電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問題 狹義相對(duì)論的基本原理課件

第5章

新時(shí)空觀的確立5.1-5.2電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問題

狹義相對(duì)論的基本原理1.理解伽利略相對(duì)性原理.2.了解狹義相對(duì)論的兩條基本公設(shè).3.由伽利略變換和洛倫茲變換體會(huì)經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀和狹義相對(duì)論的時(shí)空觀的不同.4.了解同時(shí)的相對(duì)性和相對(duì)論速度變換公式.學(xué)習(xí)目標(biāo)定位知識(shí)儲(chǔ)備區(qū)知識(shí)鏈接1.牛頓運(yùn)動(dòng)

勻速直線知識(shí)儲(chǔ)備區(qū)2.相同

不變

3.力學(xué)

4.相對(duì)性

不變5.絕對(duì)

相對(duì)

同時(shí)6.新知呈現(xiàn)學(xué)習(xí)探究區(qū)一、電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問題二、狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)三、洛倫茲變換、同時(shí)的相對(duì)性四、相對(duì)論速度變換公式一、電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問題問題設(shè)計(jì)1.舉例說明電磁場(chǎng)理論與經(jīng)典物理學(xué)存在著尖銳的矛盾.答案一輛車對(duì)地做勻速直線運(yùn)動(dòng)速度為v，若自車廂后壁發(fā)出一個(gè)閃光，按照經(jīng)典物理速度合成公式，這個(gè)閃光對(duì)地的速度為V＝c＋v.但電磁場(chǎng)理論中光在真空中的傳播速度為c，并不涉及參考系問題.2.邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)說明了什么？答案說明光速c是不變的.要點(diǎn)提煉1.按經(jīng)典物理速度合成公式，一個(gè)人在相對(duì)地面以速度v運(yùn)動(dòng)的車或船上，向前進(jìn)方向擲出一個(gè)相對(duì)于自己以速度u運(yùn)動(dòng)的球，則球相對(duì)地面的速度應(yīng)為V＝

.2.對(duì)光的傳播應(yīng)用了經(jīng)典的物理速度合成公式后，得出的結(jié)果與電磁場(chǎng)理論中“

”產(chǎn)生了矛盾.即經(jīng)典的速度合成公式對(duì)電磁學(xué)不適用.u＋v光在真空中的傳播速度為c3.邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)說明：光在任何方向上傳播時(shí)，相對(duì)地球的速度都是

的.也就是說，地球相對(duì)于“以太”的速度v實(shí)際上為零，或者說“以太”根本

.光速c是

的.4.伽利略相對(duì)性原理：對(duì)于

規(guī)律來說，一切慣性系都是等價(jià)的.相同不存在不變力學(xué)例1如圖1所示，在列車車廂的光滑水平底面上有一個(gè)質(zhì)量為m＝5kg的小球，正隨車廂一起以20m/s的速度勻速前進(jìn).現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F＝5N的拉力作用，求經(jīng)10s時(shí)，車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度分別是多少？圖1解析對(duì)車廂里的觀察者物體的初速度為0，加速度a＝

＝1m/s2經(jīng)10s時(shí)，速度v1＝at＝10m/s.對(duì)地面上的觀察者解法一物體初速度v0＝20m/s加速度相同a＝

＝1m/s2經(jīng)10s時(shí)，速度v2＝v0＋at＝30m/s.解法二根據(jù)速度合成法則v2＝v1＋v0＝(10＋20)m/s＝30m/s.答案10m/s

30m/s問題設(shè)計(jì)二、狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)1.在伽利略變換中，時(shí)間和空間是否有關(guān)系，它們與物體的運(yùn)動(dòng)有無關(guān)系？答案時(shí)間和空間是分離的.時(shí)間尺度和空間尺度跟物體運(yùn)動(dòng)無關(guān)，都是絕對(duì)的.2.面對(duì)電磁場(chǎng)理論與經(jīng)典物理學(xué)之間出現(xiàn)的矛盾，愛因斯坦對(duì)時(shí)間和空間又是怎樣理解的？答案愛因斯坦認(rèn)為，空間和時(shí)間在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，空間和時(shí)間不是分離的.

要點(diǎn)提煉狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)1.愛因斯坦相對(duì)性原理：在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，

都是相同的.2.光速不變?cè)恚涸谒邢嗷プ鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的.物理規(guī)律例2考慮以下幾個(gè)問題：圖2(1)如圖2所示，參考系O′相對(duì)于參考系O靜止時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(2)參考系O′相對(duì)于參考系O以速度v向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系O′相對(duì)于參考系O以速度v向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到的光速又是多少？解析光速不變?cè)碇傅氖钦婵罩械墓馑僭诓煌膽T性參考系中都是相同的.故三種情況下人看到的光速都是c.答案(1)c

(2)c

(3)c返回問題設(shè)計(jì)三、洛倫茲變換、同時(shí)的相對(duì)性如圖3所示，一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛，車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照亮了車廂的前壁和后壁.車上的人觀察到閃光同時(shí)照亮了前后壁嗎？地上的人怎么認(rèn)為？圖3答案車上的人認(rèn)為閃光同時(shí)照亮了前后壁，地上的人認(rèn)為先照亮后壁.

