必修时空观和相对论时空观市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

第二节：经典时空观与相对论时空观广广东东翁源第一高翁源第一高级级中学中学物理物理组组：赵书华赵书华10/10/1经典时空观与相对时空观第1页前面几章介前面几章介绍绍了了经经典力学（牛典力学（牛顿顿力学）最基本内容。力学）最基本内容。牛牛顿顿力学基力学基础础就是以牛就是以牛顿顿命名那三条定律，命名那三条定律，这这一理一理论论形成于十七世形成于十七世纪纪，在以后两个多世，在以后两个多世纪纪里，里，牛牛顿顿力学力学对对科学和技科学和技术发术发展起了巨大推展起了巨大推进进作用，作用，同同时时本身也得到了很大本身也得到了很大发发展。展。不不过过，进进入二十世入二十世纪纪，物理学研究物理学研究领领域开始深入到了微域开始深入到了微观观高速高速领领域，域，微微观观高速高速如原子、如原子、电电子粒子，子粒子，光、光、电电磁涉及粒子衰磁涉及粒子衰变变，速度，速度为为光速或靠近光速光速或靠近光速空空间间尺度尺度10/10/2经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第2页这时这时人人们发觉们发觉牛牛顿顿力学在力学在这这些些领领域不再适用域不再适用物理学物理学发发展要求展要求对对牛牛顿顿力学以及一些力学以及一些长长久久认为认为是不言自明基本是不言自明基本观观念作出根本性念作出根本性变变革，革，物理学需要一物理学需要一场场革命！革命！二十世二十世纪纪初初诞诞生生相相对论对论和和量子力学量子力学就是就是这场这场从从经经典物理典物理向向近代物理近代物理变变革革标标志志本本节节介介绍绍相相对论对论基基础础知知识识10/10/3经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第3页.伽利略相伽利略相对对性原理性原理对对于第一个于第一个问题问题，牛，牛顿顿力学回答是干脆：力学回答是干脆：第一个第一个问题问题对对于不一于不一样样参考系，参考系，基本力学定律形式是完全一基本力学定律形式是完全一样吗样吗？对对于任何于任何惯惯性参考系，牛性参考系，牛顿顿定律都成立，定律都成立，这这也就是也就是说说，对对于不一于不一样惯样惯性参考系，性参考系，力学基本定律力学基本定律牛牛顿顿定律形式是一定律形式是一样样。这这一一结论结论称作称作伽利略相伽利略相对对性原理性原理或或力学相力学相对对性原理性原理一、一、经经典力典力课时课时空空观观10/10/4经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第4页甲甲 乙乙惯惯性参考系性参考系牛牛顿顿定律适用参考系定律适用参考系相相对惯对惯性系作匀速直性系作匀速直线线运运动动参考系参考系例例甲甲乙乙站台站台10/10/5经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第5页选择选择参考系不一参考系不一样样，对对运运动动描述就不一描述就不一样样：比如：比如：让让两小球从同一高度同两小球从同一高度同时时自由下落。自由下落。符合牛符合牛顿顿运运动动定律定律不符合牛不符合牛顿顿运运动动定律定律惯惯性系性系非非惯惯性系性系10/10/6经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第6页第二个第二个问题问题相相对对于不一于不一样样参考系参考系长长度和度和时间测时间测量是一量是一样吗样吗？对对于空于空间间和和时间测时间测量量问题问题，牛牛顿顿力学是用力学是用绝对绝对空空间间和和绝对时间绝对时间概念往返答。概念往返答。.绝对时绝对时空空观观所所谓绝对谓绝对空空间间是指是指长长度量度与参考系无关；度量度与参考系无关；绝对时间绝对时间是指是指时间时间量度与参考系无关量度与参考系无关这这就是就是说说，两点之，两点之间间距离，距离，不不论论在那个在那个惯惯性系中性系中测测量都是一量都是一样样；一一样样，前后，前后发发生两个事件之生两个事件之间时间间时间，不不论论在那个在那个惯惯性系中性系中测测量都是一量都是一样样10/10/7经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第7页假如假如甲甲测测小球下小球下落落时间为时间为假如假如乙乙测测小球下小球下落落时间为时间为例例甲甲乙乙站台站台10/10/8经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第8页牛牛顿顿本人曾本人曾说说：“绝对绝对空空间间，就其本性而言，就其本性而言与外界任何事物无关，而永与外界任何事物无关，而永远远是相同和不是相同和不动动”，“绝绝正确、真正和数学上正确、真正和数学上时间时间自己流逝着，自己流逝着，并因并因为为它本性而均匀地与任何外界它本性而均匀地与任何外界对对象无关地流逝着。