高二物理人教版选修3-4 第十五章第二节 时间和空间的相对性课件(共22张PPT)

v
B
l
A
பைடு நூலகம்
l t l
1 v 2 c t
1 v 2
v
v
c
t t t
1 v 2
1 v 2
c
c
该表达式中涉及两个惯性参考系中的时间， 其中一个参考系是相对时钟静止的，则其 读出的是“固有时间间隔”，称为原时Δτ， 而运动的惯性参考系中测出的时间称为 “坐标时间间隔”Δt，由表达式可以看出 Δτ＜Δt，说明运动的时钟所描述的物理过 程变慢了，动钟变慢。
由动钟变慢效应，速度越大，时间变慢效应越明显，所以在 地面上的观察者来看，C 上的钟走得最慢，B 次之，A 上 （地面上）的钟走得最快。
四、相对论时空观
μ子验证尺缩钟慢效应：
有文献报道在高为1981m的山顶上测得563个子进入大气层，在海 平面测得408个。示意如图所示，已知 子下降速率为0.995c，低速 运动时的半衰期τ0为2.2s，c表示真空中光速.试解释上述测得结果。
而在参考系S中,看到光线应该沿着斜边从x1 到达x2，根据几何关系不难得出下列表达式：
ct
2
d2
vt
2
2
2
变形可得：t
2d c2 v2
t
1
v
2
c
尺缩效应的简要推导：
一列火车如图示，AB两点间平放一个标尺，为 了测出尺长，采用了激光测距的方法。让A处的光 源发出光射到平面镜B上，被B反射后被A接收，光 从A发出到光被A接收。
※一列在平直轨道上以速度v 高速运行的列车上固定一长为l 的细杆，列车从地 面上静止的观察者A 身边经过。试分析：列车上的观察者B 和地面上的观察者 A 认为杆通过观察者A 的时间间隔各为多少？
v B
l
A
列车上的观察者B 认为该事件经历的时间间隔为t＝l/v 地面的观察者认为细杆长为l′，通过自己所用的时间为:
时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢）
运动的钟走得慢
时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢）的简要推导：
s ys' y'v
o o'
d
12
9 6 3 x'
B
x
y
s
x1
o 12
9
3
6
12
9
3
6
d
x2
12 x
9
3
6
在参考系S′中,光线来回所需时间为Δt′＝2d/c
那么，相对参考系S′静止的钟测出的时间为 Δt′，这个时间称为固有时间间隔，或者原时。
时间和空间的相对性
一、“同时”的相对性
思考与讨论：老师站在讲台前提问，坐在同一排上的一前一后的同学A 和同学B 举手了， 老师说：“我看到两位同学同时举手了。”那么，按照你们现有的理论分析一下：两位同 学的确是同时举手的吗？
参考答案：老师同时看到举手（现象），说明两位同学举手这一事件所发出的光线同时到 达老师的眼睛，由于同学A离开老师的距离近，光线传播需要的时间少，所以同学B应该 比同学A先举手（这才是本质）。
日常生活中我们都相信“所见即所得”，对于眼睛看到的现象我们毫不犹豫的就 认为是事物的本质，很少会深入思考，主要原因是低速的宏观世界里，光线传播的速度实 在太快了，由于光线传播引起的时间差实在太微小了，但是精确的理论不能有丝毫误差， 那么如此细微的差别也必须考虑在内。
对于“同时”的准确理解：两事件发生地离开观察者的距离相同， 且观察者同时接收到两事件发出的光线。
二、长度的相对性
※一火车以速度V 匀速行驶，地面有一人利用固定在地面上的尺子同时读出M、 N两点的坐标，得出地面坐标系中杆的长度，对于车上的观察者会如何评论地面
观察者的测量过程呢？试分析。
v
车上的观察者认为，地面参考系的人先读取N点的读数，而后才在M 点读数。
车上的人认为地面观察者把杆长测短了！
结论——长度收缩效应或尺缩效应：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比 静止时的长度小。
光先到达A侧壁， 后到达B侧壁
分析过程：火车L中的人以自己为参考系认为自己静止不动，则火车K 以速度v 向自 己驶来，闪光发出的时候还在车厢中点，但是闪光在飞向车厢前后壁的过程中，火车 向B 端驶过一小段距离，所以闪光到达A车厢壁的路程短，应该先照亮A 车厢壁。
典例精析
地面上的人认为A、B 两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两个事件发生 地点连线平行的人来说哪个事件先发生？
