電磁場理論引發(fā)的怪異問題 狹義相對論的基本原理課件

第5章

新時空觀的確立5.1-5.2電磁場理論引發(fā)的怪異問題

狹義相對論的基本原理1.理解伽利略相對性原理.2.了解狹義相對論的兩條基本公設(shè).3.由伽利略變換和洛倫茲變換體會經(jīng)典物理學的時空觀和狹義相對論的時空觀的不同.4.了解同時的相對性和相對論速度變換公式.學習目標定位知識儲備區(qū)知識鏈接1.牛頓運動

勻速直線知識儲備區(qū)2.相同

不變

3.力學

4.相對性

不變5.絕對

相對

同時6.新知呈現(xiàn)學習探究區(qū)一、電磁場理論引發(fā)的怪異問題二、狹義相對論的兩條公設(shè)三、洛倫茲變換、同時的相對性四、相對論速度變換公式一、電磁場理論引發(fā)的怪異問題問題設(shè)計1.舉例說明電磁場理論與經(jīng)典物理學存在著尖銳的矛盾.答案一輛車對地做勻速直線運動速度為v，若自車廂后壁發(fā)出一個閃光，按照經(jīng)典物理速度合成公式，這個閃光對地的速度為V＝c＋v.但電磁場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—莫雷實驗說明了什么？答案說明光速c是不變的.要點提煉1.按經(jīng)典物理速度合成公式，一個人在相對地面以速度v運動的車或船上，向前進方向擲出一個相對于自己以速度u運動的球，則球相對地面的速度應(yīng)為V＝

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

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

的.也就是說，地球相對于“以太”的速度v實際上為零，或者說“以太”根本

.光速c是

的.4.伽利略相對性原理：對于

規(guī)律來說，一切慣性系都是等價的.相同不存在不變力學例1如圖1所示，在列車車廂的光滑水平底面上有一個質(zhì)量為m＝5kg的小球，正隨車廂一起以20m/s的速度勻速前進.現(xiàn)在給小球一個水平向前的F＝5N的拉力作用，求經(jīng)10s時，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，速度v1＝at＝10m/s.對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，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)計二、狹義相對論的兩條公設(shè)1.在伽利略變換中，時間和空間是否有關(guān)系，它們與物體的運動有無關(guān)系？答案時間和空間是分離的.時間尺度和空間尺度跟物體運動無關(guān)，都是絕對的.2.面對電磁場理論與經(jīng)典物理學之間出現(xiàn)的矛盾，愛因斯坦對時間和空間又是怎樣理解的？答案愛因斯坦認為，空間和時間在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，空間和時間不是分離的.

要點提煉狹義相對論的兩個基本公設(shè)1.愛因斯坦相對性原理：在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，

都是相同的.2.光速不變原理：在所有相互做勻速直線運動的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的.物理規(guī)律例2考慮以下幾個問題：圖2(1)如圖2所示，參考系O′相對于參考系O靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？(2)參考系O′相對于參考系O以速度v向右運動時，人看到的光速應(yīng)是多少？(3)參考系O′相對于參考系O以速度v向左運動時，人看到的光速又是多少？解析光速不變原理指的是真空中的光速在不同的慣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)計三、洛倫茲變換、同時的相對性如圖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照亮了前后壁嗎？地上的人怎么認為？圖3答案車上的人認為閃光同時照亮了前后壁，地上的人認為先照亮后壁.

要點提煉1.洛倫茲變換2.同時的相對性(1)經(jīng)典物理學家認為：如果兩個事件在一個參考系中是同時發(fā)生的，那么在另一個參考系中觀察也一定是

發(fā)生的.即同時是絕對的，與所在的慣性參考系

.(2)狹義相對論的時空觀認為：同時是

的，即在一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中不一定是同時的，跟觀察者所選取的參考系有關(guān).同時無關(guān)相對

延伸思考你能夠在v?c時，由洛倫茲變換得到伽利略變換嗎？答案當v?c時，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，當鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是(

)圖4A.同時被照亮

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，由于列車在這段時間內(nèi)向C運動，靠近C而遠離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)計四、相對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)一乘客以相對列車u′＝5m/s的速度向前跑，站臺上的觀察者測得該乘客的速度是u＝v＋u′＝55m/s.若列車的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站臺上的觀察者測得該乘客的速度為0.9c＋0.5c＝1.4c嗎？答案不是

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

，且相對任何參考系，光速都是

的.3.理解：若v?c，u′?c時，

可忽略不計，即1±

≈1，相對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的相對速度；解析A上的乘客看地面上的人以－2.5×108m/s向后運動.地面上的人看B以2.0×108m/s向前運動，則A上的乘客看到B的相對速度為u＝

×108m/s≈－1.125×108m/s.答案－1.125×108m/s(2)B上的乘客看到A的相對速度.解析B上的乘客看到A的相對速度為1.125×108m/s.答案1.125×108m/s返回課堂要點小結(jié)1.電磁場理論引發(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—莫雷實驗目的：證明以太是否存在結(jié)論：以太不存在，光速不變電磁理論的“缺陷”伽利略相對性原理愛因斯坦的觀點課堂要點小結(jié)2.狹義相對論的基本原理狹義相對論的兩條公設(shè)愛因斯坦相對性原理光速不變原理洛倫茲變換同時的相對性：“同時”是相對的，跟觀察者所

選取的參考系有關(guān)相對論速度變換公式：u＝返回自我檢測區(qū)123412341.通常我們把地球和相對于地面靜止或勻速運動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動的飛船C.在大海上勻速直線航行的輪船D.以較大速度勻速運動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)于狹義相對論，下列說法不正確的是(

)A.狹義相對論認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，與光源的運動無關(guān)C.狹義相對論只涉及無加速度運動的慣性系D.狹義相對論任何情況下都適用解析由狹義相對論原理可知D錯誤.D12343.下列關(guān)于經(jīng)典力學的時空觀，正確的是(

)A.經(jīng)典力學的時空觀中，同時是絕對的，即在一個參考

系中的觀察者在某一時刻觀察到的兩個事件，對另一

參考系中的觀察者來說也是同時發(fā)生的B.在經(jīng)典力學的時空觀中，時間間隔是絕對的，即任何

事件(或物體的運動)所經(jīng)歷的時間，在不同的參考系

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

各個參考系中用來測量長度的標準相同，那么空間兩

點距離是絕對不變的量值，而與參考系的選取無關(guān)D.經(jīng)典力學的時空觀就是一個絕對的時空觀，時間、空

間與物體的運動無關(guān)解析由經(jīng)典力學時空觀內(nèi)容可知A、B、C、D正確.答案ABCD12