《高二物理課件 15.1 《相對論的誕生》 15.2 時間和空間的相對性 （人教選修3-4）》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高二物理課件 15.1 《相對論的誕生》 15.2 時間和空間的相對性 （人教選修3-4）（53頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

歡迎進入物理課堂 一 經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理 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 狹義相對論認(rèn)為 光速c是宇宙中的最大速度 實際物體無論怎樣加速 其速度只能接近而不能超越光速c 典例1 2010 北京高考 屬于狹義相對論基本假設(shè)的是 在不同的慣性系中 A 真空中光速不變B 時間間隔具有相對性C 物體的質(zhì)量不變D 物體的能量與質(zhì)量成正比 解題指導(dǎo) 解答本題的關(guān)鍵是牢記狹義相對論基本假設(shè) 要與時間間隔的相對性 相對論質(zhì)量等區(qū)分開來 標(biāo)準(zhǔn)解答 選A 狹義相對論基本假設(shè) 一是在不同的慣性參考系中 一切物理規(guī)律都是相同的 二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 即光速不變原理 由此可知A屬于狹義相對論基本假設(shè) 故A正確 B C D錯誤 變式訓(xùn)練 下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時空觀 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(xué)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) 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用來測量長度的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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 選A B C D 經(jīng)典的時空觀認(rèn)為 時間 空間均是絕對的 與物體的運動狀態(tài)無關(guān) 同時也是絕對的 即在一個參考系中同時發(fā)生的兩個事件 在不同參考系中觀察也是同時發(fā)生的 故A B C D均正確 變式備選 下列說法正確的是 A 在以豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光 對地速度一定比c大B 在以豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光 對地速度一定比c小C 在以豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光 對地速度為cD 在以豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光 對地速度都為c 解析 選C D 根據(jù)狹義相對論的基本假設(shè) 光速不變原理可知 真空中的光速相對于火箭的速度為c 相對于地面的速度也為c 對不同的慣性系是相同的 因此C D正確 A B錯誤 二 怎樣理解 動尺變短 和 動鐘變慢 1 怎樣理解 動尺變短 狹義相對論中的長度公式 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 還可以認(rèn)為是桿不動 而觀察者沿桿的長度方向以速度v運動時測出的桿的長度 2 怎樣理解 動鐘變慢 時間間隔的相對性公式 中 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 t是相對于事件發(fā)生地以速度v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 也就是說 在相對運動的參考系中觀測 事件變化過程的時間間隔變大了 這叫做狹義相對論中的時間膨脹 3 理解要點 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 以上結(jié)論是狹義相對論的必然結(jié)論 而狹義相對論的正確性已被實驗證實 所以以上結(jié)論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象 是客觀存在的事實 絕不是人們的主觀臆造 人們之所以平常觀察不到這些現(xiàn)象 是因為我們生活在低速運動的世界里 典例2 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0 6c 則火箭上的人看到的鐵路的長度又是多少 解題指導(dǎo) 動尺變短只有在高速 接近光速 情況下才能發(fā)生 標(biāo)準(zhǔn)解答 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 由相對論長度公式代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得 l 100 km 80km 答案 100km80km 規(guī)律方法 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 進行計算 變式訓(xùn)練 介子是一種不穩(wěn)定粒子 平均壽命是2 6 10 8s 在自己的參考系中測得 1 如果此粒子相對于實驗室以0 8c的速度運動 那么在實驗室坐標(biāo)系中測量的 介子壽命多長 2 介子在衰變前運動了多長距離 解析 1 介子在實驗室中的壽命為 2 該粒子在衰變前運動的距離為x v t 0 8 3 108 4 3 10 8m 10 32m 答案 1 4 3 10 8s 2 10 32m 典例 如圖所示 在列車車廂的光滑水平面上有一質(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FT 5N的拉力作用 求經(jīng)10s時間 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 