物理 第5章 新时空观的确立 5.1 电磁场理论引发的怪异问题 5.2 狭义相对论的基本原理同步备课 沪科版选修3-4

第5章5.1 电磁场理论引发的怪异问题5.2 狭义相对论的基本原理学习目标1.理解伽利略相对性原理.2.了解狭义相对论的两条基本公设.3.由伽利略变换和洛伦兹变换体会经典物理学的时空观和狭义相对论的时空观的不同.4.了解同时的相对性和相对论速度变换公式.内容索引自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测自主预习梳理1.迈克耳孙莫雷实验说明，光在任何方向上传播时，相对于地球的速度都是 的.即光速c是 的.2.伽利略相对性原理：对于 规律来说，一切惯性系都是等价的.3.狭义相对论的两条公设为：爱因斯坦 原理和光速 原理.4.同时的相对性经典物理学家认为同时是 的，与参考系无关，狭义相对论的时空观认为同时是 的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是 的.不变相同力学不变相对相对性同时绝对5.相对论速度变换公式若高速运动的飞船相对于地球的速度为v，飞船上的某物体以速度u沿着飞船前进的方向相对飞船运动，那么物体相对于地球的速度u .重点知识探究一、电磁场理论引发的怪异问题导学探究导学探究1.举例说明电磁场理论与经典物理学存在着尖锐的矛盾.答案答案答案一辆车对地做匀速直线运动速度为v，若自车厢后壁发出一个闪光，按照经典物理速度合成公式，这个闪光对地的速度为Vcv.但电磁场理论中光在真空中的传播速度为c，并不涉及参考系问题.2.迈克耳孙莫雷实验说明了什么？答案答案答案说明光速c是不变的.1.按经典物理速度合成公式，一个人在相对地面以速度v运动的车或船上，向前进方向掷出一个相对于自己以速度u运动的球，则球相对地面的速度应为Vuv.2.对光的传播应用了经典的物理速度合成公式后，得出的结果与电磁场理论中“光在真空中的传播速度为c”产生了矛盾.即经典的速度合成公式对电磁学不适用.3.迈克耳孙莫雷实验说明：光在任何方向上传播时，相对地球的速度都是相同的.也就是说，地球相对于“以太”的速度v实际上为零，或者说“以太”根本不存在.光速c是不变的.4.伽利略相对性原理：对于力学规律来说，一切惯性系都是等价的.知识深化知识深化例例1 如图1所示，在列车车厢的光滑水平底面上有一个质量为m5 kg的小球，正随车厢一起以20 m/s的速度匀速前进.现在给小球一个水平向前的F5 N的拉力作用，求经10 s时，车厢里的观察者和地面上的观察者看到小球的速度分别是多少？答案答案10 m/s30 m/s图1解析答案解析解析对车厢里的观察者物体的初速度为0，加速度a 1 m/s2经10 s时，速度v1at10 m/s.对地面上的观察者解法一物体初速度v020 m/s加速度相同a 1 m/s2经10 s时，速度v2v0at30 m/s.解法二根据速度合成法则v2v1v0(1020)m/s30 m/s.二、狭义相对论的两条公设导学探究导学探究1.在伽利略变换中，时间和空间是否有关系，它们与物体的运动有无关系？答案答案答案时间和空间是分离的.时间尺度和空间尺度跟物体运动无关，都是绝对的.2.面对电磁场理论与经典物理学之间出现的矛盾，爱因斯坦对时间和空间又是怎样理解的？答案答案答案爱因斯坦认为，空间和时间在本质上是统一的，空间和时间不是分离的.狭义相对论的两个基本公设狭义相对论的两个基本公设1.爱因斯坦相对性原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，物理规律都是相同的.2.光速不变原理：在所有相互做匀速直线运动的惯性参考系中，光在真空中的速度都是相等的.知识深化知识深化例例2 考虑以下几个问题：(1)如图2所示，参考系O相对于参考系O静止时，人看到的光速应是多少？答案答案c图2解析答案解析解析光速不变原理指的是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.故三种情况下人看到的光速都是c.(2)参考系O相对于参考系O以速度v向右运动时，人看到的光速应是多少？答案答案c答案(3)参考系O相对于参考系O以速度v向左运动时，人看到的光速又是多少？