ch 同時(shí)性的相對(duì)性時(shí)間量的相對(duì)性PPT教學(xué)課件

1、 一. . 狹義相對(duì)論的基本原理1.1.狹義相對(duì)性原理：狹義相對(duì)性原理：2.2.光速不變?cè)恚汗馑俨蛔冊(cè)恚憾? . 洛侖茲變換上講上講: :8.2 8.2 )cuv(v v)cuv(v vcuvuv vxzzxyyxxx222111 xcuttzzyyutxx2 1112 cu 物理定律在所有的慣性系中都有相同的數(shù)學(xué)形式。物理定律在所有的慣性系中都有相同的數(shù)學(xué)形式。在所有慣性系中，真空中的光速都恒為在所有慣性系中，真空中的光速都恒為c c。第1頁/共32頁一.“.“同時(shí)”的相對(duì)性愛因斯坦是從愛因斯坦是從“同時(shí)同時(shí)”的相對(duì)性開始他的相對(duì)論的相對(duì)性開始他的相對(duì)論時(shí)空觀討論的。這是重要的基礎(chǔ)性概念

2、。時(shí)空觀討論的。這是重要的基礎(chǔ)性概念?！胺彩菚r(shí)間在里面起作用的一切判斷，總是關(guān)于凡是時(shí)間在里面起作用的一切判斷，總是關(guān)于同時(shí)事件的判斷同時(shí)事件的判斷” 愛因斯坦愛因斯坦8.3 8.3 狹義相對(duì)論時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀( (難點(diǎn)難點(diǎn)) )火車頭火車頭1010：1111駛出隧道：駛出隧道：火車頭駛出隧道火車頭駛出隧道手表指手表指1010：1111同時(shí)事件同時(shí)事件第2頁/共32頁日常生活經(jīng)驗(yàn)：日常生活經(jīng)驗(yàn)：在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)在一個(gè)慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在其它慣性系中看來，也是同時(shí)發(fā)生的。事件，在其它慣性系中看來，也是同時(shí)發(fā)生的?！巴瑫r(shí)同時(shí)”概念與參考系選擇無關(guān)。概念與參考系選擇無關(guān)。

3、愛因斯坦認(rèn)為：愛因斯坦認(rèn)為： 同時(shí)性概念是因參考系而異的，在同時(shí)性概念是因參考系而異的，在一個(gè)慣性系中認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一慣一個(gè)慣性系中認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一慣性系中看來，不一定同時(shí)發(fā)生。性系中看來，不一定同時(shí)發(fā)生。同時(shí)性具有相對(duì)性。同時(shí)性具有相對(duì)性。 雖然彭加勒才華橫溢，洛倫茲學(xué)識(shí)淵博。但他們都不敢雖然彭加勒才華橫溢，洛倫茲學(xué)識(shí)淵博。但他們都不敢邁邁出決定性的革命的一步，去重新檢驗(yàn)我們的同時(shí)性概念出決定性的革命的一步，去重新檢驗(yàn)我們的同時(shí)性概念。這。這個(gè)概念或許不只是從我們的父輩那兒學(xué)來的，而簡(jiǎn)直就像經(jīng)個(gè)概念或許不只是從我們的父輩那兒學(xué)來的，而簡(jiǎn)直就像經(jīng)過漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程遺傳

4、到我們的基因中的一樣。過漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程遺傳到我們的基因中的一樣。 楊振寧楊振寧第3頁/共32頁在同一慣性系中的在同一慣性系中的“對(duì)時(shí)對(duì)時(shí)”：即即在同一慣性系中建在同一慣性系中建立起統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)，立起統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)，llABOxzyo每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為本系內(nèi)各處的鐘是每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為本系內(nèi)各處的鐘是校對(duì)同步的。校對(duì)同步的。討論討論1：“對(duì)時(shí)對(duì)時(shí)”校鐘操作校鐘操作llABO定義定義“同時(shí)同時(shí)”概概念念第4頁/共32頁問題：?jiǎn)栴}：在某一慣性系中的同時(shí)事件，在另一相對(duì)其在某一慣性系中的同時(shí)事件，在另一相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的慣性系中是否是同時(shí)的運(yùn)動(dòng)的慣性系中是否是同時(shí)的? ?在不同慣性系中在不

