2020高中物理 第15章 1 相對論的誕生 2 時間和空間的相對性學(xué)案 -4

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGE11-學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精1相對論的誕生2時間和空間的相對性[學(xué)習(xí)目標(biāo)］1。知道經(jīng)典的相對性原理，能說出狹義相對論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和它的兩個基本假設(shè).2。能說出狹義相對論的幾個主要結(jié)論．（重點(diǎn))3。了解經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的主要區(qū)別,體會相對論的建立對人類認(rèn)識世界的影響．（難點(diǎn)）一、相對論的誕生1．經(jīng)典的相對性原理（1）表述一：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的．（2)表述二：在一個慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個慣性參考系是否相對于另一個慣性系做勻速直線運(yùn)動．（3)表述三：任何慣性參考系都是平權(quán)的．2．狹義相對論的兩個基本假設(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、時間和空間的相對性1．“同時”的相對性（1)經(jīng)典時空觀：在同一個慣性系中不同地點(diǎn)同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察也是同時的．(2)相對論時空觀：“同時”具有相對性，即在同一個慣性系中不同地點(diǎn)同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察可能不是同時的．2．“長度"的相對性(1)經(jīng)典的時空觀：一條桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同．（2）相對論的時空觀：“長度”也具有相對性，一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿,其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運(yùn)動方向上，桿的長度沒有變化．（3）相對長度公式：設(shè)相對于桿靜止的觀察者認(rèn)為桿的長度為l0，與桿有相對運(yùn)動的人認(rèn)為桿的長度為l，桿相對于觀察者的速度為v，則l、l0、v的關(guān)系是：l＝l0eq\r(1－\b\lc\（\rc\）(\a\vs4\al\co1(\f（v，c）)）eq\s\up8（2）)。3．時間間隔的相對性（1)經(jīng)典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是相同的．(2）相對論的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察,它們的時間間隔是不同的，慣性系速度越大，慣性系中的時間進(jìn)程進(jìn)行得越慢．非但如此，慣性系中的一切物理、化學(xué)過程和生命過程都變慢了．（3）相對時間間隔公式:設(shè)Δτ表示靜止的慣性系中觀測的時間間隔,Δt表示以v高速運(yùn)動的參考系中觀察同樣兩事件的時間間隔，則它們的關(guān)系是：Δt＝eq\f(Δτ，\r（1－\b\lc\(\rc\）（\a\vs4\al\co1（\f(v,c）)）eq\s\up8（2))）。1．思考判斷（正確的打“√",錯誤的打“×”）(1)靜止或勻速直線運(yùn)動的參考系是慣性系． （√)(2）由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的,因此，研究力學(xué)問題時可以選擇任何慣性系． (√）(3）根據(jù)相對論的時空觀,“同時”具有相對性． （√)(4)相對論時空觀認(rèn)為，運(yùn)動的桿比靜止的桿長度變大． (×)(5）高速飛行的火箭中的時鐘要變慢． （√）2．下列關(guān)于狹義相對性原理的說法中不正確的是()A．狹義相對性原理是指力學(xué)規(guī)律在一切參考系中都成立B．狹義相對性原理是指一切物理規(guī)律在一切參考系中都成立C．狹義相對性原理是指一切物理規(guī)律在所有慣性系中都成立D．狹義相對性原理與伽利略相對性原理沒有區(qū)別E．相對性原理對一切自然規(guī)律都適用ABD［根據(jù)狹義相對性原理的內(nèi)容，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的．一定要注意它和伽利略相對性原理的區(qū)別，即狹義相對性原理中的“規(guī)律”是一切物理規(guī)律,而經(jīng)典相對性原理中的“規(guī)律”只是指經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律，范圍要小許多．］3。假設(shè)甲在接近光速的火車上看地面上乙手中沿火車前進(jìn)方向放置的直尺，同時地面上的乙看甲手中沿火車前進(jìn)方向放置的直尺，則下列說法中正確的是（)A．甲看到乙手中的直尺長度比乙看到自己手中的直尺長度大B．甲看到乙手中的直尺長度比乙看到自己手中的直尺長度小C．乙看到甲手中的直尺長度比甲看到自己手中的直尺長度大D．乙看到甲手中的直尺長度比甲看到自己手中的直尺長度小BD［由l＝l0eq\r(l－\f（v2，c2））可知，運(yùn)動的觀察者觀察靜止的尺子和靜止的觀察者觀察運(yùn)動的尺子時，都出現(xiàn)尺縮效應(yīng)，即都發(fā)現(xiàn)對方手中的尺子比自己手中的短，故B、D正確．］相對論的誕生1．慣性系和非慣性系牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系，相對于這個慣性系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性系．牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系稱為非慣性系．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，即任何慣性參考系都是平權(quán)的．3．