2021-2022学年高二物理竞赛：狭义相对论课件.pptx

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1、狭义相对论狭义相对论的的时空观时空观4-1-5 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观时间的定义只能建立在某种明显时间的定义只能建立在某种明显是周期性的事件的重复性上。是周期性的事件的重复性上。一些基本问题：一些基本问题：什么是什么是时间？时间？长度如何长度如何测量？测量？被测物体相对于观测者被测物体相对于观测者不动时不动时不动时不动时，测物体两端测物体两端可以不同时可以不同时可以不同时可以不同时。被测物体相对于观测者被测物体相对于观测者运动时运动时运动时运动时，测物体两端测物体两端必须同时必须同时必须同时必须同时。将两个事件之间流逝的将两个事件之间流逝的时间确定为时间间隔。时间确定为时间间隔。

2、再用时间间隔衡量一切事件发生所经历的长短再用时间间隔衡量一切事件发生所经历的长短时间。时间。牛顿牛顿牛顿牛顿的时间：的时间：的时间：的时间：“绝对的真实的数学上的时间，就其本质绝对的真实的数学上的时间，就其本质绝对的真实的数学上的时间，就其本质绝对的真实的数学上的时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。改进我们的测量，相对时间将越来越接近于绝对时间。改进我们的测量，相对时间将越来越接近于绝对时间。改进我们的测量，相对时间将越来越接近于绝对

3、时间。改进我们的测量，相对时间将越来越接近于绝对时间。”时间的测量：时间的测量：时间的概念是建立在某种明显时间的概念是建立在某种明显是周期性的事件的重复性上。是周期性的事件的重复性上。将两个事件之间流逝的时间确定为时间间隔将两个事件之间流逝的时间确定为时间间隔再用时间间隔衡量一切事件发生所经历的长短再用时间间隔衡量一切事件发生所经历的长短时间。时间。关于时间关于时间的推论：的推论：1。两个事件之间的间隔对所有观察者都相同。两个事件之间的间隔对所有观察者都相同。2 2。一个观察者看来同时发生的两个事件，。一个观察者看来同时发生的两个事件，。一个观察者看来同时发生的两个事件，。一个观察者看来同时发

4、生的两个事件，在任何其他观察者看来也都是同时发生的。在任何其他观察者看来也都是同时发生的。在任何其他观察者看来也都是同时发生的。在任何其他观察者看来也都是同时发生的。两个推论两个推论是错误的。是错误的。伽利略坐标变换式伽利略坐标变换式S S系系 S S 系系变换变换变换变换x=x u ty=yz=zt=t注意：注意：在这里在这里 t=t 是一个隐含的假定是一个隐含的假定！S S 系系 S S系系变换变换变换变换y=y z=zt=tx=x+u t什么是什么是时间？时间？爱因斯坦：爱因斯坦：“在在 静止的静止的 坐标系中，坐标系中，每束光都以确定的速度运动，每束光都以确定的速度运动，它与发射出它与

5、发射出这个光束的物体是运动的或是静止的无关。这个光束的物体是运动的或是静止的无关。当我们从某个参照系或相对于它运动的另一个参照系观察当我们从某个参照系或相对于它运动的另一个参照系观察光脉冲，如果说，光的速度都一样，那么，我们关于光的光脉冲，如果说，光的速度都一样，那么，我们关于光的路程（距离）或关于时间间隔，或者同时关于这两者的路程（距离）或关于时间间隔，或者同时关于这两者的概念，都必须重新考虑。概念，都必须重新考虑。爱因斯坦对我们最古老的原理之一爱因斯坦对我们最古老的原理之一 时间原理发起的时间原理发起的冲击使他冲击使他1905年的论文光辉倍增，也正是这一点使他年的论文光辉倍增，也正是这一点

