2021-2022学年高二物理竞赛课件：相对论时空观.pptx

相对论时空观狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 1）两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，关系是相对的，时间关系也是相对的，只有将空间时间关系也是相对的，只有将空间和时间联系在一起才有意义和时间联系在一起才有意义.2）时时空不互相独立，而是不可分割的整体空不互相独立，而是不可分割的整体.3）光速光速 C 是建立不同惯性系间时空变换的纽带是建立不同惯性系间时空变换的纽带.3）时，时，.1）时间延缓是一种相对效应时间延缓是一种相对效应.2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等寿命等.）注意注意粒子加速器粒子加速器重要工具重要工具 大大大大环环是是是是2727公公公公里里里里长长的的的的强强子子子子对对撞机，中撞机，中撞机，中撞机，中间间的的的的环环是是是是质质子同步子同步子同步子同步加速器加速器加速器加速器 欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心坐落在日内瓦郊外的加速器坐落在日内瓦郊外的加速器坐落在日内瓦郊外的加速器坐落在日内瓦郊外的加速器文科物理文科物理 例例 设想有一光子火箭以设想有一光子火箭以 速率相速率相对地球作直线运动对地球作直线运动，若火箭上宇航员的计时器记录，若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去他观测星云用去 10天,则地球上的观察者测得此事则地球上的观察者测得此事用去多少时间用去多少时间？运动的钟似乎走慢了运动的钟似乎走慢了.解解:设火箭为设火箭为 系、地球为系、地球为 S 系系例例 介子，相对静止测得其寿命是介子，相对静止测得其寿命是2.6x108s，某加速器射出的带电，某加速器射出的带电 介子的速度为介子的速度为0.8c运动，运动，那么在实验室中测得那么在实验室中测得 介子的寿命多长？衰变介子的寿命多长？衰变前在实验室飞越的距离？前在实验室飞越的距离？8【例例】孪生子佯谬和孪生子效应孪生子佯谬和孪生子效应一对双生兄弟一对双生兄弟:“明明明明”和和“亮亮亮亮”,在他们在他们2020岁生曰的时候岁生曰的时候 ,明明坐宇宙飞船去作一次星际明明坐宇宙飞船去作一次星际旅游旅游,飞船一去一回作匀速直线运动飞船一去一回作匀速直线运动,速度为速度为0.9998C.0.9998C.明明在天上过了一年明明在天上过了一年,回到地球时回到地球时,亮亮亮已多大年龄亮已多大年龄?K系系取飞船为取飞船为S系系地球为地球为S系，系，飞船飞出为事飞船飞出为事件件“1”，飞回为，飞回为事件事件“2”对对S系：系：对对S系：系：你怎么这你怎么这样老了！样老了！老朽老朽70岁了！岁了！亮亮亮亮S系系K系系取飞船为取飞船为S系系地球为地球为S系，系，飞船飞出为事飞船飞出为事件件“1”，飞回为，飞回为事件事件“2”对对S系：系：对对S系：系：你怎么这你怎么这样老了！样老了！老朽老朽70岁了！岁了！K系系亮亮亮亮 这这样样假假如如飞飞船船返返回回地地球球兄兄弟弟相相见见，到到底底谁谁年年轻轻就就成成了了难以回答的问题。难以回答的问题。11 问问题题的的关关键键是是，时时间间延延缓缓效效应应是是狭狭义义相相对对论论的的结结果果，它它要要求求飞飞船船和和地地球球同同为为惯惯性性系系。要要想想保保持持飞飞船船和和地地球球同同为为惯惯性性系系，哥哥哥哥和和弟弟弟弟就就只只能能永永别别，不不可可能能面面对对面面地地比比较较谁谁年年轻。这就是通常所说的轻。这就是通常所说的孪生子佯谬孪生子佯谬（twin paradox）。如如果果飞飞船船返返回回地地球球则则在在往往返返过过程程中中有有加加速速度度，飞飞船船就就不不是是惯惯性性系系了了。这这一一问问题题的的严严格格求求解解要要用用到到广广义义相相对对论论，计计算算结结果果是是，兄兄弟弟相相见见时时哥哥哥哥比比弟弟弟弟年年轻轻。这这种种现现象象，被被称称为为孪生子效应。孪生子效应。1971年年，美美国国空空军军用用两两组组Cs（铯铯）原原子子钟钟做做实实验验。发发现现绕绕地地球球一一周周的的运运动动钟钟变变慢慢了了20310ns，而而按按广广义义相相对对论论预预言言运运动动钟钟变变慢慢184 23 ns，在在误误差差范范围围内内理理论论值值和和实验值一致，验证了孪生子效应。实验值一致，验证了孪生子效应。这就是双生子佯谬，明明和亮亮到底是谁年轻呢？人这就是双生子佯谬，明明和亮亮到底是谁年轻呢？人们迷惑不解。有些人用这来攻击们迷惑不解。有些人用这来攻击 相对论。其实不是相对相对论。其实不是相对论有问题。是人们不恰当地应用了相对论。论有问题。是人们不恰当地应用了相对论。12 有因果有因果(有信息联系有信息联系,vSc)的两个事件，发生的的两个事件，发生的先后次序先后次序(因果性因果性)是绝对的，在任何惯性系中都不是绝对的，在任何惯性系中都不应颠倒。应颠倒。uS？信息联系信息联系因果性的绝对性因果性的绝对性Svs后后先先13 在在S系系观察，观察，先后次序不颠倒。先后次序不颠倒。同号。同号。和和，则，则因因 无无因因果果（无无信信息息联联系系,vs可可取取任任意意值值）的的两两个个事事件，发生的先后次序在不同惯性系可能颠倒。件，发生的先后次序在不同惯性系可能颠倒。证明：证明：因果关系是绝对的，不因参照系不同而颠倒。因果关系是绝对的，不因参照系不同而颠倒。例一短跑运动员在地球上测例一短跑运动员在地球上测10s内跑完内跑完100m，在飞行速度为在飞行速度为v0.98c的飞船中观测者看来，的飞船中观测者看来，选手跑了多长距离和多长时间？选手跑了多长距离和多长时间？解：解：S系两个事件，起跑系两个事件，起跑A(x1,t1)，终点，终点B(x2,t2)练习二十一练习二十一