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经典时空观与相对时空观
第二节：经典时空观与相对论时空观
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
牛顿
伽利略、第谷
哥白尼、亚里士多德
笛卡尔、胡克、哈雷等
牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。"
经典力学金字塔的建立
开普勒
万有引力定律
牛顿三大定律
经典时空观与相对时空观
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
如原子、电子粒子，
光、电磁波及粒子衰变，速度为光速或接近光速
空间尺度
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
经典时空观与相对时空观【讨论与交流】：在匀速前进的车厢中的自
由落体，相对于车厢静止的观察者做什么样
的运动？相对于地面静止的观察者做什么样
的运动？
相对于车厢静止的观察者是做自由落体运动。
相对于地面静止的观察者做平抛运动。
同一物体的运动，我们所选择的参考系不同，
对它的运动的描述可能不同。
一、经典时空观
经典时空观与相对时空观
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。
符合牛顿运动定律
不符合牛顿运动定律
惯性系
非惯性系
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
?.
伽利略相对性原理
对于第一个问题，牛顿力学的回答是干脆的：
第一个问题
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
一、
经典力学时空观
经典时空观与相对时空观
“萨尔瓦阿弟”大船
1632年,Galileo在“萨尔瓦阿蒂”大船上做过的实验：
伽利略相对性原理:
在彼此作匀速直线运动的惯性系中，一切力学现象都具有相同的规律。
经典时空观与相对时空观
第二个问题
相对于不同的参照系长度和时间的测量是一样的吗？
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
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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，
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
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
根据绝对时空观，得出几个结论
同时绝对性
时间间隔的绝对性
空间距离的绝对性
质量恒定不变
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
其中最典型的就是光速的问题
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理.
任何参照系中测得的光在真空的
速率都应该是这一数值
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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？
困惑
？？？
这个时候整个物理学界陷入
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
爱因斯坦:
Einstein
现代时空的创始人
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，
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
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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:
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。
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
.
爱因斯坦假设
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
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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。
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
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
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
?
Einstein
的相对性理论
是
Newton理论的发展
讨论
一切物理规律
力学规律
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
?
观念上的变革
革命性
(相对性)
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关，绝对的
与运动无关，不变的
相对的
与运动有关，相对的
随速度增加而增大
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
、
狭义相对论时空观
、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.
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
、同时相对性
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观2、光速不变原理
对任何惯性系,在真空中沿任意方向传播的光速都相同,且与光源的运动状态无关。
即谁测真空中的光速都是c
,与惯性系的选择及光源无关。
例：宇宙飞船以20万
km/s的速度飞行,
人在飞船上向前发一束光,
光在飞船中以光速
c
传播,
地球上的人测得光速多大？
万Km/s
按运动合成得:
实际测得:
万Km/s
爱因斯坦理论是牛顿理论的发展
注意
一切物
理规律
力学规律
2、狭义相对论的基本公设
为解决矛盾，爱因斯坦于1905年提出狭义相对论，其前提是两条基本假设：
（1）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：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同。
3、相对论的时空观
①
同时是相对的：在一个惯性参考系中观察到是同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察很可能是不同时的。
火车运动时，车上的小明观察到：
两个车门同时打开。
3、相对论的时空观
①
同时是相对的：在一个惯性参考系中观察到是同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察很可能是不同时的。
火车运动时，站台上的小芳观察到：
后门先开，前门后开。
同时的相对性是针对发生在不同地点的事件而言的
时间间隔的相对性
对于车厢内的人：
对于车厢外的人：
h
3、相对论的时空观
②
运动的时钟变慢：时钟相对于观察者静止时，走得快；相对于观察者运动时，观察者看到它变慢了。运动速度越大，效果越明显。
（1）相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）运动速度的加快，时间会变慢。
使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。
1、相对性原理
3、相对论的时空观
③
运动的物体变短：一个物体相对于观察者静止时，长度测量值最大；运动时，在运动方向上观察的长度缩短，速度越快，缩得越短。
3、相对论的时空观
④
运动的物体质量变大：当速度接近光速时，质量趋于无穷大。如果物体的运动速度比光速小得多时，物体运动时的质量与物体静止时的质量相等。
特
别
提
醒
①
相对论把原来认为毫无联系的时间、空间和物质运动密切联系起来，揭示了它们之间的依赖关系。是时空观发展史上的一次大变革。②
相对论并没有完全否认经典力学，经典力学是相对论在物质运动速度远小于光速时的近似结果。
经典时空观与相对时空观
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。
2)
对不同参考系，同样两事件之间的时间间隔是不同的。
结论
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。
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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。
相对论预言
慢
(
184
±23
)
×10
-
9
s
实
测
慢
(
203
±10
)
×10
-
9
s
2
2
1
c
u
t
t
-
?
