高考物理最新教案-高中物理教师备课资料：狭义相对论的基本原理(3)

（鲁科K）时空是对物质存在及运动的描述。时间，描述物质运动的持续性；空间，描述物质存在的广延性。物质具有线分布、面分布、体分布，取三维空间基本能够满足描述物质广延性的需要。

经典时空观认为，时间和空间是相互独立的，并且与物质的存在与运动无关。相对论时空观认为，时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运动密切相关。在相对论里，空间三维，再加上时间一维，构成了统为一体的四维时空(four-dimensional space-time)。四维时空的一点被称为一个事件。例如，在北京时间15时15分，一架飞机飞行在东经56°，北纬48°，距海平面20km的地方，这就是一个四维时空的事件。再如，一个质点连续运动了一段时间，这一物理过程可用四维时空的一段曲线描述。 相对论向人们展示了更为科学的时空观。这个新颖的时空理论，揭示了时间、空间与物质存在及运动之间的紧密联系，使人们对时空本质有了更为正确的认识。

（鲁科K）信息窗

（鲁科K）四维时空

（鲁科K）四维时空，最初是由数学家闵可夫斯基提出的。闵可夫斯基说了一句富有诗意的话：“空间本身，时间本身，最终都会像影子般地消失在黑暗之中，只有这两者的某种形式的结合，才能保持它独立的客观实体。”

物理学家斯蒂芬·霍金也说过：“想像一个四维空间是不可能的。我个人觉得想像三维空间已经够难了。”

诚然，就四维时空给出能让人接受的形象化描述非常困难。我们应当明确，物理模型、概念及定律等不过都是描述客观世界的工具、方法，随着进入高速、微观等领域，理论将更抽象、复杂。

（鲁科J）相对论知识比较抽象，因此，在教学中一定要注意深入浅出，不要过分追求知识的严谨性和逻辑性；

运用物理学史进行教学，可以提高学生的学习兴趣，但对物理学史的介绍不能冲淡主题；同时注意应用本节提供的图、数据表以及“信息窗”栏目。

爱因斯坦的时空观

1。(沪科K)同时的相对性

(沪科K) 我们已初步讨论过同时性的概念 为了得到明确的结论，爱因斯坦设想有一列丌得很快的火车，在它的一节车厢的正中间有—个观察者A和一台闪光器，车头和车尾各有一台光的接收器P和Q，在站台上有另一个观察者B，如图6-6所示。

(沪科J)6．3节中“同时的相对性”、“时空的相对性”、“长度收缩效应”和“时间延缓效应”，都是狭义相对论时空的属性，也是狭义相对论最基本的内容。学生学习这些内容后，可以进一步加深对相对论时空观的理解。

(沪科J)本节难点是“同时的相对性”，它是光速不变原理的直接结果。爱因斯坦理想实验的结论对初学者会产生强烈的冲击，教学中能否讲清楚这个实验关系到后续内容的学习。）

(沪科K)火车驶过站台，在A和B相遇的瞬间，闪光器发出一次闪光，这个闪光会被车头和车尾上的两个接收器P，Q所接收。这两个接收器是同时收到闪光信号的吗?车上的观察者A和站台上的观察者B的结论是一致的吗?

(沪科K) 观察者A认为，闪光信号以光速相对于他(即火车)进行传播，P、Q两个接收器与闪光器的距离相同，闪光信号到达户、口的时间是相同的，即两个接收器同时收到闪光信号。

(沪科K)观察者B认为，根据光速不变原理，闪光信号也以光速相对于他进行传播，但P在向前运动，当闪光信号到达P时，P已前进了一段距离，故闪光信号走过的距离长；相反，闪光信号从闪光器到达Q所走过的距离短。因此，闪光信号应先抵达Q，后抵达P，即两个接收器不是同时收到信号。

(沪科K)这种不同时性，确实令人惊讶。人们原以为．地面上的人，甚至其他星球上的“人”，都会有相同的“同一瞬间”，因此宇宙中存在着牛顿式的普适时间。现在从爱因斯坦的狭义相对论来看．这是错误的，

不存在全宇宙普适的同时性概念。

2。(沪科K)时空的相对性

上面的实验说明，时间是不能绝对定义的，它与物体的运动速度有关。那么，时间、空间与物体运动的速度有怎样的关系呢?

如图6-7所示，有A、B两个参考系，每个参考系中各有一只钟和一位观察者。设参考系A不动，参考系B以速度。向右运动。

假如有一个事件户发生，它在两参考系中的坐标如图所示，按佃利略相对性原理，因时间、空间与物质运动无关，其变换公式为

前面已经知道．按这两个公式导出的速度关系，不符合光速不变的原理。为此，爱因斯坦认为，时间、空间与物质运动是有关的，其变换公式应该是

（注：这是“同时的相对性”的物理意义，对分析相对论的时空问题很有用。

(4)

比较这两种变换，可以看出，其主要的不同点在于：前者t?t\'认为时间在任何地方都是一样的；后者

?x?a11x\'?a12t\'??t?a21x\'?a22t\'(3)?x?x\'?vt\'??t?t\'(1)(2)认为

t?a21x\'?a22t\'； 时间在有速度的地方与速度有联系。这一变换关系也是爱国斯坦创造性

思维的一大发明，由此导出的结果震撼了世界。

在爱因斯坦的变换式(3)、(4)中，

a11

、a12、a21、a22需要4个条件才能导出。他根据光速不变原

理和时空的性质，导出了如下关系式：

x\'?vt\'??x?v2?1??c2??v?t\'?2x\'?c?t??v21?2??c?(5)(6)

上式中，x和t为P在A参考系中的位置和时间；而x′和t′为P在B参考系中的位置和时间；v为B的速度，c为光速。显然，当v

(5)、(6)两式不仅揭示了时间、空间与物质运动存在着内在的不可分割的联系．而且给出了它们之间的定量关系。

3．（鲁科K）时间延缓效应

（鲁科K）牛顿曾经说过：绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。我们每一个人都永远陷在时间之中，没有办法能使我们跳出来，在一段距离之外来看它的真面目。因此，我们对时间的直观感觉很可能是错误的。

（鲁科K）爱因斯坦从相对论的两个基本原理出发，设计了这样一个理想实验［图6-6(a)］假定列车以匀速 运动。静止在车厢里的人手持一个光源，从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜。设车厢的高度为d，则光束在真空中来回往返的过程中，车上的钟走过的时间是

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