相对论和时空幻灯片.ppt

相对论和时空1第1页，共28页，编辑于2022年，星期一狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理1.狭义相对性原理狭义相对性原理物理定律物理定律在所有的惯性系中都有相同的数学形式。在所有的惯性系中都有相同的数学形式。2.光速不变原理光速不变原理在所有惯性系中，真空中的光速都恒为在所有惯性系中，真空中的光速都恒为c。洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换上讲主要内容上讲主要内容2第2页，共28页，编辑于2022年，星期一不同惯性系中观察者时空观念的关联不同惯性系中观察者时空观念的关联注意注意注意注意：系系系系事件事件事件空事件空间间隔间间隔事件时事件时间间隔间间隔变换变换3第3页，共28页，编辑于2022年，星期一同时的相对性同时的相对性同时的相对性同时的相对性S系系系系事件事件1 1事件事件2 2S系同时发生的两事件系同时发生的两事件,t=0系系 若若 则则 ，两事件同时发生。，两事件同时发生。若若 则则 ，两事件不同时发生。，两事件不同时发生。4第4页，共28页，编辑于2022年，星期一二、时间量度的相对性二、时间量度的相对性二、时间量度的相对性二、时间量度的相对性(时间膨胀时间膨胀时间膨胀时间膨胀)用一个相对事件发生地静止的钟测量用一个相对事件发生地静止的钟测量的两个的两个同地同地事件的时间间隔事件的时间间隔原时原时（本征时间）（本征时间）理想实验：爱因斯坦火车理想实验：爱因斯坦火车站台系：站台系：火车系：火车系：火车系：火车系：光信号：光信号：N M N5第5页，共28页，编辑于2022年，星期一站台系：站台系：光信号：光信号：该两事件为该两事件为异地异地异地异地事事件，需用两只钟测件，需用两只钟测出其时间间隔：出其时间间隔：非非原时原时6第6页，共28页，编辑于2022年，星期一在在 S系中看来，相对它运动的系中看来，相对它运动的 系内的钟走慢了。系内的钟走慢了。动钟变慢动钟变慢原时原时非原时非原时在在 系中用系中用 、钟测量钟测量 系中系中 钟所测得的原时钟所测得的原时 ，将获得一个放大了的时间间隔将获得一个放大了的时间间隔 时间膨胀时间膨胀7第7页，共28页，编辑于2022年，星期一 在一切时间测量中，原时最短。从相对事件发生地运动的参在一切时间测量中，原时最短。从相对事件发生地运动的参考系中测量出的时间总比原时长考系中测量出的时间总比原时长(时间膨胀时间膨胀)。每个参考系中的观测者都会认为相对自己运动的钟比每个参考系中的观测者都会认为相对自己运动的钟比自己的钟走得慢自己的钟走得慢(动钟变慢动钟变慢)。思考思考思考思考：若信号系统相对于站台静止，结果如何？若信号系统相对于站台静止，结果如何？结论结论结论结论：时间间隔的测量是相对的时间间隔的测量是相对的,与惯性系的选择有关与惯性系的选择有关;比较比较：在以上两式中，事件发生地各相对于哪个参考系静止？在以上两式中，事件发生地各相对于哪个参考系静止？哪个时间间隔为原时？哪个时间间隔为原时？8第8页，共28页，编辑于2022年，星期一原时原时原时原时：在相对事件发生地静止的参考系中，用同一个钟测在相对事件发生地静止的参考系中，用同一个钟测定的两个同地事件之间的时间间隔定的两个同地事件之间的时间间隔0 若在相对事件若在相对事件发生地运动的参发生地运动的参考系中，该两事考系中，该两事件必为异地事件，件必为异地事件，需用两只钟测出需用两只钟测出其时间间隔其时间间隔,则：则：=09第9页，共28页，编辑于2022年，星期一静系中同地事件的时间间隔为原时，静系中同地事件的时间间隔为原时，动系中异地事件的时间间隔非原时。动系中异地事件的时间间隔非原时。0原时原时非原时非原时0原时原时非原时非原时在一切时间测量中，原时最短！