【备课】2012高一物理沪科版必修二课件6.3《爱因斯坦心目中的宇宙》.ppt

6.3 爱因斯坦心目中爱因斯坦心目中的宇宙的宇宙爱因斯坦列车爱因斯坦列车一、一、“同时同时”的相对性的相对性由于光速不变由于光速不变，在一个惯性系中同时不同地点发，在一个惯性系中同时不同地点发生的两个事件，在另一个惯性生的两个事件，在另一个惯性系中不再是同时系中不再是同时发发生生的了。的了。在列车（在列车（S系）中部一光源发出光信号，在列车系）中部一光源发出光信号，在列车中中 A、B 两个接收器同时收到光信号两个接收器同时收到光信号。但在地面（。但在地面（S系）来看，系）来看，由于由于光速不变光速不变，A 先收到，先收到，B 后收到后收到。二、时间延缓和动钟减慢二、时间延缓和动钟减慢S 系中系中：S 系中系中：解得解得固有时间固有时间固有时固有时间最短间最短同一参考系中同一地点发生的两事件的时间间同一参考系中同一地点发生的两事件的时间间隔（或者说，由同一只时钟测出的时间间隔）隔（或者说，由同一只时钟测出的时间间隔）称为称为固有时间固有时间。固有时间最短。固有时间最短。S系中，光脉冲的发射和接收是在不同地点发生系中，光脉冲的发射和接收是在不同地点发生的。的。S系中观察者必须用两个完全对准的钟系中观察者必须用两个完全对准的钟M1和和M2来测量。来测量。S系中测出的系中测出的 t 不是固有时间。不是固有时间。相对于一个变化过程运动的钟所测量出的变化相对于一个变化过程运动的钟所测量出的变化过程的时间间隔较长，这一效应称为过程的时间间隔较长，这一效应称为时间延缓时间延缓效应效应，也叫，也叫动钟变慢动钟变慢。（1）这是时间本身的一种客观特性）这是时间本身的一种客观特性（3）低速空间相对论效应可忽略。）低速空间相对论效应可忽略。（2）动钟变慢是相对的）动钟变慢是相对的。明确几点明确几点明确几点明确几点到底是哪个钟走得慢了呢？到底是哪个钟走得慢了呢？a.慢慢慢慢.“双生子佯双生子佯谬谬”由动钟变慢产生了由动钟变慢产生了“双生子佯谬双生子佯谬”。这个问题。这个问题的关键是周游天外的乙要回到出发点。倘若乙的关键是周游天外的乙要回到出发点。倘若乙的飞船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的飞船仅仅作匀速直线运动，是办不到这一点的。乙的飞行路线必然是有来有去，或是转一的。乙的飞行路线必然是有来有去，或是转一个圈子。；在此在甲看来，乙是在作有速度变个圈子。；在此在甲看来，乙是在作有速度变化的运动，当然，在乙看来，甲相对于他也在化的运动，当然，在乙看来，甲相对于他也在作变速运动。按照动钟变慢的理论，甲看乙钟作变速运动。按照动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙之间的相对运动是匀速直线运动时才能保持。乙之间的相对运动是匀速直线运动时才能保持。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这个一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这个对称性了。对称性了。在双生子问题中有一个因素：甲、乙和他们周在双生子问题中有一个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在地球上，他相对于大量围的宇宙，如果甲留在地球上，他相对于大量天体并没有作变速运动，在甲看来，只有乙在天体并没有作变速运动，在甲看来，只有乙在作变速运动；在乙看来，情况与甲不同，他不作变速运动；在乙看来，情况与甲不同，他不但看到甲在作变速运动，而且整个宇宙都在作但看到甲在作变速运动，而且整个宇宙都在作变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称。那么，到底谁一个飞船，这是明显的不对称。那么，到底谁年轻呢？年轻呢？1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳逸地结束了判断到底那个寿命长，同时也一劳逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是u子子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为。旅途也不在天外，而是一个直径大约为14米米的圆环。的圆环。U子从一个出发点沿着圆轨道运动回子从一个出发点沿着圆轨道运动回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的的结果是，旅行后的u子的确比未经旅行的同类子的确比未经旅行的同类年轻了。我们似乎可以这样作结论了：谁相对年轻了。我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙作更多的变速运动，谁就会活得更于整个宇宙作更多的变速运动，谁就会活得更长久长久。例例1、介子介子固有寿命固有寿命为为2.1510 6s，进入大气后进入大气后 介子飞行介子飞行速度为速度为0.998c，从高空到地面约从高空到地面约 10Km，问：问：介子能否到达地面。介子能否到达地面。正电子或负电子正电子或负电子中微子中微子反中微子反中微子解解：地面地面 S 系系观测观测 介子寿命：介子寿命：地面地面 S 系系观测观测 介子运动距离：介子运动距离：介子介子完全能够到达地面完全能够到达地面三、长度收缩三、长度收缩S 系中系中：S 系中系中：而而所以有所以有固有长度固有长度固有长度最大固有长度最大在相对于被测物体运在相对于被测物体运动的参照系中，测量动的参照系中，测量物体的长度变短了，物体的长度变短了，这就是长度这就是长度收缩效应收缩效应。明确几点明确几点明确几点明确几点（1）长度收缩只出现在运动方向）长度收缩只出现在运动方向（2）长度收缩是相对的）长度收缩是相对的（3）低速空间相对论效应可忽略。）低速空间相对论效应可忽略。解：解：从高速运动的从高速运动的 介子（介子（S 系系）看来，）看来，介介子的运动距离为：子的运动距离为：介子介子可到达地面可到达地面而从高速运动的而从高速运动的 介子（介子（S 系系）看来，）看来，从高空从高空到地面到地面 的的10Km 距离缩短为：距离缩短为：实际探测仪器不仅在地面，甚至在地下实际探测仪器不仅在地面，甚至在地下 3km 深深的矿井中也测到了的矿井中也测到了 介子。介子。例例1、介子介子固有寿命固有寿命为为2.1510 6s，进入大气后进入大气后 介子介子飞行飞行速度为速度为0.998c，从高空到地面约从高空到地面约 10Km，问：问：介子介子能否到达地面。能否到达地面。例例2、一固有长度为一固有长度为 L0=90m 的飞船，沿船长方的飞船，沿船长方向相对地球以向相对地球以 v=0.80c 的速度在一观测站的上的速度在一观测站的上空飞过，该站测得飞船长度及船身通过观测站空飞过，该站测得飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少？船中宇航员测得前述时的时间间隔各是多少？船中宇航员测得前述时间间隔又是多少？间间隔又是多少？解；解；观测站测得飞船长度：观测站测得飞船长度：观测站测得时间间隔：观测站测得时间间隔：宇航员测得时间间隔：宇航员测得时间间隔：例例3、一个在实验室中以一个在实验室中以0.6c 运动的粒子，飞运动的粒子，飞行行3m 后衰变。后衰变。问：问：.实验室测得这粒子寿命实验室测得这粒子寿命是多少是多少？.一个与粒子一起运动的观察者测得一个与粒子一起运动的观察者测得粒子寿命为多少？粒子寿命为多少？解：解：实验室中实验室中以粒子作参照系，由：以粒子作参照系，由：时间膨胀时间膨胀