2019-2020学年高中物理 第6章 相对论与天体物理 第1节 牛顿眼中的世界 第2节 爱因斯坦眼

第6章相对论与天体物理第1节牛顿眼中的世界第2节爱因斯坦眼中的世界第6章相对论与天体物理1.知道经典力学相对性原理，知道绝对时空观以及伽利略变换.2.了解迈克尔孙—莫雷实验及其结果.3.理解狭义相对论的两条基本原理，知道其提出的事实依据.（重点）4.知道同时的相对性、时间延缓和长度的收缩效应，并能用其解决简单的问题.（重点＋难点）5.了解相对论速度叠加规律，能用之进行简单计算.一、牛顿眼中的世界1.经典力学的相对性原理通过任何力学实验，都不可能发现惯性系是处于______________，还是在做.也就是说，不可能通过力学实验测得惯性系的.这表明，力学规律在任何惯性系中都是.这个结论称为经典力学的相对性原理.2.绝对时空观（1）在牛顿的世界里，力学规律之所以在系中表达形式都相同，其根本原因是与不会随参考系不同而变化，也就是说是绝对的，这就是绝对时空观.（2）和是经典物理学的支柱.绝对静止状态匀速直线运动绝对速度相同的任何惯性时间空间时间与空间绝对时间绝对空间3.寻找“以太”——迈克尔孙实验（1）19世纪的科学家认为，波是振动在中的传播，光速c是“以太”介质振动的传播速度.“以太”是绝对静止的，可看成是的参考系，光在“以太”中朝各个方向的传播速度皆为.（2）物理学家们设计了多种检验“以太”存在的实验，其中最著名的是迈克尔孙—莫雷实验，但实验结果证明“以太”是________的，这就是迈克尔孙—莫雷实验的“零结果”.介质绝对静止不存在c（1）静止或匀速直线运动的参考系是惯性系.（）（2）由于在任何惯性系中力学规律都是相同的，因此，研究力学问题时可以选择任何惯性系.（）（3）在不同的惯性系中，光速是不相同的.（）提示：（1）√（2）√（3）×二、爱因斯坦眼中的世界1.狭义相对论的两条基本原理（1）狭义相对性原理：物理规律对于所有惯性系都具有_______________.（2）光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的速度________，与和无关.2.狭义相对论中的时间和空间（1）“同时”的相对性：对于一个参考系来说“同时”发生的两件事，对于另一个参考系来说就不一定，这就是“同时”的相对性.相同的形式恒为c光源的运动观测者的运动同时发生了（2）时间的相对性：①同一个物理过程经历的时间，在不同的参考系中测量.与之相对静止的参考系测得的时间最短，称为；与之有相对运动的参考系测得的时间变长，相对速度越大，测得的时间越长，这就是著名的.②设Δt表示静止的惯性参考系中测得的时间，Δt′表示以速度v匀速直线运动的参考系中观察同一事件经历的时间，则它们的关系是Δt＝Δt′1－v2c2.不一定相同固有时时间延缓效应（3）长度的相对性：①在狭义相对论时空观中，长度也与观察者的运动状态有关，不同的观察者将会看到空间两点间的距离是不同的.当空间两点相对观察者静止时测得的长度l0叫.相对观察者沿两点连线方向以速度v运动时测得的长度l变短了，这就是效应.②l0、l、v之间有以下关系l＝l01－v2c2.3.相对论的速度叠加在一维的情况下，u是物体相对静止参考系的速度，v是运动参考系相对静止参考系的速度，u′是物体相对运动参考系的速度，则狭义相对论的速度叠加公式为u＝u′＋v1＋vu′c2.固有长度长度缩短在狭义相对论中，尺子变短只是由于观察者的视觉误差造成的，这种认识是否正确？提示：不正确，在狭义相对论中，尺子变短是由于光速不变原理造成的，与视觉误差没有关系.经典力学的相对性原理及时空观1.经典力学的相对性原理（1）惯性系：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.（2）经典力学相对性原理：①内容：力学规律在任何惯性系中都是相同的.②其他表述：在一个惯性参考系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.2.绝对时空观在经典力学里，时间与空间不会随参考系不同而变化，也就是说时间和空间是绝对的.（1）绝对时间：两个同时发生的事件，不论是静止参考系中的观测者还是匀速直线运动参考系中的观测者，他们测得这两个事件发生的时刻都是相同的.某事件经历的时间不会因参考系不同而不同.可见，“同时”是绝对的，时间也是绝对的，时间永远均匀地流逝着，与物质无关，与运动无关.（2）绝对空间：宇宙中存在一个绝对静止的惯性参考系（简称惯性系），力学规律首先应当能在这个参考系中准确地陈述，这个绝对静止的惯性系与时间无关，永恒不变，它可以脱离物质独立存在.这就是绝对空间概念.（3）经典力学的速度叠加原理：在经典力学中如果某一惯性系相对另一惯性系的速度为v，在此惯性系中有一物体速度为u′，那么，此物体相对另一惯性系的速度是u＝v＋u′.如图所示，在列车车厢的光滑水平面上有一个质量为m＝5kg的小球，正随车厢一起以20m/s的速度匀速前进，现在给小球一个水平向前的F＝5N的拉力作用，求经10s时，车厢里的观察者和地面的观察者看到小球的速度分别是多少？[思路点拨]根据速度的叠加和牛顿第二定律可解决此题.[解析]对车上的观察者：物体的初速度v0＝0，加速度a＝Fm＝1m/s210s时速度v1＝at＝10m/s.对地上的观察者：物体初速度v0＝20m/s，加速度相同a＝Fm＝1m/s2.10s末速度v2＝v0＋at＝30m/s.[答案]10m/s30m/s在两个惯性系中，虽然观察到的结果并不相同，一个10m/s，另一个30m/s，但我们却应用了同样的运动定律和速度合成法则.也就是说，力学规律在任何惯性系中都是相同的.1.（多选）下列关于经典力学的时空观，说法正确的是（）A.经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B.在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件（或物体的运动）所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关C.在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对的不变的量值，而与参考系选取无关D.经典力学的时空观是一个相对的时空观，时间、空间都与物体的运动有关解析：选ABC.