时间和空间的相对性

1、 在日常生活和生产中，用时钟测量时间，在日常生活和生产中，用时钟测量时间， 用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论 是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时 间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长 度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问 题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变 革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的 相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉

2、我们：运相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运 动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩 短。这到底是为什么？短。这到底是为什么？ 导入新课 第十五章第十五章 相对论简介相对论简介 教学目标 一、知识与技能一、知识与技能 （1 1）同时的相对性）同时的相对性 （2 2）运动长度的收缩）运动长度的收缩 （3 3）时间间隔的相对）时间间隔的相对 （4 4）了解时空相对性的验证）了解时空相对性的验证 （5 5）了解相对论时空观与经典物理时空观）了解相对论时空观与经典物理时空观 的主要区别的主要区别 二、过程与方法二、过程与方法 （1 1）理解同时相对性的推演

3、过程）理解同时相对性的推演过程 （2 2）理解从）理解从“同时相对性同时相对性”出发得出出发得出 “运动长度和时间间隔的相对性运动长度和时间间隔的相对性”的过程。的过程。 三、情感态度和价值观三、情感态度和价值观 （1 1）体会相对论崭新的时空观，体会相）体会相对论崭新的时空观，体会相 对论的建立对人类认识世界的影响。对论的建立对人类认识世界的影响。 （2 2）辩证地看待经典物理理论）辩证地看待经典物理理论 教学重难点 教学重、难点教学重、难点 从从“同时同时”的相对性得出运动长的相对性得出运动长 度和时间间隔的相对性。度和时间间隔的相对性。 本节导航 一、一、“同时同时”的相对性的相对性 二

4、、长度的相对性二、长度的相对性 三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性 四、时空相对性的验证四、时空相对性的验证 五、相对论的时空观五、相对论的时空观 一、一、”同时同时“的相对性的相对性 事例事例1 按照狭义相对论，不仅按照狭义相对论，不仅“同时同时”是是 相对的，有时候，甚至事情的先后也都相对的，有时候，甚至事情的先后也都 是相对的。是相对的。 一节长为一节长为10米的列车，米的列车， A在车后部，在车后部，B在车前部。在车前部。 当列车以当列车以0.6c的高速度通过的高速度通过 一个站台的时候一个站台的时候,突然站台突然站台 上的人看到上的人看到A先向先向B开枪开枪,过过 了了12.5

5、毫微秒毫微秒,B又向又向A发射。发射。 因而站台上的人作证：这场因而站台上的人作证：这场 枪战是由枪战是由A挑起的。但是，挑起的。但是， 车上的乘客却提供相反的情车上的乘客却提供相反的情 况，他们说，是况，他们说，是B先开枪，先开枪， 过了过了10毫微秒，毫微秒，A才动手。才动手。 事件是由事件是由B发动的。发动的。 A B 事例事例2 到底是谁先动手呢？到底是谁先动手呢？ 没有绝对的答案。在没有绝对的答案。在 这个具体事件中，谁这个具体事件中，谁 先谁后是有相对性的。先谁后是有相对性的。 在列车参考系中，在列车参考系中，B 先先A后，而在车站参后，而在车站参 考系中则是考系中则是A先先B后。

6、后。 A B 在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十 米远，所以米远，所以A A和和B B开枪动作的先后是相对的。开枪动作的先后是相对的。 光速不变性保证了因果关系的成立，保证光速不变性保证了因果关系的成立，保证 我们不会看到任何倒因为果的现象。我们不会看到任何倒因为果的现象。 概概 念念经典力学经典力学狭义相对论狭义相对论 光光 速速相对的相对的绝对的绝对的 同同 时时绝对的绝对的相对的相对的 不可能有物理不可能有物理 联系的两事件联系的两事件 的次序的次序 绝对的绝对的相对的相对的 可能有物理联可能有物理联 系的两事件的系的两事件的 次序次序 绝对的绝对的

