2 时间和空间的相对性

相对论简介

相对论的诞生时间和空间的相对性

一、相对论的诞生

1．经典相对性原理

(1)惯性系：_______________成立的参考系。相对于一个惯性系做_______________的另一个参考系，也是惯性系。

(2)伽利略相对性原理：力学规律在任何_______中都是相同的。

2．狭义相对论的两个基本假设

(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是_____的。

(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是_____的。

二、时间和空间的相对性

1．“同时”的相对性

(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察也是_____的。

(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察不一定是同时的。

2．“长度”的相对性

(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做__________而不同。

(2)相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止时的长度_____。设与杆相对静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，则两者之间的关系是：

l＝

_______________。

3．时间间隔的相对性

(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔总是_________的。

(2)相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是_______的。设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt＝

4．相对论时空观

(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是_____的，空间和时间之间也是_____联系的。

(2)相对论时空观：空间和时间与物质的__________有关。

尝试想一想

1．如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？

提示：我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。

2．光速不变已经被实验证实，为何仍叫“假设”呢？

提示：虽然实验表明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验。只有在从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理。

3．运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变？

提示：运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应，并非钟的结构因运动发生了改变。

要点一相对论的诞生

1.经典的相对性原理

(1)惯性系：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系，相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系。

(2)相对性原理的三种表述

①表述一：力学规律在任何惯性系中都是相同的。

②表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动。

③表述三：任何惯性参考系都是平权的。

2．相对性原理与电磁规律

在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为c，那么，此物体相对另一惯性系的速度是c＋v吗？根据伽利略相对性原理答案是肯定的，但是这种答案被迈克耳孙——莫雷的实验否定了。迈克耳孙——莫雷实验证明了光速是不变的。这和传统的速度合成法则是矛盾的。

3．狭义相对论的两个基本假设

(1)狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。

(2)光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同。

这两个假设是迈克耳孙——莫雷的直接结论，但由于是有限的几次实验的结论，还要大量的实验来证明，还要经过逻辑推理的大量结论来验证才能成为真正的原理。

4．两个相对性原理的区别

对于伽利略相对性原理来说，参考系中的坐标单位与参考系的运动无关；参考系中的时间与参考系的运动无关。其速度合成规律应满足v＝v′＋u。v′是某个惯性系相对另一个惯性系的速度，u是物体相对某个惯性系的速度，那么，物体相对另一个惯性系的速度为v ＝v′＋u。以此类推，若u是光速c，则在某个惯性系的光速相对于另一个惯性系的速度为v＝v′＋c，那么，光速是可以变大或变小的(在真空中)。

对于狭义相对论的相对性原理来说，力学规律对惯性系来说都是相同的，但是光速是不变的。由于光速是不变的，造成了与经典理论一些不同的结论。这些结论在低速的世界里是不易搞清的，但从天体的物理现象中却得到了证实。

探究提升

1．如何理解光速不变原理？

提示：我们经常讲速度是相对的，参考系选取不同，速度也不同，这是经典力学中速度的概念，但是，1887年迈克耳孙——莫雷实验中证明的结论是：不论取什么样的参考系，光速都是一样的，也就是说光速的大小与选取的参考系无关，光的速度是从麦克斯韦方程组中推导出来的，它没有任何前提条件，所以这个速度不是指相对某个参考系的速度。

2．伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同？

提示：伽利略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的；狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的。

例1下面说法正确的是()

A．在以1

1000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大

B．在以1

1000c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小

C．在以1

1000c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c

D．在以1

1000c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c 解题反思

1．真空中的光速相对于竖直方向升空的火箭有什么特点？

提示：根据光速不变原理，光速与参考系的选取无关。

2．真空中的光速相对于地面的速度与相对火箭的速度有什么关系？

提示：对不同的惯性参考系光速是相同的，都为c。

例2光源与参考系O相对静止，光源发出的光向右传播。