5、同慣性系中的的“同時(shí)同時(shí)”概念是否一致概念是否一致? ?由洛侖茲變換由洛侖茲變換 22221211;xcuttxcutt 事件事件1 1事件事件2 2系系系系SS 1,1tx1,1tx 2,2tx 2,2tx0 t0 t? ?, ,xx yy zz oo S系系S 系系u第5頁/共32頁 )(21221212xcuttxxcuttttt 系同時(shí)發(fā)生的兩事件系同時(shí)發(fā)生的兩事件s0 t1)1)若若 則則 ，兩事件同時(shí)發(fā)生，兩事件同時(shí)發(fā)生0 x0 t2)2)若若 則則 ，兩事件不同時(shí)發(fā)生，兩事件不同時(shí)發(fā)生0 ts 系系0 x即：即：一個(gè)慣性系中的同時(shí)、同地事件，在其它慣性系一個(gè)慣性系中的同時(shí)、同地事

6、件，在其它慣性系 中必為同時(shí)事件；一個(gè)慣性系中的同時(shí)、異地事件，中必為同時(shí)事件；一個(gè)慣性系中的同時(shí)、異地事件，在其它慣性系在其它慣性系 中必為不同時(shí)事件中必為不同時(shí)事件。結(jié)論：結(jié)論： 同時(shí)性概念是因參考系而異的，同時(shí)性概念是因參考系而異的，同時(shí)性具有相對(duì)性。同時(shí)性具有相對(duì)性。第6頁/共32頁.ACBA C B u),(AAAAtzyxI),(BBBBtzyxII系系s系系s 理想實(shí)驗(yàn)：愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn)：愛因斯坦火車系系s系系s 站臺(tái)系：站臺(tái)系：火車系：火車系：在在 系中，兩閃電的光信號(hào)是否同時(shí)到達(dá)系中，兩閃電的光信號(hào)是否同時(shí)到達(dá) 呢？呢？ s C 設(shè)在設(shè)在s 系中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)系

7、中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)AB的中點(diǎn)的中點(diǎn) C，對(duì)對(duì)s 系：閃電擊中車頭和車尾為同時(shí)事件系：閃電擊中車頭和車尾為同時(shí)事件第7頁/共32頁.ACBA C B u),(AAAAtzyxI),(BBBBtzyxII系系s系系s .ACB系系s系系s .A C B uC 對(duì)對(duì) 系：兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)系：兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá) ，而不是，而不是 ，閃電擊中車頭和車尾為不同時(shí)事件。（擊中閃電擊中車頭和車尾為不同時(shí)事件。（擊中 先發(fā)生）先發(fā)生）sC C B 第8頁/共32頁設(shè)在設(shè)在 系中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)系中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá) 的中點(diǎn)的中點(diǎn) ，對(duì)對(duì) 系：閃電擊中車頭和車尾為同時(shí)事件系：閃電擊

8、中車頭和車尾為同時(shí)事件s s C BA .ACBA C B u),(AAAAtzyxI ),(BBBBtzyxII 系系s系系s 在在 S 系中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)系中，兩閃電的光信號(hào)同時(shí)到達(dá) 而不是而不是 C ，為，為不同時(shí)事件。（擊中不同時(shí)事件。（擊中 A 先發(fā)生）。先發(fā)生）。 C .ACB系系s系系s .A C B uC 第9頁/共32頁問題問題：在某一慣性系中的同步鐘，在另一相對(duì)其在某一慣性系中的同步鐘，在另一相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的慣性系中是否仍然是同步的運(yùn)動(dòng)的慣性系中是否仍然是同步的? ?同時(shí)異地事件同時(shí)異地事件必然不同時(shí)必然不同時(shí)究竟哪一個(gè)正確？二者同樣真實(shí)，同時(shí)性是相對(duì)的。究竟哪一個(gè)正