7、绝对的绝对的 如谁先动手问题如谁先动手问题 二、长度的相对性二、长度的相对性 v v 车上的人看到的车厢的长度：车上的人看到的车厢的长度： 车外的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度： 0 l l 0 l l 2 0 1 c v ll 注意：注意： 长度缩短效应长度缩短效应只发生在只发生在相对运动的方向上。相对运动的方向上。 如上例中的如上例中的 X X 轴方向上，在轴方向上，在Y Y 轴方向上无轴方向上无长度长度 缩短效应。缩短效应。 动尺变短（空间收缩效应） S S O O X X YY A B O O S S X X Y Y u 1 x l 一条一条沿自身长度方向运动沿自身长度方

8、向运动的杆，的杆， 其长度总比、杆静止时的长度小。其长度总比、杆静止时的长度小。 斐克小伙剑术精，斐克小伙剑术精， 出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星， 由于空间收缩性，由于空间收缩性， 长剑变成小铁钉长剑变成小铁钉. . 结论结论 伽莫夫的著名科普读物伽莫夫的著名科普读物物理世界的奇遇物理世界的奇遇：该城市里的光：该城市里的光 速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切 如图中一样的变扁了。如图中一样的变扁了。 三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性 a图以车上的人作为参考系图以车上的人作为参考系 A B 推导过程 hh t=2

9、h/c=2h/c b图以站台上的人作为参考系图以站台上的人作为参考系 AD A C 推导过程 ACA=ct 由由a a图得出图得出t t=2h/c =2h/c 由由b b图得出图得出ACAACA=c=ct t 以上面两式消去以上面两式消去h h可得：可得： 因为因为vcvtt t 2 )(1 c v tt 上面的推导公式表明在地面上观测，火车上的上面的推导公式表明在地面上观测，火车上的 时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程 和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳 动、呼吸、消化、思维活动和一切

10、生理过程都变慢动、呼吸、消化、思维活动和一切生理过程都变慢 了了这就是时间间隔的相对性，也称为这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨时间膨 胀胀”或或“钟慢效应钟慢效应”。 2 )(1 c v tt 我们设想甲、我们设想甲、 乙是一对孪生弟兄。乙是一对孪生弟兄。 他们计划做一次高他们计划做一次高 速飞船旅行，来检速飞船旅行，来检 验一下狭义相对论。验一下狭义相对论。 甲留在发射基地，甲留在发射基地， 乙周游天外。当飞乙周游天外。当飞 船再度回到基地时，船再度回到基地时， 是甲比乙年轻，还是甲比乙年轻，还 是乙比甲年轻？是乙比甲年轻？ 甲甲 乙乙 事例事例1 这里有两种这里有两种 答案：（答案：

11、（1）甲看）甲看 乙船上的钟变慢乙船上的钟变慢 了，所以，甲说了，所以，甲说 乙应该比他更年乙应该比他更年 轻一些。（轻一些。（2）乙）乙 也看到基地的钟也看到基地的钟 变慢了，所以乙变慢了，所以乙 说甲应该比他更说甲应该比他更 年轻些。这是个年轻些。这是个 有名的疑难，叫有名的疑难，叫 “双生子佯谬双生子佯谬”。 甲甲 乙乙 问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有 来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有 速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。速度变化的运动

12、，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。 按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢 这种对称性，这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保 持持。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系，。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系， 互相之间才是等价的。一旦出现了互相之间才是等价的。一旦出现了变速的相对运动，就不能变速的相对运动，就不能 使用这种对称性了。使用这种对称性了。 甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此， 双生

13、子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果 甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲 看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他 不但看到甲在做变速运动不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一而且整个宇宙都在做变速运动。一 边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对不对 称性称性。所以由对称性引起的两难是不存在的。所以由对称性引起的两难是不存

14、在的。 那么，到底谁年轻呢？那么，到底谁年轻呢？ 四、时空相对性的验证四、时空相对性的验证 1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来年，真的做了一次双生子旅游实验，用来 判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯 理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是子。旅途子。旅途 也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。 子子 从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同 乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，乙的旅行方式是一样的。实验的

