《2018-2019學(xué)年高中物理 第十五章 相對論簡介 第1-2節(jié) 相對論的誕生 時間和空間的相對性課件 新人教版選修3-4.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 第十五章 相對論簡介 第1-2節(jié) 相對論的誕生 時間和空間的相對性課件 新人教版選修3-4.ppt（28頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第十五章 相對論簡介,1相對論的誕生2時間和空間的相對性,讀一讀,辨一辨,一、相對論的誕生 閱讀教材第9698頁,了解狹義相對論的兩個基本假設(shè)。 1.什么是經(jīng)典相對性的原理? 答案：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 2.狹義相對論的兩個基本假設(shè)是什么? 答案：(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,光速與光源、觀察者間的相對運(yùn)動沒有關(guān)系。,讀一讀,辨一辨,二、時間和空間的相對性 閱讀教材第98103頁,了解時間和空間的相對性,體會相對論時空觀與低速世界情景的差異。 1.如何認(rèn)識“同時”的相對性? 答案

2、：“同時”是指兩個事件發(fā)生的時刻是一樣的?！巴瑫r”的相對性是說,在一個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件,在另一個慣性系中則可能不是同時發(fā)生的,即“同時”是相對的,也就是說,有人看到同時發(fā)生的事件,在其他觀察者眼里可能不是同時發(fā)生的。,讀一讀,辨一辨,2.怎樣理解長度的相對性? 答案：經(jīng)典物理學(xué)家認(rèn)為,桿子的長度不會因為觀察者是否與桿子有相對運(yùn)動而不同,但是根據(jù)狹義相對論的兩個基本假設(shè)可以推導(dǎo)出,物體的長度的確與觀察者和物體間的相對運(yùn)動情況有關(guān),且 與相對運(yùn)動速度存在以下關(guān)系:l=l0 ,其中l(wèi)為與桿相對運(yùn)動的觀察者觀察到的長度,l0為與桿相對靜止的觀察者觀察到的長度,v是物體相對于觀察者運(yùn)動的

3、速度。 3.如何正確理解時間間隔的相對性? 答案：既然同時具有相對性,時間間隔也就具有相對性,時間間 隔相對性的公式為t= ,其中t為地面的觀察者所觀察到的時間,為與鐘表相對靜止的觀察者所測得的時間。,讀一讀,辨一辨,1.思考辨析。 (1)勻加速運(yùn)動的參考系可以看作慣性系。 () 解析：根據(jù)伽利略相對性原理可知,慣性系就是相對地面靜止或勻速運(yùn)動的物體,因此勻加速運(yùn)動的參考系不是慣性系。 答案： (2)在地面上的人看來,高速運(yùn)行的動車組在運(yùn)動方向上會變短,而車中的乘客卻感覺到地面上的人看起來扁一些。 () 答案：,讀一讀,辨一辨,2.探究討論。 說說你對狹義相對論兩個基本假設(shè)的認(rèn)識,為什么

4、這兩個觀點(diǎn)不叫定律而叫假設(shè)? 答案：前一個假設(shè)是解決參考系的問題,愛因斯坦認(rèn)為自然界不存在特殊的慣性參考系,所以相對性原理的內(nèi)容是在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。第二個假設(shè)解決電磁學(xué)規(guī)律不能和經(jīng)典的慣性參考系相兼容的問題,內(nèi)容是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。能夠驗證這兩個觀點(diǎn)的實驗非常有限,只有從這兩個假設(shè)出發(fā),經(jīng)過邏輯推理(包括數(shù)學(xué)推導(dǎo))所得出的大量結(jié)論都與事實相符,才能證實它的正確性。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理 根據(jù)圖示考慮以下幾下問題,(1)如圖所示,參考系O相對于參考系O靜止時,人測得的光速應(yīng)是多少? (