9、確？二者同樣真實(shí)，同時(shí)性是相對(duì)的。（和左、右的相對(duì)性類似）（和左、右的相對(duì)性類似）由洛侖茲變換：由洛侖茲變換：ttx;xcutt 02 ss xx uo 在在 中看來中看來s第10頁/共32頁ss xx u o在在 中看來中看來s 兩參考系中各處的鐘不可能同時(shí)對(duì)準(zhǔn)，在一個(gè)參考兩參考系中各處的鐘不可能同時(shí)對(duì)準(zhǔn)，在一個(gè)參考系內(nèi)各處相互對(duì)準(zhǔn)了的鐘，在其它參考系看來是沒系內(nèi)各處相互對(duì)準(zhǔn)了的鐘，在其它參考系看來是沒有對(duì)準(zhǔn)的，對(duì)有對(duì)準(zhǔn)的，對(duì) O（O），迎面而來的鐘超前。），迎面而來的鐘超前。ttx;xcutt 02 由洛侖茲變換：由洛侖茲變換：第11頁/共32頁1.1.每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為本系內(nèi)各處

10、的每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為本系內(nèi)各處的鐘是校對(duì)同步的。鐘是校對(duì)同步的。2.2.每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為其它系內(nèi)各處每個(gè)慣性系中的觀察者都認(rèn)為其它系內(nèi)各處的鐘是未校對(duì)同步的。的鐘是未校對(duì)同步的。3.3.不同慣性系內(nèi)的鐘只有在相遇時(shí)才能直接彼不同慣性系內(nèi)的鐘只有在相遇時(shí)才能直接彼此核對(duì)讀數(shù)，其它時(shí)刻只能靠本系內(nèi)各處的同此核對(duì)讀數(shù)，其它時(shí)刻只能靠本系內(nèi)各處的同步鐘對(duì)照。步鐘對(duì)照。注意：注意：ss xx uo 在在 中看來中看來sss xx u o在在 中看來中看來s 第12頁/共32頁xcut 2cuctx 202 )xcut(t 時(shí)序變化時(shí)序變化 : :02 )xcut(t xcut 2uct

11、x2 時(shí)序不變時(shí)序不變 : :討論討論2 2：兩事件發(fā)生的時(shí)序與因果律兩事件發(fā)生的時(shí)序與因果律012 ttt 即事件即事件1 1先發(fā)生先發(fā)生若若 s 系中系中在在 系中時(shí)序是否變化？系中時(shí)序是否變化？s 有可能由信號(hào)關(guān)聯(lián)有可能由信號(hào)關(guān)聯(lián)不可能由信號(hào)關(guān)聯(lián)不可能由信號(hào)關(guān)聯(lián)第13頁/共32頁與因果律是否矛盾？與因果律是否矛盾？有因果關(guān)聯(lián)或可能有因果關(guān)聯(lián)的事件有因果關(guān)聯(lián)或可能有因果關(guān)聯(lián)的事件時(shí)序不變，時(shí)序不變，無因果關(guān)聯(lián)的事件無因果關(guān)聯(lián)的事件才可能發(fā)生時(shí)序變化。才可能發(fā)生時(shí)序變化。狹義相對(duì)論不違背因果律狹義相對(duì)論不違背因果律有因果關(guān)聯(lián)的事件之間的信號(hào)速率有因果關(guān)聯(lián)的事件之間的信號(hào)速率ucctx2 滿足

