大学物理学教程（第二版）下册：15-3 狭义相对论的时空观

1、第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 一一 同时的相对性同时的相对性 事件事件 1 ：车厢：车厢后后壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号. 事件事件 2 ：车厢：车厢前前壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号. 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 2 2 1 x c t t v 0 1 2 2 x c v 0

2、12 ttt 0 12 xxx 同时同时 不同地不同地 事件事件 2 ),( 1111 tzyx ),( 2222 tzyx 系系 (车厢参考系车厢参考系 )S 系系 ( 地面参考系地面参考系 ) ),( 1111 tzyx事件事件 1 ),( 2222 tzyx S v x y O 12 12 3 6 9 12 3 6 9 x y O 12 x y O v 12 3 6 9 12 3 6 9 12 3 6 9 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 结论结

3、论 ：沿两个惯性系运动方向，沿两个惯性系运动方向，不同地点不同地点发生发生 的两个事件，在其中一个惯性系中是的两个事件，在其中一个惯性系中是同时同时的，的， 在另在另 一惯性系中观察则一惯性系中观察则不同时不同时，所以同时具有，所以同时具有相对相对意义；意义； 只有在只有在同一地点、同一地点、 同一同一时刻发生的两个事件，在其时刻发生的两个事件，在其 他惯性系中观察才是他惯性系中观察才是同时同时的的 . 0 12 ttt0 12 xxx 0 1 2 2 x c t t v 在在 S 系系 在在 系系同时同地同时同地 发生的两事件发生的两事件 S 此结果反之亦然此结果反之亦然 . 注意注意 x

4、y O 12 x y O v 12 3 6 9 12 3 6 9 12 3 6 9 12 3 6 9 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 二二 长度的收缩长度的收缩 x y O z s 标尺相对标尺相对 系静止系静止s 2 11 1 1 tx x v 2 22 2 1 tx x v 2 12 12 1 xx xx 12 xxl 在在 S 系中测量系中测量 测量为两个事件测量为两个事件),(),( 2211 txtx要求要求 21 tt 1 x 2 x 0

5、 l y x v O z s 1 x 2 x 120 lxxl 在在 系中测量系中测量s 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 0 2 1lll 固有固有长度长度 当当 时时 . 1 0 ll 固有固有长度：物体相对静止时所测得的长度长度：物体相对静止时所测得的长度 .（最长最长） 洛伦兹收缩洛伦兹收缩: 运动运动物体在运动方向上长度物体在运动方向上长度收缩收缩 . 2 12 12 1 xx xx 120 lxxl 12 xxl 长度收缩是一种长度收缩是一

6、种相对相对效应效应, 此结果反之亦然此结果反之亦然 . 注意注意 x y O z s 1 x 2 x 0 l y x v O z s 1 x 2 x 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 例例1 设想有一光子火箭，设想有一光子火箭， 相对于地球以速相对于地球以速 率率 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长飞行，若以火箭为参考系测得火箭长 度为度为 15 m ，问以地球为参考系，此火箭有多长，问以地球为参考系，此火箭有多长 ？ c95. 0v s s 火箭参考系

7、火箭参考系 地面参考系地面参考系 解解 固有长度固有长度m15 0 ll 2 1 ll m68. 4m95. 0115 2 l m15 0 l v x x y y o o 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 运运 动动 的的 钟钟 走走 得得 慢慢 三三 时间的延缓时间的延缓 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 s

8、系系同一同一地点地点 B 发生两事件发生两事件 在在 S 系中观测两事件系中观测两事件 ),(),( 2211 txtx ) , ( 2 tx ), ( 1 tx发射一光信号发射一光信号 接受一光信号接受一光信号 cdttt2 12 时间间隔时间间隔 ) ( 2 11 c x tt v ) ( 2 22 c x tt v x y O s d 12 3 6 9 12 3 6 9 1 x 2 x 12 3 6 9 y x x y v OO s s d B 12 3 6 9 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版）

9、15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 12 tttt ) ( 2 c x tt v 0 x 2 1 t t 固有固有时间时间 ：同一同一地点发生的地点发生的两两事件的时间间隔事件的时间间隔 . 时间延缓时间延缓 ：运动运动的钟走得的钟走得慢慢 . 0 ttt固有时间固有时间 x y o s d 12 3 6 9 12 3 6 9 1 x 2 x 12 3 6 9 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 （1

10、） 两个事件在不同的惯性系看来，它们的空两个事件在不同的惯性系看来，它们的空 间关系是相对的，间关系是相对的， 时间关系也是相对的，只有将空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间和时间联系在一起才有意义. （2）时空不互相独立，而是不可分割的整体时空不互相独立，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， .cv tt （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，运动将改时间的流逝不是绝对的，运动将改 变时间的进程变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰（

11、例如新陈代谢、放射性的衰 变、寿命等变、寿命等 . ） 注意注意 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行 2 1 t t 2 1 1 , cv 无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间 原则上可以任意短。原则上可以任意短。 地球地球 南门二（南门二（4光年）光年） 牛郎星（牛郎星（16光年）光年） 织女星（织女星（26.3光年）光年） 小麦哲伦星云（小麦哲伦星云（15万光年）万光年） 在日常生活中在日常生活中时间延缓时间延缓和和长度收缩长度收缩是完全可以忽是完全可以忽 略的略的, 但运动速度接近光速时但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非这两种效应就变得非 常重要常重要, 在高能物理的领域里已得到大量的实验证实在高能物理的领域里已得到大量的实验证实. 第十八章狭义第十八章狭义 相对论相对论 第十五章第十五章 狭义狭义 相对论相对论 物理学教程物理学教程 （第二版）（第二版） 15 - 3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 例例2 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