2020版高中物理 第十五章 1 相对论的诞生 2 时间和空间的相对性课件 新人教版选修3-4

第十五章相对论简介1相对论的诞生2时间和空间的相对性[学习目标]1.知道经典的相对性原理,知道狭义相对论的实验基础和它的两个基本假设;2.知道狭义相对论的几个主要结论;3.了解经典时空观与相对论时空观的主要区别,体会相对论的建立对人类认识世界的影响.课前预习感悟新知教材探究知识点一相对论的诞生[问题导学]在一艘大船密闭的船舱里,你能否通过观察自由释放的小球的运动判断大船是静止还是匀速行驶?答案:不能.因为不论大船是静止,还是匀速行驶,观察到小球的运动都是相同的,都落在释放点的正下方.[知识梳理]1.经典的相对性原理(1)惯性系:定律能成立的参考系.相对一个惯性系做运动的另一个参考系也是惯性系.(2)相对性原理:力学规律在任何中都是相同的.即在一个________________内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动;或者说,任何都是平权的.2.狭义相对论的两个基本假设(1)狭义相对性原理:在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.(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相同的.牛顿运动匀速直线惯性系惯性参考系惯性参考系知识点二时间和空间的相对性[问题导学](1)如图所示,假设杆MN沿着车厢的运动方向固定在火车上,且与火车一起运动,火车上的人测得杆的长度与地面上的人测得杆的长度相同吗?答案:(1)不同.(2)某人在这列火车上拍了两下桌子,火车上的人观测的两次拍桌子的时间间隔与地面上的人观测的时间间隔相同吗?答案:(2)不同.[知识梳理]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是同时的.(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是同时的.2.长度的相对性(尺缩效应)(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.一定不一定相对运动(2)相对论的时空观:“长度”具有相对性.一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比时的长度小,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化.设杆静止时长度为l0,杆沿自身长度方向运动速度为v,那么它这样运动时的长度l与l0和v的关系是l=.3.时间间隔的相对性(1)经典的时空观:某两个事件,在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔总是的.杆静止l021()vc相同(2)相对论的时空观: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表示与事件发生地相对静止的观察者观测的时间间隔,Δt表示与事件发生地相对运动(速度为v)的观察者观察同样事件的时间间隔,则它们的关系是:Δt=________________.不同21()vc4.相对论的时空观(1)经典时空观:空间和时间是脱离物质而存在的,是绝对的,空间与时间之间也是没有联系的.(2)相对论时空观则认为空间和时间与物质的有关,是相对的.运动状态思考判断1.牛顿运动定律在任何情况下都成立.()2.狭义相对论的两个基本假设仅仅是猜想而已,没有任何依据.()3.相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题.()4.迈克耳孙—莫雷实验得出的结果是:不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是一样的.()5.狭义相对论认为:长度也具有相对性,在垂直于运动方向上,杆的长度发生尺缩效应.()6.狭义相对论认为:某两个事件在不同的惯性参考系中观察,它们的时间间隔相同.()×××√××要点一经典的相对性原理与狭义相对论课堂探究突破要点1.惯性系和非惯性系:牛顿运动定律能够成立的参考系为惯性系,相对于这个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系称为非惯性系.2.伽利略相对性原理:力学规律在任何惯性系中都是相同的.3.相对性原理与电磁规律(1)根据麦克斯韦的电磁理论,真空中的光速在任何惯性系中都是一个常量,但是按照伽利略的相对性原理,在不同惯性系中的光速应是各不相同的.(2)迈克耳孙—莫雷实验证明:不论光源与观察者做怎样的相对运动,光速都是相同的.4.爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设(1)在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.[例1](多选)下面关于伽利略相对性原理的说法中正确的是()A.力学规律在任何参考系中都是相同的B.惯性系就是静止不动的参考系C.如果牛顿运动定律在某个参考系中成立,这个参考系叫做惯性系.