象无关地流逝着。”按照按照这这种种观观点：点：时间时间和空和空间间是彼此独立，是彼此独立，互不相关而且独立于物互不相关而且独立于物质质和运和运动动之外，之外，不受物不受物质质和运和运动动影响。影响。绝对时绝对时空空观观10/10/9经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第9页依据绝对时空观，得出几个结论依据绝对时空观，得出几个结论同同时绝对时绝对性性时间间时间间隔隔绝对绝对性性空空间间距离距离绝对绝对性性质质量恒定不量恒定不变变10/10/10经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第10页牛顿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，它之所以为人们接收承认一方面是牛顿力学在解决力学问题获得巨大功；其次观察结果与人们经验相符。不不过过十九世十九世纪纪中叶，中叶，人人们们在研究与物体运在研究与物体运动动相关相关电电磁磁现现象象时时，发觉发觉在在电电磁磁现现象象规规律不符合律不符合相相对对性原理性原理其中最其中最经经典就是典就是光速光速问题问题10/10/11经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第11页这这一一结论还结论还尤其尤其为为以后很多准确以后很多准确试验试验所所证实证实，最著名是最著名是18871887年年迈迈克克尔尔逊逊和莫雷和莫雷所做所做试验试验。它它们们都明确无都明确无误误地地证实证实光速光速测测量量结结果与光源和果与光源和测测量者相量者相对对运运动动无关，亦即与参考系无关。无关，亦即与参考系无关。可可见见光和光和电电磁波运磁波运动动不服从伽利略相不服从伽利略相对对原理原理.任何参考系中任何参考系中测测得光在真空得光在真空速率都速率都应该应该是是这这一数一数值值10/10/12经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第12页伽利略相伽利略相对对原理和原理和电电磁磁规规律矛盾律矛盾促使人促使人们们思索下述思索下述问题问题：绝对时绝对时空空观观观观念是不是需要修念是不是需要修正？正？迷惑迷惑？这这个个时时候整个物理学界陷入候整个物理学界陷入10/10/13经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第13页爱爱因斯坦因斯坦:Einstein:Einstein当代当代时时空空创创始人始人2020世世纪纪最最伟伟大科学家大科学家 爱爱因斯坦因斯坦对这对这个个问题进问题进行了行了深入研究，深入研究，并在并在1919发发表了表了论论文文论动论动体体电动电动力学力学在在这这篇篇论论文里文里对对上述上述问题问题作出了作出了对对整个物理学界乃整个物理学界乃至整个科学界都有至整个科学界都有变变革意革意义义回答回答10/10/14经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第14页 相相相相对对对对论论论论时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差异异异异很很很很大大大大，极极极极难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所了了了了解解解解。人人人人们们们们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又经经经经常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大内内内内容容容容。这这这这使使使使人人人人们们们们想想想想起起起起英英英英国国国国诗诗诗诗人人人人波波波波谱谱谱谱歌歌歌歌颂颂颂颂牛牛牛牛顿诗顿诗顿诗顿诗句句句句:自然界和自然界自然界和自然界自然界和自然界自然界和自然界规规规规律律律律隐隐隐隐藏在黑暗中，藏在黑暗中，藏在黑暗中，藏在黑暗中，上帝上帝上帝上帝说说说说：“让让让让牛牛牛牛顿顿顿顿去吧，去吧，去吧，去吧，”于是一切都成于是一切都成于是一切都成于是一切都成为为为为光明。光明。光明。光明。后人后人后人后人续续续续写道写道写道写道:上帝上帝上帝上帝说说说说完多少年之后，完多少年之后，完多少年之后，完多少年之后，魔鬼魔鬼魔鬼魔鬼说说说说：“让爱让爱让爱让爱因斯坦去吧，因斯坦去吧，因斯坦去吧，因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。