高中物理 第5章 新時(shí)空觀的確立 5_1 電磁場理論引發(fā)的怪異問題 5_2 狹義相對(duì)論的基本原理教師用書 滬科版選修3-4

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5.1　電磁場理論引發(fā)的怪異問題 5.2　狹義相對(duì)論的基本原理 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道經(jīng)典的相對(duì)性原理，知道狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和它的兩個(gè)基本假設(shè).(重點(diǎn)) 2.知道狹義相對(duì)論的幾個(gè)主要結(jié)論.(重點(diǎn)) 3.了解經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的主要區(qū)別，體會(huì)相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響. 4.狹義相對(duì)論兩個(gè)基本假設(shè)的理解與應(yīng)用.(難點(diǎn)) 電磁場理論引發(fā)的怪異問題 1.邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn) (1)經(jīng)典物理的速度合成公式V＝u＋v. (2)1886年邁克耳孫和莫雷利用可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)等裝置，在水平面內(nèi)不同的方位觀察干涉條紋并沒有預(yù)期的移動(dòng).“以太漂移的零結(jié)果”表明：光在任何方向上傳播時(shí)相對(duì)地球的速度都是相同的.即光速是不變的. 2.伽利略相對(duì)性原理 (1)內(nèi)容：力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是等價(jià)的. (2)在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性參考系是否相對(duì)于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng). 1.牛頓定律在慣性系中都成立.(√) 2.經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是不能脫離物質(zhì)而存在的.() 3.邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)尋找“以太”取得了成功.() 牛頓定律在任何參考系中都成立嗎？ 【提示】　不一定.在慣性系中都成立，在非慣性系中牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立. 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. 1.下列說法正確的是(　　) A.物理基本規(guī)律在所有慣性系中都是等價(jià)的 B.在真空中，光的速度與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān) C.在不同的慣性系中，在不同方向上光速大小不同 D.在所有慣性系中，光在真空中沿任何方向傳播的速度都相同 E.經(jīng)典力學(xué)規(guī)律適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體 【解析】　根據(jù)相對(duì)性原理知，物理規(guī)律在所有慣性系中都是等價(jià)的，A正確；根據(jù)光速不變?cè)碇?，B、D正確；根據(jù)邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，C錯(cuò)誤；經(jīng)典力學(xué)只適用于低速和宏觀物體，E錯(cuò)誤. 【答案】　ABD 2.如圖511所示，在列車車廂的光滑水平面上有一個(gè)質(zhì)量為m＝5 kg的小球，正隨車廂一起以20 m/s的速度勻速前進(jìn)，現(xiàn)在給小球一個(gè)水平向前的F＝5 N的拉力作用，求經(jīng)10 s時(shí)，車廂里的觀察者和地面的觀察者看到小球的速度分別是多少？ 圖511 【解析】　對(duì)于車上的觀察者： 小球的初速度v0＝0，加速度a＝＝1 m/s2 10 s時(shí)速度v1＝at＝10 m/s. 對(duì)于地上的觀察者： 方法一：小球初速度v0＝20 m/s 加速度a＝＝1 m/s2 10 s末速度v2＝v0＋at＝30 m/s. 方法二：根據(jù)速度合成法則 v2＝v1＋v0＝(10＋20) m/s＝30 m/s. 【答案】　10 m/s　30 m/s 慣性系與非慣性系的區(qū)分 1.牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠成立的參考系叫慣性系.以勻速直線運(yùn)動(dòng)的汽車、輪船等作為參考系就是慣性系. 2.牛頓運(yùn)動(dòng)定律不能成立的參考系稱為非慣性系.例如，我們坐在加速的車廂里時(shí)，以車廂為參考系觀察路邊的樹木、房屋，它們向后方加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，房屋樹木應(yīng)該受到不為零的合外力作用，但事實(shí)上卻沒有，也就是說牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立.這里加速的車廂就是非慣性系. 狹義相對(duì)論基本原理 1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) (1)狹義相對(duì)性原理：在所有相互做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，物理規(guī)律都是相同的. (2)光速不變?cè)恚涸谒邢嗷プ鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)的慣性參考系中，光在真空中的速度都是相等的. 