经典时空观与相对论时空观

符合牛顿运动定律
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惯性系
非惯性系
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经典时空观与相对时空观
相对于不同的参照系长度和时间 第二个问题 的测量是一样的吗？ 对于空间和时间测量的问题， 牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来回答。
. 绝对时空观
所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；
绝对时间是指时间的量度与参照系无关 这就是说，两点之间的距离， 无论在那个惯性系中测量都是一样的； 同样，前后发生的两个事件之间的时间， 无论在那个惯性系中测量都是一样的
并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”
按照这种观点：时间和空间是彼此独立， 互不相关并且独立于物质和运动之外的， 不受物质和运动的影响。
——绝对时空观
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根据绝对时空观，得出几个结论
①
同时绝对性
时间间隔的绝对性 空间距离的绝对性
②
③
④
质量恒定不变
其中最典型的就是光速的问题
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c 2.99 10 mS
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1
任何参照系中测得的光在真空的
速率都应该是这一数值
这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实， 最著名的是1887年迈克尔逊和莫雷所做的实验。
它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和
测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。
实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子 的运动状态并不对称（ 例如， 飞离、返回要经历加、减速运动 过程），其结果一定是 的时钟变慢了， 双生子 一定比 年轻。
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3. 动尺变短（空间收缩效应） ′ S Y′ u Y S
斐克小伙剑术精， 出刺迅捷如流星， 由于空间收缩性， O 长剑变成小铁钉 .
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爱因斯坦相对性原理
光速不变原理
物理学定律在所有的惯 性系中都是一样的，也 就是说，物理学定律与 惯性系的选择无关
在任何惯性系中，自由 空间（真空）中的光速 具有相同的量值
讨论
Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 一切物 理规律

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检测题
如果有一支静止时长30 m的火箭，以光速的二分之 一的速度从观察者的身边掠过，以下说法中正确的 是 ( BD ) A．地面上的观察者测得的火箭长为30 m B．地面上的观察者测得的火箭长小于30 m C．地面上的观察者测得的火箭长大于30 m D．火箭上的观察者测得的火箭长为30 m
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一、
第一个问题
经典力学时空观
对于不同的参照系， 基本力学定律的形式是完全一样吗？
对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：
. 伽利略相对性原理
对于任何惯性参照系，牛顿定律都成立， 这也就是说，对于不同的惯性参照系， 力学的基本定律——牛顿定律的形式是一样的。 这一结论称作伽利略相对性原理或力学相对性原理
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力学 规律
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革命性
观念上的变革
经典时空观 光速 同时 相对的 绝对的 狭义相对论时空观 绝对的（不变） 相对的
时间与空间 与运动无关，绝对的 与运动有关，相对的
质量
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与运动无关，不变的 随速度增加而增大
(相对性)
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相对论预言 慢 ( 184 ±23 ) ×10 - 9 s 实
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Dt
Dt u 1 2 c
2
测 慢 ( 203 ±10 ) ×10 - 9 s
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附：
双生子佯谬
运动的时钟变慢了，但运动是相对的， 和 都认为对方的钟在运动，这将会导致 双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。这就是时钟佯谬。 若 和 是一对双生子。 乘高速飞船到太空 遨游一段 时间后返回地球 ， 发现对方比自己老了，根据运动的相对性 ， 将会得出 也发现 对方比自己老了的矛盾结论。称为双生子佯谬。
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②、 狭义相对论时空观
1.、同时相对性
设想一列火车以速度v匀速向右运动，火车中 央有一信号灯，在经过地面O点时发出一光信 号.
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1. 、同时相对性
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结论
1) 沿两惯性系相对运动方向发生的两个事件， 在其中一个惯性系中表现同时，在另一惯性系中观 察总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
并在1905年发表了论文 《论动体的电动力学》 在这篇论文里对上述问题 作出了对整个物理学界乃 至整个科学界都有变革意 义的回答 爱因斯坦: Einstein
现代时空的创始人
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相对论的时空观念与人们固 有的时空观念差别很大，很难被 普通人所理解。人们都称赞爱因 斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟 大的内容。这使人们想起英国诗 人波谱歌颂牛顿的诗句:
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检测题
一列火车以速度v相对地面运动．如果地面 上的人测得，某光源发出的闪光同时到达车 厢的前壁和后壁，以下说法中正确的是 ( A ) A．火车上的人测得，闪光先到达前壁 B．火车上的人测得，闪光先到达后壁 C．火车上的人测得，闪光同时到达车厢 的 前壁 和后壁 D．条件不足，无法确定
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理 .
