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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,填一填,練一練,1.經典的相對性原理與狹義相對論的兩個基本假設(見課本第96頁) (1)經典的相對性原理: ①慣性系:牛頓運動定律能夠成立的參考系。相對一個慣性系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性系。 ②伽利略相對性原理:力學規(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: ①實驗基礎:不論光源與觀測者做怎樣的相對運動,光速都是一樣的。 ②兩個基本假設:,,,,,,,,,,填一填,練一練,2.時間和空間的相對性(見課本第98頁) (1)“同時”的相對性: ①經典的時空觀: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相對論的時空觀:“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不一定是同時的。 (2)長度的相對性: ①經典的時空觀: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,其長度總比桿靜止時的長度小。設相對于桿靜止的觀察者認為桿的長度為l0,與桿有相對運動的人認為桿的長度為l,桿相對于觀察者的速度為v,則l、l0、v的關系是l=,,,,,,,,,,填一填,練一練,(3)時間間隔的相對性: ①經典的時空觀: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。 設Δτ表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的時間間隔,Δt表示相對事件發(fā)生地以v高速運動的參考系中觀察同樣兩事件的時間間隔,則它們的關系是 (4)相對論時空觀: ①經典時空觀:空間和時間是脫離物質存在的,是絕對的,空間和時間之間也是沒有聯系的。 ②相對論時空觀:空間和時間與物質的運動狀態(tài)有關。,,,,,,填一填,練一練,2015年4月25日,尼泊爾發(fā)生8.1級強地震,中國武警總隊特派一飛機前往,飛機在某高空做勻速直線運動,投放一包救急物品,災民看到物品做曲線運動,飛行員看到物品做自由落體運動,物品剛好落在災民救濟處,根據經典時空觀,則下列說法正確的是( ) A.飛機為非慣性參考系 B.飛機為慣性參考系 C.災民為非慣性參考系 D.災民為慣性參考系 解析:物品投放后,僅受重力作用,飛行員看物品是初速度為零的自由落體運動,符合牛頓運動定律,故飛機為慣性參考系,B對;而地面上的人員看物品做初速度不為零的拋體運動,也符合牛頓運動定律,D也對。 答案:BD,,,探究一,探究二,探究一經典的相對性原理與狹義相對性原理 問題導引 根據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,人測得的光速應是多少? (2)參考系O'相對于參考系O以速度v向右運動,人測得的光速應是多少? (3)參考系O'相對于參考系O以速度v向左運動,人測得的光速又是多少?,探究一,探究二,探究一,探究二,名師精講 1.慣性系和非慣性系 (1)慣性系:牛頓運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、房屋向后方加速運動,根據牛頓第二定律,房屋和樹木應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。,探究一,探究二,2.伽利略相對性原理:力學規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 3.相對性原理與電磁規(guī)律:根據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 (1)在不同的慣性參考系中,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。,探究一,探究二,典例剖析 【例題1】 關于經典力學的時空觀與相對論的時空觀,下列說法正確的是( ) A.在經典力學的時空觀中,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(或物體運動)所經歷的時間,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 C.在經典力學的時空觀中,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,那么空間兩點的距離是絕對的不變的量值,而與參考系的選取無關 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動無關,探究一,探究二,探究一,探究二,解析:在經典力學的時空觀中,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;在經典力學的時空觀中,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,,探究一,探究二,變式訓練1 導學號38190142以下說法中,正確的是 ( ) A.經典物理中的速度合成公式在任何情況下都是適用的 B.經典物理規(guī)律也適用于高速運動的物體 C.力學規(guī)律在一個靜止的參考系和一個勻速運動的參考系中是不等價的 D.