2.“同時(shí)”的相對(duì)性 (1)絕對(duì)時(shí)空觀：在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察也是同時(shí)的，即時(shí)間是絕對(duì)的. (2)相對(duì)論的時(shí)空觀：“同時(shí)”具有相對(duì)性，即在同一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中觀察可能是不同時(shí)的. 1.靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系是慣性系.(√ ) 2.由于在任何慣性系中力學(xué)規(guī)律都是相同的，因此，研究力學(xué)問題時(shí)可以選擇任何慣性系.(√ ) 3.在不同的慣性系中，光速是不相同的.() 飛船在高空以0.1c的速度向目標(biāo)飛行，在飛船上向目標(biāo)方向發(fā)射一個(gè)光信號(hào)，則在地面的觀察者看來光信號(hào)的速度是1.1c嗎？ 【提示】　由經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理可知，光信號(hào)相對(duì)地面的速度v＝c＋0.1c＝1.1c，但這一結(jié)論是錯(cuò)誤的. 根據(jù)狹義相對(duì)論的假設(shè)，真空中的光速相對(duì)于飛船為c，相對(duì)于地面也為c，對(duì)不同慣性參考系是相同的. 1.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè) (1)第一個(gè)假設(shè)：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的，即自然界不存在特殊的慣性參考系，對(duì)于一切物理現(xiàn)象的描述來說，所有慣性系都是等效的. (2)第二個(gè)假設(shè)：真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的，與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān). 2.對(duì)狹義相對(duì)論兩個(gè)假設(shè)的理解 (1)愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)是相對(duì)論的基礎(chǔ)，對(duì)同時(shí)的相對(duì)性等經(jīng)典力學(xué)所無法解決的問題，應(yīng)緊緊地抓住兩條基本假設(shè)這一關(guān)鍵點(diǎn). (2)真空中對(duì)不同的慣性參考系來說，光速都是相同的. (3)經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論是有一定局限性的，一般只適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng). 3.經(jīng)典理論與相對(duì)論的比較 力學(xué)的相對(duì)性原理指的是力學(xué)現(xiàn)象對(duì)一切慣性系來說，都遵從同樣的規(guī)律；或者說，在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)，一切慣性系都是等價(jià)的、平權(quán)的.因此，無法借助力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段確定慣性系自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 而狹義相對(duì)論指的是物理定律在所有慣性系中都是相同的，因此，各個(gè)慣性系都是等價(jià)的，不存在特殊的絕對(duì)的慣性系.因此，狹義相對(duì)論原理所指范圍更大，內(nèi)容更豐富. 3.關(guān)于狹義相對(duì)論的兩個(gè)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系中都是相同的 D.真空中的光速在不同的慣性參考系中是有差別的 E.光速的大小與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān) 【解析】　狹義相對(duì)論的基本假設(shè)有兩個(gè)，分別是愛因斯坦相對(duì)性原理和光速不變?cè)?選項(xiàng)A、C正確.根據(jù)光速不變?cè)?，E正確. 【答案】　ACE 4.火箭以0.75c的速度離開地球，從火箭上向地球發(fā)射一個(gè)光信號(hào).火箭上測得光離開的速度是c，根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光到達(dá)地球時(shí)地球上測得的光速是多少？根據(jù)狹義相對(duì)性原理呢？ 【解析】　根據(jù)過去熟悉的速度合成法則，光相對(duì)于地球的速度是：v＝c－0.75c＝0.25c.而根據(jù)狹義相對(duì)性原理，光速與光源、觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系，光速仍為c. 【答案】　0.25c　c 求解狹義相對(duì)論有關(guān)問題的技巧 1.愛因斯坦相對(duì)性原理：對(duì)不同的慣性系，物理規(guī)律(包括力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等)都是一樣的. 2.光速不變?cè)恚涸谌魏螒T性系中，光在真空中的速度恒為c，與光源的運(yùn)動(dòng)和觀測者的運(yùn)動(dòng)無關(guān). 在此基礎(chǔ)上相關(guān)問題就會(huì)迎刃而解了.