经典时空观与相对论时空观.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,经典时空观与相对时空观,*,第二节：经典时空观与相对论时空观,广东翁源第一高级中学,物理组：赵书华,1/30/2026,1,经典时空观与相对时空观,前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。,牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律，,这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里，,牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，,同时自身也得到了很大发展。,但是，进入二十世纪，,物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，,微观,高速,如原子、电子粒子，,光、电磁波及粒子衰变，速度为光速或接近光速,空间尺度,1/30/2026,2,经典时空观与相对时空观,这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用,物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期,认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革，,物理学需要一场革命！,二十世纪初诞生的,相对论,和,量子力学,就是这场,从,经典物理,向,近代物理,变革的标志,本节介绍,相对论,的基础知识,1/30/2026,3,经典时空观与相对时空观,.,伽利略相对性原理,对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：,第一个问题,对于不同的参照系，,基本力学定律的形式是完全一样吗？,对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立，,这也就是说，对于不同的惯性参照系，,力学的基本定律,牛顿定律的形式是一样的。,这一结论称作,伽利略相对性原理,或,力学相对性原理,一、经典力学时空观,1/30/2026,4,经典时空观与相对时空观,甲,乙,惯性参照系,牛顿定律适用的参照系,相对惯性系作匀速直线运动的参照系,例,甲,乙,站台,1/30/2026,5,经典时空观与相对时空观,选择的参考系不同，对运动的描述就不同：,例如：让两小球从同一高度同时自由下落。,符合牛顿运动定律,不符合牛顿运动定律,惯性系,非,惯性系,1/30/2026,6,经典时空观与相对时空观,第二个问题,相对于不同的参照系长度和时间的测量是一样的吗？,对于空间和时间测量的问题，,牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。,.,绝对时空观,所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；,绝对时间是指时间的量度与参照系无关,这就是说，两点之间的距离，,无论在那个惯性系中测量都是一样的；,同样，前后发生的两个事件之间的时间，,无论在那个惯性系中测量都是一样的,1/30/2026,7,经典时空观与相对时空观,如果,甲,测的小球下落时间为,如果,乙,测的小球下落时间为,例,甲,乙,站台,1/30/2026,8,经典时空观与相对时空观,牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言,与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，,“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，,并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”,按照这种观点：时间和空间是彼此独立，,互不相关并且独立于物质和运动之外的，,不受物质和运动的影响。,绝对时空观,1/30/2026,9,经典时空观与相对时空观,根据绝对时空观，得出几个结论,同时绝对性,时间间隔的绝对性,空间距离的绝对性,质量恒定不变,1/30/2026,10,经典时空观与相对时空观,牛顿的,伽利略相对性原理,和,绝对时空观,是作为两个基本假设提出来的，,它之所以为人们接受承认,一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功；,另一方面观察结果与人们的经验相符。,但是十九世纪中叶，,人们在研究与物体运动有关的电磁现象时，,发现,在电磁现象的规律不符合,相对性原理,其中最典型的就是,光速的问题,1/30/2026,11,经典时空观与相对时空观,这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，,最著名的是,1887,年迈克尔逊和莫雷,所做的实验。,它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和,测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。,可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理,.,任何参照系中测得的光在真空的,速率都应该是这一数值,1/30/2026,12,经典时空观与相对时空观,伽利略相对原理和电磁规律的矛盾,促使人们思考下述问题：,绝对时空观的观念是不是需要修正？,困惑？,这个时候整个物理学界陷入,1/30/2026,13,经典时空观与相对时空观,爱因斯坦,:Einstein,现代时空的创始人,20,世纪最伟大的科学家,爱因斯坦,对这个问题进行了深入研究，,并在,1905,年发表了论文,论动体的电动力学,在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意义的回答,1/30/2026,14,经典时空观与相对时空观,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句,:,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，,上帝说：,“,让牛顿去吧，,”,于是一切都成为光明。