物理 第十五章 相對論簡介 第1節(jié) 相對論的誕生 第2節(jié) 時間和空間的相對性 新人教版選修3-4

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1、物 理選修選修3-4 人教版人教版第十五章相對論簡介相對論簡介 情 景 切 入 地球上有一對孿生兄弟，哥哥乘飛船遨游太空，弟弟仍留在地球上。相對論告訴我們，當(dāng)哥哥返回到地球時，遨游太空的哥哥會更年輕！這就是有趣的“雙生子佯謬”，它展示了一個全新的時空觀。 知 識 導(dǎo) 航 本章只是對相對論做了一個簡單的介紹，在學(xué)習(xí)時可以主要了解以下內(nèi)容：狹義相對論的兩個基本假設(shè)，時間和空間的相對性，狹義相對論的其他結(jié)論 ，廣義相對論簡介等知識。本章內(nèi)容絕大多數(shù)是要求同學(xué)們了解或知道，更深的內(nèi)容要到以后繼續(xù)學(xué)習(xí)。 學(xué) 法 指 導(dǎo) 學(xué)習(xí)本章前應(yīng)先復(fù)習(xí)、了解在前面學(xué)習(xí)過的有關(guān)經(jīng)典力學(xué)的局限性內(nèi)容，在學(xué)習(xí)中要注意相對論

2、時空觀的學(xué)習(xí)。本章的學(xué)習(xí)應(yīng)采用獨立思考和交流討論相結(jié)合方法。在學(xué)習(xí)本章的過程中，還應(yīng)注意相對論的全面闡述，這要用到較多的高等數(shù)學(xué)知識，在這里做到了解即可，不必深入探究。第一節(jié)第一節(jié) 相對論的誕生相對論的誕生第二節(jié)第二節(jié) 時間和空間的相對性時間和空間的相對性了解同時的相對性了解同時的相對性了解長度的相對性和時間間隔的相對性了解長度的相對性和時間間隔的相對性了解相對論的時空觀了解相對論的時空觀1 1課前預(yù)習(xí)課前預(yù)習(xí)2 2課內(nèi)探究課內(nèi)探究3 3素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升4 4課堂達標課堂達標5 5課時作業(yè)課時作業(yè)課課 前前 預(yù)預(yù) 習(xí)習(xí) 1慣性系 如果_定律在某個參考系中成立，這個參考系就叫慣性系。 2經(jīng)典相對

3、性原理 表述一：力學(xué)規(guī)律在任何_中都是相同的。 表述二：在一個慣性參考系內(nèi)進行的任何力學(xué)實驗都_判斷這個慣性系是否相對于另一個慣性系做_運動。 表述三：任何慣性系都是_的。經(jīng)典的相對性原理經(jīng)典的相對性原理牛頓運動牛頓運動 慣性系慣性系 不能不能 勻速直線勻速直線 平權(quán)平權(quán) 1實驗基礎(chǔ) 不論光源與觀測者做怎樣的相對運動，光速都是_。 2兩個基本假設(shè)狹義相對論的兩個基本假設(shè)狹義相對論的兩個基本假設(shè)一樣的一樣的 狹義相對性原理狹義相對性原理在不同的在不同的_參考系中，一切參考系中，一切_規(guī)律都是相同的規(guī)律都是相同的光速不變原理光速不變原理真空中的光速在不同的慣性參考系中都是真空中的光速在不同的慣性參

4、考系中都是_的的慣性慣性 物理物理 相同相同 1“同時”的相對性 (1)經(jīng)典的時空觀：在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察_。 (2)相對論的時空觀：“同時”具有_性，即在同一個慣性系中不同地點同時發(fā)生的兩個事件，在另一個慣性系中觀察_。 2“長度”的相對性 (1)經(jīng)典的時空觀：一條桿的長度不會因為觀察者是否與桿做_而不同。時間和空間的相對性時間和空間的相對性也是相同的也是相同的 相對相對 不一定同時不一定同時 相對運動相對運動 (2)相對論的時空觀：“長度”也具有_性，一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比_時的長度小。 設(shè)相對于靜止的觀察者認為桿的長度為l0，與

