高二物理竞赛狭义相对论的时空观课件

狭义相对论的时空观

2狭义相对论的时空观(1)

两个事件在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，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.(2)时—空不互相独立，而是不可分割的整体.(3)光速C

是建立不同惯性系间时空变换的纽带.u-uuvA（碰前）（碰后）S系S'系mAmBBAmABxx'设全同粒子A、B在S系中速度如图,并作完全非弹性碰撞S系相于S系以速度u沿x轴正向作匀速直线运动，S系看来，mB是静止的，此时若保持质量不变，在洛伦兹变换下则动量不守恒，即mmm2BA=+02BBAA=¢+¢mmmvvvvmmm2BA=+mumm20BAA¹+vv4

反映运动参考系中时间节奏的一切物理过程、化学过程、生物过程……都变慢了。而在这运动参考系中的人毫无察觉、认为一切正常！（各个惯性系都是平权的）钟慢效应或时间延缓，完全是时间本身与参考系的运动有关的一种客观性质。实际上到底有没有时间延缓效应？时间延缓早已被高能粒子的许多实验所证实。5

例.在大气上层九千米处,宇宙射线中有-

介子,速度约为u=2.99×108m/s=0.998c，-

介子在静止的参考系中,平均寿命为

2×10-6s，它会衰变为电子和中微子，若没有时间延缓效应,它们从产生到衰变掉的时间里，是根本不可能到达地面的实验室的：我们记（原时）△t’=2×10-6s因为，它走过的距离只有

u△t’=2.99×108×2×10-6=600m！但事实是,介子到达了地面实验室！6这可用时间延缓效应来解释：在地面参考系S上看,-的寿命是两地时,记作△t它比原时2×10-6s约长16倍！将运动参考系S’建立在-上,按此寿命计算,它在这段时间里，在地面系走的距离为u△t=2.994×108×3.16×10-5=9461m

（所以能到地面，与实验一致）7在高能物理的领域里,相对论得到了大量实验的证实。我们设想:某人在u=0.998c的高速宇宙飞船中渡过了一天（他是在惯性系中,并没有感到什么不舒服）,那么用地面惯性系中的一系列钟来测量,同样道理,一定会发现他经历了16天！孪生子效应哥哥坐高速飞船，回来时会比弟弟年轻。能否用实验验证？8

实验值：绕地球一周的运动钟变慢：

203±10ns理论值：运动钟变慢：

184±23ns实验值和理论值在误差范围内是一致的。

1971年，美空军用两组Cs（铯）原子钟作实验。实验验证了孪生子效应确实是存在的。9钟慢效应或时间延缓是一种相对效应:？“到底哪个参考系的钟走慢了？”反过来,S系也相对于S’系运动，S系中一个静止的钟C,与S’系中一系列钟相比，它也是变慢了呀！S’系相对于S系运动,S’系的钟变慢了，？弟弟与哥哥的地位是完全相对的，弟弟看到哥哥年轻；哥哥也应看到弟弟年轻呀！10答：弟弟是惯性系。？哥哥有加速度，反过来弟弟也有加速度呀！答：有没有加速度（是不是惯性系），完全是可以由实验来测定的。哥哥要绕回来与弟弟见面，哥哥有加速度，是非惯性系。哥俩地位不是完全相对的。应该用广义相对论来证明，结论是：确实“哥哥更年轻”。孪生子效应11

例

设想一光子火箭以速率相对地球作直线运动，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min,则地球上的观察者测此事用去多少时间？运动的钟似乎走慢了.解设火箭为系、地球为S系综合题一艘飞船和一颗彗星分别相对地面以0.6c和0.8c的速率相向而行,在地面上观测,再有5秒钟二者就要相撞.问:(1)飞船上看彗星的速度是多少?(2)从飞船上的钟看,经过多少时间二者相撞?1.力与动量状态量合理合理持续作用持续但的上限是c随速率增大而增大要求牛顿力学绝对质量速度应无限增大???矛盾出现!问题出在哪里?如何解决?4.5动量与速度的关系vA可由洛伦兹变换公式得出要保持动量守恒定律成立，质量应是与速度有关的相对量。式中mT(u)为碰撞后复合粒子的质量，u为其速度，所以定义：m=m(v)；v

=0时，m0=m(0),

静止质量。质量守恒动量守恒22222AAA1211cuucuuucuu+=++=¢++¢=vvv)()(T0ummm=+vummuumm+==×])([)()(0Tvvv1)(00-=-=umuummvvv由洛伦兹速度变换公式有故或方程两边同乘v/u，可解得取正号代入(相对论质速关系)m(v):相对论质量;m0:静止质量2201)(cmmvv-=1)(00-=