【成才之路】2014-2015学年高中物理-第15章-第1、2节相对论的诞生时间和空间的相对性课件-

成才之路·物理路漫漫其修远兮吾将上下而求索人教版·选修3-4相对论简介第十五章第一节相对论的诞生第二节时间和空间的相对性第十五章学习目标定位1课堂情景切入2知识自主梳理3重点难点突破4考点题型设计5课后强化作业6学习目标定位※了解同时的相对性※了解长度的相对性和时间间隔的相对性※了解相对论的时空观课堂情景切入古时，有一句得道成仙之语：“洞中方一日，世上已千年。”这句话人们也许认为是一派胡言，但在现实中确有其事，这正是当前欧美科学界热衷探索的超自然现象，称之为“时空隧道”。这也证明在中国古代可能已发现“时空隧道”。知识自主梳理1．惯性系如果_____________定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系。2．经典相对性原理表述一：力学规律在任何___________中都是相同的。表述二：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都______判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做______________运动。表述三：任何惯性系都是________的。经典的相对性原理牛顿运动惯性系不能匀速直线平权1．狭义相对性原理在______________参考系中，一切物理定律都是相同的。2．光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是_______的，光速与光源、观测者间的相对运动_______关系。狭义相对论的两个基本假设不同的惯性相同没有1．“同时”的相对性(1)经典的时空观：在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察______________。(2)相对论的时空观：“同时”具有相对性，即在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中观察_______________。时间和空间的相对性也是相同的不一定同时2．“长度”的相对性(1)经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做______________而不同。(2)相对论的时空观：“长度”也具有________性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比________时的长度小。设相对于静止的观察者认为杆的长度为l0，与杆有相对运动的人认为杆的长度为l，杆相对于观察者的速度为v，则l，l0，v的关系是：l＝_________________。相对运动相对静止l01－vc23．时间间隔的相对性(1)经典的时空观：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是__________。(2)相对论的时间观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是_______的。设Δτ表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的时间间隔，Δt表示相对事件发生地以v高速运动的参考系中观察同样两事件的时间间隔，则它们的关系是：Δt＝_____________。相同的不同Δτ1－vc24．相对论时空观(1)经典时空观：空间和时间是脱离物质存在的，是___________的，空间和时间之间也是________联系的。(2)相对论时空观：空间和时间与物质的___________有关。绝对没有运动状态重点难点突破一、对惯性系和非惯性系的认识1．惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系称为惯性参考系。相对于这个参考系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性参考系。2．非惯性系牛顿定律不能成立的参考系称为非惯性参考系。例如：我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿第二定律，房屋和树木应该受到不为零的合力作用，但事实上没有，也就是牛顿定律不成立，这里的加速车厢就是非惯性参考系。特别提醒：如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？我们通常选大地是惯性参考系，相对于地面静止或做匀速运动的物体都是惯性参考系；相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。2014年8月3日，云南鲁甸发生地震灾害，武警总队特派一飞机前往，飞机在某高空做匀速直线运动，投放一包救急物品，灾民看到物品做曲线运动，飞行员看到物品做自由落体运动，物品刚好落在灾民救济处，根据经典时空观，则下列说法正确的是()A．飞机为非惯性参考系B．飞机为惯性参考系C．灾民为非惯性参考系D．灾民为惯性参考系答案：BD解析：物品投放后，仅受重力作用，飞行员看物品是初速度为零的自由落体运动，符合牛顿运动定律，故飞机为惯性参考系，B对；而地面上的人员看物品做初速度不为零的抛体运动，也符合牛顿运动定律，D也对。二、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢”1．“动尺变短”狭义相对论中的长度公式：l＝l01－vc2中，l0是相对于杆静止的观察者测出的杆的长度，而l可以认为是杆沿自己的长度方向以速度v运动时，静止的观察者测量的长度。