15-1、2相对论的诞生和时间和空间的相对性

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第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章相对论简介第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4学习导言第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4●情景切入地球上有一对孪生兄弟，哥哥乘飞船遨游太空，弟弟仍留在地球上。相对论告诉我们，当哥哥返回到地球时，遨游太空的哥哥会更年轻！这就是有趣的“双生子佯谬”，它展示了一个全新的时空观。第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4●知识导航本章只是对相对论做了一个简单的介绍，同学们在学习时可以主要了解以下内容：狭义相对论的两个基本假设，时间和空间的相对性，狭义相对论的其他结论，广义相对论简介等知识。本章内容绝大多数是要求同学们了解或知道，更深的内容要到以后继续学习。第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4●学法指导学习本章前应先复习、了解在前面学习过的有关经典力学的局限性内容，在学习中要注意相对论时空观的学习。本章的学习应采用独立思考和交流讨论相结合方法。在学习本章的过程中，还应注意相对论的全面阐述，这要用到较多的高等数学知识，在这里做到了解即可，不必探究。第十五章相对论简介成才之路·物理·人教版·选修3-4●考纲须知内容要求狭义相对论的基本假设Ⅰ质速关系、质能关系Ⅰ相对论质能公式Ⅰ成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节第一节相对论的诞生第二节时间和空间的相对性成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节课堂情景切入知识自主梳理重点难点突破课后强化作业考点题型设计成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节学习目标定位成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节※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成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节课堂情景切入成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节在一节长为L的列车车厢的两端，分别装置一只光信号接收器A和B。当车厢中点处的灯发出一次闪光，向车厢的前、后端传播。若车厢以速度v沿着K系的x轴方向匀速前进，则在车厢中的观察者认为，该闪光分别传播到A和B所经过的距离相等，A和B应同时接收到该光信号；可是，在地面上的观察者认为，当光信号经过时间t传到B时，由于在这段时间t内车厢相对于地面向前移过了距离vt，所以这时B相对于A要较迟才能接收到光信号。你思考过这个问题吗？成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节知识自主梳理成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节知识点1经典的相对性原理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。牛顿运动惯性系不能匀速直线平权成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节知识点2狭义相对论的两个基本假设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。不同的惯性相同没有成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节知识点3时间和空间的相对性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。也是相同的相对不一定同时成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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。相对运动相对静止成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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＝。l01－vc2成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节3．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。相同的不同成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节设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＝。Δτ1－vc2成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节4．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。绝对没有运动状态成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节重点难点突破成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节一、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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节特别提醒：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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节2012年7月21日北京连降暴雨，致使部分地区受灾，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()成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节解析：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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节二、怎样理解“动尺变短”和“动钟变慢”1．怎样理解“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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节2．怎样理解“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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节特别提醒：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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节解析：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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节考点题型设计成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节题型1对光速不变原理的理解如图所示，2012年6月18日“神舟九号”飞船在高空以0.1c的速度向“天宫一号”飞行，宇航员刘旺从飞船上向“天宫一号”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？成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节解析：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＋0.1c＝1.1c，但根据狭义相对论中的光速不变原理，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，这一判断被麦克耳孙——莫雷实验所证实。答案：在地面的观察者看来光信号的速度还是c，不是1.1c。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节点评：经典力学的结论是有一定局限性的，一般只适用于宏观物体的低速运动。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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小成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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：根据光速不变原理可知C、D正确。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节题型2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？成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节解析：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岁成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节点评：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。成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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()成才之路·物理·人教版·选修3-4第十五章第一节第二节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成才之路·物理·人教版·选修3-4第