(
课件网) 第七章 第5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性 自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。 新课导入 双生子佯谬 双生子佯谬是一个有关狭义相对论的思想实验。 内容是这样的：有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年轻。 一、相对论时空观 Einstein 对相对论的解释: 当你和一个美丽的姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。 Albert Einstein 世纪伟人 设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光速度是多少？ 绝对时空观：时间和空间独立于物体及其运动而存在。 激光速度=1.2c NO!NO!NO!!! 19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？ 一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，1887 年的迈克耳逊—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。 在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好地解释实验事实的假设。 爱因斯坦假设 ： （1）在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的； （2）真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。 1、同时的相对性 问题1：以火车为参考系，闪光是否同时到达前后壁？ 问题2：以地面为参考系，光刚从光源发出时，前壁和后壁离光源是否等距？经过时间t后，前后壁离光发出时的位置还等距吗？为什么？ 问题3：根据光速不变原理，光到达前后壁还同时吗？ 问题4：不同的观察者观察的光到达两壁的时间不同时，你相信这是真的吗？如果要否定它，首先要否定什么？ 问题5：时间间隔还是与物体运动无关的存在吗？ 在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果。 如果相对于地面以 v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为 Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为 Δt，那么两者之间的关系是 时间膨胀 问题6：除了时间观念，你认为空间距离是否也会跟物体运动有关？爱因斯坦经过两个假设推导杆长l的表达式是怎样的？ 如果与杆相对静止的人测得杆长是 l0 ，沿着杆的方向，以 v 相对杆运动的人测得杆长是 l，那么两者之间的关系是 长度收缩 问题7：上述表达式有没有得到实验的验证？ 要验证（1）（2）两式是否正确，首先要找到高速运动的物体。科学家发现 子以 0.99 c 甚至更高的速度飞行。根据经典理论可计算每秒到达地球的 子数，这个数值小于实际观察到的 子数。 观察到的现象与经典理论产生了矛盾。 相对于光速而言，低速运动即可近似认为速度为 0，即若选择与 子一起运动的某一物体为参考系，此时 子的平均寿命是 3.0 s。对于地面上的观测者来说，由（1）式计算可知 子平均寿命约为 21 s。由于平均寿命增大，飞行的距离也变大，因而在地面附近实际观测到的 子的数量就大于经典理论作出的预言。-- 子平均寿命变长成了相对论时空观的最早证据 相对论 ... ...
