人教版選修34 第十五章 12 相對論的誕生 時(shí)間和空間的相對性 學(xué)案.doc

1相對論的誕生2時(shí)間和空間的相對性學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道經(jīng)典的相對性原理，知道狹義相對論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和它的兩個(gè)基本假設(shè).2.知道狹義相對論的幾個(gè)主要結(jié)論.3.了解經(jīng)典時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的主要區(qū)別，體會(huì)相對論的建立對人類認(rèn)識(shí)世界的影響一、相對論的誕生1經(jīng)典的相對性原理(1)慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系相對一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系(2)伽利略相對性原理：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的2相對性原理與電磁規(guī)律邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速是不變的，這與傳統(tǒng)的速度合成法則是矛盾的3狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)(1)狹義相對性原理：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的(2)光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的二、時(shí)間和空間的相對性1“同時(shí)”的相對性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察也是同時(shí)的(2)相對論的時(shí)空觀：“同時(shí)”具有相對性，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察不一定是同時(shí)的2長度的相對性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：一條桿的長度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動(dòng)而不同(2)狹義相對論認(rèn)為“動(dòng)尺變短”：狹義相對論中的長度公式：ll0，但垂直于桿的運(yùn)動(dòng)方向上，桿的長度不變3時(shí)間間隔的相對性(1)經(jīng)典的時(shí)空觀：某兩個(gè)事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時(shí)間間隔總是相同的(2)狹義相對論認(rèn)為“動(dòng)鐘變慢”：時(shí)間間隔的相對性公式t.4經(jīng)典時(shí)空觀和狹義相對論時(shí)空觀(1)經(jīng)典時(shí)空觀：空間和時(shí)間脫離物質(zhì)而存在，是絕對的，空間和時(shí)間沒有聯(lián)系，即與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)(2)狹義相對論時(shí)空觀：有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，空間和時(shí)間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)一根桿的長度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動(dòng)而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)()(2)一根桿的長度靜止時(shí)為l0，不管桿如何運(yùn)動(dòng)，桿的長度均小于l0.()(3)“動(dòng)鐘變慢”是時(shí)鐘的精度因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了變化()(4)高速運(yùn)動(dòng)的飛船中的宇航員發(fā)現(xiàn)地面的時(shí)鐘變慢了()一、經(jīng)典的相對性原理與狹義相對論導(dǎo)學(xué)探究(1)如圖1所示，小球相對于參考系o以速度v0向右拋出，人相對于參考系o靜止，當(dāng)參考系o相對于參考系o靜止、以速度v向右運(yùn)動(dòng)和以速度v向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，人觀察到小球的速度分別為多大？圖1(2)如圖2所示，光源相對于參考系o靜止，人相對于參考系o靜止，當(dāng)參考系o相對于參考系o靜止、以速度v向右運(yùn)動(dòng)和以速度v向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，人觀察到的光源發(fā)出光的傳播速度分別為多大？圖2答案(1)分別為v0、v0v、v0v(2)人觀察到的光速都是c知識(shí)深化1慣性系與非慣性系的確定：我們通常選取大地為慣性系，相對于地面靜止或做勻速運(yùn)動(dòng)的物體都是慣性系，相對于地面做變速運(yùn)動(dòng)的物體都是非慣性系2光的傳播速度與慣性系的選取無關(guān)在任何情況下，真空中的光速都是c.