《《物理學教學課件》4-3-狹義相對論的時空觀》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《物理學教學課件》4-3-狹義相對論的時空觀（38頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 車廂內(nèi)的觀察者認為是同時發(fā)生的，車廂內(nèi)的觀察者認為是同時發(fā)生的，而地面上的觀察者卻發(fā)現(xiàn)不是同時的。而地面上的觀察者卻發(fā)現(xiàn)不是同時的。光速相光速相對于于車廂向前向后是相同的，向前向后是相同的，因此，因此，閃光光同同時到達到達車廂前后兩壁前后兩壁。而地。而地面上的面上的觀察者察者觀察，光速與參照系無關(guān)，察，光速與參照系無關(guān)，故相故相對地面的速度向前和向后仍然是相同地面的速度向前和向后仍然是相同的，但由于的，但由于車廂在向前運在向前運動，所以，所以閃光光先先到達后壁，后到達前壁。到達后壁，后到達前壁。結(jié)論結(jié)論 同時性具有相對意義同時性具有相對意義 沿兩個慣性系運動方向，沿兩個慣性系運動方向，不同地

2、點不同地點發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中發(fā)生的兩個事件，在其中一個慣性系中是是同時同時的，在另一慣性系中觀察則的，在另一慣性系中觀察則不同不同時時，所以同時具有，所以同時具有相對相對意義。意義。1）同）同時的相的相對性是光速不性是光速不變原理的必原理的必然然結(jié)果，它只果，它只發(fā)生在相生在相對運運動方向上方向上。2）在同一地點同）在同一地點同時發(fā)生的兩個事件，生的兩個事件，其同其同時性是性是絕對的的。3）具有因果關(guān)系的事件發(fā)生的時間順）具有因果關(guān)系的事件發(fā)生的時間順序是絕對的，因果關(guān)系不能顛倒。序是絕對的，因果關(guān)系不能顛倒。關(guān)于同關(guān)于同時的相的相對性，需性，需強強調(diào) 二二 時間的延緩時間的延

3、緩(動鐘變慢動鐘變慢)B系系同一同一地點地點 B 發(fā)生兩事件發(fā)生兩事件時間間隔時間間隔 固有固有時間：同一地點同一地點發(fā)生的兩個事件的生的兩個事件的時間間隔，用隔，用 表示表示這里里。代入前式得代入前式得而而B時間延緩時間延緩：運動：運動的鐘走得慢的鐘走得慢.光信號在平面反射鏡之間往返一次所需的光信號在平面反射鏡之間往返一次所需的時間，時間，在地面系上測量的結(jié)果在地面系上測量的結(jié)果 比在火車系上比在火車系上的測量結(jié)果的測量結(jié)果 要長要長。由于兩平面反射鏡固定在火車上，光信號由于兩平面反射鏡固定在火車上，光信號從發(fā)出到被接受，火車系是靜止參照系，而地從發(fā)出到被接受，火車系是靜止參照系，而地面系是

4、運動參照系。這表明，面系是運動參照系。這表明，在運動參照系中在運動參照系中測量，事物變化過程的時間間隔變大了測量，事物變化過程的時間間隔變大了（相比（相比固有時間）。因此，這一效應稱為固有時間）。因此，這一效應稱為時間膨脹時間膨脹，也稱也稱運動時鐘延緩運動時鐘延緩。注意注意 1 一個過程的固有時間只有一個，其數(shù)值一個過程的固有時間只有一個，其數(shù)值最小，而運動時間與物體相對于考察系的速度最小，而運動時間與物體相對于考察系的速度有關(guān)。有關(guān)。2 時間膨脹是相對的。時間膨脹是相對的。如果兩平面反射如果兩平面反射鏡固定在地面，固定在地面，則在地面參照系上在地面參照系上觀察，光信號察，光信號往返一次所需的

5、往返一次所需的時間 即即為固有固有時間 ，而在，而在火火車參照系上參照系上觀測到的到的時間 將膨?qū)⑴蛎洖榧椿疖囅瞪蠝y量的結(jié)果比地面系的結(jié)果要長即火車系上測量的結(jié)果比地面系的結(jié)果要長 3 時，時，.也就是說，在火車系上觀察靜止于地面上也就是說，在火車系上觀察靜止于地面上的時鐘變換慢了，而反過來，在地面系上觀察的時鐘變換慢了，而反過來，在地面系上觀察靜止于火車的時鐘也變慢了。這是相對的，也靜止于火車的時鐘也變慢了。這是相對的，也是對稱的。這種效應是由于時間和空間本身的是對稱的。這種效應是由于時間和空間本身的性質(zhì)所決定的，而與鐘的結(jié)構(gòu)和具體的運轉(zhuǎn)無性質(zhì)所決定的，而與鐘的結(jié)構(gòu)和具體的運轉(zhuǎn)無關(guān)。關(guān)。注意