还可以认为是杆不动，而观察者沿杆的长度方向以速度v运动时测出的杆的长度。2．“动钟变慢”时间间隔的相对性公式：Δt＝Δτ1－vc2，Δτ是相对事件发生地静止的观察者测量同一地点的两个事件发生的时间间隔，而Δt是相对于事件发生地以速度v运动的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。也就是说：在相对运动的参考系中观测，事件变化过程的时间间隔变大了，这叫做狭义相对论中的时间膨胀。3．理解要点(1)时间间隔、长度的变化，都是由于物质的相对运动引起的一种观测效应，它与所选取的参考系有关，物质本身的结构并没有变化。(2)两个事件的时间间隔和物体的长度，必须与所选取的参考系相联系，如果在没有选取参考系的情况下讨论时间的长短及空间的尺寸，是没有任何意义的。特别提醒：以上结论是狭义相对论的必然结论，而狭义相对论的正确性已被实验证实，所以以上结论是高速世界中必然发生的现象，是客观存在的事实，绝不是人们的主观臆造，人们之所以平常观察不到这些现象，是因为我们生活在低速运动的世界里。假设地面上有一火车以接近光速的速度运行，车内站立着一个中等身材的人，站在路旁边的人观察车里的人，观察的结果是()A．这个人是一个矮胖子B．这个人是一个瘦高个子C．这个人矮但不胖D．这个人瘦但不高答案：D解析：人是站着的，路旁的人观察到的车内的人沿车运动的方向上的长度(决定胖瘦)变短了，所以人变瘦。但人在垂直于车运动方向上的长度(决定身高)不变。考点题型设计对光速不变原理的理解如图所示，强强乘坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c，强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光束的传播速度为()A．0.4cD．0.5cC．0.9cD．c解析：由狭义相对论的基本假设：光速不变原理，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，可知D正确。答案：D判断下列说法是否正确()A．在以11000c竖直方向上升的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大B．在以11000c竖直方向上升的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c小C．在以11000c竖直方向上升的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD．在以11000c竖直方向上升的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c答案：CD解析：根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知：真空中的光速相对于火箭的速度为c，相对于地面的速度也为c，即对不同的惯性参考系光速是相同的，因此C、D正确，A、B错误。时间间隔的相对性假如一对孪生兄弟A和B，其中B乘坐速度为v＝0.9c的火箭飞往大角星，而后又飞回地球。根据A在地球上的观测，大角星离地球有40万光年，这次B往返飞行经历时间为80.8年。如果B在离开地球时，他们的年龄都为20岁，试问当B回到地球时，他们的年龄各有多大？解析：设B在飞船惯性系中经历的时间为t′，根据钟慢效应得：t＝t′1－v2c2，即80.8＝t′1－0.92，解得t′＝35.2年。所以B回到地球时的年龄为20＋35.2＝55.2年。A的年龄为100.8岁。答案：A：100.8岁B：55.2岁点评：狭义相对论的几个结论是这一章的重要内容，在对这些结论或公式用于分析和计算时，要注意理解其中各量的意义，切记不可盲目乱套公式。世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟。既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢。这种说法是()A．对的，对各种钟的影响必须相同B．不对，不一定对所有的钟的影响都一样C．A和B分别说明了两种情况下的影响D．以上说法全错答案：A长度的相对性如图，假设一根10m长的梭镖以光速穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的。以下叙述中最好的描述了梭镖穿过管子的情况的是()A．梭镖收缩变短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B．管子收缩变短，因此在某些位置上，梭镖从管子的两端伸出来C．两者都收缩，且收缩量相等，因此在某个位置，管子恰好遮住梭镖D．所有这些都与观察者的运动情况有关解析：如果你是在相对于管子静止的参考系中观察运动着的梭镖，那么梭镖看起来就比管子短，在某些位置梭镖会完全在管子内部，然而当你和梭镖一起运动时，你看到的管子就缩短了，所以在某些位置，你可以看到梭镖两端都伸出管子。答案：D点评：“尺缩”效应公式l＝l01－vc2中的l和l0是具有相对性的，到底是管子收缩变短还是梭镖收缩变短，要看观察者所处的参考系。惯性系S中有一边长为l的正方形，如图所示，从相对S系沿x方向以接近光速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是()答案：C解析：由l＝l01－vc2可知沿速度方向即x方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即y轴上的边长不变，故C对。