例1關(guān)于狹義相對論，下列說法不正確的是()a狹義相對論認(rèn)為在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的b狹義相對論認(rèn)為在一切慣性系中，光在真空中的速度都等于c，與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)c狹義相對論只涉及無加速運(yùn)動(dòng)的慣性系d狹義相對論任何情況下都適用答案d解析根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)可知，選項(xiàng)a、b正確；狹義相對論只涉及慣性參考系，不涉及非慣性參考系，選項(xiàng)d錯(cuò)誤，c正確例2如圖3所示，強(qiáng)強(qiáng)乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為()圖3a0.4cb0.5cc0.9cdc答案d解析根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，在任何參考系中，光速不變，即光速不隨光源和觀察者所在參考系的相對運(yùn)動(dòng)而改變，所以壯壯觀測到該束光的傳播速度為c，所以a、b、c錯(cuò)誤1各物理量有可能因?yàn)樗x擇參考系的不同而不同，但是它們遵循的物理規(guī)律是相同的2光速不變原理強(qiáng)調(diào)真空中的光速恒定不變，與光源、觀察者間的相對運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系二、時(shí)間和空間的相對性導(dǎo)學(xué)探究如圖4所示，一列車以速度v經(jīng)過站臺(tái)，站臺(tái)中部的觀察者c看到列車車頭正好到達(dá)站臺(tái)最右端的a人時(shí)，車尾正好到達(dá)站臺(tái)最左端的b人圖4(1)若此時(shí)站臺(tái)上的觀察者c看到a、b兩人同時(shí)面向列車舉起手中的小紅旗，那么站在列車中點(diǎn)的觀察者c看到a、b兩人是同時(shí)舉旗的嗎？如果不是同時(shí)舉旗，他會(huì)看到哪個(gè)人先舉旗？(2)站臺(tái)上的觀察者c看到列車長度剛好和站臺(tái)長度相同，列車上的觀察者c認(rèn)為列車長度和站臺(tái)長度相同嗎？如果不相同，他認(rèn)為列車長還是站臺(tái)長？(3)假定列車上的觀察者c舉起小紅旗向站臺(tái)上的a、b兩人揮動(dòng)致意，他認(rèn)為自己從舉起小紅旗到放下小紅旗的時(shí)間為t，站臺(tái)上的觀察者c觀察到他舉旗的時(shí)間也為t嗎？如果不是t，他認(rèn)為這個(gè)時(shí)間比t長還是短？答案(1)不是同時(shí)舉旗，他看到a人先舉旗(2)列車長度和站臺(tái)長度不相同，他認(rèn)為列車長(3)不是t，他認(rèn)為這個(gè)時(shí)間比t長例3地面上長100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km/s的速度掠過，則火箭上的人看到鐵路的長度應(yīng)該為多少？如果火箭的速度達(dá)到0.6c，則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少？答案100km80km解析當(dāng)火箭速度較低時(shí)，長度基本不變，還是100 km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時(shí)，由相對論長度公式ll0代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得：l100 km80 km.應(yīng)用相對論效應(yīng)解題的一般步驟：(1)應(yīng)該通過審題確定研究對象及研究對象的運(yùn)動(dòng)速度.(2)明確求解的問題，即明確求解靜止參考系中的觀察結(jié)果，還是運(yùn)動(dòng)參考系中的觀察結(jié)果.(3)應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式”或“時(shí)間延緩效應(yīng)公式”進(jìn)行計(jì)算.例4介子是一種不穩(wěn)定粒子，平均壽命是2.6108s(在它自己的參考系中測得)(1)如果此粒子相對于實(shí)驗(yàn)室以0.8c的速度運(yùn)動(dòng)，那么在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測量的介子壽命多長？(2) 在(1)中實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系里測量的介子在衰變前運(yùn)動(dòng)了多長距離？答案(1)4.3108s(2)10.32m解析(1)介子在實(shí)驗(yàn)室中的壽命為t s4.3108 s.(2)該粒子在衰變前運(yùn)動(dòng)的距離為xvt0.831084.3108 m10.32 m.1(經(jīng)典相對性原理)以下說法中正確的是()a經(jīng)典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的b經(jīng)典物理規(guī)律也適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體c力學(xué)規(guī)律在一個(gè)靜止的參考系和一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的參考系中是不等價(jià)的d力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價(jià)的答案d解析在所有慣性系中，一切力學(xué)規(guī)律都是等價(jià)的，故d正確，c錯(cuò)誤；經(jīng)典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個(gè)近似，所以經(jīng)典物理規(guī)律只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，而經(jīng)典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況，故a、b均錯(cuò)誤2(狹義相對論)(多選)下面說法正確的是()a在以c豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光，對地速度一定比c大b在以c豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光，對地速度一定比c小c在以c豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光對地速度為cd在以c豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