=
D
D
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
双生子佯谬
是一对双生子。
乘高速飞船到太空
和
遨游一段
比自己老了，根据运动的相对性
，
和
运动的时钟变慢了，
但运动是相对的，
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
时间后返回地球
，
发现对方
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。
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。
附：
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
S′
O′
X
′
Y′
O
S
X
Y
●
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
动尺变短（空间收缩效应）
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.
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
检测题
有关科学家和涉及的事实，正确的说法是
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
(
A
C
)
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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．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
(
A
)
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
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
(
C
)
经典时空观与相对时空观
经典时空观与相对时空观
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
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
(
BD
)
经典时空观与相对时空观
光速
同时
时间与空间
质量
经典时空观
狭义相对论时空观
相对的
绝对的（不变）
绝对的
与运动无关，绝对的
与运动无关，不变的
相对的
与运动有关，相对的
随速度增加而增大
经典时空观与相对论时空观
练习
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．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
(
A
)
2、运动的物体和静止的物体相比不仅质量变了，而且沿运动方向的长度和时间都要变化，都具有相对性。
下面的事例可以帮助我们理解相对论
1971年8月的一天，一名前苏联飞行员例行飞行时，无意中“闯入”古埃及，他看到一座座金字塔刚刚奠起塔基……
1982年一位北约飞行员在一次飞行训练中，视野里竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到史前非洲大陆。
1970年一架272客机在飞向迈阿密国际机场的旅途中，也无故“失踪”了10分钟，10分钟后，客机又在原来的地方出现。失踪的一刹那，专家们的惟一的解释是时间“静止”不动了
1994年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来的空域出现，雷达又追踪到了客机的讯号。
最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。然而，客机上的机组人员和315名乘客，并不知道他们曾经"失踪"过。
机长巴达里疑惑不解地说："我们的班机由马尼拉起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。"
不过，事实却不容争辨：到达机场时，每个乘客的手表都慢了20分钟。
时间和空间是什么？
时间和空间是什么？5.2
经典时空观与相对论时空观
讲学案
高一级
班
姓名
座号
周次
星期
1、学习目标:
1、了解惯性系和非惯性系概念，了解伽利略相对时空观原理。
2、了解经典时空观感及基本推论。
3、知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。
二、复习检测:
1．（双选）下列说法正确的是(??)?
A．经典力学中物体的质量是不变的?
B．经典力学中的时间和空间是独立于物质及其运动的?
C．万有引力定律适用于强引力?
D．物体的速度可以是任意值?
2.（双选）根据经典物理学知识，人们对时间和空间的认识，下列说法正确的是(??)?
A．时间和空间是绝对的，与物质的存在和物质的运动都无关?
B．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间也无联系?
C．时间和空间可以脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系?
D．时间和空间不能脱离物质而独立存在，二者之间存在一定的联系
三、新课教学
知识点一：经典时空观
阅读课本并完成以下内容：
1、
惯性参考系——
2、
非惯性参考系——
3、
所有相对于
或
运动考系都是惯性系；对于惯性系做
运动的参考系都是非惯性系。
4、
经典力学的时空观（绝对时空观）——
5、
经典力学的几个具体结论：（1）
（2）
（3）
。
典题：
1、下列说法中属于经典时空观的是(??)
A．在某一参考系中同时发生的两件事，在另一个参考系中不一定同时发生。
B．物体运动所经历的时间随参考系变化而变化。
C．物体的质量随物体速度的变化而变化。
D．时间和空间是绝对的，不依赖人们的意志而存在。
知识点二：相对时空观
1、
对光速C的理解，爱因斯坦提出的狭义相对论，是以两条基本假设为前提的：
一是
。
二是
。
2、
由假设出发推导出4个不同于经典力学的结论：
（1）
。
（2）
。
（3）
。
（4）
。
典题：
1、
根据相对论时空观，下列结论正确的是：（
）
A．同时是绝对的。
B．“时间间隔”是绝对的。
C．物体质量随物体速度变化而变化。
D．空间距离是绝对的。
四、巩固练习
1、下列哪些是属于经典时空观的内容（
）
a．同一物体在任何参考系中测量具有相同的长度。
b．光速是自然界中的极限速度，任何事物的速度都不能超过光速。
c．任何事件所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的。
d．同时是相对的。
A．a、b
B．b、c
C．a、c
D．c、d
2、关于经典时空观和相对论时空观，下列说法错误的是（
）
A．经典时空观认为时间和空间是独立于物体及其运动而存在的。
B．相对论时空观认为时间和空间与物体及其运动有关系。
C．经典力学只适用于宏观物体、低速运动问题，不适用于高速运动的问题。
D．当物体的运动速度远小于光速时，相对论和经典力学的结论仍有很大的区别。
五、课堂小结
1．惯性参考系与非惯性参考，一切惯性参考系都是等效的。
2．经典力学的时空观（即绝对时空观）。
3．相对论时空观、相对性原理和光速不变原理。
4、经典力学的四个结论。
六、作业
1、下列关于“地心说”和“日心说”的说法中，正确的是（
）?