在一切时间测量中，原时最短！由洛仑兹变换可直接得出时间膨胀：由洛仑兹变换可直接得出时间膨胀：10第10页，共28页，编辑于2022年，星期一实验验证实验验证实验验证实验验证1)子衰变：子衰变：宇宙射线和大气相互作用时能产生宇宙射线和大气相互作用时能产生 介子衰变，介子衰变，在大气上层放出在大气上层放出 子。这些子。这些 子的速度约为子的速度约为0.998c，如果在实验中测得静止，如果在实验中测得静止 子的寿命子的寿命为为2.210-6 s，试问，试问:在在8000 m 高空由高空由 介子介子衰变放出的衰变放出的 子能否飞到地面？子能否飞到地面？解：解：按照经典理论，按照经典理论，子飞行的距离为子飞行的距离为显然，显然，子不能飞到地面。子不能飞到地面。按照相对论理论，应该如何计算？按照相对论理论，应该如何计算？11第11页，共28页，编辑于2022年，星期一按照相对论理论，地面参考系测得的按照相对论理论，地面参考系测得的 子的寿命应子的寿命应为：为：在地面参考系看来，在地面参考系看来，子的飞行距离为子的飞行距离为可见，可见，子可以飞到地面。子可以飞到地面。测量结果测量结果：到达地面的到达地面的 子流为，验证了子流为，验证了相对论时间膨胀效应。相对论时间膨胀效应。12第12页，共28页，编辑于2022年，星期一实验验证实验验证实验验证实验验证2)飞机载铯原子钟环球航行飞机载铯原子钟环球航行1971年：年：地球赤道地面钟：地球赤道地面钟：A 地球赤道上空约一万米处钟地球赤道上空约一万米处钟 向东飞行：向东飞行：B 向西飞行：向西飞行：CA，B，C对太阳参考系均向东：对太阳参考系均向东：结果结果：钟钟 B 慢于慢于 A 慢于慢于 C验证了相对论时间膨胀效应。验证了相对论时间膨胀效应。13第13页，共28页，编辑于2022年，星期一飞行原子钟读数减地面钟读数飞行原子钟读数减地面钟读数实实验验结结果果 原子钟原子钟编号编号平均值平均值理理论论预预言言值值引力效应引力效应运动学效应运动学效应总的净效应总的净效应向东航行向东航行向西航行向西航行120361408447-57-74-55-51+277+284+266+26614第14页，共28页，编辑于2022年，星期一 例例例例.半人马座半人马座 星是距离太阳系最近的恒星，它距离地球星是距离太阳系最近的恒星，它距离地球4.3 1016m，设有一宇宙飞船自地球飞到半人马，设有一宇宙飞船自地球飞到半人马 星，若宇宙星，若宇宙飞船相对地球的速度为飞船相对地球的速度为0.999c，按地球上的时钟计算要用多少，按地球上的时钟计算要用多少年时间？如以飞船上的时钟计算，所需时间又为多少年？年时间？如以飞船上的时钟计算，所需时间又为多少年？地球系：非原时；飞船系：原时地球系：非原时；飞船系：原时按地球上的时钟计算，飞船飞到按地球上的时钟计算，飞船飞到 星所需时间为星所需时间为解：解：思考思考思考思考：哪个时间为原时？哪个时间为原时？若用飞船上的钟测量，飞船飞到若用飞船上的钟测量，飞船飞到 星所需时间为星所需时间为正是时间膨胀效应使得在人的有生之年进行星际航行成为可能。正是时间膨胀效应使得在人的有生之年进行星际航行成为可能。15第15页，共28页，编辑于2022年，星期一三、三、三、三、空间量度的相对性空间量度的相对性空间量度的相对性空间量度的相对性(动尺缩短动尺缩短动尺缩短动尺缩短)在相对于物体静止的参考系中测量的长度在相对于物体静止的参考系中测量的长度原长原长两端坐标不一定同时测量。两端坐标不一定同时测量。事件事件1事件事件2S系系系系设尺相对于设尺相对于 系静止系静止测量其两端坐标：测量其两端坐标：在在 S系中测尺的长度，系中测尺的长度，两端坐标一定要同时测量。两端坐标一定要同时测量。非原长非原长16第16页，共28页，编辑于2022年，星期一由洛仑兹变换：由洛仑兹变换：原长原长0观测长度观测长度（非原长）（非原长）原长最长！