標(biāo)準(zhǔn)解答 對車上的觀察者 小球的初速度為0 加速度a 1m s2 10s末小球的速度v1 at 10m s 對地上的觀察者 小球的初速度v0 20m s 加速度仍為a 1m s2 10s末小球的速度v2 v0 at 30m s 一 選擇題1 根據(jù)伽利略相對性原理 可以得到下列結(jié)論 A 任何力學(xué)規(guī)律在慣性系中都是相同的B 同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C 在一個慣性參照系里不能用力學(xué)實驗判斷該參照系是否在勻速運動D 在一個慣性參照系里可以用力學(xué)實驗判斷該參照系是否在勻速運動 解析 選A C 伽利略的相對性原理是 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 故選項A正確 B錯誤 根據(jù)伽利略相對性原理的另一種表述 選項C正確 D錯誤 2 在一慣性系中觀測 有兩個事件同時不同地 則在其他慣性系中觀測 結(jié)果是 A 一定同時B 可能同時C 不可能同時 但可能同地D 不可能同時 也不可能同地 解析 選B 根據(jù) 同時 的相對性 故選項B正確 A C D錯誤 3 2011 濱州高二檢測 用相對論的觀點判斷 下列說法不正確的是 A 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B 在地面上的人看來 以10km s的速度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C 在地面上的人看來 以10km s的速度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D 當(dāng)物體運動的速度vc時 時間膨脹 和 長度收縮 效果可忽略不計 解析 選A 時間和空間都是相對的 故選項A的說法錯誤 根據(jù) 時間膨脹 和 長度收縮 效應(yīng) 選項B C的說法正確 當(dāng)速度v c時 1 2 1 所以 時間膨脹 和 長度收縮 效應(yīng)可忽略不計 故選項D說法正確 4 2011 蘇州高二檢測 下列說法中正確的是 A 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 這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點B 一條沿自身長度方向運動的桿 其長度總比桿靜止時的長度小C 一條桿的長度靜止時為l0 不管桿如何運動 桿的長度均小于l0D 如果兩條平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運動 與它們一起運動的兩位觀察者都會認(rèn)為對方的桿縮短了 解析 選A B D 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)可知 選項A正確 根據(jù) 長度收縮 效應(yīng) 故選項B D正確 只有在運動方向上才有 長度收縮 效應(yīng) 若桿沿垂直桿的方向運動 則桿的長度不變 故選項C錯誤 5 下列說法中正確的是 A 相對性原理能簡單而自然地解釋電磁學(xué)的問題B 在真空中 若物體以速度v背離光源運動 則光相對物體的速度為c vC 在真空中 若光源向著觀察者以速度v運動 則光相對于觀察者的速度為c vD 邁克耳孫 莫雷實驗得出的結(jié)論是 不論光源與觀察者做怎樣的相對運動 光速都是一樣的 解析 選D 相對性原理簡單而自然 但在電磁學(xué)的領(lǐng)域里 涉及到相對哪個參考系才成立的問題 故選項A錯誤 根據(jù)狹義相對論的光速不變原理 故選項B C錯誤 D正確 6 2011 朝陽區(qū)高二檢測 某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行 如果希望把這段路程縮短為3光年 則他所乘飛船相對地球的速度為 A 0 5cB 0 6cC 0 8cD 0 9c 解析 選C 由故選項C正確 方法技巧 尺縮效應(yīng) 在解題中的應(yīng)用方法1 尺縮效應(yīng) 只有在高速運動的情況下 才有明顯的顯現(xiàn) 2 尺縮效應(yīng) 中長度的變化是沿運動方向上的長度變化效應(yīng) 這種長度的變化僅僅是一種觀察結(jié)果 絕不是物質(zhì)各組成部分的空間尺度變化 3 在與運動方向垂直的方向上沒有 尺縮效應(yīng) 7 2011 江蘇高考 如圖所示 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)出一個閃光 列車上的觀測者測得A C兩鐵塔被照亮的順序是 A 同時被照亮B A先被照亮C C先被照亮D 無法判斷 解析 選C 列車上的觀察者看到的是由B出發(fā)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(yuǎn)離A 所以C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者 看到C先被照亮 故只有C正確 二 非選擇題8 愛因斯坦狹義相對論的兩個假設(shè) 1 愛因斯坦相對性原理 2 光速不變原理 解析 1 在不同慣性參考系中 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 9 用加速器對電子進行加速 當(dāng)把電子加速到運動時的質(zhì)量是靜止質(zhì)量的三倍時 求電子獲得的速度大小是多少 解析 由題意知 m 3m0 代入質(zhì)速方程 2 83 108m s答案 2 83 108m s 10 假如一對孿生兄弟A和B 其中B乘坐速度為v 0 9c的火箭飛往大角星 而后又飛回地球 根據(jù)A在地球上的觀測 大角星離地球有40萬光年 這次B往返飛行經(jīng)歷時間為80 8年 如果B在離開地球時 他們的年齡都為20歲 試問當(dāng)B回到地球時 他們的年齡各有多大 解析 設(shè)B在飛船慣性系中經(jīng)歷的時間為t 根據(jù)鐘慢效應(yīng)得 解得t 35 2年 所以B回到地球時的年齡為20 35 2 55 2年 A的壽命為100 8歲 答案 A 100 8歲B 55 2歲 Thankyou 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全