相对一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系D.力学规律在任何惯性系中都是相同的CD解析:伽利略相对性原理是指力学规律在任何惯性参考系中都是相同的.这里的参考系是有条件的,即必须是惯性参考系.非惯性参考系是不适合的,而惯性参考系并不仅指静止的参考系,相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系,所以选项A,B错误,C,D正确.[针对训练1](多选)判断下列说法正确的是()A.在以11000c的速度竖直向上升空的火箭上向前发出的光,对地速度一定大于cB.在以11000c的速度竖直向上升空的火箭上向后发出的光,对地速度一定小于cC.在以11000c的速度竖直向上升空的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为cD.在以11000c的速度竖直向上升空的火箭上向任一方向发出的光对地速度都为cCD解析:根据狭义相对论的基本假设——光速不变原理可知火箭上发出的光相对于火箭的速度为c,相对于地面的速度也为c,因此C,D正确,A,B错误.要点二时间和空间的相对性1.几个主要结论相对事件发生地或物体静止的参考系中观察相对事件发生地或物体运动的参考系中观察“同时”的相对性事件同时但不同地点发生事件不同时发生时间间隔的相对性两个事件发生的时间间隔为Δτ两事件发生的时间间隔变大Δt=21()vc长度的相对性杆的长度为l0若参考系沿杆的方向运动,观察到的杆的长度减小l=l021()vc2.几个结论的理解要点(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.[例2]如图所示,某车沿水平方向高速行驶,车厢中央的光源发出一个闪光,闪光照到了车厢的前、后壁,则地面上的观察者认为该闪光(选填“先到达前壁”“先到达后壁”或“同时到达前、后壁”),同时他观察到车厢的长度比静止时变(选填“长”或“短”)了.思路探究:地面上的观察者认为地面是一个惯性系,闪光向前、后传播的速度相对地面是相同的,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,到达前壁的时间也就晚些,即地面上的观察者认为该闪光先到达后壁.根据长度的相对性可知:一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度小.故可以得出观察者观察到车厢的长度比静止时变短了.答案:先到达后壁短规律方法应用相对论“效应”解题的一般步骤(1)通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度.(2)明确求解的问题,即明确是求解静止参考系中的观测结果,还是运动参考系中的观测结果.(3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算.C[针对训练2]如图所示,沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A,B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶,当铁塔B发出一个闪光,列车上的观测者测得A,C两铁塔被照亮的顺序是()A.同时被照亮B.A先被照亮C.C先被照亮D.无法判断解析:因列车沿AC方向接近光速行驶,根据“同时”的相对性,即前边的事件先发生,后边的事件后发生可知C先被照亮.随堂演练检测效果1.根据狭义相对论,以下说法正确的是()A.在不同的惯性系中,真空中光速不变B.在不同的惯性系中,物理规律具有不同的形式C.“同时”具有绝对意义D.物体的长度是绝对的A解析:在不同的惯性系中,真空中的光速不变,一切物理规律都具有相同的形式,选项A正确,B错误;“同时”是相对的,物体的长度也是相对的,选项C,D错误.2.下列说法中正确的是()A.研究铅球的运动,可以用牛顿运动定律和运动学公式B.研究电子的运动可用牛顿运动定律和运动学公式C.研究尘埃运动要用狭义相对性原理,研究电子运动可用牛顿运动定律D.研究铅球和电子的运动都要用牛顿运动定律A解析:以牛顿运动定律为基础的经典物理学处理低速、宏观物体的运动是相当完美的,但对于高速、微观的运动就无能为力了.尘埃和铅球的运动可以用牛顿运动定律来解决,电子的运动则不能用牛顿运动定律来解决,而要用狭义相对性原理来解决.则A正确,B,C,D错误.3.(多选)如图所示,你站在水平木杆AB的中央附近,并且看到木杆落在地面上时是两端同时着地的,所以,你认为该木杆是平着落到了地面上;若此时飞飞正以接近光速的速度从你前面掠过,她看到B端比A端先落地,因而她认为木杆是向右倾斜着落地的.她的看法是()A.正确的B.错误的C.她应感觉到木杆在朝她运动D.她应感觉到木杆在远离她运动AC解析:当飞飞掠过木杆时,在她看来,木杆不仅在下落,而且还在朝她运动.因此,在你看来同时发生的两个事件,在飞飞看来首先在B端发生.因为运动是相对的,对运动的描述取决于选择的参考系.对于你来说木杆是平着下落的,对飞飞来说木杆是向右倾斜着下落的,虽然难以置信,但你和她都是正确的.故A,C正确.