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人教版高中物理选修3-4 15.2-时间和空间的相对性（45张）
资料简介
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我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？
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第十五章 相对论简介
时间和空间的相对性
教学目标
一、知识与技能
（
1
）同时的相对性
（
2
）运动长度的收缩
（
3
）时间间隔的相对
（
4
）了解时空相对性的验证
（
5
）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别
二、过程与方法
（
1
）理解同时相对性的推演过程
（
2
）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程。
三、情感态度和价值观
（
1
）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。
（
2
）辩证地看待经典物理理论
教学重难点
教学重、难点
从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。
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一、“同时”的相对性
二、长度的相对性
三、时间间隔的相对性
四、时空相对性的验证
五、相对论的时空观
一、”同时“的相对性
在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。
同时是相对的
事例
1
按照狭义相对论，不仅
“
同时
”
是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。
一节长为
10
米的列车，
A
在车后部，
B
在车前部。当列车以
0.6c
的高速度通过一个站台的时候
,
突然站台上的人看到
A
先向
B
开枪
,
过了
12.5
毫微秒
,B
又向
A
发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由
A
挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是
B
先开枪，过了
10
毫微秒，
A
才动手。事件是由
B
发动的。
A
B
事例
2
到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，
B
先
A
后，而在车站参考系中则是
A
先
B
后。
A
B
在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以
A
和
B
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，保证我们不会看到任何倒因为果的现象。
概 念
经典力学
狭义相对论
光 速
相对的
绝对的
同 时
绝对的
相对的
不可能有物理联系的两事件的次序
绝对的
相对的
可能有物理联系的两事件的次序
绝对的
绝对的
如谁先动手问题
二、长度的相对性
v
车上的人看到的车厢的长度：
车外的人看到的车厢的长度：
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。
动尺变短（空间收缩效应）
S
′
O′
X ′
Y′
O
S
X
Y
●
一条
沿自身长度方向运动
的杆，其长度总比、杆静止时的长度小。
斐克小伙剑术精，
出刺迅捷如流星，
由于空间收缩性，
长剑变成小铁钉
.
结论
伽莫夫的著名科普读物
《
物理世界的奇遇
》
：该城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切如图中一样的变扁了。
三、时间间隔的相对性
a
图以车上的人作为参考系
A
B
推导过程
h
h
△
t
＇
=2h/c
b
图以站台上的人作为参考系
A
D
A′
C
推导过程
ACA
＇
=c
△
t
由
a
图得出△
t
＇
=2h/c
由
b
图得出
ACA
＇
=c△t
以上面两式消去
h
可得：
因为
v△t
＇
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、思维活动和一切生理过程都变慢了
……
这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。
我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？
甲
乙
事例
1
这里有两种答案：（
1
）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。（
2
）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“
双生子佯谬
”。
甲
乙
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，乙是在做有速度变化的运动，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，乙看甲钟变慢这种对称性，
只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持
。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
变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。
甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，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
,
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
不对称性
。所以由对称性引起的两难是不存在的。
那么，到底谁年轻呢？
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
μ
子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。
μ
子 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，
旅行后的
μ
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：
谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久
。佯谬也就不存在了。
实验一
1971
年铯原子钟实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢
59
纳秒和快
273
纳秒。
实验二
地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
上述实验表明，
相对于惯性系转速越大的钟走得越慢
。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：“孪生子佯谬”，而应是
孪生子效应
了。
然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！
——
霍金
《
时间简史
》
这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。
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而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的。
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。
绝对时空观与相对论时空观的区别：
绝对时空观
相对论时空观
光速
同时
时间与空间
相对的
相对的
绝对的
绝对的
与运动无关，绝对的
与运动联系，相对的
一、
“
同时
”
是相对的
二、长度的相对性
三、时间间隔的相对性
课堂小结
四、用微观和宏观两个实验对时空的相对性进行了验证。
五、绝对时空观与相对论时空观的区别。
1
、下列说法正确的是（ ）
A
、世界的过去、现在和将来都只有量的变
化，而不会发生质的变化
B
、时间和空间不依赖人们的意识而存在
C
、时间和空间是绝对的
D
、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？
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将变窄，但在垂直运动方向上没有发生变化。
答案：宣传画变成了长方形，此画的高度不变，宽度变窄了。
3
、一只长的标尺以相对论速度穿过一根几米长的管子，它们的长度都是在静止状态下的测量的，以下哪种叙述最恰当地描述了标尺穿过管子的情况（ ）
A
、标尺收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它
B
、标尺收缩变短，因此在某些位置上，标尺从管子的两端伸出来
C
、两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住标尺
D
、所有这些都与观察者的运动情况有关
D
4
、以
8km/s
的速度运行的人造卫星上一只完好的手表走过了
1min
，地面上的人认为它走过这
1min“
实际”上花了多少时间？
解：卫星上观测到的时间为
△
t
＇
＝
1min
，卫星运动的速度为
v
＝
8×10
3
m/s
，所以地面上的观测到的时间为
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