6、注意 例例4 設想一光子火箭以設想一光子火箭以 速率相對地球作直線運動速率相對地球作直線運動，火箭上宇航員，火箭上宇航員的計時器記錄他觀測星云用去的計時器記錄他觀測星云用去 10 min,則則地球上的觀察者測此事用去多少時間地球上的觀察者測此事用去多少時間？運動的鐘似乎走慢了運動的鐘似乎走慢了.解解 設火箭為設火箭為 系、地球為系、地球為 S 系系afe0.弟弟 弟弟.哥哥哥哥花開事件：花開事件：花謝事件：花謝事件：（壽命）（壽命）在在S系中觀察者測量花的壽命是多少？系中觀察者測量花的壽命是多少？考察考察中的一只鐘中的一只鐘兩事件發(fā)生在同一地點兩事件發(fā)生在同一地點原時最短，動鐘變慢原時最短，動

7、鐘變慢若若 ，則則afe0.弟弟 弟弟.哥哥哥哥 在在S系中觀察者總覺得相對于自己運動的系中觀察者總覺得相對于自己運動的 系系的鐘較自己的鐘走得慢。的鐘較自己的鐘走得慢。afe0.弟弟 弟弟.哥哥哥哥結(jié)論：對本慣性系做相對運動的鐘結(jié)論：對本慣性系做相對運動的鐘 （或事物經(jīng)歷的過程）變慢。（或事物經(jīng)歷的過程）變慢。在在 系中觀察者總覺得相對于自己系中觀察者總覺得相對于自己運動的運動的S S系的鐘較自己的鐘走得慢。系的鐘較自己的鐘走得慢。雙生子效應雙生子效應 火車的前端火車的前端a與后端與后端b分別分別通過隧道口通過隧道口A端所用的時端所用的時間，與火車的前端間，與火車的前端a分別分別通過隧道口通

8、過隧道口A端端和和B端所用的端所用的時間是否相同（火車及隧道的靜長均為時間是否相同（火車及隧道的靜長均為l0）a火火 車車bu隧道隧道A火火 車車abu火車火車a隧道隧道AB火車火車a討論：討論：車系車系地面參照系中測量到的時間是固有時間地面參照系中測量到的時間是固有時間按時間膨脹有按時間膨脹有即即a火火 車車bu隧道隧道A火火 車車ab火車參照系中測量到的時間是固有時間火車參照系中測量到的時間是固有時間地系地系按時間膨脹有按時間膨脹有即即u火車火車a隧道隧道AB火車火車a長度長度的測量和的測量和同時性同時性概念密切相關(guān)概念密切相關(guān)三、長度收縮三、長度收縮(動尺變短動尺變短)有一直尺固定于火車

9、系有一直尺固定于火車系內(nèi)，且沿軸放置。在火車內(nèi)，且沿軸放置。在火車系中測得的長度設為系中測得的長度設為 ，在地面系中測得的長度設在地面系中測得的長度設為為 。固有固有長度：物體相對靜止時所測得的長長度：物體相對靜止時所測得的長度度.（最長最長）這里，在這里，在 系系中測得棒的長中測得棒的長度為固有長度度為固有長度 若直尺的前端和后端相繼通過若直尺的前端和后端相繼通過地面某一標地面某一標記點記點的時間差為的時間差為 ，則在，則在地面系地面系中測得直尺中測得直尺的長度應為的長度應為 在火車系上觀察，在火車系上觀察，地面上的標記點向左地面上的標記點向左運動，相繼通過直尺運動，相繼通過直尺的前端的前端

10、 和后端和后端 時間時間差為差為 ，則在，則在車系車系中中測得直尺的長度應為測得直尺的長度應為 而而 則則 考慮到考慮到 得得 這里火車上測量的這里火車上測量的長度為固有長度，即長度為固有長度，即 得得討論討論u 將直尺固定在火車系上，在火車上觀察，直將直尺固定在火車系上，在火車上觀察，直尺的長度是原長，而在地面系上觀察，長度將收尺的長度是原長，而在地面系上觀察，長度將收縮，即在地面上觀察火車上的直尺變短了；同樣，縮，即在地面上觀察火車上的直尺變短了；同樣，如果將直尺固定于地面上，則在地面系上觀察，如果將直尺固定于地面上，則在地面系上觀察，直尺的長度是原長，而在火車系上觀察，長度將直尺的長度是