12、時(shí)序不變條件滿足時(shí)序不變條件兩慣性系間的相對(duì)速度兩慣性系間的相對(duì)速度cu 即在即在 系中觀測(cè)，事件系中觀測(cè)，事件1有可能比事件有可能比事件2先發(fā)生、先發(fā)生、同時(shí)發(fā)生、或后發(fā)生，時(shí)序有可能倒置。同時(shí)發(fā)生、或后發(fā)生，時(shí)序有可能倒置。s第14頁/共32頁事件事件1：某天孩子某天孩子 A 在甲地出生；在甲地出生；事件事件2：24小時(shí)后孩子小時(shí)后孩子B在乙地出生；在乙地出生；事件事件1和事件和事件2無因果關(guān)聯(lián)。無因果關(guān)聯(lián)。事件事件1和事件和事件2可能有可能有因果關(guān)聯(lián)，時(shí)序不變因果關(guān)聯(lián)，時(shí)序不變事件事件1和事件和事件2可能有因果關(guān)聯(lián)，無論在哪個(gè)參考系可能有因果關(guān)聯(lián)，無論在哪個(gè)參考系中，孩子中，孩子 A 先

13、出生。先出生。例例. .設(shè)甲、乙兩地相距設(shè)甲、乙兩地相距12000kmctx 1hkm5002412000飛機(jī)由甲地起飛飛機(jī)由甲地起飛飛機(jī)抵達(dá)乙地飛機(jī)抵達(dá)乙地第15頁/共32頁事件事件1和事件和事件2無因果關(guān)聯(lián)，也不可能有因果關(guān)聯(lián)，無因果關(guān)聯(lián)，也不可能有因果關(guān)聯(lián)，可能在某個(gè)飛船上的觀察者看來，乙地小孩可能在某個(gè)飛船上的觀察者看來，乙地小孩 B 先先出生。出生。ctx -15skm10403. 012000 事件事件1：某天孩子某天孩子 A 在甲地出生；在甲地出生；事件事件2：0.03秒后孩子秒后孩子B在乙地出生；在乙地出生；事件事件1和事件和事件2無因果關(guān)聯(lián)。無因果關(guān)聯(lián)。設(shè)甲、乙兩地相距設(shè)甲、

14、乙兩地相距12000km第16頁/共32頁二. .時(shí)間量度的相對(duì)性（時(shí)間膨脹、動(dòng)鐘變慢）用一個(gè)相對(duì)事件發(fā)生地靜止的鐘測(cè)量用一個(gè)相對(duì)事件發(fā)生地靜止的鐘測(cè)量的兩個(gè)同地事件的時(shí)間間隔的兩個(gè)同地事件的時(shí)間間隔原時(shí)原時(shí)（本征時(shí)間）（本征時(shí)間）理想實(shí)驗(yàn)：理想實(shí)驗(yàn)：愛因斯坦火車愛因斯坦火車系系s系系s站臺(tái)系：站臺(tái)系：火車系：火車系：Dx y o 1x )t ,x(II)t ,x(I2111 NMcDttt212 系系s 火車系：火車系：光信號(hào)：光信號(hào)：N M N第17頁/共32頁xyoD)t ,x(I11)t ,x(II222tc 2tu uM M M1N2NN NN 系系s站臺(tái)系：站臺(tái)系：光信號(hào)：光信號(hào)：

15、NMN 22222)tu(D)tc( ttcutcucDt 2221112該兩事件為異地事件，該兩事件為異地事件，需用兩只鐘測(cè)出其時(shí)間需用兩只鐘測(cè)出其時(shí)間間隔：間隔：非原時(shí)非原時(shí) （觀測(cè)時(shí)間）（觀測(cè)時(shí)間）第18頁/共32頁ttcutt 21原時(shí)原時(shí)非原時(shí)非原時(shí)在在 系中用系中用 、 鐘測(cè)量鐘測(cè)量 系中系中 鐘所測(cè)得的原時(shí)鐘所測(cè)得的原時(shí) ， 將獲得一個(gè)放大了的時(shí)間間隔將獲得一個(gè)放大了的時(shí)間間隔 ssNt t 1N2N時(shí)間膨脹時(shí)間膨脹s在在 S系中看來，相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的系中看來，相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的 系內(nèi)的鐘走慢了。系內(nèi)的鐘走慢了。動(dòng)鐘變慢動(dòng)鐘變慢Dx y o 1x )t ,x(II)t ,x(I2111 N

