《高中物理选修34课件15.1.2相对论的诞生.时间和空间的相对性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理选修34课件15.1.2相对论的诞生.时间和空间的相对性（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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,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。,牛顿运动,匀速直线,力学,惯性,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 _。 (2)两个基本假设:,一样的,惯性,物理,相同,【自我思悟】 如何判断一个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系? 提示: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
2、;相对于地面做变速运动的物体都是非惯性参考系。,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
3、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,【自我思悟】 1.运动的时钟变慢是不是因为时钟的构造因运动而发生了改变? 提示:运动的时钟变慢是在两个不同的惯性系中进行时间比较的一种效应,不是因为时钟的结构或精度因运动而发生了改变。,2.怎样理解“同时”的相对性? 提示:“同时”是指两个事件发生的时刻是相同的,“相同”是观察者得出的结论,不同的观察者观察到的结果是不“相同”的。,3.为什么在日常生活中我们觉察不到参考系中同时的相对性呢?在什么情况下,相对论效应比较明显? 提示:在平时生活中,物体运动的速度都非常慢,与光速c相比均可忽略,因此我们觉察不到同
4、时的相对性,相对论的所有效应都不明显,但在参考系速度接近光速(一般都需0.9c以上)时,相对论效应就明显表现出来了。,【盲区扫描】 1.静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。 2.研究力学问题时可以选择任何惯性系,表达式越简单越好。 3.在经典时空观中空间和时间是绝对的,而在狭义相对论时空观中空间和时间与物质的运动状态有关。 4.根据相对论中的假设,光速是不变的。 5.经典物理学认为空间与时间没有联系。,一、经典的相对性原理与狭义相对性原理 对比分析 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
5、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: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。,【微思考】 (1)牛顿运动定律的适用条件是什么? 提示:宏观物体、低速运动和惯性参考系。 (2)伽利略的相对性原理与狭义相对性原理有什么不同? 提示:伽利
6、略的相对性原理认为力学规律在任何惯性系中是相同的;狭义相对性原理认为在不同惯性系中一切物理规律都是相同的。,【题组通关】 【示范题】(多选)(2014日照高二检测)下列说法中正确的 是() A.研究铅球的运动,可以用牛顿定律和运动学公式 B.研究电子的运动可用牛顿定律和运动学公式 C.研究电子运动要用狭义相对性原理,研究铅球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,【解题探究】(1)牛顿运动定律用来处理经典物理学中的_ _、_问题。 (2)电子的运动用_原理来解决。 【规范解答】选A、C。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、
7、微观的运动就无能为力了。显然,铅球的运动可以用牛顿定律来解决;电子的运动则不能用牛顿定律来解决,而要用狭义相对性原理来解决。故A、C正确,B、D错误。,低,速,宏观,狭义相对性,【通关1+1】 1.(2010北京高考)属于狭义相对论基本假设的是:在不同的惯性系中() A.真空中光速不变 B.时间间隔具有相对性 C.物体的质量不变 D.物体的能量与质量成正比,【解析】选A。狭义相对论的基本假设有:(1)狭义相对论的相对性原理:一切彼此做匀速直线运动的惯性参考系,对于描写运动的一切规律来说都是等价的;(2)光速不变原理:对任一惯性参考系,真空中的光速都相等。所以只有A项正确。,2.如图所示,强强乘
8、坐速度为0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速度为0.5c,强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该光束的传播速度为() A.0.4cB.0.5cC.0.9cD.c,【解析】选D。由狭义相对论的基本假设: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,可知D正确。,【变式训练】1.(多选)下列说法正确的是() A.在以 c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 c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 C.在以 c竖直方向上升的火箭上沿水平方向发出的光对地速度为c D.在以 c竖直方向上升的火箭上向任一方向发出的光对地速