力學規(guī)律在任何慣性系里都是等價的 解析:在所有慣性系中,一切力學規(guī)律都是等價的,故D正確,C錯誤;經典物理規(guī)律是狹義相對論在低速狀態(tài)下的一個近似,所以經典物理規(guī)律只適用于低速運動的物體,而經典物理中的速度合成公式也只適用于低速情況,故A、B均錯誤。 答案:D,,,探究一,探究二,探究一,探究二,探究二動尺變短和動鐘變慢 問題導引 一架飛機在上海楊浦大橋上空勻速飛過,飛機飛行方向與大橋平行,問飛機上的乘客看到的大橋長度與靜止觀察時相比有什么變化?,探究一,探究二,名師精講 1.動尺變短 狹義相對論中的長度公式: ,l0是相對于桿靜止的觀察者測出的桿的長度,而l可以認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,還可以認為桿不動,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.動鐘變慢 時間間隔的相對性公式: ,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,這叫作狹義相對論中的時間膨脹。,探究一,探究二,3.分析時間間隔和長度變化時應注意的問題 (1)時間間隔、長度的變化,都是由于物質的相對運動引起的一種觀測效應,它與所選取的參考系有關,物質本身的結構并沒有變化。 (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.經典時空觀和狹義相對論時空觀 (1)經典時空觀:空間和時間脫離物質而存在,是絕對的,空間和時間沒有聯系,即與物質的運動無關。 (2)狹義相對論時空觀:空間和時間與物質運動狀態(tài)有關。,探究一,探究二,典例剖析 【例題2】 當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動方向將縮短得像薄紙片一樣?；疖嚿系娜艘舱J為地面上的一切物體都沿火車運動的方向變薄了。 一列勻速直線前進的火車,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?，F在我們要完成一個光學實驗:打開燈的開關,光信號從A到B,再由鏡面反射回到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,探究一,探究二,,探究一,探究二,故光信號往返的時間,地面上的人(小芳)和車廂里的人(小明)測量的結果不一樣,地面上的人測得的時間(Δt)要比車廂里的人測得的時間(Δτ)長些。,探究一,探究二,探究一,探究二,,,探究一,探究二,1 2 3 4 5,,,,,,1.如果牛頓定律在參考系A中成立,而參考系B相對于A做勻速直線運動,則在參考系B中( ) A.牛頓定律也同樣成立 B.牛頓定律不能成立 C.A和B兩個參考系中,一切物理定律都是相同的 D.參考系B也是慣性參考系 解析:根據狹義相對性原理,在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的,則選項A、C、D正確,B錯誤。 答案:ACD,,,1 2 3 4 5,,,,,,2.下面的說法中正確的是( ) A.因為時間是絕對的,所以我們在不同的參考系中觀察到的時間進程都是相同的 B.空間與時間之間是沒有聯系的 C.有物質才有空間和時間 D.在一個確定的參考系中觀察,運動物體的空間距離和時間進程跟物體的運動狀態(tài)有關 解析:經典物理學認為空間和時間是脫離物質存在的,是絕對的,空間和時間之間也沒有聯系,其實是錯誤的,故選項A、B錯誤;因為相對論中空間和時間與物質的運動狀態(tài)有關,選項C、D正確。 答案:CD,,,1 2 3 4 5,,,,,,3.根據狹義相對論,以下說法正確的是( ) A.在不同的慣性系中,真空中光速不變 B.在不同的慣性系中,物理規(guī)律具有不同的形式 C.“同時”具有絕對意義 D.物體的長度是絕對的 解析:在不同的慣性系中,真空中的光速不變,一切物理規(guī)律都具有相同的形式,選項A正確,B錯誤;“同時”是相對的,物體的長度也是相對的,選項C、D錯誤。 答案:A,,,1 2 3 4 5,,,,,,4.用狹義相對論的觀點判斷,下列說法中不正確的是 ( ) 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10 km/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確的 C.在地面上的人看來,以10 km/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.當物體運動的速度v?c時,“時間膨脹”和“長度收縮”效果可忽略不計,1 2 3 4 5,,,,,,,5.導學號38190144(選做題) 如圖所示,某車沿水平方向高速行駛,車廂中央的光源發(fā)出一個閃光,閃光照到了車廂的前、后壁,則地面上的觀察者認為該閃光 (選填“先到達前壁”“先到達后壁”或“同時到達前后壁”),同時他觀察到車廂的長度比靜止時變 (選填“長”或“短”)了。 解析:地面上的觀察者認為地面是一個慣性系,閃光向前、后傳播的速度相對地面是相同的,但是在閃光飛向兩壁的過程中,車廂向前行進了一段距離,所以向前的光傳播的路程長些,到達前壁的時間也就晚些,即地面上的觀察者認為該閃光先到達后壁。根據長度的相對性可知: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。故可以得出觀察者觀察到車廂的長度比靜止時變短。 答案:先到達后壁 短,1 2 3 4 5,,,,,,,,