6、使他的论文如此难以理解。的论文如此难以理解。见书上同时性假想实验。见书上同时性假想实验。速度速度=光束路程光束路程时间间隔时间间隔此时，此时，。”时空测量的相对性时空测量的相对性 u x/c 2x =y =yz =zt =SS S u t 2121xt参照系参照系 S相对两事件相对两事件静止静止静止静止事件事件1：（：（x1,t1)事件事件2：（：（x2,t2)参照系参照系参照系参照系 SS事件事件1：（：（x1 ,t1 )事件事件2：（：（x2 ,t2 )x2 x1 =21x2 ut2 21x1 ut1=21(x2 x1)(ut2 ut1)t2 t1 =21(t2 t1)u/c 2(x2 x

7、1)两事件发生在：两事件发生在：如地球如地球S系上系上发生两件事发生两件事飞机飞机S 系系相对两事件相对两事件运动运动运动运动(静系静系静系静系)(动系动系动系动系)观测者在：观测者在：观测者在：观测者在：x +ut x=y=y z=z t=S S S2121t +ux /c 2x2 x1 =21x2 +ut2 21x1 +ut1 =21(x2 x1)+(+(ut2 ut1)t2 t1 =21(t2 t1)+u/c 2(x2 x1)参照系参照系 S相对两事件相对两事件运动运动运动运动事件事件1：（：（x1,t1)事件事件2：（：（x2,t2)参照系参照系参照系参照系 SS相对两事件相对两事件静

8、止静止静止静止事件事件1：（：（x1 ,t1 )事件事件2：（：（x2 ,t2 )两事件发生在：两事件发生在：地球地球S系系观测者在：观测者在：观测者在：观测者在：飞机飞机S S 系系上上发生两件事发生两件事(静系静系静系静系)(动系动系动系动系)一、长度收缩一、长度收缩在在相对静止相对静止参照系中测得的物长参照系中测得的物长Sxl =x2 x1在在相对运动相对运动参照系中测得的物长参照系中测得的物长l =x2 x1Sux 同时不同地同时不同地的两事件的两事件在相对运动参照系中在相对运动参照系中测物长，实际上是做测物长，实际上是做两端同时发光时两端同时发光时在在S系中的坐标。系中的坐标。a.弟

9、弟弟弟.哥哥哥哥x1x2=x2 x1x =x u t.哥哥哥哥l动动 l静静 在在S中必须中必须同时测量同时测量xxx2x1SS21x2 x1=x2 u tx1 u t21212121a.弟弟弟弟l=l(动系动系)(静系静系)同时不同地同时不同地的两事件的两事件x1,tx2,tl =t2t1不同时不同时t =t u x/c 221x1,t1x2,t2相当于相当于哥哥在哥哥在t1 和和 t2测两端测两端u在在S中任何中任何时刻测量两端时刻测量两端值均相等值均相等u同时测同时测.X1X2ux xa.弟弟弟弟SSx=x +u t 21l =X2 X121X2+uT X1+uT 2121在在 S 中必

10、须中必须同时测量同时测量l=ll动动 T1不同时不同时X 1,T X 2,T 同时测同时测.哥哥哥哥静止在地球静止在地球静止在地球静止在地球上的物体上的物体上的物体上的物体相对于被测者相对于被测者运动运动的惯性系的惯性系测得的长度测得的长度（运动长度）（运动长度）l相对于被测者相对于被测者静止静止的惯性系的惯性系测得的长度测得的长度（固有长度）（固有长度）l0相对于观测者相对于观测者运动物体的长度运动物体的长度（运动长度）（运动长度）l t由由相对运动的惯性系相对运动的惯性系中测得中测得这两个事件这两个事件的时间间隔。（的时间间隔。（但两个事件但两个事件不同地）不同地）由由相对静止的惯性系相对

11、静止的惯性系中测得中测得同一地点同一地点两个事件两个事件的时间间隔，称为的时间间隔，称为固有时间固有时间.tt t =t2 t1t2 t121 t =t21相对运动的惯性系相对运动的惯性系中测得的时间中测得的时间 比比相对静止的惯性系相对静止的惯性系中测得的时间中测得的时间要长要长。运动的运动的时间时间固有固有时间时间t0 x2 相对于两事件相对于两事件运动运动的惯性系的惯性系测得的测得的的时间间隔的时间间隔（运动时间）（运动时间）相对于被测者相对于被测者静止静止的惯性系的惯性系测得的测得的同地同地两事件的时间间隔两事件的时间间隔（固有时间）（固有时间）t0相对于观测者相对于观测者运动运动的两