16、MxyoD)t ,x(I11)t ,x(II222tc 2tu uM M M1N2NN NN 第19頁/共32頁思考：思考：若信號(hào)系統(tǒng)相對(duì)于站臺(tái)靜止，結(jié)果如何？若信號(hào)系統(tǒng)相對(duì)于站臺(tái)靜止，結(jié)果如何？ttcutt 21原時(shí)原時(shí)非原時(shí)非原時(shí)在在 系中看來，相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的系中看來，相對(duì)它運(yùn)動(dòng)的 S系內(nèi)的鐘走慢了。系內(nèi)的鐘走慢了。s動(dòng)鐘變慢動(dòng)鐘變慢Dxyo)t ,x(II)t ,x(I2111NMux y o D)t ,x(II22 2tc 2tu M M M1N 2N ),(11txI 第20頁/共32頁靜系中同地事件的時(shí)間間隔為原時(shí)，靜系中同地事件的時(shí)間間隔為原時(shí)，動(dòng)系中異地事件的時(shí)間間隔非原時(shí)。動(dòng)系

17、中異地事件的時(shí)間間隔非原時(shí)。用一個(gè)相對(duì)事件發(fā)生地靜止的鐘測(cè)量的兩個(gè)同地用一個(gè)相對(duì)事件發(fā)生地靜止的鐘測(cè)量的兩個(gè)同地事件的時(shí)間間隔事件的時(shí)間間隔原時(shí)（本征時(shí)間）原時(shí)（本征時(shí)間）在相對(duì)在相對(duì)事件發(fā)生地運(yùn)動(dòng)的參考系中，事件發(fā)生地運(yùn)動(dòng)的參考系中，該兩事件為異該兩事件為異地事件，需用置于不同地點(diǎn)的兩只鐘才能測(cè)出其時(shí)地事件，需用置于不同地點(diǎn)的兩只鐘才能測(cè)出其時(shí)間間隔間間隔非原時(shí)（觀測(cè)時(shí)間）非原時(shí)（觀測(cè)時(shí)間）注意：注意：“原時(shí)原時(shí)”概念概念第21頁/共32頁例如：例如：起跑沖線的時(shí)間間隔起跑沖線的時(shí)間間隔地面系測(cè)量地面系測(cè)量飛船系測(cè)量飛船系測(cè)量運(yùn)動(dòng)員系測(cè)量運(yùn)動(dòng)員系測(cè)量非原時(shí)非原時(shí)非原時(shí)非原時(shí)原時(shí)原時(shí))xcut

18、(t 2 0 0原時(shí)原時(shí)非原時(shí)非原時(shí))xcut(t 2 0 0原時(shí)原時(shí)非原時(shí)非原時(shí)在一切時(shí)間測(cè)量中，原時(shí)最短！在一切時(shí)間測(cè)量中，原時(shí)最短！由洛侖茲變換可直接得出時(shí)間膨脹：由洛侖茲變換可直接得出時(shí)間膨脹：第22頁/共32頁1)1) 從相對(duì)事件發(fā)生地運(yùn)動(dòng)的參考系中測(cè)量出的時(shí)間從相對(duì)事件發(fā)生地運(yùn)動(dòng)的參考系中測(cè)量出的時(shí)間 總比原時(shí)長(zhǎng)總比原時(shí)長(zhǎng)（時(shí)間膨脹）（時(shí)間膨脹）。2)2) 每個(gè)參考系中的觀測(cè)者都會(huì)認(rèn)為相對(duì)自己運(yùn)動(dòng)的鐘每個(gè)參考系中的觀測(cè)者都會(huì)認(rèn)為相對(duì)自己運(yùn)動(dòng)的鐘 比自己的鐘走得慢比自己的鐘走得慢（動(dòng)鐘變慢）動(dòng)鐘變慢）結(jié)論：結(jié)論：時(shí)間間隔的測(cè)量是相對(duì)的，與慣性系選擇有關(guān)時(shí)間間隔的測(cè)量是相對(duì)的，與慣性系