答案答案c如图3所示，一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶，车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照亮了车厢的前壁和后壁.车上的人观察到闪光同时照亮了前后壁吗？地上的人怎么认为？答案三、洛伦兹变换、同时的相对性图3答案答案车上的人认为闪光同时照亮了前后壁，地上的人认为先照亮后壁.1.洛伦兹变换洛伦兹变换知识深化知识深化2.同时的相对性同时的相对性(1)经典物理学家认为：如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一个参考系中观察也一定是同时发生的.即同时是绝对的，与所在的惯性参考系无关.(2)狭义相对论的时空观认为：同时是相对的，即在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系中不一定是同时的，跟观察者所选取的参考系有关.你能够在vc时，由洛伦兹变换得到伽利略变换吗？延伸思考延伸思考答案例例3 如图4所示，沿平直铁路线有间距相等的三座铁塔A、B和C.假想有一列车沿AC方向以接近光速行驶，当铁塔B发出一个闪光，列车上的观测者测得A、C两铁塔被照亮的顺序是A.同时被照亮B.A先被照亮C.C先被照亮 D.无法判断图4解析答案解析解析列车上的观察者看到的是由B发出后经过A和C反射的光，由于列车在这段时间内向C运动，靠近C而远离A，所以列车上的观察者看到C先被照亮，故只有C正确.一列火车正以v50 m/s的速度高速行驶，列车内一乘客以相对列车u5 m/s的速度向前跑，站台上的观察者测得该乘客的速度是uvu55 m/s.若列车的速度是0.9c，乘客的速度是0.5c，那么站台上的观察者测得该乘客的速度为0.9c0.5c1.4c吗？答案四、相对论速度变换公式答案答案不是导学探究导学探究相对论速度变换公式相对论速度变换公式1.公式：设高速行驶的火车的速度为v，车上的人相对火车以速度u运动，人相对地面的速度为u，则知识深化知识深化2.结论：光速c是物体运动速度的极限，且相对任何参考系，光速都是不变的.3.理解：若vc，uc时，可忽略不计，即1 1，相对论速度合成公式可近似变为uvu.例例4 地球上一观察者，看见一飞船A以速度2.5108 m/s从他身边飞过，另一飞船B以速度2.0108 m/s跟随A飞行.求：(1)A上的乘客看到B的相对速度；答案答案1.125108 m/s解析解析A上的乘客看地面上的人以2.5108 m/s向后运动.地面上的人看B以2.0108 m/s向前运动，则A上的乘客看到B的相对速度为 108 m/s1.125108 m/s.解析答案(2)B上的乘客看到A的相对速度.答案答案1.125108 m/s解析解析B上的乘客看到A的相对速度为1.125108 m/s.解析答案课堂要点小结课堂要点小结当堂达标检测1.通常我们把地球和相对于地面静止或匀速运动的参考系看成惯性系，若以下列系统为参考系，则其中属于非惯性系的有A.停在地面上的汽车B.绕地球做匀速圆周运动的飞船C.在大海上匀速直线航行的轮船D.以较大速度匀速运动的磁悬浮列车解析答案解析解析由惯性系和非惯性系的概念可知选B.12342.关于狭义相对论，下列说法不正确的是A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性系中，光在真空中的速度都等于c，与光 源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速度运动的惯性系D.狭义相对论任何情况下都适用解析解析由狭义相对论原理可知D错误.解析答案12343.(多选)下列关于经典力学的时空观，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不变的量值，而与参考 系的选取无关D.经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间、空间与物体的运动无关解析答案解析解析由经典力学时空观内容可知A、B、C、D正确.12344.设想有一艘飞船以v0.8c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿其运动方向抛出一物体，该物体相对于飞船的速度为0.9c，从地面上的人看来，物体的速度为A.1.7c B.0.1c C.0.99c D.无法确定解析答案12341234