原长最长！原长原长0观测长度观测长度（非原长）（非原长）若尺相对于若尺相对于 系静止系静止相对静止参考系相对静止参考系(S)：相对运动参考系相对运动参考系(S)：17第17页，共28页，编辑于2022年，星期一结论结论结论结论：空间间隔的测量是相对的，物体的长度与惯性系的空间间隔的测量是相对的，物体的长度与惯性系的选择有关；在一切长度测量中选择有关；在一切长度测量中原长最长原长最长。在其他惯性系中测。在其他惯性系中测量相对其运动的尺，总得到比原长小的结果量相对其运动的尺，总得到比原长小的结果动尺缩短。动尺缩短。注意注意注意注意：尺缩效应只在相对运动方向上发生。尺缩效应只在相对运动方向上发生。尺缩效应不是视觉效应。尺缩效应不是视觉效应。18第18页，共28页，编辑于2022年，星期一动尺缩短是测量结果，并非高速运动物体的视觉效应动尺缩短是测量结果，并非高速运动物体的视觉效应19第19页，共28页，编辑于2022年，星期一20第20页，共28页，编辑于2022年，星期一参阅赵凯华新概念物理教程参阅赵凯华新概念物理教程.力学力学410页页21第21页，共28页，编辑于2022年，星期一22第22页，共28页，编辑于2022年，星期一23第23页，共28页，编辑于2022年，星期一例例例例1 1.一根米尺静止放置在一根米尺静止放置在S 系中，与系中，与O x 轴成轴成30 角。角。已知已知S 系平行于系平行于S系的系的Ox轴正向匀速运动，如果在轴正向匀速运动，如果在S系中系中测得米尺与测得米尺与Ox轴成轴成45 角，角，问问:(1)S 系相对于系相对于 S 的运动速度的运动速度u为多大？为多大？(2)S系中测得米尺的长度是多少？系中测得米尺的长度是多少？u解：解：由题意可知由题意可知由由得得根据相对论根据相对论“尺缩尺缩”效应，有效应，有即即24第24页，共28页，编辑于2022年，星期一于是于是得得由于由于米尺长度米尺长度所以所以25第25页，共28页，编辑于2022年，星期一思考思考思考思考：哪个长度为原长？哪个长度为原长？例例2.一列高速火车以速率一列高速火车以速率u驶过车站，站台上的驶过车站，站台上的观察者甲观察到固定于站台、相距观察者甲观察到固定于站台、相距1m的两只机械的两只机械手在车厢上同时划出两个痕迹，求车厢上的观察者手在车厢上同时划出两个痕迹，求车厢上的观察者乙测出两个痕迹间的距离为多少？乙测出两个痕迹间的距离为多少？甲甲乙乙站台系：动系，两端同时测站台系：动系，两端同时测 非原长非原长车厢系：静系，车厢系：静系，为原长为原长26第26页，共28页，编辑于2022年，星期一 例例例例3 3.在惯性系在惯性系S 中，有两个事件同时发生在中，有两个事件同时发生在 x 轴上相距轴上相距1000m的两点，而在另一惯性系的两点，而在另一惯性系S (沿沿x 轴方向相对于轴方向相对于S系运系运动动)中测得这两个事件发生的地点相距中测得这两个事件发生的地点相距2000m。求在。求在S 系系中测这两个事件的时间间隔。中测这两个事件的时间间隔。由题意：由题意：解：解：由洛仑兹变换得：由洛仑兹变换得：可得：可得：在在S 系中系中,事件事件2先发先发生生27第27页，共28页，编辑于2022年，星期一揭示出时间、空间彼此关联，形成四维时空概念：揭示出时间、空间彼此关联，形成四维时空概念：不是不是“时间时间+空间空间”，而是，而是“时间时间空间空间”统一体统一体。不同惯性系中的观察者有各自不同的时空观念，不存在对不同惯性系中的观察者有各自不同的时空观念，不存在对所有观察者都相同的绝对时间和绝对空间。所有观察者都相同的绝对时间和绝对空间。由洛仑兹变换由洛仑兹变换给出不同惯性系中观察者时空观念的关联。给出不同惯性系中观察者时空观念的关联。小结小结小结小结：狭义相对论时空观要点狭义相对论时空观要点28第28页，共28页，编辑于2022年，星期一