§15-2 时间和空间的相对性

教学目标

（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

一、"同时"的相对性

　　作为相对论的两个假设的直接推论，现在讨论"同时"的相对性，以体会相对论描述的世界和我们日常的经验有多大的差别.

　　我们研究两个"事件"的同时性.在这里，"事件"可以指一个光子与观测仪器的碰撞，也可以指闪电对地面的打击，还可以指一个婴儿的诞生......

　　两种情景:

　　假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件.车上的观察者认为两个事件是同时的.在他看来这很好解释，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁.

车下的观察者则不以为然.他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁.他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些，这两个事件不同时.

在经典物理学家的头脑中，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一定也是同时的，这一点似乎天经地义，无需讨论.但是，如果接受了爱因斯坦的两个假设，我们自然会得出"同时是相对的"这样一个结论.为什么在日常生活中没有人觉察到这种相对性？原来，火车运动的速度远远小于光速，光从车厢中央传播到前后两壁的短暂时间内，火车前进不了多大距离，因此地面观察者不会发现闪光到达前壁、后壁的时间差.

　　情况1：对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的,车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁,站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁

　　关键：在各个参考系中光速都为c

　　情况2：地面 上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的.

　　利用相对运动原理，假设车静人动，人和地面相当于火车，结果与前面相似.

　　"思考与讨论"结论：

　　1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的

关键：在各个参考系中光速都为c

　　2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的

关键：相对运动

二、长度的相对性

　　高速火车上的一个杆，当它的方向和运动方向平行时，地面上的人测得的杆长要小于火车上的人测得的杆长！

假设一个杆沿着车厢运动的方向固定在火车上，和车一起运动.在火车上的人看来，杆是静止的.他利用固定在火车上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L′.地面上的人要利用固定在地面上的坐标轴，测出杆两端的位置坐标，坐标之差就是他测出的杆长L.可是，对于地面上的人，杆是运动的，要使这种测量有意义，他必须同时测出杆两端的位置坐标；如果在某一时刻测出杆一端的位置坐标，在另一时刻测出另一端的位置坐标