12、事件的两事件的时间间隔的时间间隔（运动时间）（运动时间）相对于观测者相对于观测者静止静止的的同地同地两事件两事件的时间间隔的时间间隔（固有时间）（固有时间）t0 运动的钟走得慢。运动的钟走得慢。t =t021(动系动系)x SL事件事件事件事件2 2 的光信号走过的距离的光信号走过的距离 比比 事件事件事件事件1 1 的多了一段的多了一段的多了一段的多了一段，（反方向运动时动系动系动系动系在左面）(动系动系)中得到的中得到的中得到的中得到的 事件事件事件事件2 2 的时刻多了一段时间间隔。的时刻多了一段时间间隔。的时刻多了一段时间间隔。的时刻多了一段时间间隔。1。出生事件。出生事件：d,t12

13、。死亡事件。死亡事件：d,t2速度速度=光束路程光束路程时间间隔时间间隔.哥哥哥哥ua.弟弟弟弟S(静系静系)u事事事事件件件件 2 2事事事事件件件件 1 1常数常数变长变长x1,t1x2,t2在在S中中 x2、x1 处同时发生两事件处同时发生两事件x2x1St1t2砖砖砖砖块块块块落落落落地地地地小小球球落落地地 三、同时性的相对性三、同时性的相对性t2 =t1事件事件1：(x1,t1)事件事件2；(x2,t2)x在在 S 中这两事件中这两事件并非同时发生：并非同时发生：t1=t1 u x1/c 221t2=t2 u x2/c 221(静系静系)Sux(动系动系)t1=t1 u x1/c

14、2t2=t2 u x2/c 22121=t =t2 t1(x2 x1)21uc 2(t2 t1)(x2 x1)21uc 2=0=即：即：t2 t1=在在 S 中这两事件中这两事件并不同时发生。并不同时发生。所以，所以，同时性是相对的。同时性是相对的。由于由于 x2 =x1 有有 t2 =t1在在S中中x1=x2St1=t2砖砖砖砖块块块块落落落落地地地地小小球球落落地地x2=x1 t2 =t1事件事件1：(x1,t1)事件事件2；(x2,t2)x在任何惯性系中在任何惯性系中观察这两事件都是观察这两事件都是同时同地发生！同时同地发生！t =t u x/c 221(静系静系)Sux(动系动系)=t

15、 =t2 t121(x2 x1)uc 2(t2 t1)=0同地同时发生两事件同地同时发生两事件x =x u t21x =x2 x1=0在在 S 中：中：先开枪，后鸟死先开枪，后鸟死前前事件事件1：后后事件事件2：开枪开枪鹰死鹰死子弹子弹v 四、时序与因果律四、时序与因果律时序时序:两个事件发生的时间顺序。两个事件发生的时间顺序。(x1,t1)(x2,t2)在在 S 中：中：t2 t1在在 S 中：中：是否能发生先鸟死，后开枪？是否能发生先鸟死，后开枪？由因果律联系的两事件的时序是否会颠倒？由因果律联系的两事件的时序是否会颠倒？v=子弹速度子弹速度在在 S 中：中：=t =t2 t121t1=t1 u x1/c 2t2=t2 u x2/c 22121(t2 t1)(x2 x1)211 =0(t2 t1)(t2 t1)=(t2 t1)1 uc 221(x2 x1)(t2 t1)因为因为u v t1在在 S 中：中：仍然是开枪在前，鸟死在后。仍然是开枪在前，鸟死在后。(x2 x1)uc 2uc 2v由因果率联系的两事件的时序不会颠倒。由因果率联系的两事件的时序不会颠倒。