5、桿有相對運動的人認為桿的長度為l，桿相對于觀察者的速度為v，則l，l0，v的關(guān)系是：l_。相對相對 靜止靜止 3時間間隔的相對性 (1)經(jīng)典的時空觀：某兩個事件，在不同的慣性系中觀察，它們的時間間隔總是_。 (2)相對論的時間觀：某兩個事件，在不同的慣性參考系中觀察，它們的時間間隔是_的。 設(shè)表示相對事件發(fā)生地靜止的慣性系中觀測的時間間隔，t表示相對事件發(fā)生地以v高速運動的參考系中觀察同樣兩事件的時間間隔，則它們的關(guān)系是：t_。相同的相同的 不同不同 4相對論時空觀 (1)經(jīng)典時空觀：空間和時間是脫離物質(zhì)存在的，是_的，空間和時間之間也是_聯(lián)系的。 (2)相對論時空觀：空間和時間與物質(zhì)的_有關(guān)

6、。絕對絕對 沒有沒有 運動狀態(tài)運動狀態(tài) 判一判 (1)牛頓運動定律在任何情況下都成立。() (2)狹義相對論的兩個基本假設(shè)僅僅是猜想而已，沒有任何依據(jù)。() (3)勻加速運動的參考系可以看作慣性系。() (4)在地面上的人看來，高速運行的動車組在運動方向上會變短，而車中的乘客卻感覺到地面上的人看起來扁一些。() (5)相對論時空觀認為空間和時間與物質(zhì)的運動狀態(tài)無關(guān)。() 選一選 如圖所示，沿平直鐵路線有間距相等的三座鐵塔A、B和C。假想有一列車沿AC方向以接近光速行駛，當(dāng)鐵塔B發(fā)出一個閃光，列車上的觀測者測得A、C兩鐵塔被照亮的順序是() A同時被照亮 BA先被照亮 CC先被照亮 D無法判斷

7、解析：列車上的觀察者看到的是由B發(fā)出后經(jīng)過A和C反射的光，由于列車在這段時間內(nèi)向C運動，而遠離A，所以C的反射光先到達列車上的觀察者，看到C先被照亮，故只有C正確。C 想一想 假設(shè)地面上有一火車以接近光速的速度運行，車內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁邊的人觀察車里的這個人是什么體形？ 答案：是一個中等個子的瘦人 解析：人是站著的，路旁的人觀察到的車內(nèi)的人沿車運動的方向上的長度(決定胖瘦)變短了，所以人變瘦。但人在垂直于車運動方向上的長度(決定身高)不變。課課 內(nèi)內(nèi) 探探 究究 考慮幾個問題： (1)如圖所示，參考系O相對于參考系O靜止時，人看到的光速應(yīng)是多少？ (2)參考系O相對于參考系O以

8、速度v向右運動，人看到的光速應(yīng)是多少？ (3)參考系O相對于參考系O以速度v向左運動，人看到的光速又是多少？ 提示：根據(jù)狹義相對論理論知，光速是不變的，各種情況下光的速度都是c。探究一經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理探究一經(jīng)典的相對性原理與狹義相對性原理 1對慣性系和非慣性系的認識 (1)慣性系 牛頓運動定律能夠成立的參考系稱為慣性參考系。相對于這個參考系做勻速直線運動的另一個參考系也是慣性參考系。 (2)非慣性系 牛頓定律不能成立的參考系稱為非慣性參考系。例如：我們坐在加速的車廂里，以車廂為參考系觀察路邊的樹木房屋向后方加速運動，根據(jù)牛頓第二定律，房屋和樹木應(yīng)該受到不為零的合力作用，但事實上

9、沒有，也就是牛頓定律不成立，這里的加速車廂就是非慣性參考系。 2伽利略相對性原理： 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的。 3相對性原理與電磁規(guī)律： (1)根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，真空中的光速在任何慣性系中都是一個常量，但是按照伽利略的相對性原理，在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的。 (2)邁克耳孫莫雷實驗證明：不論光源與觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的。 4愛因斯坦狹義相對論的兩個基本假設(shè)： (1)在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的； (2)真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的。 特別提醒：如何判斷一個參考系是慣性參考系還是非慣性參考系？我們通常選大地為慣性參考系，相對于地

