高二物理竞赛狭义相对论的时空观课件.ppt

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1、,同时性的相对性-光速不变原理的直接结果。,一、同时的相对性,4-3 狭义相对论的时空观,在牛顿力学中，时间是绝对的。两事件在惯性系K中观察是同时发生的，那么在另一惯性系 中观察也是同时发生的。,爱因斯坦相对论则认为：这两个事件在惯性系K中观察是同时的，而在惯性系 观察一般来说不再是同时的了。这就是狭义相对论的同时相对性。,Einstein train,地面参考系,在火车上,分别放置两个光信号接收器。,中点,放置光信号发生器。,一个例子,事件1,接收到闪光；,事件2,接收到闪光。,研究的问题： 两事件发生的时间间隔,某时 发一光信号，,事件1、事件2 同时发生。,因为,所以 , 同时接收到光信

2、号。,处闪光,光速也为,A、 B随 K运动,A迎着光，比B先收到光。,事件1、事件2不同时发生，,事件1先发生。,由于光速不变，在一个惯性系中同时不同地点发生的两个事件，在另一个惯性系中不再是同时发生的了。,以上说明同时性是相对的。,则,设在惯性系 中，不同地点 和 同时发生两个事件，即,由洛伦兹变换知,一般情况下：,同时的相对性,讨论：,但在不同地点发生：,则有,(1)在 系中同时发生：,在一个参考系中同时、不同地点发生的两个事件，在另一参考系中是不同时的。,(2)在 系中同时发生： ,同地点发生：,则有,在 系中同时、同地点发生的两个事件，在 系中也是同时、同地点发生。,有因果律联系的两事

3、件的时序是否会颠倒？,(3)时序与因果律,时序: 两个事件发生的时间顺序。,在S系(相对地面以v行驶的飞船)中：是否能发生先鸟死，后开枪？,在S系(地面)中：先开枪，后鸟死。,在S中：,子弹速度,即：有因果律联系的两事件的时序不会颠倒。,在S系中：,在S系中：仍然是开枪在前，鸟死在后。,思考：,在某惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔(同一只钟测量)，与另一惯性系中，在两个地点(在另一惯性系中不一定会在同一地点了)的这两个事件的时间间隔的关系。,研究的问题是：,二、时间延缓,固有时间,一个物理过程用相对于它静止的惯性系上的标准时钟测量到的时间间隔。,1.固有时间 运动时,或者：同一地

4、点先后发生两事件的时间间隔。,设在K系中一固定坐标处有一只静止的钟，记录在该处前后发生的两个事件，两事件的时间间隔为,而有K系中的钟所记录两时间的时间间隔为,一个物理过程用相对于它运动的惯性系上的标准时钟测量到的时间间隔。,运动时,由于 以一定的速度v运动。根据洛伦兹变换式有：,结论：,系中的观察者把相对于他运动的那只K系中的钟和自己的一系列同步的钟对比，发现那只K系中的钟变慢了。这种效应称时间延缓，或时间膨胀，或动钟变慢效应。,注意:,(1)运动是相对的。在地面上的人看宇宙飞船里的钟慢了,而宇宙飞船里的宇航员看地面上的钟也比自己的慢。,(2)当 v c 时，,(3)实验已证实：, 子，介子等

5、基本粒子的衰变，当它们相对实验室静止和高速运动时，其寿命完全不同。,(4) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。,将 子放在回旋加速器中加速，可将其寿命延长30倍。,地面参考系定为 K 系。,K中是运动时(两地时)：,例题4-3 一飞船以v=9103m/s的速率相对于地面(假定为惯性系)匀速飞行。飞船上的钟走了5s的时间，用地面上的钟测量是经过了多少时间？,解：把飞船参考系定为 系。,中是固有时(原时)：,对长度的测量问题：怎么测？同时测！,将杆固定在x轴上。,K系中杆的长度是：,三、长度收缩,研究的问题：物体相对观察者静止时的长度与相对观察者运动时的长度之间的关系。,-固有长度,在K系中杆

6、的长度为：,利用洛伦兹变换式有：,所以,杆相对于观察者运动时，在运动方向上测得的长度缩短。这种现象称为长度收缩。,所以 。,因为,(2)尺缩效应只在相对运动方向上发生；,垂直于棒运动方向上长度不变,(3)长度收缩效应具有相对性。,即看人家的“尺”短。,在S系中的观察者看到 的尺子较短！,在 系中的观察者看到S系的尺子较短！,(4)长度缩短并非物质结构发生变化,而是一种运动学效应!,(5)当 v c 时，,经典时空观：,相对论时空观：,空间是绝对的，时间是绝对的，空间、时间和物质运动三者没有联系。,a. 时间、空间有着密切联系，时间、空间与物质 运动是不可分割的。,b.不同惯性系各有自己的时间坐

7、标，并相互发现 对方的钟走慢了。,四、相对性与绝对性,c. 不同惯性系各有自己的空间坐标，并相互发现 对方的“尺”缩短了。,d. 作相对运动的两个惯性系中所测得的运动物体 的速度，不仅在相对运动的方向上的分量不同， 而且在垂直于相对运动方向上的分量也不同。,e. 光在任何惯性系中传播速度都等于 c ，并且是 任何物体运动速度的最高极限。,f. 在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯 性系中可能是不同时的。,解：由题意知：,由洛伦兹坐标变换式得：,由(1)式得,代入(2)式得,同时的相对性,例二 在惯性系 S 中观察到有两个事件发生在某一地点，其时间间隔为 4.0 s 。从另一惯性系 观察到这

8、两个事件发生的时间间隔为 6.0 s 。问从 系测量到这两个事件的空间间隔是多少？（设 系以恒定速率相对 S 系沿 轴运动。）,解：由时间膨胀,所以,例三 半人马星座星是太阳系最近的恒星，它距地球为 m。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座星之间。若宇宙飞船的速度为 0.999 c ，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？,解：以地球上的时钟计算：,若以飞船上的时钟计算:(原时)，因为,所以得,时间延缓,解：在 系中：,在 S 系中：,所以,洛伦兹收缩,例五 子的静止寿命平均为=2.210-6s。速度为v=0.9995c的子能否通过厚度为20km的大气层。,解：,按绝对时空观计算:,按狭义相对论时空观计算:,方法一:在地面参考系观察, 子的寿命, 子在衰变前运动距离为,所以可以穿过大气层!,方法二：在 子参考系观察,在地球参考系中大气层,在 子参考系看来大气层,在 子参考系看来 子在衰变前相对于地球运动距离为,作业P16245，8，9，15,