2019-2020学年高中物理 第十五章 相对论简介 第1节 第2节 时间和空间的相对性课件 新人教

第1节相对论的诞生第2节时间和空间的相对性学习目标素养提炼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.物理观念：狭义相对论、经典时空观、相对论时空观科学思维：相对性原理科学态度与责任：相对论的建立对人类认识世界的影响01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、经典的相对性原理与狭义相对论的两个基本假设1．经典的相对性原理(1)惯性系：____________定律能够成立的参考系．相对一个惯性系做____________运动的另一个参考系也是惯性系．(2)伽利略相对性原理：________规律在任何________系中都是相同的．2．狭义相对论的两个基本假设(1)实验基础：不论光源与观测者做怎样的相对运动，光速都是____________．牛顿运动匀速直线力学惯性一样的(2)两个基本假设狭义相对性原理在不同的________参考系中，一切________规律都是相同的光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是________的惯性物理相同[思考]爱因斯坦的狭义相对论中的两个基本假设，一是狭义相对性原理，二是光速不变原理．第一个假设说的是在不同的惯性参考系中，一切规律都是相同的，这一条可以认为是假设；但第二条光速不变，已经被大量实验所证实，为什么还是叫假设呢？提示：虽然实验证明了假设所说的内容，但这终归是有限的几次实验．只有再从这两个假设出发，经过逻辑推理(包括数学推导)所得出的大量结论都与事实相符时，它们才能成为真正意义上的原理．二、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也是________的．(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________________的．同时相对不一定是同时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，其长度总比杆________时的长度小．设相对于杆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－vc23．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．(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[判断正误](1)一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点．()(2)一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0.()(3)“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化．()(4)长度、时间的测量结果会随物体与观察者的相对运动状态的改变而改变．()(5)高速运动的飞船中的宇航员发现地面的时钟变慢了．()(6)地面上的人认为两个事件同时发生，而高速运动的飞船中的宇航员却不这么认为．()√××√√√要点一经典的相对性原理与狭义相对性原理[探究导入](1)如图所示，小球相对于参考系O以速度v0向右抛出，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到小球的速度分别为多大？提示：分别是v0、v0－v、v0＋v.(2)如图所示，光源相对于参考系O静止，人相对于参考系O′静止，当参考系O′相对于参考系O′静止、以速度v向右运动和以速度v向左运动时，人观察到的光源发出光的传播速度分别为多大？提示：人观察到的光速都是c.1．惯性系和非惯性系牛顿运动定律能够成立的参考系，这个参考系就叫作惯性系，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，即任何惯性参考系都是平权的．3．相对性原理与电磁规律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．迈克耳孙—莫雷实验证明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的．4．迈克耳孙—莫雷实验(1)实验背景根据麦克斯韦的电磁理论可以直接得到真空中电磁波的速度，并不涉及参考系的问题，也就是说，“电磁波的速度是c”这本身就是电磁规律的一部分，而不是电磁规律应用于某个具体事物的结论．于是，问题出现了：麦克斯韦的电磁理论相对哪个参考系成立？如果它相对参考系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，那么光相对于S′的速度应该是c－v而不是c，好像光速并不是对任何惯性系都一样．(2)实验结论不论光源与观察者做怎样的相对运动，光速都是一样的．[典例1](多选)关于狭义相对论的两个假设，下列说法正确的是()A．在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B．在不同的惯性参考系中，力学规律都一样，电磁规律不一样C．真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的D．物体的位移、速度以及电场强度等物理量可能因所选择的参考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是同样的[解析]狭义相对论的两个假设分别是狭义相对性原理和光速不变原理，选项A、C、D正确．[答案]ACD1．(多选)下列说法正确的是()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．答案：CD2．假设有一天某人坐在“神舟”号飞船上，以0.5c的速度遨游太空，当他打开一个光源时飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为________，飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为________，在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是________．解析：根据狭义相对论的假设，真空中的光速相对于不同的惯性参考系是相同的，即在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c.答案：ccc要点二对“动尺变短”和“动钟变慢”的理解[探究导入]如图所示，一列车以速度v经过站台，站台中部的观察者C看到列车车头正好到达站台最右端的A人时，车尾正好到达站台最左端的B人．(1)若此时站台上的观察者C看到A、B两人同时面向列车举起手中的小红旗，那么站在列车中间的观察者C′看到A、B两人是同时举旗的吗？如果不是同时举旗，他会看到哪个人先举旗？提示：不是同时举旗，他看到A人先举旗．(2)站台上的观察者C看到列车长度刚好和站台长度相同，列车上的观察者C′认为列车长度和站台长度相同吗？如果不相同，他认为列车长还是站台长？(3)假定列车上的观察者C′举起小红旗向站台上的A、B两人挥动致意，他认为自己从举起小红旗到放下小红旗的时间为t，站台上的观察者C观察到他举旗的时间也为t吗？如果不是t，他认为这个时间比t长还是短？提示：列车长度和站台长度不相同，站台要短一些．提示：不是t，他认为这个时间比t长．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－vc2中，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，这叫作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．(3)“动尺变短”和“动钟变慢”是高速世界中必然发生的现象，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．[典例2]在6000m的高空大气层中产生了一个π介子，以速度v＝0.998c飞向地球，π介子在自身静止参考系中的寿命为τ0＝2×10－6s，问在地球上的观察者和π介子静止参考系中的观察者看来，π介子能否到达地球？[解析]在地球参照系，根据时间间隔的相对性有：Δt＝τ01－v2c2地球上的观察者得到π介子的寿命为Δt＝τ01－v2c2＝2×10－61－0.9982s＝3.16×10－5s飞行距离：d＝vΔt＝9461m＞6000m所以π介子可以到达地球．在π介子静止参照系，根据长度的相对性l＝l01－v2c2则π介子到地球的距离为l＝l01－v2c2＝6000×1－0.9982m＝379m需要时间t＝lv＝3790.998×3×108s＝1.27×10－6s＜2×10－6s所以π介子可以到达地球．[答案]可以到达[方法技巧](1)根据本题的计算结果可知，只有当物体的运动速度很高，接近光速时，狭义相对论效应才明显．(2)在相对论公式Δt＝Δτ1－v2c2，l＝l01－v2c2中，v是观察者相对于被观察者的速度大小．3．一根10m长的梭镖以接近光速的速度穿过一根10m长的管子，它们的长度都是在静止状态下测量的．以下哪种叙述最好地描述了梭镖穿过管子的情况()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情况有关解析：由长度相对性l＝l01－vc2可知，如果你是在相对管子静止的参照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处在管子内部．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．又如你在梭镖和管子之间运动，运动的速度是在梭镖运动的方向上，而大小是其一半，那么梭镖和管子都相对你运动，且速度的大小一样．你看到这两样东西都缩短了，且缩短的量相同．所以你看到的一切都是相对的——依赖于你所选的参照系．答案：D4．设有宇宙飞船A和B，固有长度均为L0＝100m，沿同一方向匀速飞行，在飞船B上观测到飞船A的船头、船尾经过飞船B的船头的时间间隔为53×10－6s，求飞船B相对飞船A的速度的大小．已知真空中光速为c.答案：0.196c解析：经分析可知飞船B是以飞船A为参考系的，设飞船B相对飞船A的速度为v，根据题意有v＝LΔt＝L01－v2c2Δt解得飞船B相对飞船A的速度v≈0.196c.1．下列说法中正确的是()A．相对性原理能简单而自然地解释电磁学的问题B．在真空中，