,后人续写道,:,上帝说完多少年之后，,魔鬼说：,“,让爱因斯坦去吧，,”,于是一切又回到黑暗中。,1/30/2026,15,经典时空观与相对时空观,在,这篇论文中，爱因斯坦提出了,两个假设,并在这两个假设的基础上构筑了,狭义相对论力学,二、狭义相对论时空观,.,爱因斯坦假设,爱因斯坦相对性原理,物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，,也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关,爱因斯坦相对性原理,和牛顿相对性原理比较，,前者是后者的推广,1/30/2026,16,经典时空观与相对时空观,这就使得相对性原理不仅适用于力学现象，,而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。,光速不变原理,在,任何惯性系中，,自由空间（真空）中的光速具有相同的量值,也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，,在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的,光速都是相等的，,就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上,爱因斯坦建立了一套完整的理论,狭义相对论,1/30/2026,17,经典时空观与相对时空观,爱因斯坦相对性原理,物理学定律在所有的惯性系中都是一样的，也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关,光速不变原理,在,任何惯性系中，自由空间（真空）中的光速具有相同的量值,Einstein,的相对性理论 是,Newton,理论的发展,讨论,一切物理规律,力学规律,1/30/2026,18,经典时空观与相对时空观,观念上的变革,革命性,(,相对性,),光速,同时,时间与空间,质量,经典时空观,狭义相对论时空观,相对的,绝对的（不变）,绝对的,与运动无关，绝对的,与运动无关，不变的,相对的,与运动有关，相对的,随速度增加而增大,1/30/2026,19,经典时空观与相对时空观,、,狭义相对论时空观,、同时相对性,设想一列火车以速度,v,匀速向右运动，火车中央有一信号灯，在经过地面,O,点时发出一光信号,.,1/30/2026,20,经典时空观与相对时空观,、同时相对性,1/30/2026,21,经典时空观与相对时空观,1/30/2026,22,经典时空观与相对时空观,1,),沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。,2,),对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。,结论,即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。,S,相对,S,系的速度越大，在,S,系测两事件的时间间隔就越长。,1/30/2026,23,经典时空观与相对时空观,时间延缓（动钟变慢）,爱因斯坦曾经言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。,相对论预言 慢,(184 23)10,-,9,s,实 测,慢,(203 10)10,-,9,s,2,2,1,c,u,t,t,-,=,D,D,1/30/2026,24,经典时空观与相对时空观,双生子佯谬,是一对双生子。乘高速飞船到太空,和,遨游一段,比自己老了，根据运动的相对性，,和,运动的时钟变慢了，,但,运动是相对的，,都认为对方的钟在运动，这将会导致,双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。,若,时间后返回地球，发现对方,将会,得出,也发现 对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。,实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的运动状态并不对称（例如，飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是 的时钟变慢了，,双生子 一定比 年轻。,附：,时钟佯谬 双生子佯谬,时钟佯谬 双生子佯谬,1/30/2026,25,经典时空观与相对时空观,S,O,X,Y,O,S,X,Y,特别注意：,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）,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,.,1/30/2026,26,经典时空观与相对时空观,检测题,有关科学家和涉及的事实，正确的说法是,A,哥白尼创立了日心说,B,伽利略发现了行星运动规律,C.,惠更斯解决了弹性碰撞问题,D,爱因斯坦提出了量子论,(A C ),1/30/2026,27,经典时空观与相对时空观,检测题,一列火车以速度,v,相对地面运动如果地面上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是,A,火车上的人测得，闪光先到达前壁,B,火车上的人测得，闪光先到达后壁,C,火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的前壁 和后壁,D,条件不足，无法确定,(A),1/30/2026,28,经典时空观与相对时空观,检测题,有三个完全相同的时钟，时钟,A,放在地面上，时钟,B,、,C,分别放在两个火箭上，以速度,v,B,和,v,C,朝同一方向飞行，,v,B,v,C,对于地面上的观察者来说，则以下说法中正确的是,A,时钟,A,走得最慢,B,时钟,B,走得最慢,C,时钟,C,走得最慢,D,时钟,C,走得最快,(C),1/30/2026,29,经典时空观与相对时空观,检测题,如果有一支静止时长,30 m,的火箭，以光速的二分之一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的是,A,地面上的观察者测得的火箭长为,30 m,B,地面上的观察者测得的火箭长小于,30 m,C,地面上的观察者测得的火箭长大于,30 m,D,火箭上的观察者测得的火箭长为,30 m,(BD),1/30/2026,30,经典时空观与相对时空观,