9、度都为c,【解析】选C、D。根据狭义相对性原理,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。,2.如图所示,思考以下几个问题: (光速用c表示) (1)若参考系O相对于参考系O静 止,人看到的光速应是多少? (2)若参考系O相对于参考系O以速度v向右运动,人看到的光速应是多少? (3)若参考系O相对于参考系O以速度v向左运动,人看到的光速又是多少?,【解析】根据狭义相对论的光速不变原理:真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。因此三种情况下,人观察到的光速都是c。 答案:(1)c(2)c(3)c,【素养升华】 狭义相对论的相对性原理 力学规律对惯性
10、系来说都是相同的,但是光速是不变的。光速的大小与选取的参考系无关,在任何情况下,真空中的光速都是c。,二、动尺变短与动钟变慢 规律方法 1.“动尺变短”:狭义相对论中的长度公式:l=l0 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。 2.“动钟变慢”:时间间隔的相对性公式:t= 中, 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t是相对于事件发生地以速度v高速运动 的观察者测量同一地点的同样两个事件发生的时间间隔。,3.分析时间间隔和长度变化时应注意的问题: (1)时间间隔、长度的变化,都是
11、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。,4.经典时空观和狭义相对论时空观: (1)经典时空观: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)狭义相对论时空观:空间和时间与物质运动状态有关。,【微思考】 (1)尺子沿任何方向运动其长度都缩短吗? 提示:尺子沿其长度方向运动时缩短,在垂直于运动方向长度不变。 (2)以任何速度运动,时间延缓效应都很显著吗? 提示:不是。当v
12、c时,时间延缓效应显著;当vc时,时间延缓效应可忽略。,【题组通关】 【示范题】地面上长100km的铁路上空有一火箭沿铁路方向以30km/s的速度掠过,则火箭上的人看到铁路的长度应该为多少?如果火箭的速度达到0.6c,则火箭上的人看到的铁路的长度又是多少?,【解题探究】(1)动尺变短在任何速度下都能明显地发生吗? 提示:只有高速(接近光速)时才能明显发生。 (2)当发生动尺变短时如何计算其长度? 提示:由相对论长度公式l=l0 求得。,【规范解答】当火箭速度较低时,长度基本不变,还是100km。 当火箭的速度达到0.6c时,由相对论长度公式l=l0 代入 相应的数据解得:l=100 km=80
13、 km。 答案:100km80 km,【通关1+1】 1某宇航员要到离地球5光年的星球上去旅行，如果希望把这 路程缩短为3光年，则他所乘飞船相对地球的速度为( ) A0.5cB0.6c C0.8cD0.9c 【解析】选C。由ll0 得，35 ，解得v 0.8c。,2.(2013江苏高考)如图所示,两艘飞船A、B沿同一直线同向飞行,相对地面的速度均为v(v接近光速c)。地面上测得它们相距为L,则A测得两飞船间的距离(选填“大于”“等于”或“小于”)L。当B向A发出一光信号,A测得该信号的速度为。,【解析】根据相对论原理,当物体运动速度接近光速时,空间距离会变短,A与B是相对静止的,但相对于地球却
14、以接近光速的速度在飞行,故在地面上测得的距离会比较短,而在飞船上测得的距离会比较长。根据相对论的光速不变原理,A测得信号的速度为光速。 答案:大于光速,【变式训练】(多选)A、B两架飞机沿地面上一足球场的长轴方向在其上空高速飞过,且vAvB,对于在飞机上的人观察结果,下列说法正确的是() A.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的大 B.A飞机上的人观察到足球场的长度比B飞机上的人观察到的小 C.两飞机上的人观察到足球场的长度相同 D.两飞机上的人观察到足球场的宽度相同,【解析】选B、D。由l=l0 (其中l0是相对足球场静止时的长度),可以看出,速度越大,“动尺变短”的效应越明
15、显,选项B正确;但是足球场的短轴与飞机速度方向垂直,所以两飞机上的人观察到足球场的宽度相同。,【素养升华】 应用相对论“效应”解题的一般步骤 (1)应该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,即明确求解静止参考系中的观察结果,还是运动参考系中的观察结果。 (3)应用“尺缩效应公式”或“时间延缓效应公式”进行计算。,【资源平台】狭义相对论的有关分析和计算 【示范题】如图,设惯性系K相对于 惯性系K以速度v= 沿x轴方向运动, 在K系的xy平面内静置一长为 5m、与x轴成30角的杆。试问:在 K系中观察到此杆的长度和杆与x轴的夹角分别为多大?,【标准解答】设杆固有长度为l0,在K系中x方向上: l0 x=l0cos,y方向上:l0y=l0sin,由长度的相对性得 K系中x方向上:lx=l0 x =l0cos y方向上:ly=l0y=l0sin,因此在K系中观测时:l= 代入数据解得l4.79m,31.48 可见,杆的长度不但要缩短,空间方位也要发生变化。 答案:4.79m31.48,
