軸方向上無長度縮短效應,動尺變短（空間收縮效應）,斐克小伙劍術精， 出刺迅捷如流星， 由于空間收縮性， 長劍變成小鐵釘.,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,27,檢測題,有關科學家和涉及的事實，正確的說法是 A哥白尼創(chuàng)立了日心說 B伽利略發(fā)現(xiàn)了行星運動規(guī)律 C. 惠更斯解決了彈性碰撞問題 D愛因斯坦提出了量子論,( A C ),2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,28,檢測題,一列火車以速度v相對地面運動如果地面上的人測得，某光源發(fā)出的閃光同時到達車廂的前壁和后壁，以下說法中正確的是 A火車上的人測得，閃光先到達前壁 B火車上的人測得，閃光先到達后壁 C火車上的人測得，閃光同時到達車廂 的前壁 和后壁 D條件不足，無法確定,( A ),2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,29,檢測題,有三個完全相同的時鐘，時鐘A放在地面上，時鐘B、C分別放在兩個火箭上，以速度vB和vC朝同一方向飛行，vBvC 對于地面上的觀察者來說，則以下說法中正確的是 A時鐘A走得最慢 B時鐘B走得最慢 C時鐘