高二物理課件 15.1 《相對(duì)論的誕生》 15.2 時(shí)間和空間的相對(duì)性 （人教選修3-4）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 一 經(jīng)典的相對(duì)性原理與狹義相對(duì)性原理 1 慣性系和非慣性系牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系 相對(duì)于這個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系 牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系稱為非慣性系 2 伽利略相對(duì)性原理力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 即任何慣性參考系都是平權(quán)的 3 相對(duì)性原理與電磁規(guī)律根據(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(gè)常量 但是按照伽利略的相對(duì)性原理 在不同慣性系中的光速應(yīng)是各不相同的 邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)證明 不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 光速都是相同的 4 邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn) 1 實(shí)驗(yàn)背景根據(jù)麥克斯韋的電磁理論可以直接得到真空中電磁波的速度 并不需要初始條件 也就是說 電磁波的速度是c 這本身就是電磁規(guī)律的一部分 而不是電磁規(guī)律應(yīng)用于某個(gè)具體事物的結(jié)論 于是 問題出現(xiàn)了 麥克斯韋的電磁理論相對(duì)哪個(gè)參考系成立 如果它相對(duì)參考系S是正確的 另外還有一個(gè)參考系S S 相對(duì)于S以速度v運(yùn)動(dòng) 那么光相對(duì)于S 的速度應(yīng)該是 c v 而不是c 好像電磁規(guī)律不是對(duì)任何慣性系都一樣 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論不論光源與觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 光速都是一樣的 狹義相對(duì)論認(rèn)為 光速c是宇宙中的最大速度 實(shí)際物體無論怎樣加速 其速度只能接近而不能超越光速c 典例1 2010 北京高考 屬于狹義相對(duì)論基本假設(shè)的是 在不同的慣性系中 A 真空中光速不變B 時(shí)間間隔具有相對(duì)性C 物體的質(zhì)量不變D 物體的能量與質(zhì)量成正比 解題指導(dǎo) 解答本題的關(guān)鍵是牢記狹義相對(duì)論基本假設(shè) 要與時(shí)間間隔的相對(duì)性 相對(duì)論質(zhì)量等區(qū)分開來 標(biāo)準(zhǔn)解答 選A 狹義相對(duì)論基本假設(shè) 一是在不同的慣性參考系中 一切物理規(guī)律都是相同的 二是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 即光速不變?cè)?由此可知A屬于狹義相對(duì)論基本假設(shè) 故A正確 B C D錯(cuò)誤 變式訓(xùn)練 下列關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀 正確的是 A 在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中 同時(shí)是絕對(duì)的 即在一個(gè)參考系中的觀察者在某一時(shí)刻觀察到的兩個(gè)事件 對(duì)另一參考系中的觀察者來說也是同時(shí)發(fā)生的B 在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中 時(shí)間間隔是絕對(duì)的 即任何事件 或物體的運(yùn)動(dòng) 所經(jīng)歷的時(shí)間 在不同的參考系中測(cè)量都是相同的 而與參考系的選取無關(guān) C 在經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀中 空間距離是絕對(duì)的 即如果各個(gè)參考系中用來測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)相同 那么空間兩點(diǎn)距離是絕對(duì)不變的量值 而與參考系的選取無關(guān)D 經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀就是一個(gè)絕對(duì)的時(shí)空觀 時(shí)間 