經(jīng)典時空觀與相對論時空觀.ppt

2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,1,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,2,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,3,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,4,. 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：,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,5,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(yùn)動的參照系,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,6,選擇的參考系不同，對運(yùn)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(yùn)動定律,不符合牛頓運(yùn)動定律,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,7,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(diǎn)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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,8,如果甲測的小球下落時間為,如果乙測的小球下落時間為,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,9,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?！?按照這種觀點(diǎn)：時間和空間是彼此獨(dú)立， 互不相關(guān)并且獨(dú)立于物質(zhì)和運(yùn)動之外的， 不受物質(zhì)和運(yùn)動的影響。,絕對時空觀,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,10,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,11,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(yàn)相符。,但是十九世紀(jì)中葉， 人們在研究與物體運(yùn)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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,12,這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)， 最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn)。 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(yùn)動無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。 可見光和電磁波的運(yùn)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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,13,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,14,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,15,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。,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,16,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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,17,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(yùn)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,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,18, Einstein 的相對性理論 是 Newton理論的發(fā)展,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,19, 觀念上的變革,(相對性),相對的,絕對的（不變）,絕對的,與運(yùn)動無關(guān)，絕對的,與運(yùn)動無關(guān)，不變的,相對的,與運(yùn)動有關(guān)，相對的,隨速度增加而增大,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,20,、 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(yùn)動，火車中央有一信號燈，在經(jīng)過地面O點(diǎn)時發(fā)出一光信號.,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,21,、同時相對性,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,22,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,23,1) 沿兩慣性系相對運(yùn)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(yùn)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(yùn)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。,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,24,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(yùn)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)。,相對論預(yù)言 慢 ( 184 23 ) 10 - 9 s,實(shí) 測,慢 ( 203 10 ) 10 - 9 s,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,25,雙生子佯謬,實(shí)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(yùn)動狀態(tài)并不對稱（ 例如， 飛離、返回要經(jīng)歷加、減速運(yùn)動過程），其結(jié)果一定是 的時鐘變慢了，,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,26,特別注意： 長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運(yùn)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.,2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,27,檢測題,有關(guān)科學(xué)家和涉及的事實(shí)，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(yùn)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,( A C ),2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,28,檢測題,一列火車以速度v相對地面運(yùn)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 ),2019/7/15,經(jīng)典時空觀與相對時空觀,29,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，vBvC 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