10/10/15经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第15页在在这这篇篇论论文中，文中，爱爱因斯坦提出了因斯坦提出了两个假两个假设设并在并在这这两个假两个假设设基基础础上构筑了上构筑了狭狭义义相相对论对论力学力学二、狭二、狭义义相相对论时对论时空空观观.爱爱因斯坦假因斯坦假设设1.1.爱爱因斯坦相因斯坦相对对性原理性原理物理学定律在全部物理学定律在全部惯惯性系中都是一性系中都是一样样，也就是也就是说说，物理学定律与，物理学定律与惯惯性系性系选择选择无关无关爱爱因斯坦相因斯坦相对对性原理性原理和牛和牛顿顿相相对对性原理比性原理比较较，前者是后者推广前者是后者推广10/10/16经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第16页这这就使得相就使得相对对性原理不但适合用于力学性原理不但适合用于力学现现象，象，而且适合用于全部物理而且适合用于全部物理现现象，包含象，包含电电磁磁现现象在内。象在内。2.2.光速不光速不变变原理原理在任何在任何惯惯性系中，性系中，自由空自由空间间（真空）中光速含有相同量（真空）中光速含有相同量值值也就是也就是说说，不，不论论光源与光源与观观察者相察者相对对运运动动怎怎样样，在任一在任一惯惯性系中性系中观观察者所察者所观观察到真空中察到真空中光速都是相等，光速都是相等，就是在看来如此就是在看来如此简单简单且最普通两个假且最普通两个假设设基基础础上上爱爱因斯坦建立了一套完整理因斯坦建立了一套完整理论论狭狭义义相相对论对论10/10/17经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第17页 爱爱因斯坦相因斯坦相对对性原理性原理物理学定律在全部物理学定律在全部惯惯性性系中都是一系中都是一样样，也就是，也就是说说，物理学定律与，物理学定律与惯惯性性系系选择选择无关无关光速不光速不变变原理原理在任何在任何惯惯性系中，自由性系中，自由空空间间（真空）中光速含（真空）中光速含有相同量有相同量值值 EinsteinEinstein 相相对对性理性理论论 是是 NewtonNewton理理论发论发展展讨论讨论一切物一切物理理规规律律力学力学规规律律10/10/18经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第18页 观观念上念上变变革革革命性革命性(相相对对性性)光速光速同时同时时间与空间时间与空间质量质量经典时空观经典时空观狭义相对论时空观狭义相对论时空观相对绝对（不变）绝对与运动无关，绝对与运动无关，不变与运动无关，不变相对与运动有关，相对随速度增加而增大随速度增加而增大10/10/19经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第19页、狭狭义义相相对论时对论时空空观观1.、同时相对性、同时相对性构想一列火构想一列火车车以速度以速度v v匀速向右运匀速向右运动动，火，火车车中中央有一信号灯，在央有一信号灯，在经过经过地面地面O O点点时发时发出一光信出一光信号号.10/10/20经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第20页1.、同时相对性、同时相对性10/10/21经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第21页10/10/22经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第22页 1 1)沿两沿两惯惯性系相性系相对对运运动动方向方向发发生两个事件，在生两个事件，在其中一个其中一个惯惯性系中表性系中表现现同同时时，在另一，在另一惯惯性系中性系中观观察察总总是在前一是在前一惯惯性系运性系运动动后方那一事件先后方那一事件先发发生。生。2 2)对对不一不一样样参考系，一参考系，一样样两事件之两事件之间时间间间时间间隔是不一隔是不一样样。结论结论即：即：时间时间量度是相正确，而且与相量度是相正确，而且与相对对运运动动速度相关。速度相关。S S 相相对对S S 系速度越大，在系速度越大，在S S系系测测两事件两事件时间间时间间隔就越隔就越长长。10/10/23经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第23页2.时间延缓（动钟变慢）时间延缓（动钟变慢）爱爱因斯坦曾因斯坦曾经经言，言，两个校准好两个校准好钟钟，当一个沿，当一个沿闭闭合路合路线线运运动动返回原地返回原地时时，它它统计时间统计时间比原地不比原地不动钟动钟会慢一些。