A．“地心说”的参照系是太阳?
B．“日心说”的参照系是太阳?
C．“地心说”和“日心说”只是参照系不同，两者具有等同的价值?
D．“日心说”是由开普勒提出来的?
2．发射人造卫星是将卫星以一定的速度送入预定轨道．发射场一般选择在尽可能靠近赤道
的地方，这样选址的优点是，在赤道附近(?
?)?
?
A．地球的引力较大?
B．地球自转线速度较大?
C．重力加速度较大?
D．地球自转角速度较大
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2(共34张PPT)
第五章
2
.经典时空观和相对论时空观
运动的描述
探究匀变速直线运动规律
曲线运动（抛体运动、曲线运动）
研究物体间的相互作用
力与运动
万有引力定律及其应用
力学
动力学
运动学
静力学
牛顿力学
经典力学
物理
经典力学理论却是由西方世界于16世纪起建立和完善。
哥白尼——创立日心说
伽利略——发现惯性定律、落体定律和力学相对性原理。
笛卡儿——比较完整的第一次表述了惯性定律。
惠更斯——解决了完全弹性碰撞问题
开普勒——发现了行星运动规律
宏伟的经典力学大厦
牛顿第一定律
牛顿第二定律
牛顿第三定律
万有引力定律
牛顿:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。
《自然哲学的数学原理》
太空海王星和冥王星的发现，说明了牛顿经典力学具有无比强大的威力,证明牛顿的经典力学大厦是非常完美!
德国物理学家普朗克年轻时表示要献身理论物理学时,老师约利劝他:
“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了.
”
1900年4月27日
开尔文勋爵
《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》
力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了!
以太漂移实验
黑体辐射“紫外灾难”
光电效应1887年赫兹发现
经典力学时空观
（1）同时的绝对性
（2）时间间隔的绝对性
（3）空间距离的绝对性
（4）物体质量的绝对性
绝对时空观
1、经典力学的应用受到物体速度的限制，只适用于处理物体的低速运动问题，而不能解决高速运动问题（接近光速）
2、牛顿运动定律只适用于宏观物体的运动，不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象
虽然在力学、光学、甚至数学很有成就，但当问题牛顿解释不了时，他就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。
爱因斯坦1905年的五篇论文
“利用别人的证据，构建自己的理论”
2.人类和平利用—核电站
1.军事利用—原子弹、氢弹(裂变、聚变）
（铀235或钚239）
狭义相对论时空观（爱因斯坦）
（1）相对性原理。不同惯性参考系，一切物理规律相同。
（2）光速不变原理。在任何惯性系，真空中的光速相同。
几个推论：
（1）同时的相对性。
（2）运动的时钟变慢。
（3）运动的尺子变短。
（4）物体的质量随速度的增加而增大。
基本假说
相对时空观
光速的测定
1607年伽利略
1676年丹麦天文学家罗迈
1926年美国物理学家迈克尔逊
同时的相对性
向右匀速运动
钟慢效应证据
一、高速运动的不稳定粒子的寿命变长(如μ子)。
二、1972年、1975-1976年、1996年、2010年四次飞行原子钟的实验变慢
三、GPS系统：地面钟A的频率为10.23MHz，卫星钟B要调慢0.04567Hz”，才能实现“实时同步”
双生子悖论
1911年法国物理学家朗之万设想：一对双胞胎都20岁，一个留在地球上，一个乘坐火箭到太空旅行。火箭飞行速度接近光速v
=
0.9999c，当火箭人看自己的钟，飞行了1年后，地球人的时钟已经度过了约71年。
双生子悖论
广义相对论(1915年)
这个方程左边表示的是时空弯曲的情况，右边表达物质及其运动。
爱因斯坦成功的秘诀
A=X+Y+Z
3.牛顿定律能适用于下列哪些情况？
A.研究原子中电子的运动
B.研究“神舟”五号的高速发射
C.研究地球绕太阳的运动
D.研究飞机从深圳飞往北京的航线
【提示】经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动。
【答案】BCD
4.下面有关科学家和涉及的事实，正确的说法是
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
AC
5.一列火车以速度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．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
A
6.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（
）
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
BD