经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关.同时也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的，故A、B、C均正确，D错误.狭义相对论的基本原理及时空理论1.狭义相对论基本原理的理解（1）狭义相对论的相对性原理与经典力学的相对性原理的区别：经典力学的相对性原理是指力学规律在任何惯性系中都是相同的.狭义相对论中的相对性原理是指一切客观真实的物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式，各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系.狭义相对论中的相对性原理不再局限于力学规律，但所涉及的参考系仅限于惯性系.（2）光速不变原理：迈克尔孙—莫雷实验的“零结果”说明了企图通过电磁学或光学实验测量地球相对“以太”的绝对运动是不可能的，不存在绝对的静止的惯性系.在不同的惯性系中，在不同的方向上，光在真空中的传播速度都是c.2.对相对论时空观的认识（1）“同时”是相对的A、B两个事件是否同时发生，与参考系的选择有关.汽车以较快的速度匀速行驶，分别以地面和汽车为参考系.一个观察者在地面S′处，另一观察者在汽车车厢中央S处，且S处上方有一闪光光源.当汽车经过S′时，车厢中央的光源发出闪光，对车上的观察者，这个闪光照到车厢前壁和后壁这两个事件是同时发生的；对车下的观察者，他观察到闪光先到达后壁后到达前壁，这两个事件是不同时发生的.（2）长度的相对性（长度缩短效应）长度的测量方法：同时测出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是测出的杆长.如果与杆相对静止的人认为杆长为l0.与杆相对运动的人认为杆长为l.则l＝l01－vc2.一根相对于观测者沿自身长度方向运动的杆，其被测长度总比杆相对观测者静止时的被测长度小，而在与运动方向垂直的方向上，没有这种效应.（3）时间间隔的相对性（时间延缓效应）一个物理过程经历的时间，在不同的参考系中测量不一定相同.与事件发生地相对静止的观察者测出事件的时间间隔为Δt′，与事件发生地相对运动的观察者测得事件的时间间隔为Δt.则Δt＝Δt′1－vc2.3.对相对论速度叠加公式的理解相对论认为，如果一列沿平直轨道高速运行的火车对地面的速度为v，车上的人以速度u′，沿着火车前进的方向相对火车运动，那么这个人相对地面的速度u为u＝u′＋v1＋vu′c2.理解这个公式时应注意：（1）如果火车上的人运动方向与火车的运动方向相反，则u′取负值.（2）如果vc，u′c，这时vu′c2可以忽略不计，此时相对论的速度叠加公式近似变为u＝u′＋v，这就是经典力学的速度叠加公式.（3）此公式只适用于一维情况，如果u′与v的方向垂直或成其他角度，情况比较复杂，该公式不再适用.人马星座a星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016m.设有一宇宙飞船往返于地球和人马星座a星之间.若宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，飞船往返一次需多少时间？如以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？[思路点拨]注意运动的飞船上的时间延缓效应.[解析]以地球上的时钟计算：Δt＝sv＝2×4.3×10160.999×3×108s＝2.87×108s＝9年；若以飞船上的时钟计算：因为Δt＝Δt′1－vc2，所以得Δt′＝Δt1－vc2＝2.87×108×1－0.9992s＝1.28×107s＝0.4年.[答案]9年0.4年2.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，管子恰好遮住梭镖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：选D.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处在管子内部.然而当你和梭镖相对静止时，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.答案为D.典型问题——两种时间观的比较1.经典时空观（1）在同一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性系中也是同时的.（2）在不同的惯性系中观察，一条杆的长度总是相同的.（3）在不同的惯性系中，发生的某两个事件的时间间隔总是相同的.即经典时空观认为：空间和时间脱离物质而存在，是绝对的，空间和时间没有联系，即与物质的运动无关.2.相对论时空观（1）在同一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不同时.（2）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，但在垂直于杆运动的方向上，杆的长度不变.（3）某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔是不同的，两个惯性系的相对速度越大，时间进行得越慢，非但如此，一切物理、化学过程和生命过程都变慢了.即相对论时空观认为：空间和时间与物质运动状态有关.（多选）下列关于经典力学的时空观和相对论时空观的说法正确的是（）A.相对论时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的B.在经典力学的时空观中，时间间隔是相对的，即任何事件（或物体的运动）所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取有关C.在相对论时空观中，空间距离是相对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离与参考系选取有关D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间、物体的运动状态无关[解析]经典的时空观认为，时间、空间均是绝对的，与物体的运动状态无关，同时也是绝对的，即在一个参考系中同时发生的两个事件，在不同参考系中观察也是同时发生的.相对论的时空观