要點(diǎn)提煉1.洛倫茲變換2.同時(shí)的相對(duì)性(1)經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為：如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中是同時(shí)發(fā)生的，那么在另一個(gè)參考系中觀察也一定是

發(fā)生的.即同時(shí)是絕對(duì)的，與所在的慣性參考系

.(2)狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為：同時(shí)是

的，即在一個(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)慣性系中不一定是同時(shí)的，跟觀察者所選取的參考系有關(guān).同時(shí)無關(guān)相對(duì)

延伸思考你能夠在v?c時(shí)，由洛倫茲變換得到伽利略變換嗎？答案當(dāng)v?c時(shí)，公式x＝

中的

很小近似為零，故x＝x′＋vt′；公式t＝

中

也近似為零，則t＝t′.例3如圖4所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C.假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個(gè)閃光，列車上的觀測(cè)者測(cè)得A、C兩鐵塔被照亮的順序是(

)圖4A.同時(shí)被照亮

B.A先被照亮C.C先被照亮

D.無法判斷解析列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)，靠近C而遠(yuǎn)離A，所以列車上的觀察者看到C先被照亮，故只有C正確.答案C返回問題設(shè)計(jì)四、相對(duì)論速度變換公式一列火車正以v＝50m/s的速度高速行駛，列車內(nèi)一乘客以相對(duì)列車u′＝5m/s的速度向前跑，站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度是u＝v＋u′＝55m/s.若列車的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站臺(tái)上的觀察者測(cè)得該乘客的速度為0.9c＋0.5c＝1.4c嗎？答案不是

要點(diǎn)提煉相對(duì)論速度變換公式1.公式：設(shè)高速行駛的火車的速度為v，車上的人相對(duì)火車以速度u′運(yùn)動(dòng)，人相對(duì)地面的速度為u，則2.結(jié)論：光速c是物體運(yùn)動(dòng)速度的

，且相對(duì)任何參考系，光速都是

的.3.理解：若v?c，u′?c時(shí)，

可忽略不計(jì)，即1±

≈1，相對(duì)論速度合成公式可近似變?yōu)閡＝v±u′.極限不變例4地球上一觀察者，看見一飛船A以速度2.5×108m/s從他身邊飛過，另一飛船B以速度2.0×108m/s跟隨A飛行.求：(1)A上的乘客看到B的相對(duì)速度；解析A上的乘客看地面上的人以－2.5×108m/s向后運(yùn)動(dòng).地面上的人看B以2.0×108m/s向前運(yùn)動(dòng)，則A上的乘客看到B的相對(duì)速度為u＝

×108m/s≈－1.125×108m/s.答案－1.125×108m/s(2)B上的乘客看到A的相對(duì)速度.解析B上的乘客看到A的相對(duì)速度為1.125×108m/s.答案1.125×108m/s返回課堂要點(diǎn)小結(jié)1.電磁場(chǎng)理論引發(fā)的怪異問題問題：光在真空中的速度為c，與參考系無關(guān)邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤C明以太是否存在結(jié)論：以太不存在，光速不變電磁理論的“缺陷”伽利略相對(duì)性原理愛因斯坦的觀點(diǎn)課堂要點(diǎn)小結(jié)2.狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的兩條公設(shè)愛因斯坦相對(duì)性原理光速不變?cè)砺鍌惼澴儞Q同時(shí)的相對(duì)性：“同時(shí)”是相對(duì)的，跟觀察者所

選取的參考系有關(guān)相對(duì)論速度變換公式：u＝返回自我檢測(cè)區(qū)123412341.通常我們把地球和相對(duì)于地面靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的參考系看成慣性系，若以下列系統(tǒng)為參考系，則其中屬于非慣性系的有(

)A.停在地面上的汽車B.繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的飛船C.在大海上勻速直線航行的輪船D.以較大速度勻速運(yùn)動(dòng)的磁懸浮列車解析由慣性系和非慣性系的概念可知選B.B12342.關(guān)于狹義相對(duì)論，下列說法不正確的是(

)A.狹義相對(duì)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(duì)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(duì)論只涉及無加速度運(yùn)動(dòng)的慣性系D.狹義相對(duì)論任何情況下都適用解析由狹義相對(duì)論原理可知D錯(cuò)誤.D12343.下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀，正確的是(

)A.經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，同時(shí)是絕對(duì)的，即在一個(gè)參考

系中的觀察者在某一時(shí)刻觀察到的兩個(gè)事件，對(duì)另一

參考系中的觀察者來說也是同時(shí)發(fā)生的B.在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，時(shí)間間隔是絕對(duì)的，即任何

事件(或物體的運(yùn)動(dòng))所經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系

中測(cè)量都是相同的，而與參考系的選取無關(guān)1234C.在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中，空間距離是絕對(duì)的，即如果

各個(gè)參考系中用來測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同，那么空間兩

點(diǎn)距離是絕對(duì)不變的量值，而與參考系的選取無關(guān)D.經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀就是一個(gè)絕對(duì)的時(shí)空觀，時(shí)間、空

間與物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)解析由經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀內(nèi)容可知A、B、C、D正確.答案ABCD12