高中物理人教版4第十五章相對論簡介1相對論誕生 第15章1

1相對論的誕生2時間和空間的相對性學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.知道經(jīng)典的相對性原理，能說出狹義相對論的實驗基礎(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)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)相對論的誕生eq\a\vs4\al([先填空])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)實驗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．eq\a\vs4\al([再判斷])1．靜止或勻速直線運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．在不同的慣性系中，光速是不相同的．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．牛頓運動定律的適用條件是什么？【提示】宏觀物體、低速運動和慣性參考系．2．伽利略的相對性原理與狹義相對性原理有什么不同？【提示】伽利略的相對性原理認(rèn)為力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中是相同的；狹義相對性原理認(rèn)為在不同慣性系中一切物理規(guī)律都是相同的．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．慣性系和非慣性系牛頓運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動的另一個參考系也是慣性系．牛頓運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—莫雷實驗證明：不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的．4．邁克耳孫—莫雷實驗(1)實驗背景：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)實驗結(jié)論：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是一樣的．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】ccc2．如圖15-1-1所示，思考以下幾個問題：(光速用c表示)【導(dǎo)學(xué)號：23570152】圖15-1-1(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)c1．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動．時間和空間的相對性eq\a\vs4\al([先填空])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為觀察者是否與桿做相對運動而不同．(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動的桿，其長度總比靜止長度小，但在垂直于桿的運動方向上，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)))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)))2)).eq\a\vs4\al([再判斷])1．根據(jù)相對論的時空觀，“同時”具有相對性．(√)2．相對論時空觀認(rèn)為，運動的桿比靜止的桿長度變大．(×)3．高速飛行的火箭中的時鐘要變慢．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．尺子沿任何方向運動其長度都縮短嗎？【提示】尺子沿其長度方向運動時縮短，在垂直于運動方向長度不變．2．以任何速度運動，時間延緩效應(yīng)都很顯著嗎？【提示】不是．當(dāng)u→c時，時間延緩效應(yīng)顯著；當(dāng)u?c時，時間延緩效應(yīng)可忽略．eq\a\vs4\al([核心點擊])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)))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)))2))中，Δτ是相對事件發(fā)生地靜止的觀察者測量同一地點的兩個事件發(fā)生的時間間隔，而Δt是相對于事件發(fā)生地以速度v高速運動的觀察者測量同一地點的同樣兩個事件發(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．3．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\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)得，3＝5eq\r(1－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v,c)))2)，解得v＝0.8c.【答案】0.84．用相對論的觀點判斷，下列說法正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：23570153】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，高速運動的飛船在運動方向上會變窄，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)物體運動的速度v?c時，“時間膨脹”和“長度收縮”效應(yīng)可忽略不計【解析】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)))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．【答案】CDE5．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【解析】當(dāng)火箭速度較低時，長度基本不變，還是100km.當(dāng)火箭的速度達(dá)到0.6c時，由相對論長度公式l＝l0eq\r(1