会慢一些。这这已被高精度已被高精度铯铯原子原子钟钟超音速超音速环环球球飞飞行行试验试验所所证实证实。相对论预言 慢(184 23)10-9 s实 测 慢(203 10)10-9 s221cutt-=DD10/10/24经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第24页双生子佯谬是一对双生子。是一对双生子。乘高速飞船到太空乘高速飞船到太空 和和遨游一段遨游一段 比自己老了，依据运动相对性比自己老了，依据运动相对性 ，和和运动时钟变慢了，但运动是相对，都认为对方钟在运动，这将会造成都认为对方钟在运动，这将会造成双方都认为对方钟变慢了矛盾结论。这就是时钟佯谬。双方都认为对方钟变慢了矛盾结论。这就是时钟佯谬。若时间后返回地球时间后返回地球 ，发觉对方发觉对方 将会得出也发觉也发觉 对方比自己老了矛盾结论。称为双生子佯谬。对方比自己老了矛盾结论。称为双生子佯谬。实际上这种谬误是不会发生，因为两个时钟或两个双生子运实际上这种谬误是不会发生，因为两个时钟或两个双生子运动状态并不对称（动状态并不对称（比如，比如，飞离、返回要经历加、减速运动过程）飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是，其结果一定是 时钟变慢了，时钟变慢了，双生子双生子 一定比一定比 年轻。年轻。附：10/10/25经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第25页S SO O X X YYO O S SX XY Y 尤其注意：尤其注意：长长度度缩缩短效短效应应只只发发生在相生在相对对运运动动方向上方向上如上例中如上例中 X X 轴轴方向上，方向上，在在Y Y 轴轴方向上无方向上无长长度度缩缩短效短效应应3.动尺变短（空间收缩效应）动尺变短（空间收缩效应）斐克小伙斐克小伙剑术剑术精，精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，因因为为空空间间收收缩缩性，性，长剑变长剑变成小成小铁钉铁钉.10/10/26经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第26页检测题检测题 相关科学家和包括事相关科学家和包括事实实，正确，正确说说法是法是 A哥白尼哥白尼创创建了日心建了日心说说 B伽利略伽利略发觉发觉了行星运了行星运动规动规律律 C.惠更斯惠更斯处处理了理了弹弹性碰撞性碰撞问题问题 D爱爱因斯坦提出了量子因斯坦提出了量子论论(A C )10/10/27经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第27页检测题 一列火一列火车车以速度以速度v相相对对地面运地面运动动假如地面上假如地面上人人测测得，某光源得，某光源发发出出闪闪光同光同时时抵达抵达车厢车厢前壁前壁和后壁，以下和后壁，以下说说法中正确是法中正确是 A火火车车上人上人测测得，得，闪闪光先抵达前壁光先抵达前壁B火火车车上人上人测测得，得，闪闪光先抵达后壁光先抵达后壁C火火车车上人上人测测得，得，闪闪光同光同时时抵达抵达车厢车厢 前前壁壁 和后壁和后壁D条件不足，无法确定条件不足，无法确定(A)10/10/28经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第28页检测题p 有三个完全相同有三个完全相同时钟时钟，时钟时钟A放在地面上，放在地面上，时钟时钟B、C分分别别放在两个火箭上，以速度放在两个火箭上，以速度vB和和vC朝同一方朝同一方向向飞飞行，行，vBvC 对对于地面上于地面上观观察者来察者来说说，则则以下以下说说法中正确是法中正确是p A时钟时钟A走得最慢走得最慢 B时钟时钟B走得最慢走得最慢p C时钟时钟C走得最慢走得最慢 D时钟时钟C走得最快走得最快(C)10/10/29经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第29页检测题检测题假如有一支静止假如有一支静止时长时长30 m火箭，以光速二分之一速度火箭，以光速二分之一速度从从观观察者身察者身边边擦擦过过，以下，以下说说法中正确是法中正确是A地面上地面上观观察者察者测测得火箭得火箭长为长为30 mB地面上地面上观观察者察者测测得火箭得火箭长长小于小于30 mC地面上地面上观观察者察者测测得火箭得火箭长长大于大于30 mD火箭上火箭上观观察者察者测测得火箭得火箭长为长为30 m(BD)10/10/30经典时空观与相对时空观经典时空观与相对时空观第30页