相對性原理與電磁規(guī)律根據(jù)麥克斯韋的電磁理論,真空中的光速在任何慣性系中都是一個常量，但是按照伽利略的相對性原理，在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的．邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是相同的．4．邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)（1)實(shí)驗(yàn)背景:根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可以直接得到真空中電磁波的速度，并不需要初始條件，也就是說,“電磁波的速度是c”，這本身就是電磁規(guī)律的一部分，而不是電磁規(guī)律應(yīng)用于某個具體事物的結(jié)論．于是，問題出現(xiàn)了：麥克斯韋的電磁理論相對哪個參考系成立？如果它相對參考系S是正確的，另外還有一個參考系S′，S′相對于S以速度v運(yùn)動，那么光相對于S′的速度應(yīng)該是（c－v)而不是c,好像電磁規(guī)律不是對任何慣性系都一樣．（2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動，光速都是一樣的．【例1】如圖所示，思考以下幾個問題：(光速用c表示）(1）若參考系O′相對于參考系O靜止,人看到的光速應(yīng)是多少?(2)若參考系O′相對于參考系O以速度v向右運(yùn)動,人看到的光速應(yīng)是多少？（3）若參考系O相對于參考系O′以速度v向左運(yùn)動，人看到的光速又是多少？[解析］根據(jù)狹義相對論的光速不變原理：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系．因此三種情況下，人觀察到的光速都是c。［答案］（1)c(2)c（3)c(1）愛因斯坦提出的兩條基本假設(shè)是相對論的基礎(chǔ)，對同時的相對性等經(jīng)典力學(xué)所無法解決的問題，應(yīng)緊緊抓住兩條基本假設(shè)這一關(guān)鍵點(diǎn)來解決．（2)真空中對不同的慣性參考系來說,光速都是相同的．(3)經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論是有一定局限性的,一般只適用于宏觀物體的低速運(yùn)動．1．假設(shè)有一天某人坐在“神舟”號飛船上，以0。5c的速度遨游太空，當(dāng)他打開一個光源時飛船正前方地面上的觀察者看到這一光速為________，飛船正后方地面上的觀察者看到這一光速為________，在垂直飛船前進(jìn)方向地面上的觀察者看到這一光速是________．［解析］根據(jù)狹義相對論的假設(shè)，真空中的光速相對于不同的慣性參考系是相同的,即在地面上任何地方的觀察者看到的光速都是c.[答案］ccc時間和空間的相對性1.“動尺縮短”狹義相對論中的長度公式l＝l0eq\r（1－\b\lc\（\rc\）（\a\vs4\al\co1（\f（v,c)))eq\s\up8（2))中，l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度，而l可以認(rèn)為是桿沿自己的長度方向以速度v運(yùn)動時，靜止的觀察者測量的長度．2．“動鐘變慢"時間間隔的相對性公式Δt＝eq\f(Δτ，\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f（v,c）））eq\s\up8（2))）中，Δτ是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點(diǎn)的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而Δt是相對于事件發(fā)生地以速度v高速運(yùn)動的觀察者測量同一地點(diǎn)的同樣兩個事件發(fā)生的時間間隔．3．分析時間間隔和長度變化時應(yīng)注意的問題(1)時間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運(yùn)動引起的一種觀測效應(yīng),它與所選取的參考系有關(guān),物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化．(2）兩個事件的時間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒有選取參考系的情況下討論時間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的．4．經(jīng)典時空觀和狹義相對論時空觀(1)經(jīng)典時空觀:空間和時間脫離物質(zhì)而存在，是絕對的,空間和時間沒有聯(lián)系，即與物質(zhì)的運(yùn)動無關(guān)．(2)狹義相對論時空觀：空間和時間與物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)．【例2】用相對論的觀點(diǎn)判斷,下列說法正確的是（）A．時間是絕對的,空間是相對的B．時間和空間都是絕對的,在任何參考系中一個事件發(fā)生的時間和一個物體的長度總不會改變C．在地面上的人看來，高速運(yùn)動的飛船中的時鐘會變慢,但是飛船中的宇航員卻看到時鐘是準(zhǔn)確的D．在地面上的人看來,高速運(yùn)動的飛船在運(yùn)動方向上會變窄,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E．當(dāng)物體運(yùn)動的速度v?c時，“時間膨脹”和“長度收縮"效應(yīng)可忽略不計CDE[時間和空間都是相對的，故選項A、B的說法錯誤；根據(jù)“時間膨脹”和“長度收縮”效應(yīng)，選項C、D的說法正確；當(dāng)速度v?c時，1－eq\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1(\f(v，c））)eq\s\up8(2)≈1，所以“時間膨脹"和“長度收縮"效應(yīng)可忽略不計，故選項E說法正確．］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)動參考系中的觀察結(jié)果．（3）應(yīng)用“尺縮效應(yīng)公式”或“時間延緩效應(yīng)公式"進(jìn)行計算．2．某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果希望把這路程縮短為3光年,則他所乘飛船相對地球的速度為________．［解析]由l＝l0eq\r(1－\b\lc