5、2)參考系O相對于參考系O以速度v向右運(yùn)動,人測得的光速應(yīng)是多少? (3)參考系O相對于參考系O以速度v向左運(yùn)動,人測得的光速又是多少?,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,要點(diǎn)提示：根據(jù)速度合成法則,第一種情況人測得的光速應(yīng)是c,第二種情況應(yīng)是c+v,第三種情況應(yīng)是c-v。而根據(jù)狹義相對論理論,光速是不變的,都應(yīng)是c。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,1.慣性系和非慣性系 (1)慣性系:牛頓運(yùn)動定律能夠成立的參考系稱為慣性參考系。牛頓定律成立的這個參考系是慣性參考系,相對于這個參考系做勻速直線運(yùn)動的另一個參考系也是慣性參考系。 (2)非慣性系:牛頓定律不能成立的參考系

6、稱為非慣性參考系。例如:我們坐在加速的車廂里,以車廂為參考系觀察路邊的樹木、房屋向后方加速運(yùn)動,根據(jù)牛頓第二定律,房屋和樹木應(yīng)該受到不為零的合力作用,但事實上沒有,也就是牛頓定律不成立,這里的加速車廂就是非慣性參考系。 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。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,3.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:不論光源與觀察者做怎樣的相對運(yùn)動,光速都是相同的。 4.愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè) (1)在不

7、同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。 (2)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。 光的傳播速度與慣性系的選取無關(guān)。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,【例題1】 導(dǎo)學(xué)號73884153關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時空觀與相對論的時空觀,下列說法正確的是() A.在經(jīng)典力學(xué)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,對另一個參考系中的觀察者來說也是同時的 B.在相對論的時空觀中,時間間隔是絕對的,即任何事件(或物體運(yùn)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) C.在經(jīng)典力學(xué)的時空觀中,空間距離是絕對的,即如果各個參考系中

8、用來測量長度的標(biāo)準(zhǔn)相同,那么空間兩點(diǎn)的距離是絕對的不變的量值,而與參考系的選取無關(guān) D.相對論的時空觀就是一個絕對的時空觀,時間與空間物體的運(yùn)動無關(guān),問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,【思考問題】 經(jīng)典力學(xué)的時空觀與相對論的時空觀有什么不同? 提示：在同時性、空間距離和時間間隔方面都不同。 解析：在經(jīng)典力學(xué)的時空觀中,同時是絕對的,選項A對;在相對論的時空觀中,時間間隔是相對的,選項B錯誤;在經(jīng)典力學(xué)的時空觀中,空間距離是絕對的,選項C對;相對論的時空觀是一個相對的時空觀,選項D錯誤。 答案：AC 歸納總結(jié)應(yīng)用狹義相對論的兩點(diǎn)注意 (1)力學(xué)規(guī)律對慣性系來說都是相同的,但是光速是不

9、變的。 (2)光速的大小與選取的參考系無關(guān),在任何情況下,真空中的光速都是c。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,變式訓(xùn)練1下列說法正確的是() 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)動的物體 C.力學(xué)規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運(yùn)動的參考系中是不等價的 D.力學(xué)規(guī)律在任何慣性系里都是等價的 解析：在所有慣性系中,一切力學(xué)規(guī)律都是等價的,故選項D正確,選項C錯誤;經(jīng)典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個近似,所以經(jīng)典物理規(guī)律只適用于低速運(yùn)動的物體,而經(jīng)典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況,故選項A、B均錯誤。 答案：D,探究一,

10、探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,動尺變短和動鐘變慢 一架飛機(jī)在上海楊浦大橋上空勻速飛過,飛機(jī)飛行方向與大橋平行,問飛機(jī)上的乘客看到的大橋長度與靜止觀察時相比有什么變化? 要點(diǎn)提示：變短了。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.動尺變短 狹義相對論中的長度公式:l=l0 ,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,還可以認(rèn)為桿不動,而觀察者沿桿的長度方向以速度v運(yùn)動時測出的桿的長度。 2.動鐘變慢 時間間隔的相對性公式:t= ,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,

11、而t是相對于事件發(fā)生地以速度v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。也就是說:在相對運(yùn)動的參考系中觀測,事件變化過程的時間間隔變大了,這叫作狹義相對論中的時間膨脹。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,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