10、面靜止或做勻速運動的物體都是慣性參考系；相對于地面做變速運動的物體都是非慣性參考系。(多選)關(guān)于狹義相對論的兩個假設(shè)，下列說法正確的是( ) A在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的 B在不同的慣性參考系中，力學(xué)規(guī)律都一樣，電磁規(guī)律不一樣 C真空中的光速在不同的慣性參考中都是相同的 D真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的 解題指導(dǎo)：愛因斯坦的狹義相對性原理是伽利略力學(xué)相對性原理的推廣，不僅包含了力學(xué)規(guī)律，也包含了電磁規(guī)律。 解析：狹義相對論的兩個基本假設(shè)分別是狹義相對性原理和光速不變原理，選項A、C正確。AC 對點訓(xùn)練1如圖所示，強強乘坐速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前

11、方的壯壯，壯壯的飛行速度為0.5c，強強向壯壯發(fā)出一束光進行聯(lián)絡(luò)，則壯壯觀測到該光束的傳播速度為 () A0.4c B0.5c C0.9c Dc 解析：由狹義相對論的基本假設(shè)：光速不變原理，真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，可知D正確。D 世界上各式各樣的鐘：砂鐘、電鐘、機械鐘、光鐘和生物鐘。既然運動可以使某一種鐘變慢，它一定會使所有的鐘都一樣變慢。這種說法對嗎？ 提示：對探究二動尺變短和動鐘變慢探究二動尺變短和動鐘變慢 3分析時間間隔和長度變化時應(yīng)注意的問題 (1)時間間隔、長度的變化，都是由于物質(zhì)的相對運動引起的一種觀測效應(yīng)，它與所選取的參考系有關(guān)，物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)并沒有變化。 (

12、2)兩個事件的時間間隔和物體的長度，必須與所選取的參考系相聯(lián)系，如果在沒有選取參考系的情況下討論時間的長短及空間的尺寸，是沒有任何意義的。特別提醒：特別提醒：不管是不管是“動尺變短動尺變短”還是還是“動鐘變慢動鐘變慢”都是相對觀察者的測量都是相對觀察者的測量結(jié)果而言，而尺子和鐘本身的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。結(jié)果而言，而尺子和鐘本身的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。如圖，假設(shè)一根10 m長的梭鏢以光速穿過一根10 m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的。以下敘述中最好的描述了梭鏢穿過管子的情況的是() A梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它 B管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端伸出來

13、 C兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰好遮住梭鏢 D所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān)D 解析：如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全在管子內(nèi)部，然而當(dāng)你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢兩端都伸出管子。 對點訓(xùn)練2如圖所示，在一個高速轉(zhuǎn)動的巨大轉(zhuǎn)盤上，放著A、B、C三個時鐘，下列說法正確的是() AA時鐘走得最慢，B時鐘走得最快 BA時鐘走得最慢，C時鐘走得最快 CC時鐘走得最慢，A時鐘走得最快 DB時鐘走得最慢，A時鐘走得最快C 素素 養(yǎng)養(yǎng) 提提 升升 1經(jīng)典時空觀 經(jīng)典物理學(xué)認為空

14、間和時間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對的，空間與時間也是沒有聯(lián)系的。 2相對論時空觀 相對論則認為空間和時間與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)。前面已經(jīng)看到，在一個確定的參考系中觀察，運動物體的長度(空間距離)和它上面物理過程的快慢(時間進程)都跟物體的運動狀態(tài)有關(guān)。(多選)如圖所示，你站在水平木桿AB的中央附近，并且看到木桿落在地面上時是兩端同時著地的，所以，你認為這木桿是平著落到了地面上；若此時飛飛小姐正以接近光速的速度從你前面掠過，她看到B端比A端先落地，因而她認為木桿是向右傾斜著落地的。她的看法是() A對的 B錯的 C她應(yīng)感覺到木桿在朝她運動 D她應(yīng)感覺到木桿在遠離她運動AC 解析：當(dāng)飛飛小姐掠過木桿時，在她看來，木桿不僅在下落，而且還在朝她運動，正好象星體朝你的飛船運動一樣。因此，在你看來同時發(fā)生的兩個事件， 在飛飛小姐看來首先在B端發(fā)生；到底在A和B處的兩個事件是同時發(fā)生，還是在B處先發(fā)生？這一問題是沒有意義的。因為運動是相對的，對運動的描述取決于選擇的參考系。對于你來說木桿是平著下落的，對飛飛小姐來說木桿是向右斜著下落的，雖然難以置信，但你和她都是正確的。