15、结果是，旅行后的旅行后的 子的确比未经旅行的同类年轻了子的确比未经旅行的同类年轻了。 我们似乎可以这样作结论了：我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇谁相对于整个宇 宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也。佯谬也 就不存在了。就不存在了。 19711971年铯原子钟实验年铯原子钟实验 将铯原子钟将铯原子钟 放在飞机上，沿放在飞机上，沿 赤道向东和向西赤道向东和向西 绕地球一周，回绕地球一周，回 到原处后，分别到原处后，分别 比静止在地面上比静止在地面上 的钟慢的钟慢59纳秒和纳秒和 快快273纳秒。纳秒。 地球以一定的角速度地球以一定的角速度 向东转

16、，地面不是惯性系，向东转，地面不是惯性系， 而从地心指向太阳的参考而从地心指向太阳的参考 系是惯性系（忽略地球公系是惯性系（忽略地球公 转）。飞机的速度总小于转）。飞机的速度总小于 地球自转速度，所以无论地球自转速度，所以无论 飞机向东还是向西，它相飞机向东还是向西，它相 对于惯性系都是向东，只对于惯性系都是向东，只 是前者速度大，后者小。是前者速度大，后者小。 而地面上的钟的转速度介而地面上的钟的转速度介 于二者之间。于二者之间。 这暗示着，这暗示着， 人要活得更长人要活得更长 久，应该不断久，应该不断 地向东飞去，地向东飞去， 使得地球的转使得地球的转 动速度叠加上动速度叠加上 飞机的速度

17、。飞机的速度。 上述实验表明，上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走相对于惯性系转速越大的钟走 得越慢得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。 所以似也不应再说：所以似也不应再说：“孪生子佯谬孪生子佯谬”，而应是，而应是孪生孪生 子效应子效应了。了。 然而人们所获得的然而人们所获得的 比一秒还短得多的生命比一秒还短得多的生命 延长，远远不及劣质飞延长，远远不及劣质飞 机餐对健康的残害！机餐对健康的残害！ 霍金霍金时间简史时间简史 这暗示着，人要活这暗示着，人要活 得更长久，应该不断地得更长久，应该不断地 向东飞去，使得地球的向东飞去，使得地球的 转动速

18、度叠加上飞机的转动速度叠加上飞机的 速度。速度。 五、相对论的时空观五、相对论的时空观 绝对时空观认为时间和空间是脱离物质绝对时空观认为时间和空间是脱离物质 而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是 没有联系的。没有联系的。 相对论时空观认为有物质才有时间和空相对论时空观认为有物质才有时间和空 间，时间和空间与物质的运动状态有关。间，时间和空间与物质的运动状态有关。 绝对时空观与相对论时空观的区别：绝对时空观与相对论时空观的区别： 绝对时空观绝对时空观相对论时空观相对论时空观 光速光速 同时同时 时间与时间与 空间空间 相对的相对的 相对的相对的 绝对的绝对

19、的 绝对的绝对的 与运动无关，与运动无关， 绝对的绝对的 与运动联系，与运动联系， 相对的相对的 一、一、“同时同时”是相对的是相对的 二、长度的相对性二、长度的相对性 三、时间间隔的相对性三、时间间隔的相对性 2 0 1 c v t t 2 0 1 c v ll 课堂小结 四、用微观和宏观两个实验对时空的四、用微观和宏观两个实验对时空的 相对性进行了验证。相对性进行了验证。 五、绝对时空观与相对论时空观的区五、绝对时空观与相对论时空观的区 别。别。 1 1、下列说法正确的是（、下列说法正确的是（ ） A A、世界的过去、现在和将来都只有量的变、世界的过去、现在和将来都只有量的变 化，而不会发

20、生质的变化化，而不会发生质的变化 B B、时间和空间不依赖人们的意识而存在、时间和空间不依赖人们的意识而存在 C C、时间和空间是绝对的、时间和空间是绝对的 D D、时间和空间是紧密联系、不可分割的、时间和空间是紧密联系、不可分割的 D 课堂练习 2、一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的、一张正方形的宣传画，正贴在铁路旁的 墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看到这墙上，一高速列车驶过时，在车上的司机看到这 张宣传画画成了什么样子？张宣传画画成了什么样子？ 解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车解析：取列车为惯性系，宣传画相对于列车 高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上高速运动，根据尺缩效应，宣传画在运动方向上 将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化。将变窄，但在垂