2013年沪科物理选修3-4同步课件：5.1电磁场理论引发的怪异问题5.2狭义相对论的基本原理

5.1电磁场理论引发的怪异问题5.2狭义相对论的基本原理核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练5.1~5.2课前自主学案课标定位课标定位学习目标：1.了解经典电磁理论的局限性．2．了解相对论的基本原理．重点难点：相对论的基本原理．课前自主学案一、迈克耳孙——莫雷实验观察干涉条纹没有预期的移动，结果表明“以太”是根本不存在的，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是_______的．这就是迈克耳孙—莫雷实验的以太漂移的零结果．二、电磁理论的“缺陷”伽利略相对性原理指出：对于力学规律来说，一切惯性系都是_______的．相同等价三、狭义相对论的两条公设1．在所有相互做___________运动的惯性参考系中，___________都是相同的，这个假设叫做爱因斯坦相对性原理．2．在所有相互做___________运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是________．这个假设叫________________．匀速直线物理规律匀速直线相等的光速不变原理四、洛伦兹变换x＝x′＋vt′1－v2c2y＝y′z＝z′t＝t′＋vc2x′1－v2c2式中c为光速，这一变换式通常叫做________变换．五、同时的相对性同时的相对性是指：在不同的地点发生的两个事件，在一个惯性系里是同时的，但在另一个惯性系里看来却_______同时的．从爱因斯坦的狭义相对论来看，不存在全宇宙普适的__________概念，也就是说________是相对的，跟观察者所选取的__________有关．洛伦兹不是同时性同时参考系核心要点突破一、迈克耳孙—莫雷实验1．实验装置(如图5－1－1所示)：图5－1－12．实验内容：转动干涉仪，在水平面内不同方向进行光的干涉实验，干涉条纹并没有预期移动．3．实验原理如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，在观察屏上就是亮的；若两束光的光程差不是波长的整数倍，就会有不同的干涉结果．由于M1和M2不能绝对地垂直，所以在观察屏上可以看到明暗相间的条纹．如果射向M1和M2的光速不相同，就会造成干涉条纹的移动．我们知道地球的运动速度是很大的，当我们将射向M的光路逐渐移向地球的运动方向时，应当看到干涉条纹的移动，但实验结果却看不到任何干涉条纹的移动．因此，说明光在任何参考系中的速度是不变的，它的速度的合成不满足经典力学的法则，因此需要新的假设出现，为光速不变原理．二、力学的相对性原理和狭义相对性原理的区别力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的．因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态．而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系．因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富．三、为什么“超光速”不存在根据麦克斯韦的电磁场理论可以直接得到真空中电磁波的速度是光速c.那么此速度相对于哪个参考系？如果它相对于参考系S是正确的，另外还有一个参考系S′，S′相对于S以速度v运动，若依据速度合成法则，光相对于S′的速度应是c－v，或者是c＋v，而不是c，若是c＋v，这不是就存在“超光速”了？事实上由相对论可知，光速为极限速度，是不变的，因此伽利略速度合成法则在这里是不适用的．四、惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系叫惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系．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，根据牛顿定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立，这里加速车厢就是非惯性系．课堂互动讲练例1对“光速不变原理”的理解下面说法正确的是()A．在以11000c竖直方向升空的火箭上向前发出的光，对地速度一定比c大B．在以11000c竖直方向升空的火箭上向后发出的光，对地速度一定比c小C．在以11000c竖直方向升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD．在以11000c竖直方向升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为c【精讲精析】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，对不同的惯性系是相同的，因此C、D正确，A、B错误．【答案】CD【方法总结】本题易误选A、B.原因是按经典力学的相对性原理得出的，而这一结论是错误的，与狭义相对论中光速不变原理相矛盾．变式训练1飞船在高空以110c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？解析：由经典力学的相对性原理可知，光信号相对地面的速度v＝c＋110c＝1.1c，但这一结论是错误的．根据狭义相对论的光速不变原理，真空中的光速相对于飞船为c，相对于地面也为c，对不同惯性参考系是相同的，这一判断已被迈克耳孙—莫雷实验所证实．答案：在地面的观察者看来光信号的速度为c，不是1.1c经典物理学的局限性例2试述当经典力学时空观遇到光速不变的实验事实这一困难时，爱因斯坦是如何解决的，它的意义如何？【精讲精析】爱因斯坦提出了两条基本假设即相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；光速不变原理：不管在哪个惯性系中，测得的真空中的光速都相同，从而解决了上述矛盾．两条基本假设的提出解决了光速不变的困难，同时为狭义相对论的建立奠定了基础．使得人们的时空观发生了重大的变革，使得看似毫无联系的时间与空间紧密地联系在了一起．【答案】见精讲精析【方法总结】经典力学认为，时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的，即绝对时间和绝对空间．变式训练2既然经典力学和电磁场理论赖以支撑的“以太”不存在，经典物理学的正确性应该受到怀疑吗？你认为经典物理学的问题可能出在哪里？解析：经典物理学是物理学的基础，虽然具有一定的局限性，但对于低速、宏观物体来说，仍然是成立的，是不容怀疑的．经典物理学的局限性主要是由于认为时间和空间是分离的，彼此孤立的，实际上时间和空间是不能分开的．答案：见解析例3地面上A、B两个事件同时发生．如图5－1－2所示，对于坐在火箭中沿两个事件发生地点A、B连线飞行的人来说，哪个事件先发生？图5－1－2同时的相对性问题【自主解答】以地面为参考系，A、B两个事件同时发生，即如在A、B连线中点C放一时钟，将同时接收到来自A、B的信号．设想该时钟以与火箭相同的速度飞行，则先接收到来自B的信号，后接收到来自A的信号，即以火箭(或火箭上的人)为参考系，B事件先发生．【答案】B事件先发生【方法总结】事件的同时性因参考系的选择而异．变式训练3利用爱因斯坦理想实验说明同时的相对性．答案：假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶．车厢中央有一个光源发出一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁，这是两个事件．车上的观察者认为两个事件是同时的．在他看来这很好接受，因为车厢是个惯性系，光向前、向后传播的速度相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁，如图所示．车下的观察者则不以为然．他观测到，闪光先到达后壁，后到达前壁．他的解释是：地面也是一个惯性系，闪光向前、向后传播的速度对地面也是相同的，但是在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些，到达前壁的时刻也就晚些，这两个事件不同时．