12、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)。 不管是“動尺變短”還是“動鐘變慢”都是相對觀察者的測量結(jié)果而言,而尺子和鐘本身的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】 當(dāng)火車速度非常接近光速時,相對地面的參考系來說,火車和它里面的一切物體沿運(yùn)動方向?qū)⒖s短得像薄紙片一樣?；疖嚿系娜艘舱J(rèn)為地面上的一切物體都沿火車運(yùn)動的方向變薄了。 一列勻速直線前進(jìn)的火車,車廂地板上A處有一盞燈,在燈的正上方車廂頂B處有一面鏡子,AB的高為h。現(xiàn)在我們要完成一個光學(xué)實驗:打開燈的開關(guān),光信號從A到B,再由鏡

13、面反射回到A處。車廂里站著一個觀測者小明;站臺上站著一個觀測者小芳,如圖所示。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,請問小明和小芳所測得的光信號往返的時間各是多少?它們相等嗎? 【思考問題】 在甲、乙兩圖不同的參考系中光速變了嗎? 提示：光速與參考系的選取無關(guān),真空中的光速總是c。 解析：在車廂里的小明觀測到,光信號走過的距離是2h,因此往返時間= 。 而在站臺上的小芳觀測到,光信號走過的距離應(yīng)為路徑ACA,如圖。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,光信號在從燈傳遞到鏡子的過程中,火車向前移動了一段距離,鏡子已跟隨車廂移動到C,燈也從A移動到D。光信號在從鏡子反射到燈的

14、過程中,燈已從D移動到A。設(shè)火車的速度為v,小芳所測得的光信號往返時間為t。根據(jù)光速不變原理,ACA=ct,應(yīng)用勾股 定理可得 這里用到了相對論的第二個假設(shè),即對地面參考系來說,光速也是c。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,故光信號往返的時間,地面上的人(小芳)和車廂里的人(小明)測量的結(jié)果不一樣,地面上的人測得的時間(t)要比車廂里的人測得的時間()長些。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2地面上長100 km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30 km/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

15、度又是多少?,答案：100 km80 km,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,歸納總結(jié)應(yīng)用相對論“效應(yīng)”解題的一般步驟 首先,應(yīng)該通過審題確定研究對象及研究對象的運(yùn)動速度。 其次,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。 最后,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。,1 2 3 4,,,,,1.(考查慣性系)下列參考系可以看作慣性系的是() A.靜止的參考系 B.勻速運(yùn)動的參考系 C.勻加速運(yùn)動的參考系 D.牛頓運(yùn)動定律成立的參考系 答案：ABD,1 2 3 4,,,,,2.(考查兩個基本假設(shè))關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè)

16、,下列說法正確的是() A.在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的 B.在不同的慣性參考系中,力學(xué)規(guī)律都一樣,電磁規(guī)律不一樣 C.真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 D.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的 答案：AC,1 2 3 4,,,,,3.(考查相對論和相對性)如圖所示,甲乘坐宇宙飛船追趕乘坐另一宇宙飛船的乙,兩宇宙飛船對地面的速度分別為0.7c、0.4c,某時刻甲為了聯(lián)系乙向乙發(fā)出一個光信號,則() A.地面上的人認(rèn)為光信號的速度為1.7c B.乙認(rèn)為光信號的速度為0.6c C.甲認(rèn)為光信號的速度為c D.乙認(rèn)為甲的速度為0.3c 答案：CD,1 2 3 4,,,,,4.導(dǎo)學(xué)號73884154(考查長度的相對性)右圖是一個邊長為1 m的正方體木箱,現(xiàn)在讓這個正方體木箱沿水平方向勻速向右運(yùn)動,運(yùn)動速度很大,為0.99c,那么這個木箱看上去應(yīng)該是() A.邊長不相等的長方體 B.邊長都縮短的正方體 C.近似一塊薄木板 D.以上說法都不對 解析：由于木箱運(yùn)動得很快,速度已經(jīng)接近光速,所以在沿著運(yùn)動方向上的尺縮效應(yīng)很明顯,而其他兩個方向上沒有尺縮效應(yīng),看上去應(yīng)該是一塊薄木板。 答案：C,