根据经典理论进行计算，过程如下：
t
n
n 0
1 2
0
563
0.5
1981 0.9 9 531 08 2.21 0- 6
69.6
与实际测到的结果相差很大。再用相对论的理论来解释一下， 看看会有多大差距呢？
以地面为参考系，由于子运行速度极快，所以其物理进程变慢，子的半衰期τ应该大于2.2s， 具体分析如下 ：
v
S′ A
B
S
在火车参考系S′中观察者测得的长度为相对自己静止的长度l0，使用的时间为固有时间
间隔Δt′，两者满足关系式：2l0=cΔt′
A A
B v B
而：t t t
1
2
t 1 v 2
c
所以：l l 0
1
v
2
c
在地面参考系S中观察者测得的长度为标尺相对自己 运动时的长度l，使用的时间为坐标时间间隔Δt，在激光
结论—时间膨胀或者动钟变慢效应：地面上看，运动的物体上的时间进程比地面上慢。
t 1 v 2 c
对于这个结论我们需要了解： 1、运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征，即并非感觉上变慢，而是真实的变慢。
2、这个时间进程包括物理、化学过程、生命过程，甚至人的动作、人的新陈代谢都变慢了。
3、这个效应是相对的，即运动的物体上的人认为一切都很正常，而地面上的时间进程变慢了。 4、运动的速度越大，这个效应越明显。
地面上的人凭什么认为A、B 两个事件同时发生？
参考答案：A、B 两个事件的发生可以看成两盏灯发出的闪光，它们同时发生 则意味着发出的闪光同时到达了A、B 连线的中点 ，地面上的观察者以此判定 A、B 两事件同时发生。
火箭上的人以自己为参考系认为自己静止不动，而地面在向自己飞来，因此在 闪光飞向中点的过程中，中点在向自己移动，因此他认为同时传到中点的光线 并非同时发出的，而是B先发出，因为B离中点远，所以他认为B事件先发生。
向东航行
向西航行
-57
+277
-74
+284
-55
+266
-51
+266
59 10
273 7
144 14
179 18
184 18
96 10
40 23
275 21
再见
狭义相对论简介
同时的相对性 我认为闪光到达车厢的前 壁和后壁是“同时”的
v
光源
我认为闪光先到达 后壁，后到达前壁
到底是谁错了？
根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此，对不同的观察者来说， “同时”是相对的
同时的相对性
在相对火车K静止的坐标系中观察，火车K中点有一光源发出光同时到达AB两车厢壁， 则在运动的火车L中静止的人观察到光到达AB两壁是否还相同？试分析？
vΔt1 A
vΔt2 B
向右到达平面镜B的过程中满足： l+vΔt1=cΔt1;向左回到 A的过程中满足： l－vΔt2=cΔt2;
典例精析
1.A、B、C是三个完全相同的时钟，A放在地面上，B、C分别放在两个火箭上，以速度 vb和vc朝同一方向飞行，vb<vc。地面上的观察者认为哪个时钟走得最慢？哪个走得最快？
铯原子钟验证：
爱因斯坦曾经预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间 比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。
120
实 原子钟编 361
验 结 果
号
408
447
平均值
理
引力效应
论 预
运动学效应
言 值
总的净效应
飞行原子钟读数减地面钟读数
109 s
l l 1 v 2 c
对于这个结论我们需要了解： 1、这个效应是真实存在的，并非幻觉。
2、仅在沿着运动方向上的长度会收缩，垂直于运动方向上的长度不会收缩。
3、这个效应是相对的，即高速运动的物体上的人也会看到地 面上的物体沿运动方向长度变短。 4、物体的运动速度越大收缩效应越明显。
三、时间间隔的相对性
0
2.2 106 2.2 10-5s
1- v 2 1 0.9952
c
t
n
n 0
1 2
563
0.5
1981 0.9 9 531 08 2.21 0 5
456.9
1981 1- 0.9952
与观测数据符合的较好，如果以子为参考系，则山高1981米仅相当于，而其半衰 期仍为2.2s ，代入公式得到和上述一样的表达式，结果还是456.9，说明此类问题 用原有的经典理论已经无法解释，而相对论则可完美的进行解释。