空間與物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān) 解析 選A B C D 經(jīng)典的時(shí)空觀認(rèn)為 時(shí)間 空間均是絕對(duì)的 與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān) 同時(shí)也是絕對(duì)的 即在一個(gè)參考系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件 在不同參考系中觀察也是同時(shí)發(fā)生的 故A B C D均正確 變式備選 下列說法正確的是 A 在以豎直方向升空的火箭上向前發(fā)出的光 對(duì)地速度一定比c大B 在以豎直方向升空的火箭上向后發(fā)出的光 對(duì)地速度一定比c小C 在以豎直方向升空的火箭上沿水平方向發(fā)出的光 對(duì)地速度為cD 在以豎直方向升空的火箭上向任一方向發(fā)出的光 對(duì)地速度都為c 解析 選C D 根據(jù)狹義相對(duì)論的基本假設(shè) 光速不變?cè)砜芍?真空中的光速相對(duì)于火箭的速度為c 相對(duì)于地面的速度也為c 對(duì)不同的慣性系是相同的 因此C D正確 A B錯(cuò)誤 二 怎樣理解 動(dòng)尺變短 和 動(dòng)鐘變慢 1 怎樣理解 動(dòng)尺變短 狹義相對(duì)論中的長(zhǎng)度公式 中 l0是相對(duì)于桿靜止的觀察者測(cè)出的桿的長(zhǎng)度 而l可以認(rèn)為是桿沿自己的長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí) 靜止的觀察者測(cè)量的長(zhǎng)度 還可以認(rèn)為是桿不動(dòng) 而觀察者沿桿的長(zhǎng)度方向以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)出的桿的長(zhǎng)度 2 怎樣理解 動(dòng)鐘變慢 時(shí)間間隔的相對(duì)性公式 中 是相對(duì)事件發(fā)生地靜止的觀察者測(cè)量同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔 而 t是相對(duì)于事件發(fā)生地以速度v運(yùn)動(dòng)的觀察者測(cè)量同一地點(diǎn)的同樣兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔 也就是說 在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系中觀測(cè) 事件變化過程的時(shí)間間隔變大了 這叫做狹義相對(duì)論中的時(shí)間膨脹 3 理解要點(diǎn) 1 時(shí)間間隔 長(zhǎng)度的變化 都是由于物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的一種觀測(cè)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 2 兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和物體的長(zhǎng)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(shí)間的長(zhǎng)短及空間的尺寸 是沒有任何意義的 以上結(jié)論是狹義相對(duì)論的必然結(jié)論 而狹義相對(duì)論的正確性已被實(shí)驗(yàn)證實(shí) 所以以上結(jié)論是高速世界中必然發(fā)生的現(xiàn)象 是客觀存在的事實(shí) 絕不是人們的主觀臆造 人們之所以平常觀察不到這些現(xiàn)象 是因?yàn)槲覀兩钤诘退龠\(yùn)動(dòng)的世界里 典例2 地面上長(zhǎng)100km的鐵路上空有一火箭沿鐵路方向以30km s的速度掠過 則火箭上的人看到鐵路的長(zhǎng)度應(yīng)該為多少 如果火箭的速度達(dá)到0 6c 則火箭上的人看到的鐵路的長(zhǎng)度又是多少 解題指導(dǎo) 動(dòng)尺變短只有在高速 接近光速 情況下才能發(fā)生 標(biāo)準(zhǔn)解答 當(dāng)火箭速度較低時(shí) 長(zhǎng)度基本不變 還是100km 當(dāng)火箭的速度達(dá)到0 6c時(shí) 由相對(duì)論長(zhǎng)度公式代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得 l 100 km 80km 答案 100km80km 規(guī)律方法 應(yīng)用相對(duì)論 效應(yīng) 解題的一般步驟首先 應(yīng)該通過審題確定研究對(duì)象及研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度 其次 明確求解的問題 即明確求解靜止參考系中的觀察結(jié)果 還是運(yùn)動(dòng)參考系中的觀察結(jié)果 最后 應(yīng)用 