光對地速度都為c答案cd解析根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè)光速不變原理可知：真空中的光速相對于火箭的速度為c，相對于地面的速度也為c，即對不同的慣性參考系光速是相同的，因此c、d正確，a、b錯(cuò)誤3(空間的相對性)慣性系s中有一邊長為l的正方形(如圖5所示)從相對s系沿x軸方向以接近光速勻速飛行的飛行器上測得此正方形的圖形是()圖5答案c解析從相對s系沿x軸方向以接近光速勻速飛行的飛行器上觀察s系中的正方形，根據(jù)相對論效應(yīng)可知，沿x軸方向正方形邊長縮短，而沿y軸方向正方形邊長沒有改變，則其形狀變成長方形，故c正確，a、b、d錯(cuò)誤4(時(shí)間的相對性)如圖6所示，a、b、c是三個(gè)完全相同的時(shí)鐘，a放在地面上，b、c分別放在以速度vb和vc朝同一方向飛行的兩枚火箭上，且vbvc.地面上的觀察者認(rèn)為哪個(gè)時(shí)鐘走得最慢？哪個(gè)時(shí)鐘走得最快？圖6答案火箭c上的時(shí)鐘走得最慢，地面上的時(shí)鐘走得最快解析根據(jù)公式t可知，相對于觀察者的速度v越大，其上的時(shí)間進(jìn)程越慢，地面上的觀察者認(rèn)為c鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬τ谟^察者的速度最大；由t知sbsscssd無法判斷答案a解析觀察者b以0.8倍光速平行y軸正方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)尺縮效應(yīng)可知，b觀察到的鐘沿y軸方向的直徑將減小，而沿z軸方向的直徑不變，鐘的面積將比靜止的觀察者看到的面積要小，即s大于s，故選a.6假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個(gè)中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜耍^察的結(jié)果是()a這個(gè)人是一個(gè)矮胖子b這個(gè)人是一個(gè)瘦高個(gè)子c這個(gè)人矮但不胖d這個(gè)人瘦但不高答案d解析取路旁的人為慣性系，車上的人相對于路旁的人高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)尺縮效應(yīng)，人在運(yùn)動(dòng)方向上將變窄，但在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上沒有發(fā)生變化，故選d.7(多選)用相對論的觀點(diǎn)判斷，下列說法正確的是()a時(shí)間和空間都是絕對的，在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長度總不會(huì)改變b在地面上看，以10km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變快，但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的c在地面上的人看來，以10km/s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變短，而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些d當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度v遠(yuǎn)小于c時(shí)，“長度收縮”和“時(shí)間膨脹”效果可忽略不計(jì)答案cd解析時(shí)間和空間都是相對的，沒有絕對準(zhǔn)確的時(shí)間和空間，所以a、b錯(cuò)誤；由ll0可知兩處的人都感覺ll0，所以c正確；由尺縮效應(yīng)和時(shí)間延緩效應(yīng)公式可知，當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時(shí)，尺縮效應(yīng)和時(shí)間延緩效應(yīng)都可以忽略不計(jì)，所以d正確8.如圖2所示，在一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的巨大轉(zhuǎn)盤上放著a、b、c三個(gè)時(shí)鐘，下列說法正確的是()圖2aa時(shí)鐘走時(shí)最慢，b時(shí)鐘走時(shí)最快ba時(shí)鐘走時(shí)最慢，c時(shí)鐘走時(shí)最快cc時(shí)鐘走時(shí)最慢，a時(shí)鐘走時(shí)最快db時(shí)鐘走時(shí)最慢，a時(shí)鐘走時(shí)最快答案c解析a、b、c三個(gè)時(shí)鐘中，c相對于地面的速度最大，a相對于地面的速度最??；由t可知，c時(shí)鐘走時(shí)最慢，a時(shí)鐘走時(shí)最快，故選項(xiàng)c正確9如圖3，假設(shè)一根10m長的梭鏢以光速穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子情況的是()圖3a梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它b管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來c兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個(gè)位置，管子恰好遮住梭鏢d所有這些都與觀察者的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)答案d解析如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運(yùn)動(dòng)著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會(huì)完全在管子內(nèi)部然而當(dāng)你和梭鏢一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，你看到的管子就縮短了，所以在