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伽利略相对原理和电磁规律的矛盾 促使人们思考下述问题：
绝对时空观的观念是不是需要 修正？
这个时候整个物理学界陷入
困惑 ？？？
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20世纪最伟大的科学家 爱因斯坦对这个问题进行 了深入研究，
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
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在这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设
并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学
二、狭义相对论时空观
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检测题
有三个完全相同的时钟，时钟A放在地面上，时 钟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． 对于地面上的观察者 来说，则以下说法中正确的是 (C) A．时钟A走得最慢 B．时钟B走得最慢 C．时钟C走得最慢 D．时钟C走得最快
2) 对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。
即：时间量度是相对的，并且与相对运动速度有关。 S'相对S 系的速度越大，在S系测两事件的时间间隔 就越长。
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2. 时间延缓（动钟变慢）
爱因斯坦曾经言， 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。
前面几章介绍了经典力学（牛顿力学）最基本的内容。 牛顿力学的基础就是以牛顿命名的那三条定律， 这一理论形成于十七世纪，在以后的两个多世纪里， 牛顿力学对科学和技术的发展起了巨大的推动作用，
同时自身也得到了很大发展。
但是，进入二十世纪， 物理学研究的领域开始深入到了微观高速领域，
微观
高速
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①. 爱因斯坦假设
1. 爱因斯坦相对性原理 物理学定律在所有的惯性系中都是一样的， 也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关 爱因斯坦相对性原理和牛顿相对性原理比较， 前者是后者的推广
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这就使得相对性原理不仅适用于力学现象， 而且适用于所有物理现象，包括电磁现象在内。 2. 光速不变原理 在任何惯性系中， 自由空间（真空）中的光速具有相同的量值 也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何， 在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的 光速都是相等的， 就是在看来如此简单且最一般的两个假设的基础上 爱因斯坦建立了一套完整的理论——狭义相对论
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牛顿定律适用的参照系 惯性参照系
相对惯性系作匀速直线运动的参照系
例
甲
v
甲
F ma
站台
乙
F ma
'
'
v
乙
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选择的参考系不同，对运动的描述就不同：
例如：让两小球从同一高度同时自由下落。
不符合牛顿运动定律
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如果甲测的小球 下落时间为
例
t
v
甲
站台 如果乙测的小球 下落时间为
t
u
乙
t t
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牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言 与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”， “绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，
O′
A l
B
X
x1
●
X ′
特别注意：
长度缩短效应只发生在相对运动的方向上
如上例中的 X 轴方向上，
在Y 轴方向上无长度缩短效应
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检测题
ຫໍສະໝຸດ Baidu有关科学家和涉及的事实，正确的说
法是 ( A C ) A．哥白尼创立了日心说 B．伽利略发现了行星运动规律 C. 惠更斯解决了弹性碰撞问题 D．爱因斯坦提出了量子论
空间尺度
8
10 m
10
如原子、电子粒子，
3 10 m / s
光、电磁波及粒子衰变，速 度为光速或接近光速
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这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用 物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期
认为是不言自明的基本观念作出根本性的变革， 物理学需要一场革命！ 二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是这场 从经典物理向近代物理变革的标志 本节介绍相对论的基础知识
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牛顿的伽利略相对性原理和绝对时空观 是作为两个基本假设提出来的， 它之所以为人们接受承认 一方面是牛顿力学在解决力学问题获得的巨大功； 另一方面观察结果与人们的经验相符。 但是十九世纪中叶， 人们在研究与物体运动有关的电磁现象时， 发现在电磁现象的规律不符合相对性原理