尺縮效應(yīng)公式 或 時(shí)間延緩效應(yīng)公式 進(jìn)行計(jì)算 變式訓(xùn)練 介子是一種不穩(wěn)定粒子 平均壽命是2 6 10 8s 在自己的參考系中測(cè)得 1 如果此粒子相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室以0 8c的速度運(yùn)動(dòng) 那么在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中測(cè)量的 介子壽命多長(zhǎng) 2 介子在衰變前運(yùn)動(dòng)了多長(zhǎng)距離 解析 1 介子在實(shí)驗(yàn)室中的壽命為 2 該粒子在衰變前運(yùn)動(dòng)的距離為x v t 0 8 3 108 4 3 10 8m 10 32m 答案 1 4 3 10 8s 2 10 32m 典例 如圖所示 在列車車廂的光滑水平面上有一質(zhì)量為m 5kg的小球 正隨車廂一起以20m s的速度勻速前進(jìn) 現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的FT 5N的拉力作用 求經(jīng)10s時(shí)間 車廂里的觀察者和地面上的觀察者看到小球的速度分別是多少 標(biāo)準(zhǔn)解答 對(duì)車上的觀察者 小球的初速度為0 加速度a 1m s2 10s末小球的速度v1 at 10m s 對(duì)地上的觀察者 小球的初速度v0 20m s 加速度仍為a 1m s2 10s末小球的速度v2 v0 at 30m s 一 選擇題1 根據(jù)伽利略相對(duì)性原理 可以得到下列結(jié)論 A 任何力學(xué)規(guī)律在慣性系中都是相同的B 同一力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中可能不同C 在一個(gè)慣性參照系里不能用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否在勻速運(yùn)動(dòng)D 在一個(gè)慣性參照系里可以用力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷該參照系是否在勻速運(yùn)動(dòng) 解析 選A C 伽利略的相對(duì)性原理是 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 故選項(xiàng)A正確 B錯(cuò)誤 根據(jù)伽利略相對(duì)性原理的另一種表述 選項(xiàng)C正確 D錯(cuò)誤 2 在一慣性系中觀測(cè) 有兩個(gè)事件同時(shí)不同地 則在其他慣性系中觀測(cè) 結(jié)果是 A 一定同時(shí)B 可能同時(shí)C 不可能同時(shí) 但可能同地D 不可能同時(shí) 也不可能同地 解析 選B 根據(jù) 同時(shí) 的相對(duì)性 故選項(xiàng)B正確 A C D錯(cuò)誤 3 2011 濱州高二檢測(cè) 用相對(duì)論的觀點(diǎn)判斷 下列說法不正確的是 A 時(shí)間和空間都是絕對(duì)的 在任何參考系中一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間和一個(gè)物體的長(zhǎng)度總不會(huì)改變B 在地面上的人看來 以10km s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船中的時(shí)鐘會(huì)變慢 但是飛船中的宇航員卻看到時(shí)鐘是準(zhǔn)確的C 在地面上的人看來 以10km s的速度運(yùn)動(dòng)的飛船在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)變窄 而飛船中的宇航員卻感覺到地面上的人看起來比飛船中的人扁一些D 當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度vc時(shí) 時(shí)間膨脹 和 長(zhǎng)度收縮 效果可忽略不計(jì) 解析 選A 時(shí)間和空間都是相對(duì)的 故選項(xiàng)A的說法錯(cuò)誤 根據(jù) 時(shí)間膨脹 和 長(zhǎng)度收縮 效應(yīng) 選項(xiàng)B C的說法正確 當(dāng)速度v c時(shí) 1 2 1 所以 時(shí)間膨脹 和 長(zhǎng)度收縮 效應(yīng)可忽略不計(jì) 故選項(xiàng)D說法正確 4 2011 蘇州高二檢測(cè) 下列說法中正確的是 A 一條桿的長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橛^察者是否與桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同 這是經(jīng)典物理學(xué)家的觀點(diǎn)B 一條沿自身長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的桿 