必修經(jīng)典時空觀與相對論時空觀課件

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(xué)物理組：趙書華8/6/20231經(jīng)典時空觀與相對時空觀第二節(jié)：經(jīng)典時空觀與相對論時空觀廣東翁源第一高級中學(xué)7/28前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的那三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)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(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)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8/6/20232經(jīng)典時空觀與相對時空觀前面幾章介紹了經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）最基本的內(nèi)容。微觀高速如原這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，

物理學(xué)需要一場革命！二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志本節(jié)介紹相對論的基礎(chǔ)知識8/6/20233經(jīng)典時空觀與相對時空觀這時人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓.伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的：第一個問題對于不同的參照系，基本力學(xué)定律的形式是完全一樣嗎？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(xué)的基本定律——牛頓定律的形式是一樣的。這一結(jié)論稱作伽利略相對性原理或力學(xué)相對性原理一、經(jīng)典力學(xué)時空觀8/6/20234經(jīng)典時空觀與相對時空觀.伽利略相對性原理對于第一個問題，牛頓力學(xué)的回答是干脆的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例甲乙站臺8/6/20235經(jīng)典時空觀與相對時空觀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慣性系非慣性系8/6/20236經(jīng)典時空觀與相對時空觀選擇的參考系不同，對運動的描述就不同：例如：讓兩小球從同一高第二個問題相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？對于空間和時間測量的問題，牛頓力學(xué)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(guān)；絕對時間是指時間的量度與參照系無關(guān)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8/6/20237經(jīng)典時空觀與相對時空觀第二個問題相對于不同的參照系長度和時間的測量是一樣的嗎？對于如果甲測的小球下落時間為如果乙測的小球下落時間為例甲乙站臺8/6/20238經(jīng)典時空觀與相對時空觀如果甲測的小球下落時間為如果乙測的小球下落時間為例甲乙站臺7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(guān)，而永遠(yuǎn)是相同的和不動的”，“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)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(guān)地流逝著?！卑凑者@種觀點：時間和空間是彼此獨立，互不相關(guān)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?！^對時空觀8/6/20239經(jīng)典時空觀與相對時空觀牛頓本人曾說：“絕對空間，就其本性而言按照這種觀點：時間和空根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結(jié)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8/6/202310經(jīng)典時空觀與相對時空觀根據(jù)絕對時空觀，得出幾個結(jié)論同時絕對性7/28/202310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(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗相符。但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運動有關(guān)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8/6/202311經(jīng)典時空觀與相對時空觀牛頓的伽利略相對性原理和絕對時空觀但是十九世紀(jì)中葉，其中最典這一結(jié)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(jié)果與光源和測量者的相對運動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)?？梢姽夂碗姶挪ǖ倪\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(yīng)該是這一數(shù)值8/6/202312經(jīng)典時空觀與相對時空觀這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，任何參照系中測得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(xué)界陷入8/6/202313經(jīng)典時空觀與相對時空觀伽利略相對原理和電磁規(guī)律的矛盾絕對時空觀的觀念是不是需要修正愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家愛因斯坦對這個問題進(jìn)行了深入研究，并在1905年發(fā)表了論文《論動體的電動力學(xué)》在這篇論文里對上述問題作出了對整個物理學(xué)界乃至整個科學(xué)界都有變革意義的回答8/6/202314經(jīng)典時空觀與相對時空觀愛因斯坦:Einstein20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家愛因斯

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。8/6/202315經(jīng)典時空觀與相對時空觀相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設(shè)并在這兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了狹義相對論力學(xué)二、狹義相對論時空觀.愛因斯坦假設(shè)

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)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8/6/202316經(jīng)典時空觀與相對時空觀在這篇論文中，愛因斯坦提出了兩個假設(shè)二、狹義相對論時空觀.這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)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(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論8/6/202317經(jīng)典時空觀與相對時空觀這就使得相對性原理不僅適用于力學(xué)現(xiàn)象，光速不變原理在任何慣

愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也就是說，物理學(xué)定律與慣性系的選擇無關(guān)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

Einstein的相對性理論是Newton理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律8/6/202318經(jīng)典時空觀與相對時空觀愛因斯坦相對性原理物理學(xué)定律在所有的慣性系中都是一樣的，也觀念上的變革革命性(相對性)光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時空觀狹義相對論時空觀相對的絕對的（不變）絕對的與運動無關(guān)，絕對的與運動無關(guān)，不變的相對的與運動有關(guān)，相對的隨速度增加而增大8/6/202319經(jīng)典時空觀與相對時空觀觀念上的變革革命性(相對性)光速同時時間與空間質(zhì)量經(jīng)典時、狹義相對論時空觀、同時相對性設(shè)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.8/6/202320經(jīng)典時空觀與相對時空觀、狹義相對論時空觀、同時相對性設(shè)想一列火車以速度v勻速向右、同時相對性8/6/202321經(jīng)典時空觀與相對時空觀、同時相對性7/28/202321經(jīng)典時空觀與相對時空觀8/6/202322經(jīng)典時空觀與相對時空觀7/28/202322經(jīng)典時空觀與相對時空觀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(jié)論即：時間量度是相對的，并且與相對運動速度有關(guān)。

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。8/6/202323經(jīng)典時空觀與相對時空觀1)沿兩慣性系相對運動方向發(fā)生的兩個事件，在其中時間延緩（動鐘變慢）愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準(zhǔn)好的鐘，當(dāng)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(yù)言慢(184±23)×10

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9s實測慢(203±10)×10-

9s221cutt-￠=DD8/6/202324經(jīng)典時空觀與相對時空觀時間延緩（動鐘變慢）愛因斯坦曾經(jīng)言，兩個校準(zhǔn)好的鐘雙生子佯謬sss是一對雙生子。乘高速飛船到太空ss和遨游一段s比自己老了，根據(jù)運動的相對性，和ss運動的時鐘變慢了，但運動是相對的，都認(rèn)為對方的鐘在運動，這將會導(dǎo)致雙方都認(rèn)為對方的鐘變慢了的矛盾結(jié)論。這就是時鐘佯謬。若時間后返回地球，發(fā)現(xiàn)對方將會得出s也發(fā)現(xiàn)對方比自己老了的矛盾結(jié)論。稱為雙生子佯謬。s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(jié)果一定是的時鐘變慢了，ss雙生子一定比年輕。s附：時鐘佯謬雙生子佯謬時鐘佯謬雙生子佯謬與8/6/202325經(jīng)典時空觀與相對時空觀雙生子佯謬sss是一對雙生子。乘高速飛船到太空S′O′X′Y′OSXY●特別注意：長度縮短效應(yīng)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(yīng)動尺變短（空間收縮效應(yīng)）斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.8/6/202326經(jīng)典時空觀與相對時空觀S′O′X′Y′O檢測題有關(guān)科學(xué)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(AC)8/6/202327經(jīng)典時空觀與相對時空觀檢測題有關(guān)科學(xué)家和涉及的事實，正確的說法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(dá)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(dá)前壁B．火車上的人測得，閃光先到達(dá)后壁C．火車上的人測得，閃光同時到達(dá)車廂的前壁和后壁D．條件不足，無法確定(A)8/6/202328經(jīng)典時空觀與相對時空觀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，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，vB＜vC．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C走得最