11、原長，而在火車系上觀察，長度將收縮，即在火車上觀察地面的直尺變短了，收縮，即在火車上觀察地面的直尺變短了，2 長度具有長度具有相對相對意義意義1 長度收縮長度收縮 l l0，固有固有長度最長。長度最長。在在S中的中的觀察者觀察者在在S中的中的觀察者觀察者 4）當運動物體的速度遠小于光速時，與）當運動物體的速度遠小于光速時，與經(jīng)典時空觀的結(jié)論一致。經(jīng)典時空觀的結(jié)論一致。3）運動物體的長度收縮發(fā)生在相對運動）運動物體的長度收縮發(fā)生在相對運動的方向上，在與相對運動垂直的方向上，的方向上，在與相對運動垂直的方向上，物體的長度不收縮。同時，長度收縮是測物體的長度不收縮。同時，長度收縮是測量的結(jié)果，而不是

12、某個人的視覺效果。量的結(jié)果，而不是某個人的視覺效果。例例1 設想有一光子火箭，設想有一光子火箭，相對相對于地球以速率于地球以速率 直線飛行，若直線飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為以火箭為參考系測得火箭長度為 15 m，問以地球為參考系，此火箭有多長問以地球為參考系，此火箭有多長？火箭參照系火箭參照系地面參照系地面參照系 原長為原長為10m的飛船以的飛船以u3103m/s的速率相對的速率相對于地面勻速飛行時，從地面上測量，它的長度是于地面勻速飛行時，從地面上測量，它的長度是多少？多少？差別很難測出。差別很難測出。例例2 長為長為 1 m 的棒靜止地放在的棒靜止地放在 平面內(nèi)，在平面內(nèi)，在 系

13、的觀察者測得此棒與系的觀察者測得此棒與 軸成軸成 角，試問從角，試問從 S 系的觀察者來看，系的觀察者來看，此棒的長度以及棒與此棒的長度以及棒與 Ox 軸的夾角是多少？軸的夾角是多少？設設 系相對系相對 S 系的運動速度系的運動速度 .解解 在在 系系在在 S 系系 問題問題 一火車以恒定速度通過隧道，火車和隧道一火車以恒定速度通過隧道，火車和隧道的靜長是相等的。問：從地面與火車上分別看，當?shù)撵o長是相等的。問：從地面與火車上分別看，當火車的前端火車的前端a到達隧道的到達隧道的A端的同時，火車的后端端的同時，火車的后端b在隧道的在隧道的B端之內(nèi)還是之外。端之內(nèi)還是之外?；鸹?車車bau隧隧道道B

14、A在地面參照系在地面參照系S中看，火車長度要縮短。中看，火車長度要縮短。在火車參照系在火車參照系S中，隧道長度縮短。中，隧道長度縮短。所以：所以：從地面看從地面看，當火車的前端，當火車的前端a到達隧道的到達隧道的A端的端的同時，火車的后端同時，火車的后端b在隧道的在隧道的B端之內(nèi)端之內(nèi)。從火車看從火車看，當火車的前端，當火車的前端a到達隧道的到達隧道的A端的同時，端的同時，火車的后端火車的后端b在隧道的在隧道的B端之外端之外。火火 車車bau隧隧道道BA地面參照系地面參照系Su火火 車車ba隧隧道道BA 火車參照系火車參照系S 例例3 設想有一列火車以速率設想有一列火車以速率 通過站通過站臺時

15、臺時,站臺上相距站臺上相距10米的兩機械臂同時在車米的兩機械臂同時在車廂上畫出兩道痕跡廂上畫出兩道痕跡,問在地面和火車上的觀問在地面和火車上的觀察者看來察者看來,這兩道痕跡的距離分別為多少這兩道痕跡的距離分別為多少?解解:在地面看來在地面看來:兩機械臂兩機械臂同時同時在車廂上在車廂上畫出兩道痕跡畫出兩道痕跡,故故在地面看在地面看這兩道痕跡的距這兩道痕跡的距離與兩機械臂的距離相同，即為離與兩機械臂的距離相同，即為10米。米。在火車上看在火車上看:火車車廂上的兩道痕跡的距離火車車廂上的兩道痕跡的距離 是原長是原長,故地面上看這兩道痕跡的距離故地面上看這兩道痕跡的距離 將將收縮。收縮。則則火車車廂上的兩道痕跡的距離火車車廂上的兩道痕跡的距離地面上測量車廂上兩道痕跡的距離收縮為地面上測量車廂上兩道痕跡的距離收縮為：