其長(zhǎng)度總比桿靜止時(shí)的長(zhǎng)度小C 一條桿的長(zhǎng)度靜止時(shí)為l0 不管桿如何運(yùn)動(dòng) 桿的長(zhǎng)度均小于l0D 如果兩條平行的桿在沿自己的長(zhǎng)度方向上做相對(duì)運(yùn)動(dòng) 與它們一起運(yùn)動(dòng)的兩位觀察者都會(huì)認(rèn)為對(duì)方的桿縮短了 解析 選A B D 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)可知 選項(xiàng)A正確 根據(jù) 長(zhǎng)度收縮 效應(yīng) 故選項(xiàng)B D正確 只有在運(yùn)動(dòng)方向上才有 長(zhǎng)度收縮 效應(yīng) 若桿沿垂直桿的方向運(yùn)動(dòng) 則桿的長(zhǎng)度不變 故選項(xiàng)C錯(cuò)誤 5 下列說法中正確的是 A 相對(duì)性原理能簡(jiǎn)單而自然地解釋電磁學(xué)的問題B 在真空中 若物體以速度v背離光源運(yùn)動(dòng) 則光相對(duì)物體的速度為c vC 在真空中 若光源向著觀察者以速度v運(yùn)動(dòng) 則光相對(duì)于觀察者的速度為c vD 邁克耳孫 莫雷實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是 不論光源與觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 光速都是一樣的 解析 選D 相對(duì)性原理簡(jiǎn)單而自然 但在電磁學(xué)的領(lǐng)域里 涉及到相對(duì)哪個(gè)參考系才成立的問題 故選項(xiàng)A錯(cuò)誤 根據(jù)狹義相對(duì)論的光速不變?cè)?故選項(xiàng)B C錯(cuò)誤 D正確 6 2011 朝陽(yáng)區(qū)高二檢測(cè) 某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行 如果希望把這段路程縮短為3光年 則他所乘飛船相對(duì)地球的速度為 A 0 5cB 0 6cC 0 8cD 0 9c 解析 選C 由故選項(xiàng)C正確 方法技巧 尺縮效應(yīng) 在解題中的應(yīng)用方法1 尺縮效應(yīng) 只有在高速運(yùn)動(dòng)的情況下 才有明顯的顯現(xiàn) 2 尺縮效應(yīng) 中長(zhǎng)度的變化是沿運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度變化效應(yīng) 這種長(zhǎng)度的變化僅僅是一種觀察結(jié)果 絕不是物質(zhì)各組成部分的空間尺度變化 3 在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上沒有 尺縮效應(yīng) 7 2011 江蘇高考 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(gè)閃光 列車上的觀測(cè)者測(cè)得A C兩鐵塔被照亮的順序是 A 同時(shí)被照亮B A先被照亮C C先被照亮D 無法判斷 解析 選C 列車上的觀察者看到的是由B出發(fā)后經(jīng)過A和C反射的光 由于列車在這段時(shí)間內(nèi)向C運(yùn)動(dòng)靠近C 而遠(yuǎn)離A 所以C的反射光先到達(dá)列車上的觀察者 看到C先被照亮 故只有C正確 二 非選擇題8 愛因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè) 1 愛因斯坦相對(duì)性原理 2 光速不變?cè)?解析 1 在不同慣性參考系中 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 9 用加速器對(duì)電子進(jìn)行加速 當(dāng)把電子加速到運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量是靜止質(zhì)量的三倍時(shí) 求電子獲得的速度大小是多少 解析 由題意知 m 3m0 代入質(zhì)速方程 2 83 108m s答案 2 83 108m s 10 假如一對(duì)孿生兄弟A和B 其中B乘坐速度為v 0 9c的火箭飛往大角星 而后又飛回地球 根據(jù)A在地球上的觀測(cè) 大角星離地球有40萬光年 這次B往返飛行經(jīng)歷時(shí)間為80 8年 如果B在離開地球時(shí) 他們的年齡都為20歲 試問當(dāng)B回到地球時(shí) 他們的年齡各有多大 解析 設(shè)B在飛船慣性系中經(jīng)歷的時(shí)間為t 根據(jù)鐘慢效應(yīng)得 解得t 35 2年 所以B回到地球時(shí)的年齡為20 35 2 55 2年 A的壽命為100 8歲 答案 A 100 8歲B 55 2歲 Thankyou 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全