19、選擇有關(guān)在一切時(shí)間測(cè)量中，原時(shí)最短！在一切時(shí)間測(cè)量中，原時(shí)最短！第23頁/共32頁實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：1 1） 子衰變子衰變 宇宙射線和大氣相互作用時(shí)能產(chǎn)生宇宙射線和大氣相互作用時(shí)能產(chǎn)生介子衰變，在介子衰變，在大氣上層放出大氣上層放出子。這些子。這些子的速度約為子的速度約為 0.9980.998c c，如果在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得靜止如果在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得靜止子的壽命為子的壽命為 試問，在試問，在8000 8000 m 高空由高空由介子衰變放出的介子衰變放出的子能子能否飛到地面？否飛到地面？s10226 .m76581022103998068.us 顯然，顯然，子不能飛到地面。子不能飛到地面。按照經(jīng)典理論，

20、按照經(jīng)典理論，子飛行的距離為子飛行的距離為解：解：按照相對(duì)論理論，應(yīng)該如何計(jì)算？按照相對(duì)論理論，應(yīng)該如何計(jì)算？第24頁/共32頁按照相對(duì)論理論，地面參考系測(cè)得的按照相對(duì)論理論，地面參考系測(cè)得的子的壽命應(yīng)為子的壽命應(yīng)為 tt測(cè)量結(jié)果：到達(dá)地面的測(cè)量結(jié)果：到達(dá)地面的 子流為子流為 -1-2sm500 驗(yàn)證了相對(duì)論時(shí)間膨脹效應(yīng)。驗(yàn)證了相對(duì)論時(shí)間膨脹效應(yīng)。在地面參考系看來，在地面參考系看來，子的飛行距離為子的飛行距離為顯然，顯然，子可以飛到地面。子可以飛到地面。m8000m104209980110221039980268 .utus 第25頁/共32頁練習(xí)1.1.某宇宙飛船以某宇宙飛船以 0.80.8

21、c c 的速度離開地球，若地球上認(rèn)的速度離開地球，若地球上認(rèn)為它發(fā)出的兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔為為它發(fā)出的兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔為 10 s 10 s ，則，則宇航員測(cè)出的相應(yīng)的時(shí)間間隔為：宇航員測(cè)出的相應(yīng)的時(shí)間間隔為：s7 .16)(s10)(s8)(s6)(DCBA答案：答案： （A） s68 . 01102 tt第26頁/共32頁 半人馬座半人馬座 星是距離太陽系最近的恒星，它星是距離太陽系最近的恒星，它距離地球距離地球 ，設(shè)有一宇宙飛船自地球飛，設(shè)有一宇宙飛船自地球飛到半人馬到半人馬 星，若宇宙飛船相對(duì)地球的速度為星，若宇宙飛船相對(duì)地球的速度為0.999c0.999c，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算要用多少年時(shí)間？如，按地球上的時(shí)鐘計(jì)算要用多少年時(shí)間？如以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，所需時(shí)間又為多少年？以飛船上的時(shí)鐘計(jì)算，所需時(shí)間又為多少年？ m103416 .地球系：非原時(shí)；地球系：非原時(shí)； 飛船系：原時(shí)飛船系：原時(shí)思考：思考：哪個(gè)時(shí)間為原時(shí)？哪個(gè)時(shí)間為原時(shí)？請(qǐng)自行列式計(jì)算請(qǐng)自行列式計(jì)算練習(xí)2.2.第27頁/共32頁若用飛船上的鐘測(cè)量，飛船飛到若用飛船上的鐘測(cè)量，飛船飛到 星所需時(shí)間為星所需時(shí)間為 年年2030554999